蓝色LED会不会被紫色LED取代

早晚会消失。”中村修二在7月24日举行的“GaN掀起能源革命”研讨会上发表演讲时说出的这番言论,震惊业内外。中村修二当初因开发出高效蓝色LED而获得2014年诺贝尔物理学奖,如今竟一举“推翻”这一成果,是蓝色LED本身缺陷明显,还是其出于对新公司Soraa主推紫色LED的宣传?未来蓝色LED是否会退出历史舞台?带着这些疑问,记者采访了业内一些专家,对此进行一一分析。

LEDs是基于半导体元件的窄带光源,发光波长范围从红外到紫外。第一个LEDs的发光波长为红外到绿光不等。蓝光LEDs则需要研究高质量晶体的生长技术、宽带隙半导体的p型掺杂控制技术,而这些技术只有在1980s末期在GaN体系上得以实现。另外,高效蓝光LED的研发也需要制备出具有不同组成的GaN基合金,并需要将之集成为异质结和量子阱类的多层结构。

荧光材料受蓝光LED照射激发,会发出绿、红谱段的光,它们与蓝光合并后看起来就是白光。另外,具有不同互补色(红/绿/蓝)的几个LEDs一起用也可以形成白光。以上两种技术被用在当今的高效电致发光白光光源中,实现了显著的节能效果。

但中村修二如今指出,一方面,由蓝色LED芯片和黄色荧光体组合而成白色LED,发光的波长不均衡,并且存在蓝色光的峰值强度较高、容易引起睡眠障碍的问题,即“蓝光问题”。另一方面,普通的由蓝色LED和荧光材料组成的白色LED不含紫外线。因此,与含有阳光和紫外线的其他光源相比,呈现出的色彩有时会存在差别。

由此,中村修二宣判“使用蓝色LED的白色LED早晚会消失”,并指出“美国Soraa公司销售的白色LED是解决对策。”

而据了解,Soraa是中村作为共同创始人(co-founder)设立的LED风险企业,主要销售在紫色LED芯片上组合使用红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)荧光体的白色LED。这不禁令人联想到,他的这番言论会是出于其参股公司自身利益?

WhichLEDs从在商言商的角度上看,认为中村是有为其参股公司做宣传的可能。“自己发明出来的东西被自己看衰,其实也是挺有趣的。从二战中伤亡人数来看,如诺贝尔先生健在,也应该非常恨自己发明了吧。”

中国照明电器协会副理事长、南京工业大学电光源材料研究所所长王海波同样表示此并不奇怪,“中村说这段话的背景情况,很自然让人想到是为了商业目的。”

“应该反过来看,因为他看到紫色LED的前景,才会投入这样一家以紫色LED研发为主的公司。对于这番言论是否出于公司利益就不得而知了。”中国稀土学会专家组专家、中国稀土协会光功能材料分会秘书长、上海市照明学会理事吴虹建议用逆反思维看待此事。

而江苏博睿光电有限公司副总经理梁超则认为中村修二并不是出于公司利益,“作为一名获得诺贝尔奖的科学家,应该是具有很高的道德水准和职业操守,对于其看衰蓝光LED的观点,是有理论支撑的,当然也具有合理性。”

副总裁陈振亦认同此观点,“我相信他做出的判断应该是基于他的理解和出发点。”

中村修二的言论是否真的出于公司利益,我们无法做出定论,但其现今所推崇的紫色LED是否真的会将蓝色LED取而代之,可客观分析看看。

吴虹对于紫色LED的发展前景持以肯定态度,“紫色光转换白光效率更高,光谱分布均衡,显色指数相对较好,对于节能减排、提高光品质有重要的意义。虽然目前受价格高企影响,还未能普及,但优势明显。”

1、显色指数高。这种白色LED是通过紫色LED激发荧光体来获得蓝色光,蓝色光的峰值强度不太高。而且,还能输出可见光波长范围内所有的光,因此显色指数比较高,可实现像太阳光一样的理想白色。而且它的红色显色指数“R9”尤其高,平均显色指数“Ra”也高达95。

(1)因为紫色LED采用GaN基板制造,是在GaN基板上层叠GaN类半导体制作了紫色LED芯片,属于“GaN on GaN”型LED,GaN类半导体层的结晶品质比较高,所以紫色LED发光效率高,而且效率的提高速度快。

(2)紫色LED芯片为三角形,普通LED芯片的形状为四角形,与之相比,三角形LED芯片的发光层发出的光线射到芯片外的效率(光提取效率)更高。由于紫色LED的晶体品质及光提取效率都很高,因此光输出除以投入电力所得到的“WPE(wall-plug efficiency,电光转换效率)”可达到84%。而普通蓝色LED的WPE仅为50~60%。

(3)普通的蓝色LED芯片是在蓝宝石基板上制作的。由于GaN类半导体与蓝宝石的晶格常数等不同,因此容易出现称为“位错”的结晶缺陷。而采用GaN基板几乎不存在晶格常数的差异,因此很难出现结晶缺陷。与采用蓝宝石基板的产品相比,位错密度可降至约1/1000。

(4)紫色LED芯片的另一特点是不易出现“光效下降(droop)”问题。光效下降是为了提高发光强度而增加驱动电流密度时,引起的发光效率下降的现象,也是提高亮度时存在的一大课题。而GaN on GaN型产品的晶体品质较高,与蓝宝石基板型产品相比,不易发生光效下降问题。因此,与蓝宝石基板型产品相比,GaN基板型产品可使电流密度提高至5~10倍。

利用紫光或紫外LED激发RGB三色荧光粉,获得高显色白光,在当前芯片效率已经提高到一个新的量级情况下,获得业内越来越多的青睐。那么,蓝色LED会否最终退出历史舞台?

WhichLEDs表示,紫色加红绿蓝三基色荧光粉,在传统荧光灯上已实现了规模量产。只是开发出紫色LED来代替传统荧光灯里采用高压电弧击穿汞蒸气形成紫外线的过程,可是紫外LED形成的白光并不具备压倒性优势。蓝光作为三基色的一种,是形成白光的必要条件,不会退出历史舞台。

“蓝光LED产生的白光光源有其弊端也有其优点,其中蓝光尖峰和点光源为最突出问题。而目前通过荧光粉技术可以减少蓝光的强度,提高光源的显色性,通过配光技术则可以改善眩光影响”,王海波认同紫光的巨大应用前景,但亦表示蓝光品质还可以被不断优化,“蓝光LED的研究者们,还在不断的提高光源质量,相信蓝光会做得更有市场竞争力”。

分别依仗成本优势和技术优势,蓝光LED和紫光LED的较量还不算明朗,王海波把两者关系比作“液晶电视和等离子电视”,即出于同一目的,采取的不同技术路径,真正的竞争结果目前还不能“妄下结论”,他表示,“谁能在市场上胜出,就如同高考一样,取决于自身考试成绩,也取决于别人考的好坏,最终还是看两者比较优势”。

陈振认为基于蓝色LED的白光LED仍然是照明的主流,而基于紫色LED的白色LED可以用于高端照明,“一个产品是否会被代替,技术原因只是占到很小一部分。产品成本、使用习惯、主流厂商的选择都是影响一个产品市场占有率的重要原因。”

梁超则从全局角度来看,“紫光LED是否真正能够引领未来市场主流,进而逼迫蓝光LED退出市场,至少目前还难以做出清晰的判断。相关配套的材料、装备、产业链的配套水平等等,都影响着行业的发展进程。”

有网友认为,无论是蓝色LED或是紫色LED产生的白色光源即使非常接近自然光,但是它的眩光和蓝光辐射依旧存在,对人眼并不健康。并且,从色彩还原度和发光柔和度来看,可能有比LED更为出色的替代光源。那么这种更接近自然光的白色LED技术是昙花一现还是集大成的发展趋势?

WhichLEDs分析道,眩光的产生不是LED特有的,所有具有高亮度的光源都有可能产生眩光,越是高能量的光线对人体的皮肤和眼细胞破坏越大,所以它不会是LED的一个弊端,通过合理的灯具设计和控制眩光。在未来的白光中控制光谱成分中蓝光的强度可合理控制蓝光辐射问题。

同样,追溯到紫外LED,可能辐射度更强,这也将是紫外LED推广的一大难点。目前PHILIPS 推广的Cirsp White的COB产品中添加了410nm波长的紫色LED,能激发出纤维中的荧光剂成分,形成炫白。可是这样的灯具并不能作为主照明使用,只能作为服装店或局部摄影棚使用,长期处于那样的环境中,会对皮肤产生更大的破坏。

“而在色彩还原性方面,不是LED的强项,不能排斥其他技术的产生能达到非常高的色彩还原度和更加柔和的发光效果。照明的替代具有不同场合,虽然LED不是所有场合的最佳替代,但可能是局部场合的最佳替代,只要做好这部分替代市场即可,毕竟一项技术不可能满足所有的需求。”WhichLEDs进而分析道。

“就现有的技术和产品而言,真正能够实现最佳替代的光源一定是LED。”陈振认为LED自身优势无可比拟。“色彩还原度和发光柔和度都是可以调整的参数,只要牺牲亮度和成本在这方面都可以做得很好。目前有两个技术对LED的全光源地位有影响,这两种技术是OLED和LEP。但是这两种技术远远达不到取代LED的地位。只能说这两种技术在某些细分领域有优势,可能是LED光源的一个补充。”

从白炽灯到LED灯,照明的发展经历了热辐射光源、气体放电光源到固态光源的发展历程,每次变革即是人工照明领域的一次革命。王海波表示,“固态照明领域还将不断产生新的光源,包括紫外LED、OLED、量子点技术、激光照明等等,但任何一种光源都是照明技术发展的一站,都不会是这种发展的终结”。

吴虹亦认为,LED在目前来看也确实不能算作最优秀的光源,但LED依旧还有很多潜力优势没有完全挖掘发挥出来,至于热炒的QLED、OLED等光源技术虽在发展,但概念炒作明显,从业者还是要脚踏实地,勿瞻前顾后。

“其实,光源的替代进程正在发生。”梁超坦言。对于白光LED的发展,他认为应该首先从普通消费大众的需求来衡量,“目前企业不断发布具有更高的显色性或更高等级的其他指标的产品,往往是出于纯粹技术指标上竞争的目的。这些指标的不断提升,是否真的为消费者带来更好的使用体验,也许尚不得知。”

WhichLEDs针对白色LED的发展趋势发表了自己的一些看法。白色LED主要以满足照明为主,发展趋势也可从满足照明需求的层次来谈:1、必须要具有高的效率。高效率可以节能,全球约有12%的能源花费在照明功能上。2、具有高的显色指数。高显色指数和高色彩饱和度更能具有色彩还原度,能还原出太阳光所照射的颜色。3、具有高的色彩饱和度。未来白光LED会向全光谱光源发展,当然,全光谱不仅仅是LED的努力结果,还必须要配合不同激发波长的荧光粉。

“科学绝不是也永远不会是一本写完了的书。每一项重大成就都会带来新的问题,任何一个发展随着时间推移都会面临新的问题,而我们就是要不断去解决它”,爱因斯坦曾这样说过科学,蓝光LED与紫光LED同样如此,都不会裹足LED的技术发展,但一定会成为LED技术应用过程中里程碑式的一笔。

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