1.白光LED的发展

自从出现LED以来，人们一直在努力追求实现固体白光照明光源，随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，使白光LED的性能不断完善并进入实用阶段。白光LED的出现，使白光LED应用领域跨足至高效率照明光源市场。白光LED的发展历程如图2-14所示。

图2-14 白光LED的发展历程

目前，已商品化的圆头柱状白光LED大多是利用色互补关系产生的仿真白光，结合了蓝光与黄光之间的色差，加上模拟光容易使人产生一种不协调感，并无法获得高演色性（R_a>90），且高电流时会有色度偏差等问题，这些都是白色LED今后发展仍需努力的方向。

可见光光谱的波长范围为380～760nm，是人眼可感受到的七色光（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫），但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的红光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白色光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色（黄、绿、蓝）合成。由此可见，要使LED发出白色光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的白光LED，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白色光，至少需两种光的混合，即二波长光（蓝色光+黄色光）或三波长光（蓝色光+绿色光+红色光）的混合模式。上述两种模式复合的白色光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光LED的关键技术，即当前各大LED制造厂商追逐的“蓝光技术”。目前，国际上掌握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家，所以白光LED的推广应用，尤其是大功率白光LED在我国的推广还有一个过程。

在1998年，白光LED的光效只有5lm/W，到了1999年已达到15lm/W，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25lm/W，这一指标与卤钨灯相近。预计到2015年时，白光LED的光效可达到150～200lm/W，其工作电流便可达安培级。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽然价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间在10000h以上），几乎无需维护。目前，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯，澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明。可以预见不久的将来，白光LED^一定会进入家庭取代现有的照明灯。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年白光LED开发成功。这种白光LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λ_p=465nm，W_d=30nm），高温烧结制成的含Ce³+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，峰值为550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约为200～500nm。蓝光LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白色光。现在，对于InGaN-YAG白光LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500～10000K的各色白光，白光LED的结构如图2-15所示。图2-16所示为白光LED和普通白炽灯的发光光谱，表2-5列出了白光LED的种类及其发光原理。

图2-15 白光LED的结构

图2-16 白光LED和普通白炽灯的发光光谱

表2-5 白光LED的种类及其发光原理

（续）

从表2-5中可以看出某些种类的白光LED光源离不开4种荧光粉：三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉。在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R、G、B三颜色荧光粉，但此三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。

采用白光LED光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场推广，将会节约大量的电能。近期，白色LED已达到单只用电超过1W，光输出25lm，也增大了它的实用性。表2-6列出了白光LED的长远发展目标。

表2-6 白光LED的长远发展目标

2.白光LED的特点

白光LED是最被看好的LED新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽灯及荧光灯相比，白光LED具有体积小（多只、多种组合）、发热量低（没有热辐射）、耗电量小（低电压、低电流启动）、寿命长（1万h以上）、反应速度快（可在高频操作）、耐振、耐冲击不易破、废弃物可回收、没有污染、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，没有白炽灯的高耗电、易碎及荧光灯废弃物含汞污染等缺点。白光LED与现行照明设备比较见表2-7。白光LED是被业界看好在未来10年内能成为替代传统照明器具的一大潜力产品。

表2-7 白光LED与现行照明设备比较

目前，白光LED仍处于发展阶段，在使用寿命上仍待改进，但基本上没有白炽灯、荧光灯的缺点，价格过高是其未能普及的主要原因。未来白光LED的应用市场将非常广泛，包括手电筒、装饰灯、LCD背光源、汽车照明市场、投影灯源等，不过最被看好的市场以及最大的市场还是通用照明市场。

白光LED的亮度和功率的每一次提高，都进一步扩展了它的应用范围。目前，白色LED在景观照明、庭园灯、汽车照明、中小尺寸的LCD背光源等方面已大量应用。若白光LED以1lm/个单位为基础，每单位降到1元将进入一般家庭的户外照明；当降到0.5元可望进入室内照明、走廊照明等市场；当降到0.25元时将开始置换荧光灯。从发光效率看，一旦跨进60lm/W，相当于20W的荧光灯，白光LED将迅速普及。在未来几年中，白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的各种照明灯具，将正式成为21世纪的照明新光源。

3.白光LED的特性参数

从目前的白光LED产品的机理和结构来看，以下几个特性参数是用来衡量白光LED的优劣的。

（1）白光LED的电流/电压参数（正、反向）(www.daowen.com)

白光LED的电性能具有典型的PN结伏安特性，不同的电流直接影响白光LED的发光亮度和PN结的结温。在照明应用中，为了获得大功率的白光LED，往往将许多LED芯片通过一定的串并联方式组合在一起，相关的各个白光LED的特性必须匹配，在交流工作状态还必须考虑其反向电特性，因此必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降，以及反向漏电流和反向击穿电压等参数。

（2）白光LED的光通量和辐射通量

白光LED单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，也就是光功率（W）。对于照明用白光LED光源，更关心的是照明的视觉效果，即光源发射的辐射通量中能引起人眼感知的那部分量，称作光通量Φ（1m）。辐射通量与LED的电功率之比表示白光LED的辐射效率。

（3）白光LED的光强分布曲线

光强分布曲线是表示白光LED发光在空间各方向的分布状态，在照明应用中，计算工作面的照度均匀性和白光LED的空间布置时，光强分布是最基本的数据，对于空间光束为旋转对称型分布的白光LED，可用一个过光束轴平面上的曲线表示。对光束为椭圆形分布的白光LED，则用过光束轴及椭圆形长短轴的两个垂直平面上的曲线来表示。对于非对称的复杂图形，一般用过光束轴的6个以上截面的平面曲线来表示。

（4）白光LED的光谱功率分布

白光LED的光谱功率分布表示了辐射功率随波长变化的函数，它既确定了发光的颜色，也确定了它的光通量以及它的显色指数。通常用相对光谱功率分布，用S(λ)表示，光谱功率沿峰值两边下降到其值的50%时，所对应的两个波长之差(Δλ＝λ₂−λ₁)即为光谱带。

（5）白光LED色品坐标

三原色红（R）、绿（G）、蓝（B）的x=R/(R+G+B)；y=G/(R+G+B)；z=B/(R+G+B)，由于x+y+z=1，所以只用给出x和y的值，就能唯一地确定一种颜色，这就是通常所说的色度图。若以x、y作为平面坐标系，将自然界中的各种彩色按比色实验法测出其x、y数值，并绘在该坐标平面内，便可得到色度图。该色度图边沿舌形曲线上的任一点都代表某一波长光的色调，而曲线内的任一点均表示人眼能看到的某一种混合光的颜色。其中，白光区域的特征点A、B、C、D、E的坐标值和色温见表2-8。

表2-8 特征点对应的坐标值和色温

（6）白光LED色温和显色指数

对于白光LED等发光颜色基本为“白光”的光源，用色品坐标可以准确地表达该光源的表观颜色。但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起，人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”，比较炽白或稍偏蓝的称为“冷色”，因此用色温来表示光源的光色会更加直观。

光源的发光颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，则称黑体的温度为该光源的色温（color temperature），单位为开（K）。对于白光LED，其发光颜色往往与各种温度下的黑体（完全辐射体）的色品坐标都不可能完全相同，这时就不能用色温表示。为了便于比较，而采用相关色温（CCT）的概念，也就是当光源的色品与完全辐射体在某一温度下的色品最接近，即在1960CIE-UCS色品图上的色品差最小时，则该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温。

用于照明工程的LED，尤其是白光LED，除表现颜色外，更重要的特性往往是周围的物体在LED光照明下所呈现出来的颜色与该物件在完全辐射（如日光）下的颜色是否一致，即所谓的显色特性。

1974年CIE推荐了用“试验色”法来定量评价光源显色性的方法，它是以测量参照光源照明下和待测光源照明下标准样品的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性，用一个显色指数值来表示。CIE规定用完全辐射体或标准照明体D作为参照光源，并将其显色指数定为100，还规定了若干测试用的标准色样。

根据在参照光源下和待测光源下上述标准色样形成的色差来评定待测光源显色性的好坏，光源对某一种标准色样品的显色指数称为特殊显色指数R₁：

R₁=100～4.6ΔE_i （2-21）

式中，ΔE_i为第i号标准色样在参照光源下和待测光源下的色差。

CIE推荐的标准色样共有14种，其第1～8号为中等饱和度、中等明度的常用代表性色调样品，第9～14号样品包括红、黄、绿、蓝等几种饱和色、欧美的皮肤色和树叶绿色。在一些特殊场合使用的LED光源，必须考核其特殊的显色指数。1985年我国制定了“光源显色性评价方法”标准，并增加了中国人女性肤色的色样，作为第15种标准色样。这对于评价在电视演播室、商场、美容场所等照明用LED光源的显色性尤为重要，光源对前8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数R_a。

（7）白光LED的热性能

照明用LED的发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一，与此同时LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。

（8）白光LED辐射安全

目前，国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器，要求进行辐射安全测试和论证。因LED是窄光束、高亮度的发光器件，考虑到其辐射可能对人眼视网膜的危害，因此对于不同场合应用的LED，国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法。目前，在欧盟和美国，照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求执行。

（9）白光LED的可靠性和寿命

可靠性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力，寿命是评价LED产品可用周期的质量指标，通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中，有效寿命是指LED在额定功率条件下，光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间。

1）平均寿命。一批LED同时点亮，当经过一段时间后，LED不亮达到50%时所用的时间。

2）经济寿命。在同时考虑LED损坏以及光输出衰减的状况下，其综合输出减至一特定比例时的小时数，此比例用于室外光源为70%，用于室内光源为80%。