電光源基本知識

1. 電光源的分類
根據光的產生原理,電光源主要分為兩大類。
A.一類是以熱輻射作為光輻射原理的電光源,包括白熾燈和鹵鎢燈,它們都是以鎢絲為輻射體,通電后使之達到白熾溫度,產生熱輻射。這種光源統稱為熱輻射光源,目前仍是重要的照明光源,生產數量極大。
B.另一類是各種氣體放電光源,它們主要以原子輻射形式產生光輻射。根據這些光源中氣體的壓力,又可分為低氣壓氣體放電光源和高氣壓放電光源。
2 .電光源的性能指標
電光源根據其名稱就可知它主要有光與電兩方面的性能指標,這兩方面的性能指標當然有著密切的聯系。但作為光源,主要還是光的性能指標,而對電的指標也往往注重于它對光性能的影響。
(1) 光通量
光源的光通量表征著光源的發光能力,是光源的重要性指標。光源的額定光通量指光源在額定電壓、額定功率的條件下工作,并能無拘束地發出光的工作環境下的光通量輸出。
光源的光通量隨光源點燃時間會發生變化,即點燃時間越長,光通量因衰減而變得越小。大部分光源在燃點初期光通量衰減較多,隨著燃點時間的增長,衰減也逐漸減小。光源的額定光通量有兩種情況:一種指電光源的初始光通量,即新光源剛開始點燃時的光通量輸出,它一般用于在整個使用過程中光通量衰減不大的光源,例如鹵鎢燈;另一種情況是指光源使用了 100 小時后的光通量輸出,它一般用于光通量衰減較大的光源,例如熒光燈。
(2) 發光效率
光源的光通量輸出與它取用的電功率的比稱為光源的發光效率,簡稱光效,單位是 lm/w 。在照明設計中應優先選用光效高的光源。
(3) 顯色性
顯色性是光源的一個重要性能指標。通常情況下光源一般用顯色指數衡量其顯色性,可概分為 4 組,在對某些顏色有特殊要求時則采用特殊顯色指數。
光源的顯色指數應用示例
(4) 色表
光源的色表是指其表觀顏色,它和光源的顯色性是兩個不同的概念。例如熒光高壓汞燈的燈光從遠處看又白又亮,色表較好,但該燈光下人的臉部呈現青色,說明它的顯色性并不是很好。色表同樣是電光源的重要性能指標。
光源的色表雖然可以用紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等形容詞來表示,但為了定量表示,常用相關色溫來度量。光源的色表可以根據它們的相關色溫分成三類。

LED相關中英文對照

1、襯底技術:LED 襯底 材料;襯底 結構;襯底 拋光;襯底 切割;襯底 摻雜;
襯底(substrate underlayment  substratum)材料(material)結構(structure  formation) 拋光(polishing)切割(cut)摻雜(doping)
2、外延技術:外延 工藝,外延 退火;LED 緩沖層,LED 覆蓋層,LED 量子阱,LED 晶格,LED 接觸層
外延(epitaxial) 工藝(manufacturing process)退火(annealing)緩沖層(buffer layer)覆蓋層(covering layers ;overlay)量子阱(quantum well) 晶格(lattice) 超晶格(superlattice)接觸層(contact layer)
3、芯片技術:芯片 結構;芯片 制造;表面粗糙;外形;光子 晶體;襯底 剝離;襯底 健合;導光結構;劃片;刻蝕;鈍化;電極;
芯片(chip)結構(structure  formation) 制造 (manufacturing,manufacture)表面(surface)粗糙(rough)外形(form;appearance)光子(photon,photonic) 晶體(crystal)剝離(stripping)健合(bond)導光(Light conducting;Guiding light)劃片(dicing)刻蝕(etching)鈍化(Passivation)電極(electrode)
4、封裝技術:封裝體、基座、透鏡、反射體、引線、引線框架、熱沉、白光、熒光粉、測量、導光板、粘結劑、材料、改進、形狀、結構;
封裝(encapsulation;packaging)透鏡(lens)反射體(reflector)引線框架(Leadframe)引線(Lead wire)熱沉(Heat sink)白光(white light)熒光粉(phosphor)測量(measure)導光板(light guide plate;Light conducting plate)粘結劑(adhesive)材料(material)改進(Modified)結構(structure  formation)形狀(shape,form)
5、應用技術:汽車 照明、室內 照明、手機背光源、液晶顯示 背光源
應用(application)汽車(car,automobile,vehicle)室內(Indoors,room)手機(Mobile,cellphone)照明(illumination,lighting)液晶顯示(LCD,liquid crystal display)背光源(Backlight source)
熒光材料:熒光 芯片;熒光 封裝體;熒光基板;熒光 材料 芯片;熒光 反射體;熒光 粘結劑;熒光 導光板;熒光 間隔膜;熒光 有源層;
熒光材料(Fluorescent material)芯片(chip)熒光粉(phosphor)封裝體(package)基板(substrate)材料(material)反射體(reflector)粘結劑(adhesive)導光板(light guide plate;Light conducting plate)間隔膜(diaphragm)有源層(active layer)

改善LED散熱性能的幾個途徑

 由于LED萌生的光線在封裝天然樹脂內反射,假如運用可以變更芯片側面光線挺進方向的天然樹脂材質反射板,則反射板會借鑒光線,使光線的抽取量急速銳減。因為這個,不可少想辦法減低LED芯片的溫度,換言之,減低LED芯片到燒焊點的熱阻抗,可以管用減緩LED芯片降低溫度效用的負擔。
    相關LED的運用生存的年限,例如改用硅質封裝材料與瓷陶封裝材料,能使LED的運用生存的年限增長一位數,特別是白光LED的閃光頻譜包括波長低于450nm短波長光線,傳統環氧氣天然樹脂封裝材料極易被短波長光線毀傷,高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化,依據業者測試 最后結果顯露 蟬聯點燈不到10,000小時,高功率白光LED的亮度已經減低二分之一以上,根本沒有辦法滿意照明光源長生存的年限的基本要求。到現在為止有兩種延長組件運用生存的年限的對策,作別是,制約白光LED群體的溫升,和休止運用天然樹脂封裝形式。
 不過,其實大功率LED 的發卡路里比小功率LED高數十倍以上,并且溫升還會使閃光速率大幅下跌。具體內部實質意義作別是:減低芯片到封裝的熱阻抗、制約封裝至印刷電路基板的熱阻抗、增長芯片的散熱順利通暢性。
  想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題
  相關LED的閃光速率,改善芯片結構與封裝結構,都可以達到與低功率白光LED相同水準。有鑒于此美國Lumileds與東洋CITIZEN等照明設施、LED封裝廠商,一個跟著一個研發高功率LED用簡易散熱技術,CITIZEN在2004年著手著手制作白光LED樣品封裝,不必特別結合技術也能夠將厚約2~3mm散熱裝置的卡路里直接排放到外部,依據該CITIZEN報導固然LED芯片的結合點到散熱裝置的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,并且在普通背景下室溫會使熱阻抗增加1W左右,縱然是傳統印刷電路板無冷卻風扇強迫空冷狀況下,該白光LED板塊也可以蟬聯點燈運用。
  相關閃光特別的性質平均性,普通覺得只要改善白光LED的熒光體材料液體濃度平均性與熒光體的制造技術,應當可以克服上面所說的圍困并攪擾。
  因為增加電力反倒會導致封裝的熱阻抗急速降至10K/W以下,因為這個海外業者以前研發耐高溫白光LED,打算借此改善上面所說的問題。
  固然硅質封裝材料可以保證LED的40,000小時的運用生存的年限,不過照明設施業者卻顯露出來不一樣的看法,主要爭辯是傳統電燈泡與日光燈的運用生存的年限,被定義成“亮度降至30百分之百以下”。亮度減半時間為四萬鐘頭的LED,若換算成亮度降至30百分之百以下的話,大約只剩二萬鐘頭左右。
  普通覺得假如徹底執行以上兩項延壽對策,可以達到亮度30百分之百時四萬鐘頭的要求。因為這個,松下電工研發印刷電路板與封裝一體化技術,該企業將1mm正方形的藍光LED以flip chip形式封裝在瓷陶基板上,繼續再將瓷陶基板粘附在銅質印刷電路板外表,依據松下報道里面含有印刷電路板順德led顯示屏在內板塊群體的熱阻抗約是15K/W左右。所以Lumileds與CITIZEN是采取增長結合點容許溫度,德國OSRAM企業則是將LED芯片設置在散熱裝置外表,達到9K/W超低熱阻抗記錄,該記錄比OSRAM以往研發同級產品的熱阻抗減損40百分之百。值當一提的是該LED板塊 封裝時,認為合適而使用與傳統辦法相同的flip chip形式,然而LED板塊與散熱裝置結合乎時常,則挑選最靠近LED芯片閃光層作為結合面,借此使閃光層的卡路里能夠以最短距離傳導排放。
  以往LED 業者為了取得充分的白光LED 光柱,以前研發大尺寸LED芯片 打算藉此形式達到預先期待目的。如上增長給予電力的同時,不可少想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題。然而,其實白光LED的給予電努力堅持續超過1W以上時光柱反倒會減退,閃光速率相對減低20~30百分之百。換言之,白光LED的亮度假如要比傳統LED大數倍,耗費電力特別的性質逾越日光燈的話,就不可少克服下面所開列四大課題:制約溫升、保證運用生存的年限、改善閃光速率,以及閃光特別的性質平均化。反過來說縱然白光LED具有制約熱阻抗的結構,假如卡路里沒有辦法從封裝傳導到印刷電路板的話,LED溫度升漲的最后結果毅然會使閃光速率急速下跌。
解決封裝的散熱問題才是根本辦法。
  溫升問題的解決辦法是減低封裝的熱阻抗;保持LED的運用生存的年限的辦法是改善芯片外形、認為合適而使用小規模芯片;改善LED的閃光速率的辦法是改善芯片結構、認為合適而使用小規模芯片;至于閃光特別的性質平均化的辦法是改善LED的封裝辦法,這些個辦法已經陸續被研發中。因為環氧氣天然樹脂借鑒波長為400~450nm的光線的百分率高達45%,硅質封裝材料則低于1百分之百,輝度減半的時間環氧氣天然樹脂不到一萬鐘頭,硅質封裝材料可以延長到四萬鐘頭左右,幾乎與照明設施的預設生存的年限相同,這意味著照明設施運用時期不需改易白光LED。然而硅質天然樹脂歸屬高彈性軟和材料,加工時不可少運用不會刮傷硅質天然樹脂外表的制造技術,這個之外加工時硅質天然樹脂極易依附粉屑,因為這個未來不可少研發可以改善外表特別的性質的技術。
  相關LED的長命化,到現在為止LED廠商采取的對策是改變封裝材料,同時將熒光材料散布在封裝材料內,特別是硅質封裝材料比傳統藍光、近紫外線LED芯片上方環氧氣天然樹脂封裝材料,可以更管用制約材質劣化與光線洞穿率減低的速度。
  改變封裝材料制約材質劣化與光線洞穿率減低的速度
  2003年東芝Lighting以前在400mm正方形的鋁合金外表,鋪修閃光速率為60lm/W低熱阻抗白光LED,無冷卻風扇等特別散熱組件前提下,試著制做光柱為300lm的LED板塊。主要端由是電流疏密程度增長2倍以上時,不惟不由得易從大型芯片抽取光線,最后結果反倒會導致閃光速率還不如低功率白光LED的窘境。依據德國OSRAM Opto Semi conductors Gmb實驗最后結果證明,上面所說的結構的LED芯片到燒焊點的熱阻抗可以減低9K/W,約是傳統LED的1/6左右,封裝后的LED給予2W的電力時,LED芯片的結合溫度比燒焊點高18K,縱然印刷電路板溫度升漲到50℃,結合溫度頂多只有70℃左右;相形之下過去熱阻抗一朝減低的話,LED芯片的結合溫度便會遭受印刷電路板溫度的影響。制約白光LED溫升可以認為合適而使用冷卻LED封裝印刷電路板的辦法,主要端由是封裝天然樹脂高溫狀況下,加上強光映射會迅速劣化,沿襲阿雷紐斯法則溫度減低10℃生存的年限會延長2倍 中國照明電器協會 LED照明門戶網站。
  因為散熱裝置與印刷電路板之間的細致精密性直接左右導熱效果,因為這個印刷電路板的預設變得十分復雜。
  為了減低熱阻抗,很多海外LED廠商將LED芯片設置在銅與瓷陶材料制成的散熱裝置(heat sink)外表,繼續再用燒焊形式將印刷電路板的散熱用導線連署到利用冷卻風扇強迫空冷的散熱裝置上。因為東芝Lighting領有浩博的試著制做經驗,因為這個該企業表達因為摹擬剖析技術的進步提高,2006年在這以后超過60lm/W的白光LED,都可以輕松利用燈具、框體增長導熱性,或是利用冷卻風扇強迫空冷形式預設照明設施的散熱,不必特別散熱技術的板塊結構也能夠運用白光LED。
  Lumileds于2005年著手制作的高功率LED芯片,結合容許溫度更高達+185℃,比其他企業同級產品高60℃,利用傳統RF 4印刷電路板封裝時,四周圍背景溫度40℃范圍內可以輸入相當于1.5W電力的電流(約是400mA)。這也是LED廠商完全一樣認為合適而使用瓷陶系與金屬系封裝材料主要端由??v然封裝技術準許高卡路里,然而LED芯片的結合溫度卻可能超過容許值,最終業者終于了悟到解決封裝的散熱問題才是根本辦法。
      三種主流LED封裝散熱結構
      LED封裝光源的散熱問題,一直是LED產品開發中遇到非常重要的問題,特別是散熱材料的選用,一直是工程師的難題。因為產品材料的導熱性能就非常之關鍵。
       就目前而言,陶瓷材料是導熱性能非常好的材料,它有導熱率高,良好的物量性能(不不收縮,不變形),良好的絕緣性能與導熱性能。因此,采用陶瓷材料將是未來LED產品開發的主流趨勢!
      下面對幾種LED封裝常用材料的相關參數、性質及結構進行了對比。并圖解了LED封裝常用陶瓷支架的生產原理。
       從提供的資料看,所用的陶瓷材料是三氧化二鋁,我認為用它替代銅,簡直是技術倒退!除非你打算讓LED的芯片工作到150度以上的溫度。大家實測一下圖中第一和第二種結構芯片的溫度就知道那種陶瓷的不好了。
      大家要明白,電子工業中采用所謂“導熱陶瓷”(實際導熱遠不如銅、鋁等金屬)的目的是什么。并非是它導熱比常用的導熱金屬的導熱能力強,而是在于陶瓷的絕緣性能和低的膨脹系數。當這兩項參數不是問題時,使用陶瓷絕對無益。導熱好的陶瓷導熱性能不如銅,與鋁相當,價格高,加工難,脆性大,不抗震動。
LED熱隔離封裝技術及對光電性能的改善。
       在傳統的白光LED封裝結構中,熒光粉直接涂覆于芯片上面,工作時,芯片釋放的熱量直接加載在熒光粉上面,導致了熒光粉的溫升,使得熒光粉在高溫下轉化效率降低。而在熒光粉與芯片之間引入一層低導熱的熱隔離層能夠有效的阻止芯片的熱量直接加載到熒光粉上,降低了熒光粉層溫度,使得白光LED在大電流注入下都能保持較高的流明效率。除了芯片釋放的熱量之外,涂覆的熒光粉受藍光激發時,因熒光粉的轉化效率尚未達到100%,另外由于散射等其它損耗的存在,熒光粉顆粒本身也會有少量的熱量釋放,容易形成局域熱量累積,為此當熒光粉材料轉化效率較低時,還需為熒光粉提供散熱通道,防止熒光粉顆粒局域熱的生成。下面通過傳統熒光粉涂覆方式和熱隔離封裝方式兩組實驗對比了解兩種結構中芯片和熒光粉的熱相互作用。 
  1.LED芯片對熒光粉的加熱
  為了評價LED芯片對熒光粉熱性能方面的影響,我們制作了兩組白光LED封裝結構,一組采用傳統的熒光粉涂覆方式,另一組采用熱隔離的熒光粉涂覆方式,圖1是該熱隔離封裝結構的剖面制樣圖。
      圖1 傳統白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結構(b),h=1mm[14-16].
  熒光粉熱隔離封裝結構是通過熒光粉覆膜的方式實現的。熒光粉覆膜技術是我們提出的一種新型熒光粉涂覆方法,即根據出光要求設計好熒光粉膜層的結構,在專用模具內完成熒光粉膜層的成型,剝離后,將熒光粉膜層轉移到LED芯片上方,同時LED芯片和熒光粉膜層中間還有一層低導熱系數的硅膠層。為了表明兩種封裝結構熱性能上的差別,我們比較了兩種封裝結構表面的溫度分布圖。圖2是兩種封裝結構在200、350和500mA直流驅動下表面IR Camera測得溫度徑向分布。在200 mA驅動電流下時,熱隔離封裝結構比傳統封裝方式中心溫度低1.6℃。在350mA和500mA注入電流下時,熒光粉層的溫差分別達到了8.5℃和16.8℃,并且在500mA注入電流下時,傳統結構熒光粉的表層最高溫度已經達到130.2℃。另外,熱隔離封裝結構整個熒光粉表層的溫度都很均勻,而傳統結構中熒光粉中心溫度較高,在大電流時尤為明顯。
  我們通過有限元模擬來分析封裝結構中的參數變化對白光LED性能的影響。結果表明,可以通過封裝結構設計及封裝材料熱導率調整來調控熒光粉層的溫度。圖3是LED熱隔離封裝結構中的溫度縱向分布,熒光粉層的溫度通過引入的熱隔離硅膠層大大降低了。 
      圖2 傳統結構和熱隔離結構中熒光粉表面的溫度曲線,紅色為實驗值,藍色為模擬值[14]
      圖3 熱隔離封裝結構中,樣品沿h2方向的徑向溫度分布(h2=1mm)
  綜上所述,降低熒光粉層溫度的有效辦法是在芯片與熒光粉層之間引入低導熱的熱隔離層,尤其對于更大功率的LED器件而言,對熒光粉的熱控制技術顯得尤為重要。
      2.熒光粉局域熱效應
  熒光粉層并不是具有均勻熱導率的單一介質,而是由熒光粉顆粒與低導熱的硅膠混合而成,每顆熒光粉顆粒由硅膠包裹而成。我們的研究結果表明熒光粉顆粒在不同的轉化效率下(即不同的釋熱量)芯片和熒光粉的溫場分布。在熒光粉轉化效率高(>80%)的情況下,熒光粉的溫度主要受芯片加熱的影響。熒光粉距離芯片越近,溫度越高,熱隔離的措施能有效降低熒光粉的溫度。在熒光粉顆粒發熱明顯的情況下,由于包裹熒光粉顆粒是低導熱率的硅膠,熒光粉顆粒會形成局域熱量,使得熒光粉顆粒的溫度升高,甚至超過芯片的溫度。而出現熒光粉局域熱量的條件是熒光粉的低轉化效率,導致熒光粉釋熱大。
  在實際的LED封裝結構中,熒光粉的轉化效率高,熒光粉的溫度主要是由于芯片的加熱作用,熒光粉與芯片直接有效的熱隔離能明顯降低熒光粉的溫度。進一步降低熒光粉層的溫度可以通過提高熒光粉層的導熱率來實現。
  為了表明兩種封裝結構對白光LED光色性能的影響,我們把LED白光光譜中藍光波段(Blue)和黃光波段(Yellow)提取出來,以藍光波段光譜和黃光波段光譜的積分量比例值(B/Y)作為光譜評價依據。圖4表明的是電流從50mA到800mA,兩種情況下B/Y值跟注入電流的關系,B/Y值的變化反映了白光LED光色的變化,在圖6中,我們展示了兩種結構中光通量、色溫(CCT)跟注入電流的變化關系。兩種封裝結構中,注入電流在達到300mA以前,兩者光通量的值幾乎沒發生變化,隨著注入電流的繼續升高,熱隔離封裝結構顯示了更好的光飽和性能。色溫CCT反映了白光LED光色的表現性能,注入電流從50mA增加到800mA,熱隔離結構的LED色溫僅變化253K,而傳統結構LED色溫變化達1773K。圖5中B/Y值的變化也反映了這種趨勢,熱隔離封裝結構在較大的電流變化范圍內B/Y值變化很小,而傳統結構中B/Y值的變化很大。在傳統結構中,電流越大時,B/Y值也隨著增大,這說明隨著電流增加,LED光譜中藍光成分增強,而將藍光轉化為黃光的熒光粉轉化效率下降。而造成熒光粉轉化效率下降的一個重要原因就是芯片對熒光粉的加熱,造成了熒光粉溫度上升。
      圖4 兩種封裝結構中白光LED光譜中藍光段(Blue)與黃光段(Yellow)光強比(B/Y)(插圖是藍光和黃光比例)[14]
      圖5 兩種封裝結構光通量(左軸)和色溫(右軸)與電流的依賴關系[14]
  熒光粉熱隔離封裝結構帶來光色性能的改善,一個重要原因是由于該結構降低了熒光粉的溫度,使得熒光粉保持了較高的轉化效率。

 

白光LED的特性參數

從目前的LED產品的機理和結構來看,以下幾個方面是用來衡量LED優劣的特性參數。
(1)白光LED電流/電壓參數(正、反向)
LED的電性能具有典型的PN結伏安特性,不同的電流直接影響LED的發光亮度和PN結的結溫.在照明應用中,為了獲得大功率的LED燈,往往將許多個發光二極管通過一定的串并聯方式組合在一起,相關的各個LED的特性必須匹配,在交流工作狀態還必須考慮其反向電特性,因此必須測試它們在工作點上的正向電流和正向壓降,以及反向漏電流和反向擊穿電壓等參數。
(2)白光LED光通量和輻射通量
發光二極管單位時間內發射的總電磁能量稱為輻射通量,也就是光功率(W).對于照明用LED光源,我們更關心的是照明的視覺效果,即光源發射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當量,稱作為光通量ΦV(1m).
輻射通量與器件的電功率之比表示LED的輻射效率;光通量與器件的電度指在給定方向上單位立體角內所發射的光通量:
            I= dΦ/dΩ(cd)               (2-1)
光強分布曲線如圖1所示,是表示LED發光在空間各方向的分布狀態.在照明應用中計算工作面的照度均勻性和LED燈的空間布置,光強分布是最基本的數據.對于空間光束為旋轉對稱型分布的LED,用一個過光束軸平面上的曲線表示即可.對光束為橢圓形分布的LED,則用過光束軸及橢圓形長短軸的兩個垂直平面上的曲線來表示.對于非對稱的復雜圖形,一般用過光束軸的六個以上截面的平面曲線來表示.
發光角(或光束角)通常用半強度角θ1/2表示,即在光強分布圖中光強大于等于峰值光強1/2時所包含的光束角度.
(4)白光LED光譜功率分布
LED的光譜功率分布表示輻射功率隨波長的變化函數,它既確定了發光的顏色,也確定了它的光通量以及它的顯色指數.通常用相對光譜功率分布S(λ)表示,光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50%時,所對應的兩個波長之差Δλ=λ2-λ1,即為光譜帶.
(5)白光LED色品坐標
選三原色紅(R)、綠(G)、藍(B).
X=R/(R+G+B),Y=G/(R+G+B),Z=B/(R+G+B)         (2-2)
由于X+Y+Z=1,所以只用給出X和Y的值,就能唯一地確定一種顏色.這就是通常所說的色度圖,為了使坐標值能直接表示亮度大小,國際照明協會規定采用另一種色度坐標X、Y、Z,與R、G、B間存在線性換算關系.若以x、y作為平面坐標系,將自然界中的各種彩色按比色實驗法測出其x、y數值,并繪在該坐標平面內,便可得到圖2-1所示的色度圖.該色度圖邊沿舌形曲線上的任一點都代表某一波長光的色調,而曲線內的任一點均表示人眼能看到的某一種混合光的顏色.其中白光區域的特征點A、B、C、D65、E的坐標值和色溫見表2-1.
表2-1 特征點對應的色坐標值和色溫
光源點    X坐標    Y坐標    色溫(K)
A    0.4476    0.4074    2854
B    0.3484    0.3516    4800
C    0.3101    0.3162    6800
D65    0.313    0.329    6500
E    0.3333    0.3333    5500
(6)白光LED色溫和顯色指數
對于白光LED等發光顏色基本為“白光”的光源用色品坐標可以準確地表達該光源的表觀顏色.但具體的數值很難與習慣的光色感覺聯系在一起.人們經常將光色偏橙紅的稱為“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱為“冷色”,因此用色溫來表示光源的光色會更加直觀.
光源的發光顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時,則稱黑體的溫度為該光源的色溫(color temperature) T,單位為開(K).對于白光LED,其發光顏色往往與各種溫度下的黑體(完全輻射體)的色品坐標都不可能完全相同,這時就不能用色溫表示.為了便于比較,而采用相關色溫(CCT)的概念.也就是當光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品圖上的色品差最小時,則該完全輻射體的溫度稱為該光源的相關色溫R1.
用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表現顏色外,更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現出來的顏色與該物件在完全輻射(如日光)下的顏色是否一致,即所謂的顯色特性.
1974年CIE推薦了用“試驗色”法來定量評價光源顯色性的方法,它是測量參照光源照明下和待測光源照明下標準樣品的總色位移量為基礎來規定待測光源的顯色性,用一個顯色指數值來表示.CIE規定用完全輻射體或標準照明體D作為參照光源,并將其顯色指數定為100,還規定了若干測試用的標準色樣.
根據在參照光源下和待測光源下,上述標準色樣形成的色差來評定待測光源顯色性的好壞.光源對某一種標準色樣品的顯色指數稱為特殊顯色指數R1.
          R1=100-4.6△Ei                 (2-3)
式中△Ei為第i號標準色樣在參照光源下和待測光源下的色差.
CIE推薦的標準色樣共有14種.其1-8號為中等飽和度、中等明度的常用代表性色調樣品,第9至14號樣品包括紅、黃、綠、藍等幾種飽和色、歐美的皮膚色和樹葉綠色.在一些特殊場合使用的LED光源,必須考核其特殊的顯色指數.1985年國家制定了“光源顯色性評價方法”標準,并增加了中國人女性膚色的色樣,作為第十五種標準色樣.這對于評價在電視演播室、商場、美容場所等照明用LED光源的顯色性尤為重要.
光源對前8個顏色樣品的平均顯色指數稱為一般顯色指數Ra.
(7)白光LED熱性能
照明用LED發光效率和功率的提高是當前LED產業發展的關鍵問題之一,與此同時,LED的PN結溫度及殼體散熱問題顯得尤為重要,一般用熱阻、殼體溫度、結溫等參數表示.
(8)白光LED輻射安全
目前,國際電工委員會IEC將LED產品等同于半導體激光器的要求進行輻射的安全測試和論證.因LED是窄光束、高亮度的發光器件,考慮到其輻射可能對人眼視網膜的危害,因此,對于不同場合應用的LED,國際標準規定了其有效輻射的限值要求和測試方法.目前在歐盟和美國,照明LED產品的輻射安全作為一項強制性的安全要求執行.
(9)白光LED可靠性和壽命
可靠性指標是衡量LED在各種環境中正常工作的能力.在液晶背光源和大屏幕顯示中特別重要.壽命是評價LED產品可用周期的質量指標,通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應用中,有效壽命是指LED在額定功率條件下,光通量衰減到初始值的規定百分比時所持續的時間.
1)平均壽命
一批LED同時點亮,當經過一段時間后,LED不亮達到50%時所用的時間.
2)經濟壽命
在同時考慮LED損壞以及光輸出衰減的狀況下,其綜合輸出減至一特定比例時的小時數.此比例用于室外光源為70%,用于室內光源為80%.

 

關于LED的特征參數解析

光強度(Luminous Intensity; IV)
光強度定義為單位立體角所發射出的光通量,單位為燭光(CandELa, cd)。一般而言,光源會向不同方向以不同強度放射出其光通量,在特定方向單位立體角所放出之可見光輻射強度即稱之為光強度。
色度(Chromaticity)
人眼對色彩的感知是一種錯綜復雜的過程,為了將色彩的描述加以量化,國際照明協會(CIE)根據標準觀測者的視覺實驗,將人眼對不同波長的輻射能所引起的視覺感加以紀錄,計算出紅、綠、藍三原色的配色函數,經過數學轉換后即得所謂的CIE1931Color Matching Function(x((),y((),z(()),而根據此一配色函數,后續發展出數種色彩度量定義,使人們得以對色彩加以描述運用。
根據CIE1931配色函數,將人眼對可見光的刺激值以XYZ表示,經下列公式換算得到x,y值,即CIE1931(x,y)色度坐標,透過此統一標準,對色彩的描述便得以量化并加以控制。
x,y:CIE1931色度坐標值(Chromaticity Coordinates)
然而,由于以(x,y)色度坐標所建構之色域為非均勻性,使色差難以量化表示,所以CIE于1976年將CIE1931色度坐標加以轉換,使其所形成之色域為接近均勻之色度空間,讓色彩差異得以量化表示,即CIE1976UCS(Uniform Chromaticity Scale)色度坐標,以(u',v‘)表示,計算公式如下所示:
主波長(λD)
其亦為表達顏色的方法之一,在得到待測件的色度坐標(x,y)后,將其標示于CIE色度坐標圖(如下圖)上,連結E光源色度點(色度坐標(x,y)=(0.333,0.333))與該點并延伸該連結線,此延長線與光譜軌跡(馬蹄形)相交的波長值即稱之為該待測件的主波長。惟應注意的是,此種標示方法下相同主波長將代表多個不同色度點,是以用于待測件色度點鄰近光譜軌跡時較具意義,而白光LED則無法以此種方式描述其顏色特性。
純度(Purity)
其為以主波長描述顏色時之輔助表示,以百分比計,定義為待測件色度坐標與E光源之色度坐標直線距離與E光源至該待測件主波長之光譜軌跡(Spectral Locus)色度坐標距離的百分比,純度愈高,代表待測件的色度坐標愈接近其該主波長的光譜色,是以純度愈高的待測件,愈適合以主波長描述其顏色特性,LED即是一例。
色溫(Color Temperature)
一光源之輻射能量分布與某一絕對溫度下之標準黑體(Black Body Radiator)輻射能量分布相同時,其光源色度與此黑體輻射之色度相同,此時光源色度以所對應之絕對溫度表之,此溫度稱之為色溫(Color Temperature),而在各溫度下之黑體輻射所呈現之色度可在色度圖上標出曲線,稱之為蒲朗克軌跡(Planckian Locus)。標準黑體的溫度愈高,其輻射出的光線對人眼產生藍色刺激愈多,紅色刺激成分亦相對減少。然而在實際量測上,無任何光源具有跟黑體相同的輻射能量分布,換言之,待測光源之色度通常并未落在蒲朗克軌跡上。因此計算待測光源之色度坐標所最接近蒲朗克軌跡上某個坐標點,此點之黑體溫度即定義為該光源之相關色溫(Correlated Color Temperature; CCT),通常以CIE1960UCS(u,v)色度圖求之,并配合色差△uv加以描述。須注意的是,此種表示方式對光源色度鄰近蒲朗克軌跡時方具意義,是以對于LED量測而言,僅適用于白光LED之顏色描述。

詮釋LED照明產品生產五部曲

自從產生外界照明以來,我們把照明劃分為三個時代:燈絲燈泡時代(白熾燈)、氣體燈泡時代(螢光燈)、半導體發光時代(LED)。而其中,又以歷史最長的白熾燈和未來主流的LED,為最重要的考察點。不論時代是如何的發展,照明產業的生產流程有著驚人的相似,不外乎中國一樣是處于行業的下游。核心技術基本都是被歐美和日本等國家地區所有。

1. LED的發光原理,是電子穿過一層半導體材料時,激發該半導體材料將電能轉化為光能。然而,單層半導體的發光能力很弱,所以要將很多層單層材料疊加起來,壓成類似千層糕那樣的復合材料,這就是“外延片”。

  所以,LED的發光效率決定于在同等厚度里,能壓入多少層。單層材料越薄,能疊加的層數越多,發光效率就越高?,F在一般每層厚度僅為2-20微米,這也決定了外延片生產是整個LED生產流程中最困難的部分。

2. 切割——LED核心:相當于從鎢絲材料中抽出燈絲,不同的是,切割后的外延片是方塊形。

由于外延片這種特殊結構,想要完整無損地切割出發光核心,非常困難。不僅需要真空環境,還要專業的切割機。目前世界上只有兩個廠家生產這種切割機。

3. 將核心放入LED芯片:芯片之于LED,正如燈座之于燈泡,是供電部分。“芯片”是實現LED理想效果非常重要的裝備,因為LED對電流的要求非常高。

4. 封裝LED芯片成發光體:將LED芯片封裝成為發光體,正如給燈絲燈座加上燈罩做成燈泡。燈罩形狀可依據所需而不同,但封裝技術決定了發光體的使用壽命。

5. 照明應用:就像運用白熾燈泡一樣,根據不同功能和需要,裝配成不同的LED產品。

對LED照明來說,前三步的外延片、切割和芯片是上游,第四步的封裝是中游,第五步的應用則是下游。這些問題需要我們用更多的能量來突破。

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