LED的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

陳志紅 司敏杰 郎 明

中國(guó)洛陽(yáng)浮法玻璃集團(tuán)有限責(zé)任公司（471000）

0 概述

LED是light emitting diode（發(fā)光二極管）管的縮寫(xiě)，這種二極管包含一個(gè)P/N結(jié)和P/N型半導(dǎo)體中間的有源層。當(dāng)給二極管兩端施加一定電壓時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子（電子和空穴）發(fā)生復(fù)合，剩余的能量以光能的形式釋放出來(lái),這就是LED的基本工作原理。

1 分類(lèi)

根據(jù)光線的波長(zhǎng)分，LED可分為可見(jiàn)光LED和紫外線LED，而可見(jiàn)光LED又可分為紅光LED、藍(lán)光LED及白光LED等。紫外線LED多用于醫(yī)療、防偽等領(lǐng)域，本文主要介紹可見(jiàn)光LED的現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

2 LED光源的特點(diǎn)

1）電壓低∶LED使用低壓電源，供電電壓在6～24 V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而有所差異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。

2）效能高∶消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。

3）適用性強(qiáng)∶由于體積很小，每個(gè)單元LED小片呈3～5 mm的正方形或更小，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。

4）壽命長(zhǎng)∶在使用10萬(wàn)小時(shí)后，光衰為初始的50%。

5）響應(yīng)時(shí)間∶其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí),其在交通信號(hào)及汽車(chē)剎車(chē)燈方面的應(yīng)用，正是利用了這個(gè)特性。

6）環(huán)保性∶其使用材料中不含有害金屬汞，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

7）顏色∶對(duì)于多色光發(fā)光二極管，改變電流可以變色，如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。

8）價(jià)格∶LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由幾十只二極管構(gòu)成。

3 LED的用途

雖然目前用于照明的白光LED數(shù)量有限，但其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。下面就其中幾個(gè)主要領(lǐng)域介紹LED照明的現(xiàn)狀和未來(lái)。

3.1 普通照明領(lǐng)域

對(duì)于LED的應(yīng)用，其在普通照明領(lǐng)域的廣泛普及是人們最為期待的。目前，照明LED的應(yīng)用局限于局部照明、裝飾照明、輪廓照明等特殊方式，而人們迫切希望LED成為新一代普通照明光源，各照明公司都在積極開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。

3.2 背光照明領(lǐng)域

在LED的各種應(yīng)用中，用于手機(jī)等小型液晶屏幕的背光源的市場(chǎng)需求量最大。在手機(jī)上到處可以見(jiàn)到LED的應(yīng)用，如液晶屏的背光源、按鍵照明、收到信號(hào)時(shí)的發(fā)光提示、照相機(jī)閃光燈等，有的一部手機(jī)中安裝了多達(dá)20個(gè)LED。省電、小巧的LED有助于延長(zhǎng)手機(jī)的通話(huà)時(shí)間和使手機(jī)小型化。

作為中大型液晶背景光源，現(xiàn)在一般采用冷陰極燈管，但其為面光源，使用不夠靈活，成本偏高，且有污染。而LED不含汞等污染物質(zhì)，它在汽車(chē)導(dǎo)航、電腦顯示器等中大型液晶背光源領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景。

用LED作背光源的高顯色性、高清晰畫(huà)質(zhì)的大屏幕液晶電視已開(kāi)始商品化。

3.3 道路交通領(lǐng)域

該領(lǐng)域的應(yīng)用主要為L(zhǎng)ED交通信號(hào)燈。與以前的白熾燈泡相比，LED燈的能效提高∶車(chē)輛用信號(hào)燈功率由75 W降至15 W，節(jié)能約80%；行人用信號(hào)燈由60 W降至15 W以下，節(jié)能75%以上。

而且，由于LED信號(hào)燈的使用壽命長(zhǎng)，可大幅降低維護(hù)、廢品處理等施工成本。除了環(huán)保方面的特點(diǎn)外，LED燈的識(shí)別性也很強(qiáng),即便受夕陽(yáng)光照影響也不易造成不能辨認(rèn)燈是否點(diǎn)亮的情況，在安全性方面也同樣具有優(yōu)勢(shì)。

在道路交通領(lǐng)域,除交通信號(hào)燈外，LED還以節(jié)能、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、體積小等特點(diǎn)逐步應(yīng)用于隧道內(nèi)指示燈、路燈、隧道導(dǎo)向外、路線導(dǎo)向燈等領(lǐng)域。

3.4 交通工具領(lǐng)域

伴隨高亮度紅色LED的研制成功，1987年LED首次作為中心高位剎車(chē)燈光源安裝在汽車(chē)上。LED汽車(chē)燈的優(yōu)點(diǎn)為響應(yīng)時(shí)間短、識(shí)別性強(qiáng)、能耗低、壽命長(zhǎng)。

LED剎車(chē)燈的響應(yīng)時(shí)間約比白熾燈短0.2 s（時(shí)速100 km時(shí)行使5～7 m），其對(duì)于安全方面的貢獻(xiàn)之大是顯而易見(jiàn)的。

3.5 顯示屏

室內(nèi)外大型顯示屏和招牌是LED的重要應(yīng)用領(lǐng)域。因使用高亮度LED，即使在白天也能顯示飽和色圖像,而且LED的高響應(yīng)速度亦使其在該領(lǐng)域表現(xiàn)出色。當(dāng)顯示足球比賽等變化較快的畫(huà)面時(shí)，為了不產(chǎn)生視覺(jué)暫留現(xiàn)象，亮、滅、換色時(shí)間必須低于15 ms，而LED的特性完全符合要求。

3.6 農(nóng)業(yè)

太陽(yáng)光中有紫外到紅外多種波長(zhǎng)的光輻射，植物并不需要所有波長(zhǎng)的光能量。用LED產(chǎn)生利于植物生長(zhǎng)發(fā)育的特定波長(zhǎng)的光（有助于光合作用的紅光和增強(qiáng)屈光性、塑形用的藍(lán)光）并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間照射植物，可提高植物培育效率，并且LED與白熾燈不同，它沒(méi)有熱輻射，不會(huì)灼傷嫩葉。LED在植物工廠中的應(yīng)用正在逐漸擴(kuò)大。

3.7 漁業(yè)

在捕魚(yú)業(yè)領(lǐng)域，正在開(kāi)發(fā)LED誘魚(yú)燈。不久前研制成功的藍(lán)光LED，其主波長(zhǎng)（450～500 nm）在海里的光強(qiáng)衰減很小，同時(shí)也非常接近烏賊類(lèi)魚(yú)的視覺(jué)靈敏波長(zhǎng)范圍（470～490 nm），因而這種LED很適合用作省電、高效的誘魚(yú)燈光源。

除捕捉烏賊用外,寄希望于LED在現(xiàn)在使用金鹵燈作誘魚(yú)燈的秋刀魚(yú)捕捉和卷網(wǎng)漁業(yè)方面有進(jìn)一步發(fā)展。

3.8 醫(yī)療

最近,出現(xiàn)一種使用LED的膠囊狀醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備。該“膠囊探測(cè)器”內(nèi)一端裝有白光LED和CMOS或CCD攝像器件。當(dāng)病人將此“膠囊”吞下后，它會(huì)自動(dòng)在人體內(nèi)對(duì)消化器拍照，并將圖像以電信號(hào)的形式傳至體外。估計(jì)在不久的將來(lái)，患者們將可以永遠(yuǎn)擺脫內(nèi)窺鏡的痛苦。

此外，白光LED已開(kāi)始用于外科手術(shù)照明。通常手術(shù)室內(nèi)的照明燈都被稱(chēng)作“無(wú)影燈”，但有時(shí)外科醫(yī)生的頭會(huì)遮擋光線，使手術(shù)室內(nèi)變暗。不久前開(kāi)發(fā)出一種可戴在醫(yī)生頭上的像風(fēng)鏡似的LED燈具。

3.9 通信

LED在光通信領(lǐng)域的發(fā)展也倍受關(guān)注。若配以恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路，LED能夠用于100 Mb/s的高速數(shù)字通信，可組建家庭信息網(wǎng)絡(luò)等。

在歐洲使用LED的光通信車(chē)載LAN已應(yīng)用于奔馳等多款汽車(chē)中，與目前使用“束線”將各種設(shè)備逐個(gè)連接起來(lái)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)相比，光電技術(shù)可以減輕電線總重量，利于輕量化。

另外，關(guān)于基于LED的可為手機(jī)、汽車(chē)導(dǎo)航儀等提供信息的可見(jiàn)光無(wú)線通信技術(shù)的基礎(chǔ)性研究也在積極進(jìn)行中。

3.1 0 LED應(yīng)用領(lǐng)域的拓展

與此同時(shí)，LED在上述領(lǐng)域以外的用途也開(kāi)始受到關(guān)注。比如使用LED產(chǎn)品替代農(nóng)藥進(jìn)行殺菌、除蟲(chóng);冰箱內(nèi)用LED促進(jìn)蔬菜光合成產(chǎn)生維生素等。另外，許多建筑和照明設(shè)計(jì)師認(rèn)為，使用LED可為他們?cè)鎏碓S多新的設(shè)計(jì)方式，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了一種新型的LED裝飾玻璃,它是將微型 LED夾在兩層玻璃中間,其中有一層玻璃上鍍有導(dǎo)電膜，外加電源后LED發(fā)光。這種玻璃被廣泛用于室內(nèi)室外裝飾及樓梯護(hù)欄等，集照明、美觀、安全于一身，越來(lái)越受到建筑行業(yè)的青睞。筆者所在公司也已成功開(kāi)發(fā)此產(chǎn)品,并逐步向LED的線發(fā)光和面發(fā)光領(lǐng)域拓展。

4 總結(jié)

作為“第4代光源”備受矚目的LED的優(yōu)勢(shì)不僅是在照明領(lǐng)域,其在諸多領(lǐng)域中亦潛力巨大，期待今后的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。但目前還存在許多需要攻克的課題和解決的問(wèn)題。

在一般用戶(hù)的印象中，LED是以低發(fā)熱量和低能耗著稱(chēng)的。但隨著大功率和高亮度LED的需求逐漸擴(kuò)大，LED的發(fā)熱也變成了一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。發(fā)熱會(huì)使LED元件的壽命很快降低，并導(dǎo)致樹(shù)脂封裝材料失效等問(wèn)題，減小元件的熱阻首先要提高LED元件的發(fā)光效率。另一個(gè)要點(diǎn)是改善LED的散熱，這方面需要開(kāi)發(fā)新型的襯底或封裝材料替代原有的環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂等不利于散熱的成分。隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題都會(huì)迎刃而解,屆時(shí)LED將會(huì)有一個(gè)更加廣闊的前景。