在其早期版本中，固態照明（SSL）難以與傳統照明競爭，因為它價格昂貴，而且坦率地說，并不是很明亮。然而，隨著制造商提高其設備的產量和效率以及更好的制造技術壓低價格，SSL在照明市場的份額迅速擴大。今天來自主要供應商的優質產品提供了前所未有的光度和效率，并且雖然進一步改進了很可能，現代產品的性能已經轉移到提高LED燈的“質量”。芯片制造商現在花費他們的研究資金開發具有改進的顯色指數（CRI）和有限的相關色溫（CCT）隨溫度和調光變化的產品。

本文描述了現代LED如何在功效方面超越傳統照明。價格差距急劇縮小。然后，文章解釋了制造商如何將注意力轉向光質量，甚至用戶控制器“色彩調整”，以進一步提高其市場份額。

照明LED的簡史

許多工程師都驚訝地發現1907年，當英國HJ Round of Marconi Labs用碳化硅晶體和貓須探測器進行實驗時，LED的歷史延續了一個多世紀，發現了電致發光。

然而，第一個關鍵的發現導致了今天的高亮度白光LED發生在1962年，是Nick Holonyak Jr.開發激光二極管的副產品。 Holonyak受雇于貝爾實驗室，他正在研究含有砷化鎵磷化物的半導體二極管，他發現向砷化鎵材料中加入更多的磷會增加其帶隙，從而將發射光的波長從紅外線縮短為可見紅色。由于光線不連貫，Holonyak的設備是“發光”二極管而不是激光二極管。

進一步的實驗產生了不同顏色的LED。然而，從Holonyak在60年代初期的最初發現，直到90年代初期，缺少藍色設備（白光源的關鍵組件）將LED指向任務，例如指示，而不是一般照明。

第二重點發現始于1986年，當時日本名古屋大學的Isamu Akasaki和Hiroshi Amano想出了一種在藍寶石襯底上制造氮化鎵（GaN）晶體的方法。其他人已經探索了GaN作為發光半導體的潛力，但沒有人能夠生長出合適質量的晶體或生產制造LED結所需的p型材料。到20世紀80年代末，Asaki和Amano已經解決了這兩個問題與此同時，為日本化學公司Nichia工作的Shuji Nakamura獨立開發GaN作為藍色LED的基礎。他找到了一種比Asaki和Amano更便宜的方法，通過加熱晶體而不是用電子束轟擊它來生產p型材料。

后來，Nichia研究員Yasunobu Noguchi開發出一種可以轉換的釔鋁石榴石（YAG）熒光粉藍色光子變黃，最后，Kensho Sakano將Noguchi的熒光粉與藍色LED芯片組合成白色LED。 Asaki，Amano和Nakamura因發明藍色LED1而獲得2014年諾貝爾物理學獎（圖1）。

圖1：藍色LED啟用了今天的固體產品國家照明。

Nichia的1996年首款商用白光LED產量可達5流明/瓦。隨著公司的快速發展，該公司到2003年將這一數字提高到50流明/瓦。這使得固態照明成為白熾燈泡（效率為10到18流明/瓦）和其他照明技術（如緊湊型熒光燈）的可行替代品。燈（35至60流明/瓦）和熒光燈管（80至100流明/瓦） - 雖然購買公眾中的早期采用者價格很高。從那時起，Cree，OSRAM，Philips Lumileds等制造商，和首爾半導體在功效和光度方面取得了進一步的快速提升。他們努力的結果是，在一種稱為Haitz定律的趨勢（類似于基于CMOS的芯片的摩爾定律）之后，大約每三年發光度和效率翻倍。與此同時，按每美元流出量計算，價格每年下降20％（圖2）。

圖2：與其他照明技術相比，LED的功效和成本。 （美國能源信息管理局提供）

現在，在推出Nichia首款白光LED后不到二十年，商用設備的功效約為早期LED的30倍。例如，對各個制造商最新發布的評論顯示，Cree的XLamp XP-L采用Philips Lumiled的LUXEON Z（500 mA，2.8 V）產生145 lm/W（正向電流1.05 A，正向電壓2.95 V），產生108 lm/W。就其本身而言，首爾半導體提供的Z5-M1白光LED可提供140流明/瓦（350毫安，2.95伏）。 （請注意，此處列出的設備不一定是直接等效設備，僅作為示例。所有列出的制造商都提供各種LED，提供不同的功效和光度，工程師應檢查數據表是否有完整的規格。）

專注于質量

由于白光LED的亮度和功效現在已足以滿足消費者的期望，制造商已將注意力轉向提高設備光的“質量”，而不是進一步增加“數量”。每瓦流明。

有兩個關鍵參數用于量化白光LED的光質量：CRI和CCT。

CRI是光源忠實再現各種物體顏色的能力的定量測量與理想或自然光源相比。 CRI由8個CIE標準顏色樣品的色度（或“顏色外觀”）的差異計算，當被測試光源照射時，然后由相同CCT的參考光源照射。參考光源和被測光之間的八個樣本的色度的平均差異越小，CRI越高。自然光被歸類為CRI為100，是最好的。白熾燈的CRI高于95，鹵素燈90或更高，以及緊湊型熒光燈（CFL）80。今天的LED表現良好，記錄值為80到90.例如，歐司朗的SSL 150白光LED的顯色指數為83。

不滿足于傳統光源的CRI，LED制造商一直努力提高其產品的CRI，當包含8個標準樣品時，它們包含鮮艷的紅色（R9）。以前，LED的擴展測試記錄得分低至20，因為它們的光譜功率分布（SPD）往往包含很少的紅色波長;因此，紅色或主要是紅色的物體看起來很暗淡。白色LED制造商通過修改YAG熒光粉以增強SPD中的紅色波長并用藍色LED取代紫外線以獲得進一步改善，在一定程度上解決了這一缺陷。 》新型熒光粉確實會對器件的功效產生影響，但由于LED現在具有如此高的內在功效，許多制造商認為，當R9包含在測試中時，小損失是合理的商業折衷以改善CRI。例如，飛利浦Lumileds LUXEON T系列包括一個CRI為95的設備，當R9不包括在測試中時為90，而時為90。該芯片的功效仍為82 lm/W（2.51 V，700 mA。

限制顏色變化

LED制造商也在努力開發LED，其發光與傳統光源發出的照明顏色（或“溫度”）非常接近，以滿足消費者的苛刻要求。制造商生產白色LED，其輸出分為“暖白”（2，600至3，700 K CCT），“中性白”（3，700至5，000 K CCT）和“冷白”（5，000至8，300 K CCT），分為“箱”組成顏色輸出非常相似的設備。希望為他或她的燈具使用LED陣列的照明設計師從同一箱中選擇設備以確保整個陣列的顏色一致性。

CCT使用Commission Internationale de l‘Eclairage（CIE）色度空間定義（ CIE 1931 x，y，z）。 LED的輸出位于或接近普朗克軌跡，對應于白熾燈“黑體”隨溫度變化而呈現的顏色（圖3）。

圖3 ：CIE xy 1931色度圖，帶有普朗克軌跡和相關色溫線。不幸的是，隨著LED溫度的升高，構成芯片的晶格構成的原子振動更大，這略微增加了晶格常數（晶體“單位晶胞”的尺寸。這反過來減小了帶隙，這增加了發射光子的波長。

凈效應是藍色LED“光子泵”的輸出略微偏移到光譜的紅色端，并發出黃色光子從熒光粉反過來受到輕微影響。 SSL的輸出 - 來自這兩個光源的光譜的組合 - 也被改變。雖然制造商已經嘗試最小化由于其產品的溫度導致的CCT變化，但是一些漂移是不可避免的。芯片制造商在25°C時指定其器件的CCT，然后在規格表中提供有關特定器件的CCT隨溫度升高而漂移的信息。好消息是它確實需要相當大的溫度升高才能使人體眼睛的CCT變化明顯。制造商將產品分組的箱子由CIE色彩空間的四邊形定義，其邊界為表明在事情變得明顯之前CCT隨溫度變化的極限。例如，Cree XLamp XP-E的數據表顯示，只要結溫不超過90°C，器件就不會出現可感知的CCT偏移（圖4）。

圖4：CIE 1976 L，u’，v‘顏色空間中的Cree XP-E LED色度偏移。 （由Cree提供）

當然，LED在高于90°C的結溫時可以很好地運行，但除了不可接受的CCT偏移外，高工作溫度也會縮短LED的使用壽命，因此設計師有責任通過適當的熱管理將其設備溫度降至合理水平。但是，不僅僅是溫度會改變LED的顏色，模擬調光 - 用于調暗許多傳統光源的廉價技術 - 也會影響它。

出現這個問題是因為在給定正向電壓下來自給定LED的每個發射光子的波長不完全相同。波長根據以主頻率為中心的鐘形曲線而變化。

LED的亮度與正向電流成正比，而正向電流又與正向電壓（高于閾值電壓）成正比。事實證明，降低正向電壓以使LED變暗會使鐘形曲線發生偏移，使得主頻率出現在稍短的波長處，從而改變顏色。制造商通過實施結合數字調光的LED驅動器解決了這個問題。該技術保持恒定的正向電壓（和正向電流），但使用脈沖寬度調制（PWM）來快速啟動和關閉LED。通過改變脈沖序列的占空比，可以使光線變暗而不會出現顏色變化。

21世紀的照明

盡管制造商取得了成功保持色彩一致性，一些LED制造商正在尋求利用LED的靈活性，通過積極鼓勵消費者改變顏色來區分他們的產品與傳統照明 - 但這次是以受控的方式。

結合紅色，綠色和藍色（ RGB）LED是產生白光的另一種方法。然而，由于綠色LED的功效低下導致整體性能下降，這些設備一直難以獲得市場份額然而，現在，Philips Lumileds的Rebel ES系列（圖5）的綠綠LED正在幫助解決這個問題。石灰綠色設備不是純色LED，而是藍色發光體和專有石灰磷光體的組合，可以克服綠色設備的效率問題。根據Philips Lumileds的數據表，這種藍色LED/綠色熒光粉組合的功效可達190 lm/W（2.75 V，350 mA）。

圖5：飛利浦Lumileds在彩色可調應用中為RGB光引擎提供石灰綠LED。

飛利浦的Hue燈泡采用了石灰綠LED，適用于標準燈座，并允許消費者改變燈泡的輸出使用無線連接的基于智能手機或平板電腦的應用程序。該應用程序將LED輸出顏色與彩虹調色板相匹配，甚至與用戶喜歡的圖像相匹配。

其他制造商正在直接解決純色綠色LED的低功效問題。市場上已有一些令人印象深刻的設備;例如，Cree的XLamp XP-E系列的528 nm綠色芯片可產生84 lm/W（3.4 V，350 mA）.LED正在快速成熟。該技術總是提供比傳統照明更高效和更持久的潛力，但現在，經過多年的研究和商業化投資，這一承諾已經實現。這些設備的性能優于幾乎所有類型的傳統照明，價格繼續下降。此外，制造商在解決顏色質量和一致性方面取得了很大進展，使得由于溫度或調光而導致的LED照明裝置的色調的任何變化都是不可察覺的。下一步，將LED作為未來的照明技術，用戶控制的調光和色調，通過智能手機控制，以適應消費者的心情。