LED发出白光的原理与挑战

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：目前有3种使LED发出白光的方法：1）将二极管发出的波长为λ1的短波长光与磷光体发出的波长为λ2的长波长光结合；2）用二极管发出近紫外光，与1个或几个磷光体相结合；3）用（至少）3个二极管发出不同波长的可见光，并将它们结合形成白光。这种组合使获得色温为5500K的LED成为可能。然而，这大大降低了LED的发光效率。短期内，这项技术将有可能占领白光LED市场。表1-1 用LED产生白光的方法

目前有3种使LED发出白光的方法：

1）将二极管发出的波长为λ₁的短波长光与磷光体发出的波长为λ₂的长波长光结合；

2）用二极管发出近紫外光，与1个或几个磷光体相结合；

3）用（至少）3个二极管发出不同波长的可见光，并将它们结合形成白光。

这几种方法均有各自的优点和缺点。

第1种方法的原理是两个互补色波长（短波长λ₁和长波长λ₂）的光子同时到达人眼时将引起白色光觉（见图1-17）。

图1-17 将波长为λ₁的短波长光与互补色波长为λ₂的光混合可得到白光。所以蓝光pn结与黄色磷光体结合可发出白光

所以主要思想是用一个二极管产生短波长光，并将其用磷光体覆盖^[14]，磷光体吸收几个短光子并将其转换成长波长光。理论上，可能的结合方法是不胜枚举的。在实际中，几家公司（Nishia、CREE、Lumileds等）采用将蓝光二极管（InGaN）与黄光磷光体（YAG-Ce）结合的方法大规模生产大功率LED（目前达到5W）。这种组合使获得色温为5500K的LED成为可能。为了得到色温为3200K的“暖白光”，应添加红光磷光体的附加层。然而，这大大降低了LED的发光效率。

短期内，这项技术将有可能占领白光LED市场。

然而，这种方法有两个突出的缺点：

1）二极管有光环效应，在某些应用中不受欢迎。这归因于二极管发出的定向光，同时磷光体存在“朗伯（Lambertian）”行为（漫射）；

2）黄色磷光体不易吸收蓝色光子，因为很少掺杂金属氧化物。该问题的解决方法似乎很复杂，并且还需要相当多的基础研究。

与磷光体结合的这项技术要产生效率为200lm/W的白光，需要二极管总转换效率为60%^[15]。根据目前为止的报道，波长为450nm时的最高效率为25%～30%。

第2种方法用1个短波长LED与1个或几个磷光体结合，磷光体将紫外光转换为可见光。同样的方法用于荧光灯中。其主要优点是发出的白光品质非常高（显色性好）。

用这种技术产生效率为200lm/W的白光，需要紫外二极管的总效率为70%。产生400nm光子的二极管是存在的，但它们的效率仅仅达到21%。将效率增加至60%～70%是一个艰难的挑战，但鉴于目前的技术这似乎不切实际，虽然这方面的研究活动非常活跃。研制寿命长的、功率适当的高效紫外二极管不仅对于照明、而且对于皮肤医学、表面处理、净化等其他应用来说都是十分重要的问题。如果这项技术成熟，尤其当可靠的高品质磷光体成为可能时，这种方法肯定会成为白光LED的领航者。

最后，第3种方法使用3个LED，每种基色（红、绿、蓝）1个。将3种颜色合成就得到了白光，色温由3种颜色的比例决定。目前使用的光源超过3种，使得色调变化更多或更精确地获得所需的颜色。所以添加青色、黄色或红橙色成为可能，主要目标是改善显色性。

考虑到二极管的尺寸较小，还可设想将复合芯片白光源嵌入某种材料中进行光漫射，目的是改进光源的均匀性。这种方法无需使用磷光体，并且颜色控制的性能更佳。

但这项技术有一大缺点：它需要对光源内几十至几百个二极管进行独立控制，而且每个芯片的供电电压不同，从而增加了整个光源的成本。最后，与传统光源相近的光通量相比，其总表面积大得多。用这种方法实现200 lm/W的效率意味着每种颜色的LED效率应为30%～40%。有关白光LED光谱的更多详情请参考7.3节。

表1-1总结了3种方法的优点和缺点。

表1-1 用LED产生白光的方法

LED发出白光的原理与挑战

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