学术讨论—LED各种专业术语解释.docx

【LED术语】色温color temperature指用黑体理论上可完全吸收外来光的虚拟物体的温度表示光的颜色的数值。单位为K。黑体发出光的波长分布色调因温度而异。色温常用于表示荧光灯和白色LED的光色，及显示器可显示的白色的程度。一般来说，色温低时看上去发红，色温高时发青 指用黑体理论上可完全吸收外来光的虚拟物体的温度表示光的颜色的数值。单位为K开尔文。黑体发出光的波长分布色调因温度而异。色温常用于表示荧光灯和白色LED的光色，及显示器可显示的白色的程度。一般来说，色温低时看上去发红，色温高时发青。 以白色LED为例，结合使用蓝色LED芯片和黄色荧光体的一般品种平均演色性指数Ra为70以上多为色温在6000K以上的昼光色，而追加红色荧光体等红色光的灯泡色LED的色温多在3000K以下。改进与蓝色LED芯片组合的荧光体的光色，还可获得4000K以上和5000K以上等色温。色温可依照明器具的设置场所分别使用。例如，办公室等最好设置与太阳光接近、色温较高的照明器具，而一般家庭和饭店等大多喜欢采用与白炽灯接近、色温较低的照明器具。【LED术语】光效下降现象LED droop光效下降现象是指，向芯片输入较大电力时LED的发光效率反而会降低的现象。作为有助于削减单位光通量本钱的技术，各LED厂商都在致力于抑制光效下降现象。如果能抑制该现象，使用相同的芯片，在输入较大的电力时会增加光通量。因此，可减少用于获得相同光通量的芯片数，从而削减单位光通量的本钱。 美国飞利浦流明Philips Lumileds Lighting等很早就开始研究如何抑制光效下降现象。现在，日亚化学工业和德国欧司朗光电半导体OSRAM Opto Semiconductors GmbH等众多LED厂商也开始倾力研究。各LED厂商打算把在输入电流1A，输入功率3W时明显出现光效下降现象的电流和功率的领域扩【LED术语】照明综合效率lamp and auxiliary efficacy照明的全光通量与器具整体耗电量的比值。一般情况下，由于LED照明会受到电源损失和温度上升的影响，因此照明器具整体的发光效率综合效率要比LED单体的发光效率低3050。 以白色LED为例，LED照明器具的综合效率低于LED单体发光效率的理由如下。首先，将白色LED用于照明器具时，发光效率多会降得比白色LED的目录值还要低。这是由于目录值多为输入脉冲状电流，LED的发光局部活性层的温度几乎不上升的理想状态下的发光效率。但照明器具多在向LED输入固定电流的状态下使用，实际上活性层的温度会上升。考虑到这种情况，发光效率会降低约20。另外，在将交流电转换为直流电、向LED供电的电源转换电路上，功率会降低1015左右。照明器具中设置有反射板和透镜，以使光线射向希望的方向，这一过程中会损失近10的光线。将这些加在一起，照明器具整体的发光效率与只有光源的目录值相比会降低40左右。【LED术语】发光效率luminous efficacy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，其发光效率能否到达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局部或在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1020lm/W的速度提高。由此，从2004年的50lm/W到2022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。【LED术语】外延生长epitaxial growth在基片上生长结晶轴相互一致的结晶层的技术。用于制作没有杂质和*的结晶层。包括在基片上与气体发生反响以积累结晶层的VPE气相生长法、以及与溶液相互接触以生长结晶相的LPE液相生长法等。 蓝色LED、白色LED以及蓝紫色半导体激光器等GaN类发光元件一般采用VPE法之一的MOCVDMetal Organic Chemical Vapor Deposition法进行生产。MOCVD采用有机金属气体等作为原料。蓝色LED在蓝宝石基片和SiC基片上，蓝紫色半导体激光器在GaN基片上使用MOCVD装置使得GaN类半导体层形成外延生长。【LED术语】量子阱quantum well利用带隙较宽的层夹住带隙窄且极薄的层形成的构造。带隙较窄的层的电势要比周围带隙较宽的层低，因此形成了势阱量子阱。在LED和半导体激光器中，量子阱构造用于放射光的活性层。重叠多层量子阱的构造被称为多重量子阱MQW：multiquantum well。 蓝色LED等是通过改进量子阱构造等GaN类结晶层的构造取得进展的。GaN类LED在成为MISmetal-insulatorsemiconductor构造，pn接合型双异质结构造，采用单一量子阱的双异质结构造以及采用多重量子阱的双异质结构造的过程中，其亮度和色纯度得到了提高。采用MIS构造的蓝色LED在还没有实现p型GaN膜时，就被广泛开发并实现了产品化。缺点是光强只有数百mcd。p型GaN膜被造出来之后，采用pn接合型双异质结构造的蓝色LED得以实现。与MIS构造相比，发光亮度到达了1cd，是前者的10倍左右。如果用多重量子阱构造来取代pn接合型双异质结构造，发光光度和色纯度会进一步提高发光光谱的半值幅度变窄。【LED术语】基片substrateLED和半导体激光器等的发光局部的半导体层，是在基片上生长结晶而成。采用的基片根据LED的发光波长不同而区分使用。如果是蓝色LED和白色LED等GaN类半导体材料的LED芯片，那么使用蓝宝石、SiC和Si等作为基片，如果是红色LED等采用AlInGaP类材料的LED芯片，那么使用GaAs等作为基片。 因LED发光波长而使用不同基片的原因是为了选择与LED发光局部半导体结晶的晶格常数尽量接近的晶格常数的廉价基片材料。这样做晶格常数的差距晶格失配就会缩小，在半导体层中阻碍发光的结晶*的可能性就会减少。而且能降低LED芯片的单价。另外，蓝紫色半导体激光器等电流密度和光输出密度较大的元件，那么采用昂贵的GaN基片。GaN基片还用于局部蓝色LED。LED术语】GaNgallium nitride由镓Ga和氮N构成的化合物半导体。带隙为3.45eV用光的波长表示相当于约365nm，比硅Si要宽3倍。利用该特性，GaN主要应用于光元件。通过混合铟In和铝Al调整带隙，所获得的LED和蓝紫色半导体激光器等发光元件已经实用化。 GaN由于带隙较宽，可产生蓝色和绿色等波长较短的光。蓝色LED和蓝紫色半导体激光器，采用了在GaN中添加In形成的InGaN。除了带隙较宽以外，GaN还具有绝缘破坏电场高、电场饱和速度快、导热率高等半导体材料的优异特性。另外，采用HEMTHigh Electron Mobility Transistor构造的GaN类半导体元件，其载流子迁移率较高，适合用作高频元件。原因是会产生名为“二维电子气体层的电子高速流动领域。而且，由于绝缘破坏电场要比Si和GaAs大，耐压较高，可施加更高的电压。因此，在 基站等高频功率放大器电路中采用GaN类HEMT的话，能够提高电力附加效率，降低耗电。 最近，GaN作为逆变器及变压器等电力转换器使用的功率元件也极受期待。原因是与Si功率元件相比，GaN类功率元件可大幅降低电力损失。由于绝缘破坏电场较高，能够通过减薄元件降低导通电阻，从而降低导通损失。 【LED术语】光通量光强亮度照度luminous flux/luminous intensity/luminance/illuminance光通量是表示光源整体亮度的指标。单位为lm流明。在表示照明光源的明亮程度时经常使用。是参考人眼的灵敏度视觉灵敏度来表示光源放射光亮度的物理量。具体数值为各向同性的发光强度为1cd堪德拉的光源在1sr立体弧度的立体角内放射的光通量为1lm。此处的sr为立体角的单位，表示从球面向球心截取的面积为半径r的2次方rsize=+02的圆锥体的顶角。 光强是表示光通量立体角密度的指标。单位为cd。多在表示显示用LED等的眩光时使用。其定义为：发射5401012Hz波长555nm频率单色光，在指定方向的光线发射强度为1/683W/sr的光源，在该方向的光强就定义为1cd。 亮度是表示从光源及反射面和透射面等二次光源向观测者发出的光的强度指标。单位为cd/m2。与光通量一样，是结合人眼的灵敏度表示的物理量。大多在表示液晶面板和PDP等显示器画面的亮度时使用。 照度是表示照射到平面上的光的亮度指标。单位为lx勒克司，有时也标记为lm/m2。是指光源射向平面状物体的光通量中，每单位面积的光通量。用于比拟照明器具照射到平面上的明亮程度。【LED术语】演色性color rendition指利用照明器具的光照射物体时，反映以何种程度再现了与自然光照射时相同颜色的指标。一般情况下，多使用平均演色性指数Ra来表示。平均演色性指数越接近100的光源，越能再现与自然光照射时相同的颜色。作为照明用途，普通家庭和办公室室内使用的照明器具的Ra为80以上、走廊等为70以上；美术馆、物品检验以及店铺等注重演色性的用途，大多在90以上。 用于照明的白色LED，大体分为低Ra和高Ra品种。演色性与发光效率具有此消彼长的关系，优先考虑演色性，发光效率会降低2030。为此，出现了发光效率优先和演色性优先的不同品种。演色性高的光，其光谱接近自然光。也就是说，发光强度相对于发光波长的变化较小；而发光效率高的光，在人眼视觉灵敏度人眼对光的灵敏度高的领域550nm附近的峰值，其发光峰值较大。 例如，组合蓝色LED芯片和黄色荧光体得到的疑似白光的普通白色LED，其Ra只有70多。在其中添加红色荧光体等即可将Ra提高到80以上。Ra超过90的白色LED那么是出于使发光光谱的变化更加平滑的目的，而对蓝色LED组合使用了绿色荧光体和红色荧光体等。此外，对近紫外LED组合使用红色、绿色和蓝色等多种荧光体，可获得Ra超过90的白色LED。LED术语】光学设计optical designLED的用途包括指示器、液晶面板背照灯、照明器具以及前照灯等，范围极广。对白色LED的发光特性要求呈现出多样化趋势。另外，LED是点光源，而且具有指向性较强的特点。要想满足广泛的用途要求，需要根据LED的这些特点，采用透镜等光学部件，将属于点光源且指向性强的LED光线转变为所期望光学特性的光学设计必不可少。光学设计将为LED增添价值。 日美欧的LED厂商正在瞄准背照灯，车载设备以及照明产品等新兴市场扩大业务范围。在新兴市场上，与光学部件的组合使用，面向产品的安装方法，产品整体的配光控制等越来越重要。LED厂商的目标是涉足这些领域，提高产品的附加值。 在照明用途领域，要想接近所期望的光学设计，不但要准备放射角各异的多种产品，LED厂商还在很多方面下了工夫。例如，德国欧司朗光电半导体实现了多种透镜的使用。备有不同形式的高输出功率白色LED和透镜，将放射角各异的透镜与白色LED相结合。在白色LED的封装上开孔，以插入带有凸起的透镜。这样一来，白色LED的放射面和透镜的光轴便可轻松结合在一起，而且一旦结合在一起，光轴就不会错位。【LED术语】调光dimming将光源发出的光调节为希望的亮度的做法。LED与白炽灯一样，比荧光管更容易进行微细调光。通过在点亮LED的电源电路中，改变输入LED的电流大小和占空比导通时间与截至时间之比来调节亮度。 如同利用滑线电阻调压器调节白炽灯亮度一样，LED照明也能实现所希望的亮度，目前已经开发出了具备调光功能的产品。除了埋入天花板等的LED照明器具外，LED灯泡中也有利用遥控器进行调光的产品。组合使用光传感器，根据外光的亮度自动调光的LED照明器具也已经面世。 液晶面板的LED背照灯的调光是指，整体调节LED背照灯的发光，或者对背照灯进行局部控制。通过根据液晶面板显示的影像控制LED的发光，能够在确保峰值亮度的同时，降低较暗局部的亮度。例如，东芝的“CELL REGZA 55X1液晶电视配备了直下型白色LED背照灯。针对输入影像对512个领域1632的LED发光情况分别进行控制。通过使领域内配备的多个白色LED以最大亮度发光，峰值亮度实现了1250cd/m2，影像显示时的比照度实现了500万比1。【LED术语】光谱spectrum表示相对于光的波长，光的强度的分布。LED的光谱一般为单色LED，例如蓝色LED以波长470nm时为峰值呈山峰分布，以峰值波长较短的紫外领域和峰值波长较长的绿色领域为光的强度的测定极限。而白炽灯的光谱，其发光强度广泛分布于400nm多的蓝色领域至700nm多的近红外领域，在紫外领域和红外领域也能观测到发光强度。荧光灯方面，组合使用的荧光体的发光波长局部为光谱的峰值。 与普通红色、绿色和蓝色LED的光谱峰值只有一个相比，白色LED的光谱那么有很大不同。例如蓝色领域和黄色领域会有两个发光强度的峰值，或者在蓝色领域、黄色领域和红色领域有三个峰值，甚至还会出现更多的峰值。这是因为，白色LED的白色光是组合了多个波长的光获得的。例如，组合蓝色LED和黄色荧光体时，峰值在蓝色领域和黄色领域出现。另外，基于蓝色LED的发光强度的峰值较尖，而基于荧光体的峰值较为平缓。 将LED用于液晶面板背照灯时，最理想的情况是LED的光谱在红色、绿色和蓝色三个领域出现发光强度的峰值。这是因为LED的光最终将经由液晶面板的彩色滤光片红色、绿色、蓝色输出到外部。 获得三个发光强度的峰值时，有使用红色、绿色和蓝色三种LED的方法，以及通过改进荧光体材料、使用可获得三个峰值的白色LED的方法。【LED术语】蓝色LEDblue light emitting diodes指蓝色发光二极管。发光波长的中心为470nm前后。用于照明器具和指示器等蓝色显示局部的光源、LED显示屏的蓝色光源以及液晶面板的背照灯光源等。与荧光体材料组合使用可得到白色光。目前的白色LED一般采用蓝色LED与荧光材料相组合的构造。 蓝色LED得以广泛应用的契机，是日亚化学工业于1993年12月在业内首次开发出了光强达1cd以上的品种。而在此之前，还没有蓝色纯度较高且具有实用光强的LED。因此，采用LED的大尺寸显示屏无法实现全彩显示。 蓝色LED的材料使用氮化镓GaN类半导体。以前曾盛行用硒化锌ZnSe类半导体开发蓝色LED，但自从1993年12月采用GaN类半导体的高亮度蓝色LED被开发出来后，蓝色LED的主流就变成了采用GaN类半导体的产品。 蓝色LED的构造为，在蓝宝石或者SiC底板等的外表上，重叠层积氮化铝AlN半导体层和GaN类半导体层。在称为活性层、发蓝色光的局部设置了使p型GaN类半导体层和n型GaN类半导体层重叠的构造。 pn结是制作高亮度LED所必须采用的构造。在使用GaN以外材料的红色等LED中，pn结很早以前就是主流构造。而在1993年高亮度蓝色LED面世之前，采用GaN类材料难以实现pn结。原因是制成n型GaN类半导体层虽较为简单，但p型GaN系半导体层的制作那么较为困难。之后，通过对在p型GaN类半导体层和n型GaN类半导体层之间配置的GaN类半导体层采用多重量子阱构造，并进一步改善GaN类半导体层的质量，光强获得了大幅提高。【LED术语】可见光通信visible light communications指利用肉眼看得见的“可视光传递信息的通信技术。主要利用照明器具和信号机等显示设备以及汽车车灯等配备发光二极管(LED)的设备发出的可视光，通过改变其频率，或令其闪烁来发送数据。优点是不存在利用无线通信时需要的频率分配问题。在通信速度上，LED灯远远高于荧光灯。 为了实现可见光通信的实用化，日本于2022年成立了“可视光通信联盟(VLCC：Visual Light Communications Consortium)。目前，已有NTT DoCoMo等通信运营商，NEC，松下电工，东芝，夏普等设备厂商以及NHK等加盟。 2005年，日本国土交通省在关西国际机场，对旅客在抵达机场到登机之前的候机时间内利用可见光通信的用途进行了实证实验。除国土交通省外，松下电器产业、松下电工、NTT DoCoMo、中川研究所以及日本航空也参与了实验。发布资料显示，荧光灯可实现10kbit/秒，LED可实现数十Mbit/秒的通信速度。 2022年，以图像传感器作为接收机，利用灯塔和交通信号机的LED可见光通信实验取得了成功。利用灯塔的光传递信息时的传输速度方面，通信距离为2km时为1022bit/秒，通信距离为1km时为1200bit/秒。此次实验实现的2km通信距离在当时是采用广泛扩散光源的空间光通信方式中全球最长的距离。该实验在千叶县的九十九里浜进行，是作为由海上保安厅、卡西欧计算机和东芝参加的“灯塔子工程的一环实施的。【LED术语】LED前照灯LED headlampr指采用白色LED的汽车前照灯。丰田在2007年5月17日发布的最高级混合动力车“雷克萨斯 LS600h上全球首次配备了白色发光二极管LED前照灯。寿命长达1万小时，点亮所需时间不超过0.1秒。功耗比HID灯的普及产品要低，与HID灯高端产品相当，今后如进一步改进，功耗预计会更低。 提高亮度，降低功耗 白色LED技术进步显著，目前已经有超过荧光灯和HID灯，发光效率到达100lm/W的产品面世。单个白色LED的光通量到达100lm以上的产品也不断涌现，在照明领域的应用正在加速推进。雷克萨斯 LS600h的汽车前照灯采用了5个光通量为400lm的白色LED，实现了辅灯Low Beam所必须的亮度。产品由小丝制作所开发。【LED术语】荧光灯型LEDLED light bar旨在取代荧光灯的直线形LED照明器具。许多新涉足LED照明市场的企业都上市了荧光灯型产品。荧光灯型LED照明器具依其安装方法可分为3种，分别为1卸下原有的镇流器及逆变器，置换为专用转换器的款式；2取下原有的镇流器及逆变器，直接连线的款式；3无需取下原有的镇流器及逆变器，直接安装使用的款式。 1和2需要拥有专业资格的人员进行电气施工。2中，逆变器内置在直管内的发光部的反面。3虽无需施工即可轻松安装，但由于镇流器和逆变器会造成电力损失，因此综合效率不佳。 在节能方面，荧光灯型LED的综合效率还不及HF型荧光灯。美国能源部Department of Energy，DOE根据CALiPERcommercially available LED product evaluation and reporting这一产品评测程序评测了LED照明产品的性能，得出的结论是“性能尚缺乏以作为代替荧光灯的产品。日本灯泡工业会也在2022年7月公布了对日本国内上市产品进行的评测结果。表示就节能性能来说，荧光灯型LED还无法看作是可代替荧光灯的光源。在平安性方面，荧光灯型LED的重量超过了JIS的容许范围，因此存在受到冲击和振动等时的脱落之忧。然而即使荧光灯型LED在效率和质量方面还不能取代荧光灯，但存在便利使用的需求，因此有观点认为该产品能够在市场上占据一席之地。【LED术语】LED灯泡LED light bulb使用LED作为光源的白炽灯型照明器具。与白炽灯和灯泡型荧光灯一样，可安装在E26及E17等交流供电的灯口上使用。 2022年上半年，许多厂商发布了灯泡型LED照明产品，LED灯泡的价格竞争开始激化。点燃竞争导火索的是夏普。该公司2022年6月发布的新产品，将厂商售价设为原来的一半左右：相当于40W白炽灯的产品约为3900日元，相当于60W白炽灯的产品约为4000日元。“白炽灯每100日元的寿命为1000小时，所以将寿命为4万小时的LED灯泡设定为4000日元夏普。为使LED灯泡单位时间的价格与白炽灯相同，夏普削减了LED、电源部件和材料的本钱。 2022年9月，松下才发布了LED灯泡。对于为何照明领域日本最大的厂商松下的行动会落后于他人，该公司的解释是“为使其长期耐用，在性能验证上花费了时间。松下预测2022年度日本国内的LED灯泡市场规模会到达3000万个，届时该公司的销量将瞄准占市场份额50的1500万个。LED术语】LED照明LED lighting主要指采用白色LED的照明。LED以往主要用于装饰性照明用途。最近作为一种可降低照明器具耗电的手段而受到人们的关注，开始用于室内的普通照明用途。 在环保意识不断提高的背景下，LED及有机EL等新一代照明开始受到关注。全球开始停止制造与销售寿命短，耗电量大的白炽灯，改为更高效率的照明。应日本经济产业省等的要求，东芝照明技术于2022年3月原那么上停止制造白炽灯。虽然有机EL照明因发光效率尚低，量产预计要等到2022年以后，但LED照明那么疾速脱颖而出，其势头大有超过被誉为白炽灯最正确替代品的荧光灯。 推动LED照明普及的是白色LED的技术进步。目前，一个白色LED封装的发光效率已经实现了100lm/W。制成照明器具后的综合效率也提高到了7080lm/W左右。而且，“150lm/W产品已在射程之内LED封装厂商。预计这一目标将会在2022年前后实现，发光效率届时将超过荧光灯。内容总结1【LED术语】色温color temperature指用黑体理论上可完全吸收外来光的虚拟物体的温度表示光的颜色的数值2以白色LED为例，LED照明器具的综合效率低于LED单体发光效率的理由如下3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4重叠多层量子阱的构造被称为多重量子阱MQW：multiquantum well