? ? ? ?在其早期化身，固態(tài)照明(SSL)努力與傳統(tǒng)照明競爭，因?yàn)樗前嘿F的，坦率地說，不是很光明。然而，隨著制造商提高了設(shè)備的產(chǎn)量和效率，更好的制造技術(shù)降低了價格，SSL在照明市場的份額迅速擴(kuò)大。

　　如今，來自主要供應(yīng)商的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品提供了前所未有的亮度和功效，盡管可能有更多的增量改進(jìn)，但當(dāng)代產(chǎn)品的性能是這樣的，焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到提高LED燈的“質(zhì)量”。芯片制造商現(xiàn)在花費(fèi)他們的研究資金開發(fā)具有改進(jìn)的顯色指數(shù)(CRI)和有限的相關(guān)色溫(CCT)隨溫度和調(diào)光的變化的產(chǎn)品。

　　本文介紹了當(dāng)代LED如何超越傳統(tǒng)照明在功效方面，而價格差距大幅縮水。文章接著解釋了制造商如何將注意力轉(zhuǎn)向光的質(zhì)量，甚至用戶控制器“顏色調(diào)諧”，以進(jìn)一步增加他們的市場份額。

　　照明燈具簡史

　　許多工程師驚訝地發(fā)現(xiàn)，LED的歷史延續(xù)了一個世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)了1907的電致發(fā)光，當(dāng)時的MrCONH.J.MrCONI實(shí)驗(yàn)室用碳化硅晶體和貓晶須探測器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　然而，第一次關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致今天的高亮度白光LED發(fā)生在1962作為副產(chǎn)品Nick Holonyak Jr.的開發(fā)激光二極管。HeloNok是貝爾實(shí)驗(yàn)室采用的，他研究了用砷化鎵磷化鎵的半導(dǎo)體二極管，當(dāng)他觀察到添加更多的磷到砷化鎵材料中時，它的帶隙增大，使從紅外到可見光的發(fā)射光的波長縮短。由于光不相干，霍利尼亞克的裝置是一個“發(fā)光”二極管而不是激光二極管。

　　進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了不同顏色的LED。然而，從HeloNok在60年代初期的最初發(fā)現(xiàn)，直到90年代初，缺少藍(lán)色裝置(白色光源的關(guān)鍵部件)將LED委托給指示，而不是一般照明的任務(wù)。

　　第二個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)始于1986，當(dāng)時日本名古屋大學(xué)的Isamu Akasaki和Hiroshi Amano提出了一種在藍(lán)寶石襯底上制造氮化鎵(GaN)晶體的方法。其他人已經(jīng)探索了GaN作為發(fā)光半導(dǎo)體的潛力，但沒有人設(shè)法生長出合適質(zhì)量的晶體，或者生產(chǎn)出制造LED結(jié)所需的P型材料。到20世紀(jì)80年代末，Asaki和Amano已經(jīng)破解了這兩個問題。

　　與此同時，為日本化學(xué)公司NIHIA工作的Shuji Nakamura獨(dú)立地與GaN合作作為藍(lán)光LED的基礎(chǔ)。他發(fā)現(xiàn)了比Asaki和阿曼諾更便宜的方法來制造P型材料，通過加熱晶體而不是用電子束轟擊它。

　　后來，NIHIAA研究員NojCi Yasunou NoGui開發(fā)了一種釔鋁石榴石(YAG)磷光體，它可以將藍(lán)色光子轉(zhuǎn)換成黃色，最后，Kensho Sakano將野口的磷光體與藍(lán)色LED芯片結(jié)合在一起制成白色LED。Asaki、阿馬諾和Nakamura因藍(lán)LED的發(fā)明而獲得2014屆諾貝爾物理學(xué)獎(圖1)。

　　藍(lán)色發(fā)光二極管的圖像

　　圖1：藍(lán)色LED使今天的固態(tài)照明產(chǎn)生。

　　Nichia的第一個商業(yè)白光LED從1996可以生產(chǎn)5 LM/W。隨著發(fā)展的強(qiáng)勁，該公司已改善到50 LM/W 2003。這使得固態(tài)照明成為白熾燈泡(具有10至18 LM/W的功效)和其他照明技術(shù)(如緊湊型熒光燈(35至60 LM/W)和熒光管(80至100 LM/W))的可行替代品——盡管在購買P中早期采用者的價格很高。烏爾布里克語

　　自那時起，諸如CREE、歐司朗、飛利浦LUMIDES和漢城半導(dǎo)體等制造商在功效和光度方面都有了進(jìn)一步的快速改進(jìn)。他們的努力的結(jié)果已經(jīng)看到了亮度和功效大約每三年加倍一個趨勢被稱為海茨定律(類似于穆爾定律的CMOS基片)。與此同時，每一流明美元的價格每年下跌20%(圖2)。

　　LED的效能與成本形象

　　圖2：與其他照明技術(shù)相比，LED的功效和成本。

　　現(xiàn)在，在Nichia的第一個白光LED推出20年后，商業(yè)設(shè)備擁有的效率是早期LED的30倍(見技術(shù)區(qū)文章“材料和制造改進(jìn)提高LED效率”)。例如，從各種制造商的最新發(fā)射的審查表明，CREE的XLAMP XP L產(chǎn)生145 LM/W(正向電流1.05 A，正向電壓2.95 V)與飛利浦LuMeon的Luxeon Z(500毫安，2.8伏)產(chǎn)生108 LM/W。對于它而言，漢城半導(dǎo)體提供Z5-M1白色。LED，輸出140 LM/W(350毫安，2.95伏)。(注意這里列出的設(shè)備不一定是直接等效的，只是示例。所有制造商列出了廣泛的LED提供不同的功效和亮度，工程師應(yīng)該檢查數(shù)據(jù)表的全部規(guī)格。

　　注重質(zhì)量

　　由于白光LED的亮度和功效現(xiàn)在很容易滿足消費(fèi)者的期望，制造商已經(jīng)將注意力轉(zhuǎn)移到提高設(shè)備光的“質(zhì)量”，而不是進(jìn)一步增加每瓦特流明的“數(shù)量”。

　　有兩個關(guān)鍵參數(shù)用于量化來自白色LED的光質(zhì)量：CRI和CCT。

　　CRI是一種定量測量光源的能力，與理想光源或自然光源相比，忠實(shí)地再現(xiàn)各種物體的顏色。CRI是由八個CIE標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的色度(或“顏色外觀”)的差異計(jì)算出來的，當(dāng)被測試的光源照射時，CRI由同一CCT的參考光源照射。八個樣品在參考光源和被測光之間的色度平均差越小，CRI越高。(請參閱TealStand文章)什么是顯色指數(shù)，為什么重要?“。”

　　自然光被分類為具有100的CRI，這是最好的可能。白熾燈的CRI在95以上，鹵素?zé)?0或更好，緊湊型熒光燈(CFL)80。今天的LED表現(xiàn)良好，記錄值為80至90。例如，歐司朗的SSL 150白色LED表現(xiàn)出83的CRI。

　　與傳統(tǒng)光源的CRI不匹配，LED制造商已經(jīng)努力工作，以提高其產(chǎn)品的CRI時，與八個標(biāo)準(zhǔn)樣品一起包含一個充滿活力的紅色(R9)。以前，LED在擴(kuò)展的測試記錄分?jǐn)?shù)中的表現(xiàn)很差，因?yàn)槠涔庾V功率分布(SPD)傾向于包括很少的紅色波長，因此，紅色或主要紅色的物體顯得遲鈍。

　　白色LED制造商在一定程度上解決了這一缺陷，通過修改YAG磷光體來增強(qiáng)SPD中的紅色波長，并用藍(lán)色LED替代紫外線以獲得進(jìn)一步的改進(jìn)。

　　新的磷光體確實(shí)影響了器件的功效，但由于LED現(xiàn)在具有如此高的內(nèi)在功效，許多制造商認(rèn)為小損耗是合理的商業(yè)折衷，當(dāng)R9被包括在測試中時，CRI改善CRI。例如，飛利浦LUMIDES LUXEON T范圍包括一個CRI為95的設(shè)備，當(dāng)R9不包含在測試中時，當(dāng)它為90%時。芯片仍然具有82LM/W(2.51V，7700毫安)的功效[參見技術(shù)區(qū)文章“照亮CRI測試的限制”]。

　　極限顏色方差

　　LED制造商也在努力開發(fā)發(fā)光二極管，這些LED發(fā)出的光與傳統(tǒng)光源發(fā)出的照明顏色(或“溫度”)非常接近，以滿足消費(fèi)者的苛刻要求。制造商生產(chǎn)白色LED，其輸出被歸類為“暖白色”(2600至3700 K CCT)、“中性白色”(3700至5000 K CCT)，以及“冷白色”(5000至8300 K CCT)，被分組為“容器”，其包括非常相似顏色輸出的設(shè)備。一個照明設(shè)計(jì)者希望使用一個LED陣列來為他或她的燈具選擇來自同一個容器的設(shè)備，以確保整個陣列的色彩一致性。

　　CCT是用國際委員會(CIE)色度空間(CIE 1931 x，y，z)定義的。LED的輸出位于或接近普朗克軌跡，其對應(yīng)于白熾“黑體”將隨溫度的變化而輻射的顏色(圖3)。

　　CIE XY 1931色度圖的圖像

　　圖3：CIE XY 1931色度圖與PLANKKI軌跡和相關(guān)色溫線。

　　不幸的是，隨著LED的溫度升高，包括構(gòu)成芯片的晶格的原子振動更多，這稍微增加了晶格常數(shù)(晶體的單位晶胞的尺寸)。這又減少了帶隙，這增加了發(fā)射光子的波長。

　　凈效應(yīng)是藍(lán)色LED“光子泵”的輸出略微移動到光譜的紅色端，并且從熒光體發(fā)射的黃色光子反過來受到輕微的影響。SSL的輸出是來自這兩個源的光譜的組合，也被改變了。

　　雖然制造商試圖盡量減少CCT方差由于其產(chǎn)品的溫度，一些漂移是不可避免的。芯片制造商在25°C指定它們的器件的CCT，然后在規(guī)格表中提供特定器件的CCT隨著溫度升高漂移的程度。好消息是，它確實(shí)需要相當(dāng)大的溫度升高才能使CCT移位對人眼明顯。

　　制造商將其產(chǎn)品分組的容器由CIE顏色空間上的四邊形定義，其邊界指示CCT在溫度變得明顯之前隨溫度的變化。例如，CREE XLAMP XP E的數(shù)據(jù)表顯示，如果其結(jié)溫不超過90°C(圖4)，則該器件將不會呈現(xiàn)可感知的CCT位移。

　　CIEE XP E LED色度偏移圖像

　　圖4：CIEE XP E在CIE 1976 L、U′、V′顏色空間中的LED色度偏移。

　　LED在90℃以上的結(jié)溫下運(yùn)行良好，但除了不可接受的CCT換檔之外，高的工作溫度也會縮短LED的壽命，因此設(shè)計(jì)者必須保持足夠的設(shè)備溫度以達(dá)到合理的水平。熱管理(見技術(shù)區(qū)文章“熱效應(yīng)對白光LED色度”)。

　　然而，不僅僅是溫度改變了LED的顏色，模擬調(diào)光——一種廉價的技術(shù)，它對許多傳統(tǒng)光源的調(diào)光很流行——也會影響它。

　　這個問題是因?yàn)樵诮o定的正向電壓下從給定LED發(fā)射的光子的波長不是完全相同的。波長根據(jù)以主頻為中心的鐘形曲線而變化。

　　LED的亮度與正向電流成正比，正向電流又與正向電壓成正比(高于閾值電壓)。事實(shí)證明，減小正向電壓以使LED變暗，使鐘形曲線移動，使得主導(dǎo)頻率發(fā)生在稍短的波長上，改變顏色。

　　制造商已經(jīng)解決了這個問題，通過實(shí)施包含數(shù)字調(diào)光的LED驅(qū)動器。該技術(shù)保持恒定的正向電壓(和正向電流)，但使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來快速地循環(huán)LED的開啟和關(guān)閉。通過改變脈沖串的占空比，可以使光在沒有顏色變化的情況下變暗(見技術(shù)區(qū)文章“數(shù)字調(diào)光解決LED顏色困境”)。

　　二十一世紀(jì)照明

　　盡管制造商保持顏色一致性的成功，一些LED制造商正在尋求利用LED的靈活性，通過積極鼓勵消費(fèi)者改變顏色來區(qū)別他們的產(chǎn)品與傳統(tǒng)照明-但這次是以受控的方式。

　　結(jié)合紅、綠、藍(lán)(RGB)LED是產(chǎn)生白光的另一種方法。然而，由于綠色LED的效能不佳，這些設(shè)備一直難以獲得市場份額，這拖累了整體性能。

　　然而，現(xiàn)在來自飛利浦Luneles的叛逆者ES家族的石灰綠LED(圖5)有助于解決這個問題。石灰綠器件不是純彩色LED，而是藍(lán)色發(fā)射器和專有石灰磷光體的組合，它克服了綠色器件的效率問題。根據(jù)飛利浦LUMIDES的數(shù)據(jù)表，這種藍(lán)色LED /綠色熒光粉組合能夠達(dá)到高達(dá)190 LM/W(2.75 V，350毫安)的功效。

　　飛利浦LUMIDES青綠色LED圖像

　　圖5：飛利浦LUMIDES在彩色可調(diào)應(yīng)用中為其提供RGB綠色發(fā)光二極管。

　　石灰綠色LED被納入飛利浦的色調(diào)燈泡，它適合于標(biāo)準(zhǔn)的燈座，并允許消費(fèi)者使用無線連接的智能手機(jī)或平板電腦應(yīng)用來改變燈泡的輸出。應(yīng)用程序?qū)ED輸出顏色與彩虹調(diào)色板匹配，甚至與用戶喜愛的圖像匹配。

　　其他制造商直接解決了純綠色LED的不良功效。已經(jīng)有一些令人印象深刻的設(shè)備在市場上，例如，Cree的528納米綠色芯片從其XLAMP XP E系列產(chǎn)生84LM/W(3.4V，350mA)。

　　LED正在迅速成熟。該技術(shù)始終具有比傳統(tǒng)照明更具效率和持續(xù)時間更長的潛力，但現(xiàn)在，經(jīng)過多年的研究和商業(yè)化投資，這一承諾已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備的性能優(yōu)于幾乎所有類型的傳統(tǒng)照明和價格繼續(xù)下降。此外，制造商在解決顏色質(zhì)量和一致性方面取得了長足的進(jìn)步，使得LED照明燈具由于溫度或調(diào)光的色調(diào)的任何變化都是不可察覺的。下一步，將鞏固LED作為未來照明技術(shù)，是用戶控制的調(diào)光和色調(diào)，通過智能手機(jī)控制，以適應(yīng)消費(fèi)者的心情。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的制造商将注意力转向轻质量以进一步提高LED市场份额的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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