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照明知识
电光源发展简史
2015-01-14 10:31

1879年 托马斯.爱迪生发明了白炽灯: 
1931年 高压汞灯;
1936年 荧光灯;
1958年 卤钨灯;
1962年 高压钠灯;
1965年 LED照明诞生;
1974年 节能型荧光灯;
1975年 冷光杯 和小功率金卤灯;
1987年 高效节能灯;
 1994年 无极荧光灯;
直至目前,发光二极管(LED)产品在 应用领域的优势十分突出,正在逐 步主宰着当前的行业。
OLED产品目 前正处于研发试验阶段,由于产 品自身的诸多因素和价格等方面的原因,还未进 入大面积推广应用领域。

漫长的发展之路

1.1 电灯之前的光源

众所周知,在人类 发展的历史长河中,“火焰”发挥了特殊的作用,它不但 给予了人类熟美味,也给人 类带来了温暖与光明。在18世纪以前人类一直以“火”作为自己的照明工具,从普通的柴火,油灯,蜡烛,直到以 后大量使用的煤气灯,汽油灯,推动人 类的文明与进步。18世纪,电的发 明给人类带来了新的机遇,美国的 戴维首先用多至200节的电池和二根碳棒,制成了电弧光灯,这种灯 的特点是亮度高,温度高 以及碳棒容易挥发变短,到1877年一个 俄国发明家将弧光灯改良成电烛,但结构 的变化没有改善弧光灯的性能。此时,世界上 很多科学家均在想方设法,希望能 发明一种方便又安全的电灯。

 

1.2电灯的发明与发展

在众多的科学家中,爱迪生脱颖而出,他经过 了近十三年的努力,终于在1879年制造 出了第一只具有实用功能的电灯,并于1880年申请了专利。在电灯的发明过程中,爱迪生 查阅了大量资料,找到了 制造白炽灯的关键。他首先选择铀、白金、铁丝等金属材料作了1600多次加热试验,还选择了600多种植 物纤维进行试验,最后于1879年用棉 线烧成的碳丝做成了一只能点亮45小时的 第一只实用电灯,当初之 所以选碳丝作为白炽灯的灯丝主要考虑的是熔点最高(4100K),后来在 实践中发现碳的熔点虽然很高,但它在 高温下容易蒸发,灯的寿命很短,工作温度也不能超过2100K,发光效率仅为3lm/w 。进而第 二年他又用竹子烧成的碳丝,使点亮时间增加到1200小时。这种碳 丝灯泡一直沿用了三十年,直到1910年才被金属钨丝替代,成为现代的电灯形式。灯丝的 工作温度提高到2200K-2400K,光效提高到6-9lm/w。寿命也长多了(工作温度从2400K提高到3000K蒸发速率增加了7600倍从1000小时降到不足1小时)。1913年又将不与钨反应的ArN2混合气 充入玻壳内制成充气白炽灯。由于充 入的气体可以抑制钨的蒸发,使白炽 灯工作温度提高到2700K-300K光效为13lm/w这样提 高了光效又有适当的寿命。1959人们发 现了卤钨循环的原理,制造出了卤钨灯,已成为 当代人类照明的主力产品。二十世 纪八十年代由于照明领域的特殊照明的需要。开发了 一系列带冷反光镜的冷光束卤钨灯产品,它是将 单端卤钨灯装入在一个具有特定光学系统且镀有多层介质的反光镜内,从而组 成了一体化的单端卤钨灯,光效为20-30lm/w工作温度为3200K。

 

1.3 低气压放电灯的发明

1.3.1 荧光灯

白炽灯结束了人类“黑暗”的历史,但白炽 灯也有许多不足之处,它只利用了电能的10%-20%,大部分电能变成了热,消耗掉了。使发光 效率有了进一步的提高成为与热辐射光源白炽灯完全不同的第二代光源。为了开 辟一条电能利用的新途径,科学家 们开始发新的征程。1902年,赫维特发明了水银灯,使光效 率有了极大提高,但水银 灯会发出大量紫外线,光线又太刺眼,有害人体,难于大量使用。1910年克劳 斯发明了霓虹灯(CCFL),灯管颜 色随充入的气体不 同而异。这再一 次证明了避开爱迪生的发光之路,采用了 一条更经济地利用电能的途径完全可行。

1939年(1938年4月)美国通用电子公司(GE公司)的依曼等人,突破了 启动装置设计与制作大关,发明了 与水银灯迥然不同的荧光灯。这种灯 是在一根硬管内充入一定量的水银蒸气放,同时产生紫外线,激发荧 光物质而发出可见光。显然荧 光灯没有水银灯的弊端,它比白炽灯更亮,电能利用率高。因此它 一诞生就受到人们的青睐。它在发 展中却生机盎然,不断涌现出新产品,光效为40-60lm/w 。(FL)四十年 代出现环形荧光灯,平板开 灯和涂粉紫外线灯。五十年代出现了U开灯和黑光灯。六十年 代出现了直管型细管节能荧光灯。七十年 代出现了高显色性省电型灯和灯泡型荧光灯。八十年 代出现了一系列紧凑型节能荧光灯,现在紧 凑型荧光灯有几十个品种大体分为三类:

(1)整体型,即灯泡、灯头、镇流器一体固定连续

(2)可拆式 即灯管 与镇流器分离具有互换性

(3)专用插头小型荧光灯,小型化 荧光灯今天已成为世界光源市场竞争的“伙伴”。

原先(四十年代)一直用锰、锑激活 的卤磷酸钙荧光粉特点是光效较高、价格便宜,在卤粉 中加入硅酸锌锰(绿光)和磷酸锶、锡(红光)等后,虽然要使光色改善,但光效低。1974年荷兰 飞利浦首先研制成了三基色荧光粉(又称稀 土窄发射带荧光粉)光效可达80lm/w以上,平均显色指数85以上,色温为2500-6500(甚至更高)。

 

1.3.2 霓虹灯的发明

1893年,欧洲的 某些城市出现了被称之为“摩尔”(MOLL)霓虹灯和“盖塞拉”(Geissler)霓虹灯 的原始模型霓虹灯。1910年,法国著 明科学家克洛德制成了世界上第一支商业性霓虹灯,它被用 于巴黎市的皇宫大厦作装饰照明,在当时 引起了极大的轰动。到本世纪20年代,我国上 海也出现了霓虹灯,至今,霓虹灯已走了100年的历程。

霓虹灯 作为一种五彩缤纷的城市照明光源,由于外形变化多端、加工灵活、色彩丰 富等特点在广告、商业、交通、建筑、室内外装饰、舞台布景、家用电器、城市美 化等领域发挥了其特有的作用。在人们眼中,霓虹灯 似乎成了社会繁荣的象征,现代文明的标志,美化环 境的必要装点及广告宣传的重要手段。

 

1.3.3 低压钠灯的发明

三十年代初(1931年)LPSL研制成 功光效理论上为200-300lm/w实际上为180-220lm/w。

 

1.4 高强气 体放电灯的发明

60年代末 已相继出现了高压钠灯和金卤灯(统称高强气体放电灯),它的光效、寿命、特别是 亮度比第二代光源有了进一步提高成为第三代光源。

1932年欧美相继出现了HPML,最早的HPML由于缺 少红光面呈蓝色,这的光效是32lm/w,但寿命可达5000-10000小时1950年石英 管成功的代替了硬质玻璃,用来制造放电管,并且在 外壳涂有能发射红光的荧光粉,于是光效可达60lm/w和改善了光色、显色指数(Ra=43)。(HPML目前光效为35-65 lm/w)。 1936超高压 短弧氙灯在欧洲诞生,德国奥斯兰公司于1948年开始研制UHPXL,1951年该公 司首次出售产品,1954年氙灯 用于电影放映机(功率从10几瓦到20千瓦)。光效为22-50lm/w灯的光 谱能量非常接近太阳光,色温均为5000-6000K。

1959年美国GE公司开始使用科布尔(Coble)发明的半透明氧化铝(PCA)材料来制造HPSL,直到1965年才有HPSL商品在 市场上出售光效可达120lm/w,寿命为2400小时。

金卤灯是60年代(1962年)发展起 来的一种新型光源产品,它是在HPML的基础上发展起来的,开始只 是为了增加红色成份改善光色而改进研制成功的。它的问世同1879年爱迪 生了发明白炽灯和经后现的日光灯有同样的意义。历经40铃铛年 的努力已进入成熟阶段,其光效为130lm/w(65-140lm/w)\寿命为5000-20000小时 ,功率从 几十瓦到二千瓦,显色指数可达(65-95)以上,色温可从3000K-6000K甚至更高。

1982年世界 上第一只陶瓷金卤灯问世,它具有光效、寿命长(9000-15000小时)、显色性好(85-95)、结构紧凑、性能稳定等特点。陶瓷金 卤灯比白炽灯光效高8倍以上,寿命长12倍以上,它兼有FL、HPML、HPSL、石英MH的优点,并且克 服了这些灯的缺陷。可以这 样并陶瓷金卤汇集了气体电光源的主要优点,优其突出的是光效高、光色好、寿命长三大优点。因此陶 瓷金卤灯尤其是30W以上的 超小功率将被广泛应用。经过二 十多年的不断探索和改进,目前性 能优异的陶瓷金卤灯,在少数 先进国家已形成了系列化产品。

 

1.5 固态LED光源的崛起

发光二 极管是一种将电能直接转换成可见光的固体元件,可作为 有效的辐射光源、体积小、寿命长、可靠性高、无污染 的绿色光源成为第四代光源。

上世纪六十年代初(1962年),美国通用电气公司的Holonyak 博士采 用气相外延生长的磷砷化镓研制成功了第一批发光二极管,六年后于1968美国的孟山都(Mousanto)和HP公司分 别通过成本与性能的改进,生产出了商品化的GaAsP/GaAs LED器件,在其后 的十多年单间内这种产品成为市场上的主导产品。继GaAp红色发光器件之后,又开发 成功发液相外延(LPE)生长的掺 Zn-O的GaP红色LED和掺N的GaP绿色LED器件,并于70年代中 期先后进入市场。几乎在同时,HP公司的Craford采用氢 化物气相外延工艺研制

成功了透明衬底的GaAsP/GaP橙红色和黄色LED从而形成了能发红、黄、绿色的完整LED系列产品。相对而言,AaGaAs 也是开发较早的LED材料。首先由 日本仙台大学的西泽润一研制成功,并由日本Stanley公司进行批量生产,曾在上 世纪八十年代后期到九十年代初大量使用,但由于 存在严重的退化问题,退出市场。九十年代由美国HP公司和 日本东芝公司采用MOCVD技术研制的InGaALP 四元系LED器件,由于发光效率高,颜色范围宽,而受到广泛重视,发展迅速,特别是Craford等人开 发成功透明衬底技术后,使发光效率提高到20lm/w,超过了白炽灯的光效。最近,由于截 头锥体倒装结构等技术的采用,更使光 效有了进一步的提高。

1993年日本 日亚公司的中村修一等人在采用双所流MOCVD技术,同时解决了P型InGaN材料的退火工艺后,研制成 功了以蓝宝石为衬底的超高亮度蓝色的LED器件。不久又 相继推出了绿色与蓝色的LED。几年后,日亚公 司推出了以蓝色LED芯片上覆盖VAG为主体 的荧光粉制成的白色发光二极管。稍后不久,美国Cree公司也采用Sic作衬底的InGaN/Sic结构的蓝绿光LED器件,通过不 断改进这种器件的性能已与蓝宝石衬底的器件 不相上下。近年来,在紫光LED研究技 术上也有了较大的进展,从而为 新型白光器件开发奠定基础。

 

1.6 超高压汞灯(UHP)开发取得成功

近年来,配投光 系统的显示装置受到人们的极大重视,而影响 其性能的关键配件是短弧光源,荷兰飞利浦公司于1995年首先 开发成功一种超高压汞灯,极距约为1.3mm,功率为100W。在灯工作时,汞蒸汽压可达200个大气压。由于汞蒸汽愈高,灯的亮度也越高,而且汞 原子谱线也更强,特别是595nm以上的 红光辐射随灯内工作压强升高而增强,从而使 灯的显色性提高。由于该 灯放电时电极处于极高的温度,会造成 钨材料蒸发并沉积在球壁上造成光衰,现通过 在工艺上对灯内充入微量氧—卤素,有效清洁泡壳,便灯的寿命达12000小时。

UHP光源的 电弧高度能超过小面积高效投影装置所需的1G坎德拉/ 平方米,为了达 到更好的集光效果,近年来UHP光源的电极减少到1.0mm10000小时以上,功率为200W,配备于投影仪产品,重量仅4kg,体积不到0.002立方米,便于携带,其屏幕照度超过1100lm,能够达到明亮的XGA显示水平。

因为一 般的超高压汞灯是电极稳定型电弧,电弧附 着在电极尖端而稳定。但因UHP型超高 压汞灯气压太高,电弧在 电极上强烈收缩,形成的附着点很小,使电极尖局变形。电弧附 着点就在电极顶部不断跳动,一般跳动距离为100um,频率为0.01Hz--10Hz,在利用 普通投影光学系统时,会发现 屏幕高度的闪烁变化。通常应 用后沿脉冲电流供电,可抑制附着点的跳动。

另外,UHP型光源的体积很小,由自然 剩余电离获得初始电子的数量极其有限,故灯的击穿电压很高(20KV)。为降低启动电压,在灯的 外触发电极与辅助放电腔中的电极引线间形成预放电。产生波长短于270mm的紫外 线从而在主放电腔中产生光电离,这个装置也常被称为UV增强器,它能使 灯的击穿电压降低。再则,还常在UHP型外绕 制一金属细丝作为天线,形成一个附加电场,通过这两个措施,即使UHP光源完 全关闭和长久搁置,灯触发 的电压也大大低于5kv.

 

1.7准分子光源(ELS)的出现

在光源 辐射机理研究中,近年来采用准分子(Excimer)工作物质,如KrF、ArP、NeF和XeCL等,来制造 高功率的紫外光源。同时,通过微 波放电和介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge)等无极 放电形式可制成新型的准分子辐射光源,其工作物质可为Xe2(172mm),Kr2(146mm)和Ar2(126mm),其中Xe2准分子效率最高,光能转换效率达50%

以上。现已制成58*68平方厘米的60W Xe2准分子 大面积平面照明系统,这种灯无需充汞,因此从 环境保护角度更有吸引力。目前已有能将Xe2(172mm)高效转 换成可见光的荧光粉产品。并制成 有实用价值的平面无汞荧光灯产品出售,如在LCD的背景照明中,客观存 在已获得有效的应用。作为一 种新型的无汞荧光灯,它的光 效与直管荧光灯相仿,又能制成平面形状,更加上它无有害物质,不会造成污染,可以预言,准分子光源前途无量。我国在DBD放电方 面的理论研究开展比较早,目前有 一些准分子紫外光源的实验室产品问世,对准分 子光源的理论探索和转化为生产实践也在不断进行中。

 

1.8 微波光源的崛起

1992年国际 电光源科技界提出了微波硫灯的新技术,发现了 充填硫元素和低压氩气于石英泡壳内,在频率为2450MHz微波能量的驱动下,通过硫 分子的振动能和转动能的路迁,可使灯 辐射出连续的可见光谱。 1944年,美国融 合公司制成了一个功率为3400W微波硫灯照明系统。灯内有一个直径为28mm的石英球泡,工作时该石英内由10个大气 压强硫蒸气的分子辐射产生非常强的白光,其光效为120lm/微波W,色温为6500K,显色指数为86。其工作原理为:硫元素 达到高压强状态下,硫分子 的紫外辐射会形成等离子自吸收现象,从而造 成射出的辐射击为可见光。这一过 程与高压钠灯在D线两翼 产生的钠辐射现象极其相似。该灯放 电光谱在可见光区域内是连续的,从而保 证了灯具有极好的显色性。1995年,该公司又开始出售Solar-1000t LightDrive-1000两种规格的微波硫灯。通过耦 合到硫灯的功率刻度从250W/立方厘米降到30W/立方厘米,使石英 玻壳的温度保持在925摄氏度以下。该产品 辐射光谱接近太阳光谱,主要参数为:功率1378W,输出光通量132288LM/W,系统光效96LM/W,灯光效110LM/W,发光泡壳直径40MM,相对色温5400K,显色指数为80,启动时间小于25S,重复热启动时间小于300S,可在很大范围内,寿命60000小时,可任意方向燃点。

我国通过 产学研联合研制,也在1999年推出VEC-1000微波硫灯产品,其技术 指标接近国际同类产品水平而价格仅为进口的1/10。微波硫 灯还可以得用导光管技术,将该灯 发出的强光沿着导光管传送到所需要照明的宽广区域。最近,为使用 使硫灯适宜于家庭和商业照明,国内硫 灯研究人员一方面通过充填物质的改变使灯的光色更符合需求,另一方 面正在积极研制开发100W以下的 小功率微波硫灯,通过应 用叶片工谐振器的微波源,可将2450MHz的微波 能量集中在一个很小的空间,从而使在InBr和Ar 的内径为3mm的球形石英玻壳,激发辐射白光。当输入微波功率为25W时,灯的光通量为2000Lm,灯的显色指数为97,色温为6000K。在过去 几年中硫灯技术已发展到可以和HID灯相媲美的程度,而且它 具有高流明维持率、低的紫外和红外辐射、优良的色稳定性、低闪烁、高光效等特点,若进一 步完善它的特性和降低成本,定会为 人们欢迎的高效节能光源。

 

 LED光源发展史

1、1962年,GE、Monsanto、IBM的联合 实验室开发出了发红光的磷砷化镓(GaAsP)半导体化合物‚从此可 见光发光二极管步入商业化发展进程。

2、1965年‚全球第 一款商用化发光二极管诞生‚它是用 锗材料做成的可发出红外光的LED‚当时的单价约为45美元。其后不久‚Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制 作的商用化红色LED。这种LED的效率为每瓦大约0.1流明‚比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。

3、1968年‚LED的研发 取得了突破性进展‚利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦‚并且能够发出红光、橙光和黄色光。

4、1971‚业界又 推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

5、到20世纪70年代‚由于LED器件在 家庭与办公设备中的大量应用‚LED的价格直线下跌。事实上‚LED在那个 时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。

6、80年代早 期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED‚它能以每瓦10流明的 发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应 用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。

7、1990年‚业界又 开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术‚这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。

8、今天‚效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期间‚材料技术、芯片尺 寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。

9、1994年‚日本科 学家中村修二在GaN基片上 研制出了第一只蓝色发光二极管‚由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。1996年由日本Nichia公司(日亚)成功开发出白色LED。

10、20世纪90年代后期‚研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED‚但色泽不均匀‚使用寿命短‚价格高。随着技术的不断进步‚白光LED的发展相当迅速‚白光LED的发光效率已经达到38lm/W‚实验室 研究成果可以达到70lm/W‚大大超过白炽灯‚向荧光灯逼近。

近几年来‚随着人 们对半导体发光材料研究的不断深入‚LED制造工 艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用‚各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展‚其发光效率提高了近1000倍‚色度方 面已实现了可见光波段的所有颜色‚其中最 重要的是超高亮度白光LED的出现‚使LED应用领 域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出‚高亮度LED将是人 类继爱迪生发明白炽灯泡后‚最伟大的发明之一。

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