照明是人类生活和工作的基本条件,照明技术的发展与人类发展的历史共始终。火的发现和利用,使人类摆脱了自然光源的束缚和限制,产生了人造光源,实现了照明技术的第一次革命。此后,人类不断探索更加稳定的照明技术,随着18世纪电的发现和利用(1809年,英国化学家戴维首次由电产生了光;1879年,爱迪生发明了白炽灯,这是人类历史上第一个人造电光源),从此人类从火的照明时代进入电的照明时代,实现了照明技术的第二次革命。由于白炽灯电-光转化效率较低,其后人们不断寻找更加高效的照明技术,20世纪30年代,气体放电产生可见光的技术出现(1938年,美国GE公司的科学家伊曼发明了荧光灯,之后出现了其他各种气体放电灯,如钠灯、汞灯、金卤灯等),实现了照明技术的第三次革命。上述两类电光源是靠通电情况下的白炽化或气体放电来工作的,工作过程涉及高温或斯托克斯位移,因此较大的能量损失是这两种工作原理的固有特性。20世纪末出现的LED照明(也称为半导体照明或固态照明),提供了产生光的另一种方法,它在通电情况下通过注入载流子使过剩电子和空穴复合释放光子,能量损失很小,因此,以其长寿命、高效节能、可调可控等优点,得到广泛应用,引发了照明技术的第四次革命。
LED(Light-Emitting Diode,发光二极管)在照明领域的发展可谓异军突起。最初发明LED并不是以照明为目标的,1907年,Round首次发现碳化硅(SiC)电致可发出微弱黄光,1962年,Holonyak基于磷砷化镓半导体材料发明第一个可见光LED——红光LED,此时商用化的红光LED光效大约为0.1 lm/W,比一般的60~100W白炽灯(15lm/W)低100多倍。随后利用氮掺杂工艺的发展,磷砷化镓器件的效率达到了1lm/W。20世纪70年代,黄光LED、绿光LED相继出现。20世纪80年代,砷化镓、磷化铝的使用催生了第一代高亮度LED,红光LED的光效达到了10lm/W。其后,LED的亮度一直得不到很大提高,而且其发光颜色也比较单调,所以直到20世纪末,LED主要实现显示、指示功能,广泛用于各种信号、数字、文字显示等领域,但LED仍然不够进入照明领域的门槛,原因有三:一是LED还无法发出白光;二是光效低于白炽灯;三是单颗LED的功率小,在十几~几十mW之间,即使光效高也无法输出大的光通量。
蓝光LED的发明是LED进入照明领域的里程碑。1996年,日本Nichia公司科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝光二极管,自此三基色(红色、绿色和蓝色)LED均研制成功,使得LED产生白光成为可能,引发了LED照明的研究与应用热潮,其为此荣获了2014年诺贝尔物理学奖。白光LED主要通过两种方法实现:①利用荧光粉对LED单色光波长进行变换,如YAG荧光粉将蓝光LED的部分蓝光转换成黄光,黄光与未转换的蓝光合成白光;三色荧光粉将紫外光泵浦后会发出三基色光,从而也可合成白光。通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED于2000年研制成功,此后由于这种方法构造简单、成本低廉、技术成熟度高,所以成为制备白光LED的主要方法。②把不同基色的LED所发出的单色光合成,进而实现白光,如用三原色LED芯片或者色光互补的黄、蓝LED芯片合成。这种方法必须精确控制各LED芯片的电流大小才能发出白光,电路复杂,成本较高。(www.daowen.com)
LED照明的白光问题解决后,其单管功率和光效也迅速提升。最初的LED单管功率一般均在几十mW,1999年单管输入功率达1W的LED就商品化,2002年就有5W LED出现,这段时间的LED光效大约为20lm/W。其后,美国Cree公司的LED芯片光效不断提升,成为行业的标杆,其白光LED光效在2003年达到65lm/W,2005年达到70lm/W,2007年达到129lm/W(实验室光效),2008年达到161lm/W,2009年达到186lm/W,2010年达到208lm/W,2011年达到231lm/W,2012年达到254lm/W,2013年达到276lm/W,2014年达到303lm/W,其后基本稳定在这个水平。
在LED芯片突破光色、光效和功率的门槛之后,配套的驱动技术、配光技术、散热技术及灯具集成技术随之跟进,各种LED灯具在照明领域开始得到推广应用,LED照明的独特优点逐渐体现,在全球节能减排浪潮的推动下,LED照明的新时代已经到来。
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