LED照亮一切（二）：实现200lmW以上的发光效率和高易用性

中心议题：
        *200lm/W以上发光效率

为实现200lm/W以上的发光效率，白色LED正不断进行改进。不过，白色LED所必需具备的特性已经不仅仅是发光效率了。在白色LED普及的过程中，温度稳定性及显色指数等能够拉开差异的因素越来越多。

发光效率正以年均15％的速度稳步提高，很快就会达到200lm/W……白色LED发光效率的提高会持续到何时，又会达到何种程度呢？

实际上，研发水平上的发光效率已经几近极限（图1）。有观点认为，组合使用能够获得最高发光效率的蓝色LED和黄色荧光材料等的白色LED，其极限是260lm/W左右。而目前在研发水平上已经超过200lm/W，增长空间所剩无几。“毫无疑问，通过技术创新来提高效率的速度将越来越缓慢”（欧司朗日本）。很多相关人士认为，2020年之前，白色LED的发光效率将达到顶点。不过，数年后，白色LED产品的发光效率仍是证明LED厂商实力所不可或缺的指标。因为，现有产品的发光效率与极限值相比，还有近两倍的差距。
 

图1：即将达到极限 白色LED的发光效率极限被认为是在260lm/W左右。（图由本站根据DOE的资料“Solid-State Lighting Research and Development：Multi Year Program Plan March 2011”制作）

图1：即将达到极限

白色LED的发光效率极限被认为是在260lm/W左右。（图由本站根据DOE的资料“Solid-State Lighting Research and Development：Multi Year Program Plan March 2011”制作）

需要注意的是，在白色LED的用途不断扩大的同时，“发光效率至上主义”的状况正在逐渐瓦解。发光效率的高低体现了能源使用效率的高低，同时还是降低单位亮度单价的（日元/lm）的重要指标。不过，在白色LED被广泛用于各种用途的今天，单凭发光效率已经无法判断是否能满足产品厂商等白色LED用户的要求了。今后，这种倾向将进一步增强。

在这种情况下，LED厂商在开发可实现200lm/W以上发光效率的技术的同时，还将加速开发白色LED的其他特点。下面来看一下白色LED开发方面的最新动向。

内部量子效率等尚有提高的空间

关于提高发光效率，认为蓝色LED芯片和荧光材料尚有改进余地的LED厂商有很多（图2（a））。
 

图2：实现200lm/W以上发光效率的重点 今后，要想将发光效率提高到200lm/W以上，必须改善蓝色LED芯片内的内部量子效率和荧光材料的波长转换效率。（图（b）由本站根据飞利浦流明的资料制作）

图2：实现200lm/W以上发光效率的重点

今后，要想将发光效率提高到200lm/W以上，必须改善蓝色LED芯片内的内部量子效率和荧光材料的波长转换效率。（图（b）由本站根据飞利浦流明的资料制作）

输入到白色LED的电力转换为光后输出到外部的过程如下：①向蓝色LED芯片输入电力，发出蓝光；②通过荧光材料将部分蓝光的波长转换为长波长的可见光；③蓝光和进行过波长转换的光混合后成为白色光输出到封装外部。要想提高发光效率，就必须减少各个环节中的能量损失。

每个环节需要以下技术：①降低电阻损失、在发光层改善电子产生光子的内部量子效率、提高将光子输出到蓝色LED芯片外的光提取效率；②改善波长转换效率；③提高向封装外输出白光的光提取效率，等等。迄今为止各厂商已经提出多种改进措施，并取得了显著成果。

例如，电阻损失的指标——白色LED的正向电压较原来大幅降低。照明用途常用的1W产品，其正向电压以前接近4V，而现在已经降至2.9～3V左右（图3）。从蓝色光的能量（2.75eV）来看，以前输入功率的20～30％多会因电阻丧失，而现在只损失5％左右。光提取效率也大幅提高，其中最高的产品为70％左右，在研发水平达到了90％。
 

 

图3：正向电压基本在下限值

日亚化学工业面向照明用途供货的输入功率为1W的白色LED，其正向电压近年来大幅降低。2011年的新产品为3V，已经相当接近正向电压的下限值（2.75V）。下限值与正向电压的差会产生无助于发光的能量损失。

要想实现200lm/W以上的发光效率，在实施上述所有改进措施的基础上，还需要整体提高①的内部量子效率和②的波长转换效率。因为这二者的提高空间相对较大。比如，内部量子效率目前为50～70％的水平。美国飞利浦流明（Philips Lumileds Lighting）宣布，将实现使每枚LED芯片具备1000lm的高输出以及高效率的白色LED，由此内部量子效率需要提高至80％以上（图2（b））。

结晶品质和发光层构造存在改进余地

内部量子效率和波长转换效率将会如何改善呢？内部量子效率方面，需要改进发光层材料——GaN系半导体外延结晶的结晶品质和发光层构造；波长转换效率方面，需要改进荧光材料材料并开发新材料。这些举措均从白色LED面世时起就一直在进行。

除此之外，还具有将GaN系结晶的结晶面由目前的极性面变为非极性面，从而大幅提高内部量子效率的方法。该方法此前一直处于研发阶段，不过最近已开始向实用阶段迈进。例如，韩国首尔半导体（Seoul Semiconductor）计划2011年底开始样品供货，三菱化学计划最早在2012年实现实用化。首尔半导体表示，通过提高内部量子效率，有望将发光效率较现有产品提高40～70％。（未完待续，记者：大久保聪、野泽哲生）

■日文原文：ゴールは200lm/W超、使い勝手向上との両立図る

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