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荧光粉涂敷法制白光LED的应用前景广阔
2006/3/17 16:44:53   
 

    1962年首只红色发光二极管GaAsP问世以来,40年间发光二极管(LED)得到了飞速的发展。1985年人们用GaAlAs制成的LED的发光强度第一次突破lcd。进入90年代以来,人们对LED的开发研究取得了突破性的进展。通过利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法替代了繁杂的液相法,通过开展InGaAIP四元素材料的研究,制成了高亮度黄光和黄绿光。同样采用MOCVD方法,以氮化物为代表的蓝色和绿色LED取得历史性突破,S.NaKamura成功地制备了高亮度InGaN蓝光和绿光LED,使得LED形成三基色完备的发光体系。近五年来高亮度LED的市场迅速扩大,从1995年到1999年高亮度LED的市场平均每年增长53.7%。随着LED的效率的迅速提高,成本不断下降,LDE市场正在由显示、指示向照明领域扩展,专家预计LED将成为继白炽灯、荧光灯之后的新一代光源。表1列出了白炽灯与白光LED的性能比较。

    白光LED的两种实现方法

    白光是一种多颜色的混合光,可被人眼感觉的白光至少包括两种以上波长的光。例如人眼同时受红、蓝、绿光的刺激时,或同时受到蓝光与黄光的刺激时都可以感受为白色光。依照这种原理人们可以设计产生白光的LED光源。按照现有的技术能力,有两种可行的方案。第一种,使用红绿蓝的三色LED,按照所属光的强弱排成矩阵,三种色光混合后产生白色的光。但是,LED是PN结,它像所有PN结一样,遵守PN结的负温度特性的特征规律。在LED器件上表现为它的正向电流随温度的升高而下降,它的光输出亦会随温度的升高而下降,不同的LED下降程度差别很大。

    当温度升高到120℃时,绿色光的光输出,只有20℃时的60%,而蓝色LED则可以达到90%以上,其结果则造成混合白光的色差。

    第二种是利用蓝光LED照射一荧光物质以产生与蓝光互补的黄光屏利用透镜原理将互补的黄光和蓝光予以混合,便可得出人眼所需的白光。1996年日本日亚化学公司(Nichia Chemical)发现以发黄光系列的钇铝石榴石(YAG)荧光粉配合蓝色发光二极管,可做成白色光源。目前,人们也在开发紫光及紫外光系列的专用荧光粉,这类荧光粉的发射波长为370~420nm,利用涂敷的方法,这类荧光粉配合紫光或紫外光的LED也可制造出白光LED。

    涂敷LED的发光原理及制作方法

    基本原理

    白光LED主要是利用蓝色LED为基础光源,将蓝色LED发出的一部分蓝光用来激发荧光粉,使荧光粉发出黄绿光或红光和绿光,另一部分蓝光透射出来,由荧光粉的黄绿色光或红光和绿光与透射的蓝光组成白光。由发光峰值在430nm或470nm的蓝色LED与黄绿色荧光粉组成白光;也可以由发光峰值在430nm或470nm的蓝色LED与红色(650nm)和发光峰值在540nm的绿色LED组成白光。

    这种方法要求荧光粉的激发波长与发光二极管的发射波长相匹配,以确保获得高的转换效率,同时要求荧光粉的发光与蓝色LED的发光可以配成白光。图4显示荧光粉的激发光谱的峰值正好在470nm附近,与蓝光LED(470nm)的发射波长匹配得非常好。

    制作方法

    白光LED是在蓝色GaN芯片的表面上涂钇铝石榴石 (YAG)荧光粉后制成。图5为白光LED的结构。

    首先将LED芯片放置在导线结构中用金(Au)线焊接,然后在芯片周围涂敷YAG荧光粉,然后用环氧树脂封接,树脂既起到保护芯片作用又起到聚光棱镜作用。图6为白光LED发光光谱。从LED芯片发射出的光射到周围的荧光粉层内经多次散乱的反射、吸收,最后向外部发射出光,LED的光谱线的峰值在465nm处,半值宽为30nm,是非常尖锐的蓝色光谱,由蓝色光激发黄色光的YAG荧光粉层(峰值为555nm),最终到达外部的光为蓝黄二色光,根据补色关系,两色相加混色后即得到可见的白色光。

    白光LED应用前景广阔

    LED以其小巧高效、坚固省电、使用寿命长、易于和计算机匹配等强大优势,在包括大屏幕显示、汽车尾灯、交通信号灯、LCD背光源等方面已大量使用,目前正朝着替代传统灯具向照明领域发展。下面将对以上几种应用分别介绍。

    固态照明光源
    由多个超高亮度的红、蓝、绿色LED制成的照明光源,不仅可以发出波长连续可调的各种色光,而且还可发出亮度高达上百坎德拉的白色光,成为照明光源。与传统光源相比,固态光源具有发热量低、功耗小、寿命长、反应速度快、体积小、可平面封装、易开发轻薄短小产品等许多优点。

    目前,白光LED仍处在初期发展阶段。但由于它的独特优点,这种固态照明光源已广泛用于手电照明、LCD背光照明(汽车音响、仪表板、手机背光板)、交通信号及指示板、室内照明、船舰、飞机、汽车内照明等,也用于诸如矿山、潜水、抢险军用装置的照明等特殊场合。一旦白光LED光源的性能价格比可与白炽灯和荧光灯相吻合时,其在民用照明方面的竞争力将无可估量。

    交通信号灯

    LED信号灯中的红色禁行灯与黄色准备灯,通常采用InGaAIP的红黄光(波长625nm、590nm)超高亮LED制作,绿色通告灯由GaN基绿色(波长505nm)LED制造。目前,由超高亮LED取代白炽灯,用于交通信号灯、警示灯、标志灯已遍及全世界,仅美国就将有1.35亿个交通灯被LED所替代。上海也以每年一万个交通灯的速率将白炽灯更替成LED灯。与白炽灯相比,LED交通灯的优点是耗电少、使用寿命长,并能大幅度提高亮度,通过对传统钨丝灯与LED灯的性能比较,可以看到,采用LED灯泡,功耗节约了8~15倍,亮度增加4~5倍,使用寿命增加了30~50倍,现场角也有所扩大。虽然LED灯的价格增加了一些,但仅就维护保养费用节省一项,就足够加以弥补。交通灯的耗电量相当可观,日本虽是一个地域狭小之国,该国一年用于交通灯的耗电量就达100万千瓦时,可见使用LED对节约能源的巨大意义。

    汽车状态指示

    汽车状态指示主要指汽车头部的方向灯以及后部的尾灯与高位刹车灯,采用红黄色的InGaAIP超亮LED替代普通白炽灯作汽车的状态指示,具有抗震性能好、使用时间长(超过汽车使用寿命)、反应速度快(特别是在高速公路上行驶时十分重要)、亮度高、体积小巧等优点。目前无论在国外进口还是国产的高等级轿车上均已安装了LED状态指示灯,按每辆车上使用250颗LED计,全世界年产轿车达5000万辆,每年需要上百亿只。

    液晶显示(LCD)则的背光照明

    在液晶显示中,至少有10%采用有源光作背光照明,光源可使LCD显示屏在黑色环境下读写。与其他光源相比,LED在LCD背光照明中最具竞争力,超亮InGaAIP与GaN基LED可以提供高效率的发光和宽范围的颜色。特别是这类器件可在小电流下工作,从而大大减少功耗。采用LED作为背光照明的液晶显示器可用于移动电话、笔记本电脑。随着小型液晶显示器在节电型通信产品中的广泛使用,将会对超高亮度LED提出更高要求。

    大屏幕显示

    大屏幕显示是超高亮度LED应用的一个巨大市场,包括图形、文字、数字的单色、双色和全彩显示,已大量应用于广场、街道、车站、机场、道路等公众场所,或作教育宣传、或作广告提示,其活动图像色彩鲜艳,逼真生动。当前几乎所有高质量的大屏幕象元均为InGaAIP和DaN的蓝绿LED管,其三基色可提供十分逼真的全彩图像。其性能基本符合由国际电视系统委员会(NTSC)所规定的电视颜色范围,通常一个数平方米的大屏幕要消耗数百万只超亮LED管,可见其用量之大。

 
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