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當(dāng)前位置技術(shù)知識(shí) >> 超高亮度LED的技巧發(fā)展和利用分析

1 引言 LED已有近30年的發(fā)展過(guò)程。20世紀(jì)70年代，最早的GaP、GaAsP同質(zhì)結(jié)紅、黃、綠色低發(fā)光效率的LED已開(kāi)端利用于唆使燈、數(shù)字和文字顯示。從此，LED開(kāi)端進(jìn)進(jìn)多種利用范疇，包含宇航、飛機(jī)、汽車(chē)、產(chǎn)業(yè)利用、通信、花費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部分和千家萬(wàn)戶(hù)。到1996年，LED在全世界的銷(xiāo)售額已達(dá)到幾十億美元。盡管多年以來(lái)LED一直受到色彩和發(fā)光效率的限制，但是由于GaP和GaAsP LED具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、工作電流小、可與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容等很多長(zhǎng)處，因而一直受到應(yīng)用者的青睞。
最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工藝技巧研究的前沿課題。超高亮度（UHB）是指發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)100mcd的LED，又稱(chēng)坎德拉（cd）級(jí)LED。高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制進(jìn)展得十分敏捷，現(xiàn)已達(dá)到慣例材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能達(dá)到的性能程度。1991年，東芝公司和美國(guó)HP公司研制成InGaAlP 620nm橙色超高亮度LED，1992年，InGaAlP 590nm黃色超高亮度LED達(dá)到實(shí)用化。同年，東芝公司研制的InGaA1P 573nm黃綠色超高亮度LED的法向光強(qiáng)達(dá)2cd。1994年，日亞公司研制成InGaN 450nm藍(lán)（綠）色超高亮度LED。至此，彩色顯示所需的三基色紅、綠、藍(lán)以及橙、黃多種色彩的LED都達(dá)到了坎德拉級(jí)的發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了超高亮度化、全色化，使發(fā)光管的戶(hù)外全色顯示成為現(xiàn)實(shí)。
我國(guó)發(fā)展LED起步于20世紀(jì)70年代，80年代形成產(chǎn)業(yè)。全國(guó)約有100多家企業(yè)，95％的廠(chǎng)家都從事后道封裝生產(chǎn)，所需管芯幾乎全部從海外進(jìn)口。通過(guò)幾個(gè)"五年打算"的技巧改革、技巧攻關(guān)、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和部分關(guān)鍵技巧，使我國(guó)LED的生產(chǎn)技巧已向前跨進(jìn)了一步。北京、長(zhǎng)春、南昌、上海、山東、河北等地的一些廠(chǎng)家，現(xiàn)已具有GaAs和GaP單晶、外延片、芯片的批量生產(chǎn)才能。由南昌746廠(chǎng)組建的欣磊光電公司的普亮LED芯片生產(chǎn)線(xiàn)，1998年生產(chǎn)出管芯7億只，1999年超過(guò)10億只。***電子第13研究所下屬的河北匯有電力電子公司和河北立德電子公司已分辨建成InGaA1P超高亮度LED外延片和芯片生產(chǎn)線(xiàn)，1999年年底達(dá)到年產(chǎn)外延片1萬(wàn)片、芯片1億只的生產(chǎn)才能，從而轉(zhuǎn)變了我國(guó)超高亮度LED外延片、芯片全部從海外進(jìn)口的局面。
本文將對(duì)超高亮度InGaA1P LED和InGaN LED在汽車(chē)唆使燈、交通信號(hào)燈、大屏幕顯示、液晶顯示（LCD）的背光照明等中的利用情況做一簡(jiǎn)要先容。
2 超高亮度LED的結(jié)構(gòu)及性能
超高亮度紅A1GaAs LED與GaAsP、GaP LED相比，具有更高的發(fā)光效率，透明襯底（TS）A1GaAs LED（640nm）的流明效率已接近10lm/W，比紅色GaAsPGaPLED大10倍。超高亮度InGaAlP LED供給的色彩與GaAsP、GaP LED雷同，包含綠黃色（560nm）、淺綠黃色（570nm）、黃色（585nm）、淺黃（590nm）、橙色（605nm）、淺紅（625nm）、深紅（640nm）。InGaAlPLED接收襯底（AS）的流明效率為101m/W，透明襯底（TS）為201m/W，在590nm～626nm的波長(zhǎng)范疇內(nèi)比GaAsP、GaP LED的流明效率要高10倍～20倍；在560nm～570nm的波長(zhǎng)范疇內(nèi)比GaAsP、GaP LED高出2倍～4倍。超高亮度InGaN LED供給了藍(lán)色光和綠色光，其波長(zhǎng)范疇：藍(lán)色為450nm～480nm，藍(lán)綠色為500nm，綠色為520nm；其流明效率為3m/W～151m/W。超高亮度LED目前的流明效率已超過(guò)帶濾光片的白熾燈，可以代替功率1W以?xún)?nèi)的白熾燈，而且用LED陣列可以代替功率在150W以?xún)?nèi)的白熾燈。對(duì)于很多利用，白熾燈都是采用濾光片來(lái)得到紅色、橙色、綠色和藍(lán)色，而用超高亮度LED則可得到雷同的色彩。近年，用AlGaInP材料和InGaN材料制作的超高亮度LED將多個(gè)（紅、藍(lán)、綠）超高亮度LED芯片組合在一起，不用濾光片也能得到各種色彩，包含紅、橙、黃、綠、藍(lán)，目前其發(fā)光效率均已超過(guò)白熾燈，正向熒光燈接近。發(fā)光明度已高于1000mcd，可滿(mǎn)足室外全天候、全色顯示的需要，用LED彩色大屏幕可以表現(xiàn)天空和海洋，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫(huà)。新一代紅、綠、藍(lán)超高亮度LED達(dá)到了前所未有的性能。
3 超高亮度LED的利用
3.1 信息唆使燈
3.1.1 汽車(chē)信號(hào)唆使
汽車(chē)唆使燈在車(chē)的外部重要是方向燈、尾燈和剎車(chē)燈；在車(chē)的內(nèi)部重要是各種儀表的照明和顯示。超高亮度LED用于汽車(chē)唆使燈，與傳統(tǒng)的白熾燈相比，具有很多長(zhǎng)處，在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的市場(chǎng)。LED能夠經(jīng)受較強(qiáng)的機(jī)械沖擊和震動(dòng)。均勻工作壽命（MTBF）比白熾燈泡高出幾個(gè)數(shù)目級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出汽車(chē)本身的工作壽命，因此LED剎車(chē)燈可封裝成一個(gè)整體，而不必考慮維修。透明襯底AlGaAs和AlInGaP LED與帶有濾光片的白熾燈泡相比具有相當(dāng)高的流明效率，這樣，LED剎車(chē)燈和方向燈就能夠在較低的驅(qū)動(dòng)電流下工作，典范的驅(qū)動(dòng)電流只有白熾燈的1/4。較低的功率還可下降汽車(chē)內(nèi)部線(xiàn)路系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)還可減小集成化的LED信號(hào)燈的內(nèi)部溫升，答應(yīng)透鏡和外罩應(yīng)用耐溫性能較低的塑料。LED剎車(chē)燈的響應(yīng)時(shí)間為100ns，比白熾燈的響應(yīng)時(shí)間短，這樣便給司機(jī)留下了更多的反應(yīng)時(shí)間，從而提高了行車(chē)的安全保證。汽車(chē)的外部唆使燈的照度及色彩均有明白規(guī)定。汽車(chē)的內(nèi)部照明顯示雖不像外部信號(hào)燈那樣受到政府有關(guān)部分的把持，但汽車(chē)的制作者對(duì)LED的色彩及照明度有請(qǐng)求。GaP LED早已用于車(chē)內(nèi)，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在色彩和照明度上可滿(mǎn)足制作者的請(qǐng)求，因而將更多地代替車(chē)內(nèi)白熾燈。從價(jià)格上看，盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的，但從全部系統(tǒng)來(lái)看，二者的價(jià)格并沒(méi)有明顯的差別。隨著超高亮度TSAlGaAs和AlGaInP LED實(shí)用化的發(fā)展，最近幾年價(jià)格一直在不斷下降，今后下降的幅度還會(huì)更大。
3.1.2 交通信號(hào)唆使
用超高亮度LED代替白熾燈，用于交通信號(hào)燈、警示燈、標(biāo)記燈現(xiàn)已遍及世界各地，市場(chǎng)廣闊，需求量增加很快。根據(jù)美國(guó)交通部分1994年的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)安裝交通信號(hào)燈的十字路口有26萬(wàn)個(gè)，每個(gè)十字路口至少要有12個(gè)紅色、黃色、藍(lán)綠色信號(hào)燈。很多十字路口還有一些附加的轉(zhuǎn)變標(biāo)記和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣，每個(gè)十字路口可能有20個(gè)信號(hào)燈，而且要同時(shí)發(fā)光。由此可推算出美國(guó)全國(guó)約有1.35億個(gè)交通信號(hào)燈。目前采用超高亮度LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈下降電力損耗已取得明顯后果。每年在交通信號(hào)燈上的耗電量約為100萬(wàn)千瓦，采用超高亮度LED代替白熾燈后，其耗電量?jī)H為本來(lái)的12％。
對(duì)交通信號(hào)燈，每個(gè)國(guó)家的主管部分都要制定相應(yīng)的規(guī)范，規(guī)定信號(hào)的色彩、最低的照明強(qiáng)度，光束空間散布的圖樣以及對(duì)安裝環(huán)境的請(qǐng)求等。盡管這些請(qǐng)求是按白熾燈編寫(xiě)的，但對(duì)目前采用的超高亮度LED交通信號(hào)燈基礎(chǔ)上是實(shí)用的。
LED交通信號(hào)燈與白熾燈相比，工作壽命較長(zhǎng)，一般可達(dá)到10年，考慮到戶(hù)外惡劣環(huán)境的影響，預(yù)計(jì)壽命要減少到5年～6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格也比擬便宜，若用紅色超高亮度LED組成的模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紅色白熾交通信號(hào)燈頭則可將因紅色白熾燈忽然失效給安全造成的影響下降到最低程度。一般LED交通信號(hào)模塊由若干組串聯(lián)的LED單燈組成，以12英寸的紅色LED交通信號(hào)模塊為例，在3組～9組串聯(lián)的LED單燈，每組串聯(lián)的LED單燈數(shù)為70個(gè)～75個(gè)（總數(shù)為210個(gè)～675個(gè)LED單燈），當(dāng)有一個(gè)LED單燈失效時(shí)，只會(huì)影響一組信號(hào)，其余各組減小到本來(lái)的2/3（67％）或8/9（89％），并不會(huì)像白熾燈那樣使全部信號(hào)燈頭失效。
LED交通信號(hào)模塊存在的重要標(biāo)題是造價(jià)仍然顯得高些，以12英寸的TS－AlGaAs紅色LED交通信號(hào)模塊為例，最早利用于1994年，其造價(jià)為350＄，而到1996年，性能更好的12英寸的AlGaInP LED交通信號(hào)模塊，造價(jià)為200＄。預(yù)計(jì)不會(huì)很久，InGaN藍(lán)綠色LED交通信號(hào)模塊的價(jià)格將可與AlGaInP相比。白熾交通信號(hào)燈頭的造價(jià)雖低，但耗電量大，一個(gè)直徑為12英寸的白熾交通信號(hào)燈頭的耗電量為150W，橫過(guò)馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W，據(jù)盤(pán)算，每個(gè)十字路口的白熾信號(hào)燈每年的耗電量為18133kWh，折合每年的電費(fèi)為1450＄；然而，LED交通信號(hào)模塊非常省電，每個(gè)8英寸～12英寸的紅色LED交通信號(hào)模塊的耗電量分辨為15W和20W，十字路口拐彎處的LED標(biāo)記可用箭頭開(kāi)關(guān)顯示，耗電量?jī)H有9W，據(jù)盤(pán)算，每個(gè)十字路口每年可省電9916kWh，相當(dāng)每年節(jié)儉電費(fèi)793＄。按每個(gè)LED交通信號(hào)模塊的均勻造價(jià)為200＄計(jì)，紅色LED交通信號(hào)模塊僅用其節(jié)儉的電費(fèi)，3年后即可收回最初的本錢(qián)造價(jià)，并開(kāi)端不斷得到經(jīng)濟(jì)回報(bào)。因此目前應(yīng)用AlGaInP LED交通信息模塊，盡管造價(jià)顯得高些，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，還是合算的。
3.2 大屏幕顯示
大屏幕顯示是超高亮度LED利用的另一個(gè)宏大市場(chǎng)，包含圖形、文字、數(shù)字的單色、雙色和全色顯示。傳統(tǒng)的大屏幕有源顯示一般采用白熾燈、光纖、陰極射線(xiàn)管等；無(wú)源顯示一般采用翻牌的方法。LED顯示曾一直受到LED本身性能和色彩的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS－AlGaAs、InGaN LED已能夠供給明亮的紅、黃、綠、藍(lán)各種色彩，可完整滿(mǎn)足全色大屏幕顯示的請(qǐng)求。LED顯示屏可按像素尺寸裝配成各種結(jié)構(gòu)，小像素直徑一般小于5mm，單色顯示的每個(gè)像素用一個(gè)T－1（3/4）的LED燈，雙色顯示的每個(gè)像素為雙色的T－1（3/4）的LED燈，全色顯示則需要3個(gè)T－1紅、綠、藍(lán)色燈，或者裝配一個(gè)多芯片的T－1（3/4）的LED燈作為一個(gè)像素。大像素則是通過(guò)把很多T－1（3/4）紅、綠、藍(lán)色LED燈組合在一起構(gòu)成的。用InGaN(480nm)藍(lán)、InGaN(515nm)綠和AsAlGaAs(637nm)紅LED燈作為L(zhǎng)ED顯示的三基色，可以供給逼真的全色性能，而且具有較大的色彩范疇，包含藍(lán)綠、綠紅等，與國(guó)際電視系統(tǒng)委員會(huì)（NTSC）規(guī)定的電視色彩范疇基礎(chǔ)相符。
3.3 液晶顯示（LCD）的背照明
在液晶顯示中至少有10％采用有源光作為背照明，光源可使LCD顯示屏在黑暗的環(huán)境下易讀，全色LCD顯示也需要光源。LCD背照明所需的光源重要有白熾燈泡、場(chǎng)致發(fā)光、冷陰極熒光、LED等，其中LED在LCD背照明中最有競(jìng)爭(zhēng)力，新型的超高亮度AlGaInP、AlGaAs、InGaN LED可以供給高效率的發(fā)光和寬范疇的色彩。
LED用于LCD背照明重要有3種方法。（1）最簡(jiǎn)略的是把LED燈直接安裝在LCD散射膜的后面，可用很多封裝的LED燈，它們應(yīng)當(dāng)具有非常寬的光束角，以使軸向光的均勻性較好。也可以采用未封裝的管芯，一般用GaP LED，然而用AlGaInP、TS－AlGaAs LED則可在小電流下工作，減小功耗。（2）另一種方法是邊緣光LCD背照明，用一個(gè)透明或半透明的矩形塑料塊作為導(dǎo)光體，將其直接安裝在LCD散射膜的后面，塑料塊的后表面涂上白色反光材料，LED光從塑料塊的一個(gè)側(cè)邊射進(jìn)，其余側(cè)邊作成白色反光材料。（3）將LED發(fā)出的光導(dǎo)進(jìn)光纖束之中，光纖束的散射膜后面構(gòu)成一個(gè)平坦的薄片，可以用不同的方法將光從薄片中取出作為L(zhǎng)CD的背照明。采用LED作為背照明的液晶顯示器可用于移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦。隨著小型液晶顯示器在節(jié)電型通信產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，將會(huì)對(duì)超高亮度LED有更大的需求。
3.4 固體照明燈
全色超高亮度LED的實(shí)用化和商品化，使照明技巧面臨一場(chǎng)新的革命，由多個(gè)超高亮度紅、藍(lán)、綠三色LED制成的固體照明燈不僅可以發(fā)出波長(zhǎng)持續(xù)可調(diào)的各種色光，而且還可以發(fā)出亮度可達(dá)幾十燭光到一百燭光的白色，成為照明光源。最近，日亞公司利用其InGaN藍(lán)光LED和熒光技巧，又推出了白光固體發(fā)光器件，其色溫為6500K，效率達(dá)每瓦7.5流明。對(duì)于雷同發(fā)光明度的白熾燈和LED固體照明燈來(lái)說(shuō)，后者的功耗只占前者的10％～20％，白熾燈的壽命一般不超過(guò)2000小時(shí)，而LED燈的壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。這種體積小、重量輕、方向性好、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、耐各種惡劣條件的固體光源必將對(duì)傳統(tǒng)的光源市場(chǎng)帶來(lái)沖擊。盡管這種新型照明固體光源的本錢(qián)依然偏高，但可以利用于一些特別場(chǎng)合，如礦山、潛水、搶險(xiǎn)、軍用裝置的照明等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，假如超高亮度LED的生產(chǎn)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，本錢(qián)進(jìn)一步下降，其節(jié)能和長(zhǎng)壽命的上風(fēng)足以補(bǔ)充價(jià)格偏高的劣勢(shì)。超高亮度LED將有可能成為一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的新型電光源。
4 結(jié)束語(yǔ)
超高亮度LED的問(wèn)世和產(chǎn)業(yè)化不僅拓展了原有的利用范疇，而且將有一個(gè)潛力宏大的市場(chǎng)。今后幾年InGaN LED隨著范圍生產(chǎn)技巧的完善和產(chǎn)品本錢(qián)的下降，價(jià)格將和AlGaInP LED相近。到那時(shí)，我國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)將具有必定范圍和參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的才能，超高亮度LED在我國(guó)將會(huì)有一個(gè)大發(fā)展。