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淺談超高亮度LED及應用

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? ? ??1970年代最早的GaP、GaAsP同質(zhì)結紅、黃、綠色低發(fā)光效率的LED已開(kāi)始應用于指示燈、數字和文字顯示。從此LED開(kāi)始

進(jìn)入多種應用領(lǐng)域,包括宇航、飛機、汽車(chē)、工業(yè)應用、通信、消費類(lèi)產(chǎn)品等,遍及國民經(jīng)濟各部門(mén)和千家萬(wàn)戶(hù)。到1996年LED

在全世界的銷(xiāo)售額已達到幾十億美元。盡管多年以來(lái)LED一直受到顏色和發(fā)光效率的限制,但由于GaP和GaAsPLED具有長(cháng)壽命、

高可靠性,工作電流小、可與TTL、CMOS數字電路兼容等許多優(yōu)點(diǎn)因而卻一直受到使用者的青瞇。


  最近十年,高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工藝技術(shù)研究的前沿課題。超高亮度(UHB)是指發(fā)光強度達到或超過(guò)

100mcd的LED,又稱(chēng)坎德拉(cd)級LED。高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制進(jìn)展十分迅速,現已達到常規材料GaA1As、

GaAsP、GaP不可能達到的性能水平。1991年日本東芝公司和美國HP公司研制成InGaA1P620nm橙色超高亮度LED,1992年

InGaA1p590nm黃色超高亮度LED實(shí)用化。同年,東芝公司研制InGaA1P573nm黃綠色超高亮度LED,法向光強達2cd。1994年

日本日亞公司研制成InGaN450nm藍(綠)色超高亮度LED。至此,彩色顯示所需的三基色紅、綠、藍以及橙、黃多種顏色的LED

都達到了坎德拉級的發(fā)光強度,實(shí)現了超高亮度化、全色化,使發(fā)光管的戶(hù)外全色顯示成為現實(shí)。我國發(fā)展LED起步于七十年

代,產(chǎn)業(yè)出現于八十年代。全國約有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國外進(jìn)口。通過(guò)幾

個(gè)“五年計劃”的技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進(jìn)國外先進(jìn)設備和部分關(guān)鍵技術(shù),使我國LED的生產(chǎn)技術(shù)已向前跨進(jìn)了一步。



  一、超高亮度LED的性能:

  超高亮度紅A1GaAsLED與GaAsP-GaPLED相比,具有更高的發(fā)光效率,透明襯低(TS)A1GaAsLED(640nm)的流明效率已接近

10lm/w,比紅色GaAsP-GaPLED大10倍。超高亮度InGaAlPLED提供的顏色與GaAsP-GaPLED相同包括:綠黃色(560nm)、淺綠黃

色(570nm)、黃色(585nm)、淺黃(590nm)、橙色(605nm)、淺紅(625nm深紅(640nm)。透明襯底A1GaInPLED發(fā)光效率與其

它LED結構及白熾光源的比較,InGaAlPLED吸收襯底(AS)的流明效率為101m/w,透明襯底(TS)為201m/w,在590-626nm的波

長(cháng)范圍內比GaAsP-GaPLED的流明效率要高10-20倍;在560-570的波長(cháng)范圍內則比GaAsP-GaPLED高出2-4倍。超高亮度InGaNLED

提供了蘭色光和綠色光,其波長(cháng)范圍蘭色為450-480nm,蘭綠色為500nm,綠色為520nm;其流明效率為3-151m/w。超高亮度

LED目前的流明效率已超過(guò)了帶濾光片的白熾燈,可以取代功率1w以?xún)鹊陌谉霟?,而且用LED陣列可以取代功率150w以?xún)鹊陌?

熾燈。對于許多應用,白熾燈都是采用濾光片來(lái)得到紅色、橙色、綠色和蘭色,而用超高亮度LED則可得到相同的顏色。近年

AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED將多個(gè)(紅、蘭、綠)超高亮度LED芯片組合在一起,不用濾光片也能得到各種顏

色。包括紅、橙、黃、綠、藍,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)光亮度已高于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天空和海洋,實(shí)現三維動(dòng)畫(huà)。新一代紅、綠、藍超高亮度LED達到了前所未

有的性能。



  二、超高亮度LED的應用:

  汽車(chē)信號指示:汽車(chē)指示燈在車(chē)的外部主要是方向燈、尾燈和剎車(chē)燈;在車(chē)的內部主要是各種儀表的照明和顯示。超高亮度

LED用于汽車(chē)指示燈與傳統的白熾燈相比具有許多優(yōu)點(diǎn),在汽車(chē)工業(yè)中有著(zhù)廣泛的市場(chǎng)。LED能夠經(jīng)受較強的機械沖擊和震動(dòng)。

平均工作壽命MTBF比白熾燈泡高出幾個(gè)量級,遠遠高出汽車(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Al.GaAs和AlInGaPLED與帶有濾光片的白熾燈泡相比具有相當高的流明效率,這樣LED剎車(chē)燈和方向燈就能夠在

較低的驅動(dòng)電流下工作,典型的驅動(dòng)電流只有白熾燈的1/4,從而降低了汽車(chē)用于行駛距離。較低的電功率還可降低汽車(chē)內部線(xiàn)

路系統的體積和重量,同時(shí)還可減小集成化的LED信號燈的內部溫升,允許透鏡和外罩使用耐溫性能較低的塑料。LED剎車(chē)燈的

響應時(shí)間為100ns,比白熾燈的響應時(shí)間短,這樣便給司機留下了更多的反應時(shí)間,從而提高了行車(chē)的安全保證。汽車(chē)的外部指

示燈的照度及顏色均有明確規定。汽車(chē)的內部照明顯示雖不像外部信號燈那樣受到政府有關(guān)部門(mén)的控制,但汽車(chē)的制造者對LED

的顏色及照度有要求。GaPLED早已用于車(chē)內,超高亮度AlGaInP和InGaNLED由于在顏色和照度上可滿(mǎn)足制造者的要求,因而將

更多的取代車(chē)內白熾燈。從價(jià)格上看,盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的,但從整個(gè)系統來(lái)看,二者的價(jià)格并沒(méi)有明顯的差

別。隨著(zhù)超高亮度TSAlGaAs和AlGaInPLED實(shí)用化的發(fā)展,最近幾年價(jià)格一直在不斷降低,今后降低的幅度還會(huì )更大。


  交通信號指示:用超高亮度LED取代白熾燈,用于交通信號燈、警示燈、標志燈現已遍及世界各地,市場(chǎng)廣闊,需求量增長(cháng)

很快。根據美國交通部門(mén)1994年的統計,美國安裝交通信號燈的十字路口有26萬(wàn)個(gè),每個(gè)十字路口至少要有12個(gè)紅色、黃色、

藍綠色信號燈。許多十字路口還有一些附加的轉變標志和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣,每個(gè)十字路口可有20信號燈,而

且要同時(shí)發(fā)光。由此可推算出美國全國約有1.35億個(gè)交通信號燈。目前采用超高亮度LED取代傳統的白熾的燈降低電力損耗已取

得明顯效果。日本每年在交通信號燈上的耗電量約為100萬(wàn)千瓦,采用超高亮度LED取代白熾燈后,其耗電量?jì)H為原來(lái)的12%。


  交通信號燈每個(gè)國家的主管部門(mén)都要制定相應的規范,規定信號的顏色、最低的照明強度,光束空間分布的圖樣以及對安裝

環(huán)境的要求等。盡管這些要求是按白熾燈編寫(xiě)的,但對目前采用的超高亮度LED交通信號燈基本上是適用的。LED交通信號燈與

白熾燈相比,工作壽命較長(cháng),一般可達到10年,考慮到戶(hù)外惡劣環(huán)境的影響,預計壽命要減少到5-6年。目前超高亮度AlGaInP

紅、橙、黃色LED已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化,價(jià)格也比較便宜,若用紅色超高亮度LED組成的模塊取代傳統的紅色白熾交通信號燈頭則可將

因紅色白熾燈突然失效給安全造成的影響低到最低程度。一般LED交通信號模塊由若干組串聯(lián)的LED單燈組成,以12英寸的紅色

LED交通信號模塊為例,在3-9組串聯(lián)的LED單燈,每組串聯(lián)的LED單燈數為70-75個(gè)(總數為210-675LED單燈),當有一個(gè)LED單

燈失效時(shí),只會(huì )影響一組信號,其余各組減小到原來(lái)的2/3(67%)或8/9(89%),并不會(huì )像白熾燈那樣使整個(gè)信號燈頭失效。


  LED交通信號模塊的主要問(wèn)題是造介仍然顯得高些,以12英寸的TS-AlGaAs紅色LED交通信號模塊為例,最早應用于1994

年,其造價(jià)為350$,而到1996年性能更好的12英的AlGaInPLED交通信號模塊,造價(jià)則為200$。


  預計今后不會(huì )很久,InGaN藍綠色LED交通信號模塊的價(jià)格將可與AlGaInP相比。白熾交通信號燈頭的造價(jià)雖低,但耗電量

大,一個(gè)直徑12英寸的白熾交通信號燈頭的耗電量為150W,橫過(guò)馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W,據計算,每個(gè)十字

路口的白熾信號燈每年的耗電量為18133KWh,折合每年電費為1450$;然而LED交通信號模塊則非常省電,每個(gè)8-12英寸的紅色

LED交通信號模塊耗電量分別為15W和20W,十字路口拐彎處的LED標志可用箭頭開(kāi)關(guān)顯示,耗電量?jì)H有9w,據計算,每個(gè)十字

路口每年可省電9916KWh,相當每年節省電費793$。按每個(gè)LED交通信號模塊的平均造價(jià)200$計,紅色LED交通信號模塊僅用

其節省的電費,3年后即可收回最初的成本造價(jià),并開(kāi)始不斷得到經(jīng)濟回報。因此目前使用AlGaInPLED交通信息模塊,盡管造價(jià)

顯得地,但從長(cháng)看,還是合算的。

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