解析LED发光效率

发光效率为评测光源效率的指标,用光源发出的光通量 (lm)与向光源输入的电力(W)之比表示。单位为lm/W。

最近,白色LED 的发光效率超过了100lm/W。作为有望继白炽灯和荧光灯之后成为新一代光源的白色LED,其发光效率能否达到与直管型荧光灯的综合效率相同的100lm/W备受关注。发光效率只表示光源的效率,与将光源安装到照明器具上后器具的整体效率(综合效率)是不同的概念。

发光效率是将外部量子效率用视觉灵敏度(人眼对光的灵敏度)来表示的数值。外部量子效率是发射到LED芯片 和封装外的光子 个数相对于流经LED的电子个数(电流)所占的比例。组合使用蓝色LED芯片和荧光体的白色LED的外部量子效率,是相对于内部量子效率(在LED芯片发光层内发生的光子个数占流经LED芯片的电子个数(电流)的比例)、芯片的光取出效率(将所发的光取出到LED芯片之外的比例)、荧光体的转换效率(芯片发出的光照到荧光体上转换为不同波长的比例)以及封装的光取出效率(由LED和荧光体发射到封装外的光线比例)的乘积决定。

在发光层产生的光子的一部分或在LED芯片内被吸收,或在LED芯片内不停地反射,出不了LED芯片。因此,外部量子效率比内部量子效率要低。发光效率为100lm/W的白色LED,其输入电力只有32%作为光能输出到了外部。剩余的68%转变为热能。

今后3年将提高100lm/W

发光效率在2003年之前一直以每年数lm/W的速度缓慢提高。在提高发光效率时,最初未改变荧光体和封装,而是致力于改进芯片技术。具体而言,进行了诸如改善蓝色LED芯片所使用的GaN类半导体 结晶的MOCVD 结晶成长技术等。

从2004年开始,发光效率以每年10～20lm/W的速度提高。由此,从2004年的50lm/W到2008年的100lm/W,4年间提高了50lm/W。这种速度的实现,借助了将原来聚集于成膜技术的芯片技术改进扩展至了整个LED制造工艺那样的重大调整。另外,除了改进芯片技术外,还开始对荧光体进行改善。

68%为热损失

对发光效率为100lm/W的白色LED的能源转换进行模拟的结果。白色LED实现了与荧光灯同等以上的发光效率,但只有输入电力的32%能作为光能输出到外部。剩余的68%转变为了热能。该模拟为向直径5mm的炮弹型白色LED输入62mW电力时的结果。白色LED是通过组合使用蓝色LED芯片和黄色荧光体获得的。

今后,各LED厂商拟将把2008年实现的100lm/W发光效率,提高至2010年的140～170lm,2011年提高至150～200lm/W。也就是说,在发光效率上领先于新加入进来的厂商的LED厂的目标是,平均每年提高30lm/W以上,3年提高100lm/W。LED的发光效率的上限被认为是250lm/W左右,各LED厂商正在挑战能以何种程度逼近上限。

为挑战该上限,LED厂商正在全面导入最新的芯片技术、荧光体技术以及封装技术。芯片技术方面,将继续提高内部量子效率和光取出效率。荧光体方面,除了提高变换效率外,还要采取措施降低因荧光体散射造成的衰减。封装技术方面,要改善材料和构造,以提高光取出效率。

通过同时投入芯片、荧光体和封装领域的多种技术,以高于以往的速度提高发光效率,由此才能应对提前出现的照明用途和快速扩大的背照灯市场。