被發(fā)光半導(dǎo)體改變的世界

葉衛(wèi)東

全球能源短缺始終是人類的憂患，節(jié)約能源是我們面對(duì)的一項(xiàng)重要課題。在照明領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明（LED）發(fā)光產(chǎn)品的充分應(yīng)用吸引著世人的目光。LED作為一種高效節(jié)能型的綠色光源產(chǎn)品，將讓人類社會(huì)更高效利用能源。LED所代表的是新型照明光源時(shí)代。

照明和光是世界上幾乎所有生物賴以生存的前提，LED對(duì)人類社會(huì)起到的作用，除了看見和被看見的功用以外，還可以對(duì)健康醫(yī)療、交通運(yùn)輸、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境以及食品農(nóng)業(yè)和信息社會(huì)等方面發(fā)揮不可或缺的作用。

LED即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在 半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生輻射復(fù)合，釋放過剩的能量，而發(fā)射出光子，可以直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、 紫等各色的光。光是由半導(dǎo)體材料內(nèi)帶電粒子，即電子和空穴相結(jié)合時(shí)產(chǎn)生。LED半導(dǎo)體材料內(nèi)的電子和空穴包含在能帶內(nèi)，分隔的能帶（能帶隙）確定了LED發(fā)射的光子（光粒子）的能量。光子能量決定了發(fā)射光的波長，因而決定了它的顏色。不同半導(dǎo)體材料具有不同的能帶隙，進(jìn)而產(chǎn)生不同顏色的光，精確的波長（色）可以用改變光發(fā)射材料組成比例調(diào)諧。LED燈是具有可控制性的數(shù)字化照明技術(shù)。其基本組成是LED器件、電源轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器、控制光變暗和混色效應(yīng)的控制器、光學(xué)元件及燈具。這是LED光源系統(tǒng)各單元的配置。

電能是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，大多數(shù)國家用于照明的耗能，約占其整體電能的20%。而照明燈又僅有30%的電能用來發(fā)光，其余作為熱白白耗費(fèi)。所以，研發(fā)使用新型高效節(jié)能的固態(tài)光源十分必要。固態(tài)光源是1879年愛迪生發(fā)明鎢絲燈泡以來，一項(xiàng)關(guān)鍵的新興電光源技術(shù)，也是光工業(yè)的一場(chǎng)革命。

所謂固態(tài)光源指向一個(gè)事實(shí)，即LED發(fā)光是從固體——一塊半導(dǎo)體發(fā)射出，而不是像有玻璃泡的白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈那樣從真空管或充氣管中發(fā)射出，它發(fā)光時(shí)不發(fā)熱。固態(tài)光源具有許多優(yōu)點(diǎn)：壽命長，維護(hù)價(jià)格低、能耗低、高質(zhì)量的光輸出、僅有最小的紫外光和紅外光輻射、工作電壓低而比較安全，以及沒有燈絲會(huì)斷裂因而耐久。

LED除了對(duì)人類的社會(huì)和生活有很多具體而直接的貢獻(xiàn)以外，本身在國際上也是非常大的產(chǎn)業(yè)，有著上千億的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。因此，發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)、推進(jìn)LED的照明應(yīng)用進(jìn)程，將較大幅度地降低能源消耗和有利保護(hù)環(huán)境，對(duì)我國的可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。

LED的創(chuàng)新與應(yīng)用

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。根據(jù)使用功能的不同，可以將其劃分為信息顯示、信號(hào)燈、車用燈具、液晶屏背光源、通用照明五大類。

LED顯示屏具有亮度高、視角大、可視距離遠(yuǎn)、造型靈活多變、色彩豐富等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于廣告?zhèn)髅?、體育場(chǎng)館、舞臺(tái)背景、市政工程等戶外領(lǐng)域。

近年隨著LED芯片材料技術(shù)進(jìn)步和控制技術(shù)的不斷提升，LED顯示屏綜合性價(jià)比優(yōu)勢(shì)日益突出，使用范圍不斷擴(kuò)大，增長速度明顯快于傳統(tǒng)的單雙色顯示屏。隨著LED成本和價(jià)格的不斷降低，LED顯示屏的市場(chǎng)潛力被進(jìn)一步發(fā)掘，未來小間距LED顯示屏將逐步從戶外擴(kuò)展至室內(nèi)，很可能全面替代現(xiàn)有電視、筆記本電腦、平板電腦的LCD拼接屏、DLP拼接屏技術(shù)。2010年我國LED顯示屏應(yīng)用市場(chǎng)產(chǎn)值約為150 億元，2016 年我國LED顯示屏應(yīng)用市場(chǎng)產(chǎn)值已達(dá)到約548億元，此期間年復(fù)合增長率達(dá)24.10%，近年發(fā)展增速均保持在30%左右，是LED行業(yè)未來發(fā)展的重要方向之一。

液晶顯示屏需使用背光模組作為驅(qū)動(dòng)光源。在色彩顯示上，LED 背光可以提供前所未有的色彩還原性，還可以利用 LED 瞬間啟動(dòng)的優(yōu)勢(shì)消除普通液晶屏在顯示快速移動(dòng)物體時(shí)出現(xiàn)的拖尾模糊現(xiàn)象，畫面質(zhì)量將顯著提升；在生產(chǎn)成本上，利用 LED 背光中不同單色燈的瞬間切換，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)序顯色，可以替代液晶顯示器中占成本 30%左右的彩色濾光片；在外觀上，LED背光可以使液晶屏幕變得更為輕薄；在使用壽命上，LED 背光具有節(jié)能省電的優(yōu)點(diǎn)，以筆記本電腦為例，通過使用LED背光源，電池使用時(shí)間可延長40%以上。LED背光源具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因而近年來在液晶屏背光源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，LED 在以手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等為主的中小尺寸背光源市場(chǎng)，和以液晶電視為主的大尺寸背光源市場(chǎng)滲透率均已達(dá) 100%。

LED照明較普通照明具備了節(jié)能、響應(yīng)時(shí)間短、使用時(shí)間長、綠色環(huán)保、色彩可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，決定了它是目前最理想的光源。LED照明應(yīng)用市場(chǎng)主要可分為戶外通用照明、建筑物外觀照明、景觀照明、交通信號(hào)照明、室內(nèi)空間展示照明、娛樂場(chǎng)所及舞臺(tái)照明、車輛指示燈照明等。LED照明市場(chǎng)被認(rèn)為是未來LED最重要且最具發(fā)展前景的應(yīng)用之一。

另外，制造商利用LED色彩變化豐富的特點(diǎn)，研制出以色彩氣氛傳遞感情或是表達(dá)情緒的LED 產(chǎn)品，讓人們對(duì)居室生存環(huán)境更加重視，也是未來 LED 應(yīng)用于室內(nèi)照明的主要發(fā)展方向。還有，世界各國都在發(fā)展推進(jìn)LED 的新應(yīng)用。例如水的過濾消毒、交互式游戲與情境光源的市場(chǎng)都可見 LED商機(jī)所在，未來 LED 應(yīng)用勢(shì)必激發(fā)出更多新創(chuàng)意。

近年間全球LED技術(shù)不斷創(chuàng)新。新納米鍍膜材料的亮相，使得LED 亮度大幅提升。有關(guān)研究人員成功開發(fā)一種幾乎不反光的納米鍍膜材料，其反光率只有目前應(yīng)用于電子設(shè)備的鍍膜材料的幾分之一。該材料有望為制造更高效的LED和太陽能電池等創(chuàng)造條件。新的納米鍍膜材料是通過在氮化鋁 （AIN） 基板上沉積二氧化硅或者二氧化鈦蒸氣得到的。研究人員使二氧化硅或二氧化鈦在氮化鋁上形成毛毯似的納米棒陣列，每根納米棒約 50 nm 寬， 并以一定的角度斜翹著。研究人員表示， 該材料的低折射率源于它的多孔性。通過將5 層納米棒陣列排列起來，實(shí)現(xiàn)了鍍膜材料不同的折射率，從底部的2.03到頂部的1.05，總的反射度可降0.1%。這種新材料的另一優(yōu)質(zhì)性能就是適用多種于不同波長和入射角度的光。這是抗反射效果最好的納米鍍膜材料之一，它可將 LED 的亮度提高 5%——10%。

LED在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用

LED的另一個(gè)重要功能是在醫(yī)療和健康方面。我們知道，光能夠通過眼睛和皮膚對(duì)人的健康產(chǎn)生影響。1903年，丹麥醫(yī)師與科學(xué)家尼爾斯·呂貝里·芬森以在光線放射治療皮膚病癥，開啟新的醫(yī)學(xué)方法的貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。今天有了LED技術(shù)，可以在醫(yī)療健康方面進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用，如睡覺控制問題，視覺轉(zhuǎn)換問題和肌肉損傷治理等。

迄今為止，LED在醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。LED醫(yī)療設(shè)備可分為診斷設(shè)備、治療設(shè)備及其他輔助設(shè)備，不同的設(shè)備對(duì)光源有不同的要求與規(guī)范。

醫(yī)療用光源應(yīng)該具有定點(diǎn)、定向照明、高強(qiáng)度照明、光色純正以及均勻、無影照明、低光譜傷害、結(jié)構(gòu)密封消毒、結(jié)構(gòu)透氣、調(diào)光控制、高可靠性等特殊需求。而傳統(tǒng)的鹵素?zé)?、金鹵燈都是光線向四面八方全空間發(fā)散的典型發(fā)散光源，這樣高熱輻射、全光譜、發(fā)散的光源，對(duì)達(dá)到醫(yī)療用光源的上述特殊技術(shù)要求有很大局限，因此必須采用一系列特種技術(shù)。而與傳統(tǒng)醫(yī)療照明產(chǎn)品相比，LED在實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定向照明、高強(qiáng)度照明、調(diào)光控制、實(shí)現(xiàn)高顯色性、低光譜傷害等方面具有先天優(yōu)勢(shì)，可以有力克服常規(guī)醫(yī)療照明的不足。比如，LED 是定點(diǎn)光源、定向照明光源，只需通過合理的芯片與封裝設(shè)計(jì)，并稍微結(jié)合二次配光，就可以實(shí)現(xiàn)理想的定向照明，其光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，配光效果理想。

LED又為冷光源，不產(chǎn)生任何紅外和紫外輻射。配光方便，可以有效地將光線投射到需要照明的區(qū)域，亮度容易調(diào)節(jié)。醫(yī)生在手術(shù)中，可根據(jù)不同組織對(duì)亮度的不同要求、環(huán)境的照明情況、眼睛的疲勞程度，方便于調(diào)節(jié)亮度，避免長時(shí)間在強(qiáng)光下手術(shù)，造成視覺疲勞。LED 的發(fā)射光譜全部在可見光區(qū)域，沒有紫外、紅外等有害光譜成分，可以杜絕紫外光對(duì)人體組織的傷害以及紅外光造成的體液揮發(fā)及組織灼傷等。還可做成不同的色溫，使燈光呈現(xiàn)更純正的白光，可以瞬間啟動(dòng)，達(dá)到最大亮度，低壓直流驅(qū)動(dòng)。并且使用蓄電池作為備用電源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無故障運(yùn)行。燈具壽命也大有延長，在使用過程中，無需頻繁的更換燈泡，這樣既降低成本，減少醫(yī)護(hù)人員工作強(qiáng)度，而且使手術(shù)更加安全。

LED在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較普遍。例如牙科光纖手機(jī)，LED很好地解決了傳統(tǒng)鹵素?zé)襞莅l(fā)熱量大，導(dǎo)致口腔內(nèi)熱量過高，影響治療效果的問題。LED 手術(shù)無影燈在照明過程中對(duì)光線的控制可以更加精細(xì)，能夠覆蓋更廣的面積，給醫(yī)護(hù)人員提供極佳的手術(shù)視野。另外，胃腸道的癌癥，尤其是小腸部位的癌癥用傳統(tǒng)胃鏡觀察不到，而 LED極其適合在膠囊胃鏡上使用。它可以在病人體內(nèi)連續(xù)使用，發(fā)熱量低，是其它光源不能相比的。目前 LED 在醫(yī)用頭燈、光固化機(jī)、冷光源及眼內(nèi)照明設(shè)備中的應(yīng)用日益增多。

光學(xué)理療設(shè)備是LED發(fā)展的另一重要區(qū)域。常用的光療法有紅光、藍(lán)光、藍(lán)紫光及多光譜療法。可通過改變 LED的半導(dǎo)體材料，得到治療所需波段的光，而無需擔(dān)心雜光造成的影響。另外，可以將兩個(gè)或者多個(gè)LED芯片組合封裝，滿足不同光療的需求。LED為光療儀器的多功能化開辟了道路。目前，已有紅光、藍(lán)光及黃光治療儀問世，主要用于毛細(xì)血管擴(kuò)張、色斑等問題的治療。嬰兒藍(lán)光治療儀，采用藍(lán)光 LED 作為光源，用于治療新生兒黃疸。隨著技術(shù)的發(fā)展，紅外和紫外LED會(huì)更多地應(yīng)用在光療設(shè)備中。

LED 在醫(yī)療中研究的熱點(diǎn)皮膚相關(guān)醫(yī)學(xué)的測(cè)量有著重要的意義。通過對(duì)皮膚進(jìn)行多光譜成像，將不同光譜下采集的圖像綜合起來進(jìn)行診斷分析是目前發(fā)展的一個(gè)重要方向。采用多光譜 LED 光源可以提供穩(wěn)定的圖像獲取環(huán)境，從而能夠測(cè)量皮膚粗糙度、鱗屑度、皺紋度和平整度等幾何特性，能夠建立基于色刺激值的皮膚表面顏色定量表征系統(tǒng)，構(gòu)建專家系統(tǒng)對(duì)獲取的多信息綜合處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚斑痕、日光損傷、血液流變和痤瘡等病變定量評(píng)估。

激光作為光源在光學(xué)動(dòng)力治療中已經(jīng)很普遍，但是激光本身存在的一些不可克服的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用，因此用LED代替用于光動(dòng)力治療的激光光源有著重要的意義。

LED關(guān)于植物和養(yǎng)殖的研究

1990年，LED首次被用于植物的研究，并被證明是一種比傳統(tǒng)光源更為有效的替代光源。由于其具備低功耗、窄光譜和低發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，2000年后，LED作為一種更高效的光源被迅速引入植物工廠。通過調(diào)節(jié)LED光譜的分布來控制植物開花和葉片形態(tài)形成的方法不僅簡(jiǎn)單， 而且還可促進(jìn)植物中功能性化學(xué)物質(zhì)濃度的增加。

在各種環(huán)境因素中，光是影響植物生長發(fā)育和功能性化學(xué)物質(zhì)積累的最重要因素之一。植物的生長發(fā)育和生理指標(biāo)都受到光的重要影響。

從歷史上看，LED對(duì)植物影響的研究最初是從植物形態(tài)學(xué)上開始的， 國內(nèi)研究人員在此方面也做了很多有價(jià)值的工作。近年來，國內(nèi)外的科研人員開始將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向LED對(duì)植物體內(nèi)功能性化學(xué)物質(zhì)積累的影響， 并在多個(gè)領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展。該方面的研究對(duì)于在人工光源的照射下生產(chǎn)出具有可控輸出的各種功能性和藥用性植物都具有非常重要的意義。

至今，有關(guān)LED對(duì)植物生長發(fā)育作用的研究已進(jìn)行多年，但人們以前多從植物形態(tài)學(xué)角度進(jìn)行研究。近年該項(xiàng)研究已逐步轉(zhuǎn)向LED照明對(duì)植物體內(nèi)功能性化學(xué)物質(zhì)積累的影響這一領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)和食品方面，光是所有植物生長的最基本的前提。根據(jù)所用半導(dǎo)體材料的不同，LED發(fā)出光的波長可從紫外線到紅外線廣泛的區(qū)間范圍， 并且每個(gè)LED發(fā)出光的波長范圍可以很窄。因而， 它是一種真正具有頻譜控制能力的且非常有效的植物照明光源。LED的這些優(yōu)勢(shì)， 尤其是其光譜的可調(diào)控性、技術(shù)的不斷創(chuàng)新和成熟以及使用量的日益增加，使其成為植物照明光源的首選。LED能夠?qū)⒑线m的光波范圍匹配到植物的光接收器， 并影響植物的形態(tài)和組成成分。對(duì)于在受控環(huán)境下培養(yǎng)的植物，LED的優(yōu)越性也使之成為首選光源。在植物組織培養(yǎng)方面，LED的使用已取得了卓越的成就。例如LED照明使一家植物工廠每平方米面積最多可生長二十層植物，足夠一人的蔬菜年需量。光不僅可以用于花卉植物生長，而且對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)也有直接的幫助。

在家禽養(yǎng)殖方面，LED照明對(duì)雞、豬等的生長也發(fā)揮顯著作用。在肉雞方面，通過 LED 的光色、光照度與光周期等因子的調(diào)控，可影響小腸黏膜結(jié)構(gòu)來提高營養(yǎng)吸收和促進(jìn)生長，通過影響衛(wèi)星細(xì)胞增殖及肌肉纖維發(fā)育提高屠宰性能與雞肉品質(zhì)，同時(shí)影響行為和健康，增強(qiáng)免疫力，降低死亡率和疾病發(fā)生率等。在蛋雞和種雞方面，通過對(duì)光環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，可影響其飼料消耗，并促進(jìn)促黃體素和促卵泡素等激素的釋放來影響性成熟、產(chǎn)蛋率等，同時(shí)提高種雞的受精孵化率，改善雞蛋品質(zhì)情況，有效降低啄癖現(xiàn)象。

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的機(jī)械化、規(guī)?；⒓s化程度越來越高，可控的人工光源已成為禽舍內(nèi)光照的主要來源。LED作為一種新型光源，越來越受到國內(nèi)外業(yè)界的關(guān)注。隨著近年來LED在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用顯著增加，LED 光源也已成為家禽規(guī)模養(yǎng)殖人工照明最具潛力的新光源。