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日志

 
 

LED  

2008-08-09 20:24:56|  分类: 家庭·家居 |  标签: |举报 |字号 订阅

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LED
LED基础知识
    LED是Light Emitting Diode 的缩写,中文译为“发光二极管”,是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线,还有在蓝光LED上涂上荧光粉,将蓝光转化成白光的白光LED。
    LED的色彩与工艺:制造LED的材料不同,可以产生具有不同能量的光子,借此可以控制LED所发出光的波长,也就是光谱或颜色。历史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga) ,发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga),发出的光线为绿光。
    由于制造采用了镓、砷、磷三种元素,所以俗称这些LED为三元素发光管。而GaN(氮化镓)的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED,被称为二元素发光管。而目前最新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED,可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。
发光强度:
    发光强度的衡量单位有照度单位(勒克司Lux)、光通量单位(流明Lumen)、发光强度单位(烛光 Candle power),
1CD(烛光)指完全辐射的物体,在白金凝固点温度下,每六十分之一平方厘米面积的发光强度。
1L(流明)指1 CD烛光照射在距离为1厘米,面积为1平方厘米的平面上的光通量。
1Lux(勒克司)指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。
    一般主动发光体采用发光强度单位烛光 CD,如白炽灯、LED等;反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L,如LCD投影机等;而照度单位勒克司Lux,一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的,但需要从不同的角度去理解。比如:如果说一部LCD投影机的亮度(光通量)为1600流明,其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸(1平方米),则其照度为1600勒克司,假设其出光口距光源1厘米,出光口面积为1平方厘米,则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀,亮度将大打折扣,一般有50%的效率就很好了。
    实际使用中,光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD/平方米作为发光强度单位,并配合观察角度为辅助参数,其等效于屏体表面的照度单位勒克司;将此数值与屏体有效显示面积相乘,得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度,假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定,则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED显示屏须达到4000CD/平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED,最大亮度在700~2000 CD/平方米左右。
  
    单个LED的发光强度以CD为单位,同时配有视角参数,发光强度与LED的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮,最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大,最大发光强度越小,但在整个立体半球面上累计的光通量不变。
    当多个LED较紧密规则排放,其发光球面相互叠加,导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时,需根据LED视角和LED的排放密度,将厂商提供的最大点发光强度值乘以30%~90%不等,作为单管平均发光强度。
    一般LED的发光寿命很长,生产厂家一般都标明为100,000小时以上,实际还应注意LED的亮度衰减周期,亮度衰减周期与LED生产的材料工艺及生产厂商有很大关系,一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的日亚等国际品牌。
配色、白平衡:
    白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成,当光线中绿色的亮度为69%,红色的亮度为21%,蓝色的亮度为10%时,混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果,而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光,称为配色。
当为全彩色LED显示屏进行配色前,为了达到最佳亮度和最低的成本,应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成像素。
白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。
原色、基色:
    原色指能合成各种颜色的基本颜色。色光中的原色为红、绿、蓝,下图为光谱表,表中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差,则可合成颜色的区域会减小,光谱表中的三角形会缩小,从视觉角度来看,色彩不仅会有偏差,丰富程度减少。
    LED发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等,橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要,因为绿色占据了白色中69%的亮度,且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时,绿色是着重考虑的对象。
LED照明术语:
 波长:光的色彩强弱是可以通过数据来描述,这种数据叫波长。能见到的光的波长,范围在380至780nm之间。单位:纳米(nm)
 亮度:亮度是指物体明暗的程度,定义是单位面积的发光强度。单位:尼特(nit)
 光强:指光源的明亮程度。也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。单位:烛光(cd)
 光通量:光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位:流明(Lm)
 光效:光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标。单位:每瓦流明(Lm/w)。
 显色性:光源对物体呈现的程度,也就是颜色的逼真程度。通常叫做"显色指数"。单位:Ra。
 色温:光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温。单位:开尔文(k)。
 眩光:视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比,所造成的视觉不舒适称为眩光,眩光是影响照明质量的重要因素。
 同步性:两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的同步方式运行,同步性是LED灯实现协调变化的基本要求。
 防护等级:IP防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之特性加以分级,由两个数字所组成,第一个数字代表灯具防尘、防止外物侵人的等级(分0-6级),第二个数字代表灯具防湿气、防水侵人的密封程度(分0-8级),数字越大表示其防护等级越高。
   
LED行业及其发展现状
    LED产业链:上游磊晶及芯片制作约占LED产品制造成本7成,其发光颜色与亮度由磊晶材料决定;下游则封装晶粒,制成各式LED器件与应用产品。LED芯片封装后可用于照明,由于LED采用半导体制程,LED照明也称半导体照明,半导体照明完全不同于传统的白炽灯、荧光灯照明原理,其具有节能(能耗为白炽灯的1/8~1/10、节能荧光灯的1/3~1/2)、环保(可回收、无污染)、可数字化设计等优势,是下一代照明光源,可全面替代白炽灯、荧光灯、汽车灯及各种背光源。
  目前白光LED的发光效率、可靠性、寿命以及大功率LED封装等技术等还需要进一步提高,成本需要降到到合理水平才能进入通用照明市场,从目前全球产业进程看,这一时间预计在2010年前后。但在特种照明市场,白光LED照明会提前导入
  目前从全球来看,手机背光占领LED的大部分市场,在接下来的一波推进潮中,笔记本电脑、高端液晶电视背光及汽车灯将成为LED的新增长点;预计在2010年左右LED在通用照明应用将取得突破。从中国市场看,建筑装饰照明、室内外显示屏、交通指示是主要应用市场,随着国内技术水平提高与规模扩大,国内企业在手机背光、NB背光、特种白光照明(包括路灯)、车用LED光源市场的渗透率将持续提高。而当白光通用照明时代来临时,整个行业将步入爆发性增长的发展阶段。
  国内LED产业可简化为两个阶段,第一个阶段生产除高亮蓝绿以外的的各类光色芯片;目前是第二个阶段,即在高亮蓝绿芯片外延、制程产业化技术方面取得突破,这是企业在LED高亮蓝、绿、红芯片领域领先的重要标志。
  由于白光LED靠蓝光芯片+YAG荧光粉封装出来的,突破蓝绿芯片意味着可以生产全色系芯片,意味着突破了产业发展的一个关键瓶颈。因此,国内部分企业蓝绿芯片的量产意味着国内产业发展到一个新的阶段,上中游产业发展进程会加快。
  目前全球初步形成以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的LED产业格局,以日本日亚、丰田合成、美国Cree、Lumileds和欧洲Osram为专利核心的技术竞争格局,这五大企业之间通过交互授权避免专利纠纷,其它企业则通过获得这些企业的单边授权避免专利纠纷,五大企业各具优势,但都专注于各自领域的高端市场,其它企业则角逐中高端、中低端乃至低端市场,构成产业的中心—外围格局。
  作为朝阳产业,半导体照明产业的技术仍在处于不断进步过程中,特别是关系到全球近1000亿美元的通用照明市场的半导体照明白光技术还需进一步成熟,所以,尽管日本日亚及丰田合成、美国Cree与Lumileds、欧洲Orsram在世界半导体照明专利市场上暂时处于技术垄断地位,但全球半导体照明产业竞争格局还并未完全形成,这不仅指这五大巨头相互之间的竞争格局还未形成,也包括新的技术涌现会打破这五大巨头的技术垄断,还包括目前围绕这五大巨头的全球其它公司的竞争格局更不能说已经稳定,中国市场也不例外。
  未来的产业竞争将取决于两方面,一是技术,这包括提高发光效率、降低成本的技术,提高器件功率的技术,方向上有现有技术路线的延伸,也有可能出现新的技术路线;也包括获得高质量产品的工艺技术,如提高可靠性、一致性和寿命,以及外围如照明系统设计及驱动芯片设计技术;二是规模,一方面是由于规模大可以降低成本,市场议价能力强;另一方面,化合物外延片与集成电路制造用的硅片很大不同在于即使同一片外延上制作出来的芯片性能也可能有较大差别,这对一致性要求比较高的应用领域(典型的如液晶面板背光)而言,一片外延上只有一部分符合要求,但对规模大的企业而言,其有多层次的市场结构,可以将不符合某一市场要求的芯片产品调配至另一市场,公司总的产出效率得到充分提高。
  1.1全球LED产业概况
  目前,半导体照明产业形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局,美国Cree、Lumileds,日本日亚(Nichia)、丰田合成(Toyoda Gosei),德国Osram等垄断高端产品市场。
  五大企业在产品与市场方面各具特色,日亚化学和丰田合成在LED发展中占有重要地位,都形成了LED完整的产业链,其中日亚化学1994年第一个生产出蓝光芯片,并在专利技术方面具有垄断优势;Cree、GelCore等都有自己成熟的技术体系,但其在产业链上只集中在外延和芯片的制备上;Lumileds则关注于大功率LED的研发,在白光照明领域实力雄厚。
  新加入业者的生产能力、技术能力与LED老将即将并驾齐驱。就像台湾已经是日美欧以外,白光LED的主要产地,更是蓝光LED芯片的重要量产地。例如部分台湾业者在高亮度蓝光LED芯片已开发出1700mcd,而1400mcd也达到了出货阶段。所以就产品产出能力与质量技术而言,已经不逊色于传统LED大厂。
  全球LED市场第一波销售成长由手机带动,在白光LED在一般通用照明市场发力之前,恐需NB、液晶电视背光及汽车内饰与后灯市场扛起第二波销售成长大旗,而一旦成本降到并且质量达到一般通用照明水平,其增长不可限量。
  
  国内LED设备产能状况
  至于大陆LED产能方面,厦门三安MOCVD 12台,红黄芯片产能为1000KK/月,蓝绿200KK/月,国内最大,初步具备国际竞争规模;上市公司中士兰微( 11.29,0.04,0.36%)MOCVD目前2台,8月再进2台,明年进两台,总数达6台,产能达到高亮蓝、绿、红芯片300kk/月;联创光电MOCVD2台,LPE普亮红、绿机台4台,年产芯片100亿粒,其MOCVD机台目前主要用于研发;深圳方大MOCVD三台,年产外延2.5~3万片,年产蓝绿芯片约3亿粒,产能不大。
  其它未上市LED企业,产能统计比较困难,缺乏准确性,初步了解信息大连路美产能为蓝绿芯片100kk/月,其主要产能可能在控股子公司美国AXT;上海蓝光被彩虹集团并购后2008年规划产能150kk/月蓝绿芯片,2010年达到250kk/月。清芯光电将分批添置13台MOCVD设备,总共形成15条生产线,最终形成年产16亿粒(12mil)高亮度LED管芯的产能,其产业化能力与市场开拓能力还需要观察。
  
  1.2全球主要LED大厂
  日亚化工日亚化工是GaN系的开拓者,在LED和激光领域居世界首位。在蓝色、白色LED市场遥遥领先于其他同类企业。它以蓝色LED的开发而闻名于全球,与此同时,它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。它的荧光粉生产在日本国内市场占据70%的比例,在全球则占据36%的市场份额。荧光粉除了灯具专用的以外,还有CRT专用、PDP专用、X光专用等类型,这成为日亚化工扩大LED事业的坚实基础。除此以外,日亚化工还生产磁性材料、电池材料以及薄膜材料等精细化工制品,广泛地涉足于光的各个领域。
  在该公司LED的生产当中,70%是白色LED,主要有单色芯片型和RGB三色型两大类型。
  此外,该公司是世界上唯一一家可以同时量产蓝色LED和紫外线LED两种产品的厂商。以此为基础,日亚化工不断开发出新产品,特别是在SMD(表面封装)型的高能LED方面,新品层出不穷。
  日亚以销售LED封装产品为主,并不对外销售外延或芯片产品,并通过对蓝光和白光LED专利的垄断来建构进入障碍,几乎垄断整个可携式产品的白光LED市场,并获取巨大利润。
  以蓝色、白色LED市场的扩大为起爆剂,日亚化工的总销售额也呈现出逐年上升的势头,由1996年的290亿日元增长到2006年的2000亿日元。这期间,荧光粉的销售额每年基本稳定在300亿日元左右。2006年全球LED市场约为7335亿日元,因此,日亚化工占据了约27.3%的全球市场份额。
丰田合成(株)
  如果将LED比喻为汽车,那么可以说,日亚化工提出了车轮和发动机的概念,而丰田合成则提出了车体和轮胎的概念。1986年,受名誉教授赤崎先生的委托,丰田合成利用自身在汽车零部件薄膜技术方面的积累,开始展开LED方面的研发工作。1987年,受科学技术振兴事业团的开发委托,丰田合成成功地在蓝宝石上形成了LED电极。因此,把丰田合成誉为“蓝色LED的先锋”并不为过。
  丰田合成在近年来的发展速度也相当快。1998年,其销售额为63亿日元,但到2006年,已增长至276亿日元。
  在应用方面,手机占了72%,此外应用较多的还有液晶背光、按键、背面液晶背光(3in1)等,信号设备、大型显示屏等方面的应用也比较多。此外,汽车导航系统和电脑专用液晶控制器、TV专用大型液晶的背光等也是丰田化合的目标市场。照明应用方面的设计开发也正在紧锣密鼓之中。丰田化合的生产据点除了爱知县平和町的工厂以外,还在佐贺县武雄市建立了生产蓝色LED等GaN LED的第二个生产据点,其设备投资总额达156亿日元,届时两个工厂的总生产能力可达到月产4.2亿个,其目标是2008年LED的销售额达到1200亿日元。
  Cree
  Cree公司建于1987年,位于美国加利福尼亚洲。主要从事SiC,GaN和Si衬底的开发,是美国宽禁带材料和器件的领导者,也是生产GaN材料的最大公司之一。最突出的还是他们对蓝光LED方面的贡献,公司在SiC衬底上生长GaN外延片制作蓝光上拥有专利,该专利不同于日亚以蓝宝石为衬底生长GaN外延制作蓝光的专利,而蓝光是生成白光的基础,因而在LED上游也占据核心地位。公司的产品包括绿光、蓝光和紫外光LEDs,近紫外激光、射频和微波半导体设备,电源转换设备和半导体集成芯片。这些产品的目标应用包括固态照明、光学存储、无线基础和电路转换等。公司的大部分利润来自于LED产品和SiC、GaN材料的生产,产品销往北美、欧洲和亚洲。
  Lumileds
  创建于1999年,Lumileds照明是世界著名的LED生产商,在包括自动照明、计算机显示、液晶电视、信号灯及通用照明在内的固态照明应用领域中居领先地位。公司获得专利的Luxeon是首次将传统照明与具有小针脚、长寿命等优点的LED相结合的高功率发光材料。
  公司也提供核心LED材料和LED封装产品,每年LEDs的产品达数十亿只,是世界上最亮的红光、琥珀光、蓝光、绿光和白光LED生产商。公司总部在加利福尼亚州的圣荷塞,在荷兰、日本和马来西亚有分支机构,并且拥有遍及全球各地的销售网络。
  Lumileds的前身是40年前惠普公司的光电子事业部,是惠普的专家们从无到有创建的。到了90年代后期,在意识固态发光的前景后,惠普和当时世界上最大的照明设备公司之一的飞利浦公司开始了如何一起发展最新的固态照明技术并引入市场的计划。1999年惠普公司一分为二,她的光电子事业部被安捷伦技术公司收购,同年11月,巨大的市场潜力促使安捷伦和飞利浦组成了Lumileds公司,赋予其开发世界上亮度最大的LED发光材料的使命,并向市场推广。今天的Lumileds,作为一个安捷伦科技和飞利浦照明的合资公司,继续领导着世界固态照明产业的发展。该公司的Luxeon功率光源专利技术率先把传统照明的亮度与LED的小巧体积、超长寿命及其它优势结合了起来。Lumileds每年LED的产量达十亿只,并提供核心LED材料和LED封装。
  近期,在收购Lumileds和TIR Systems之后,飞利浦电子又收购了LED照明系统供应商Color Kinetics,此举帮助这家荷兰电子巨头完成覆盖整个固态照明系统价值链的布局。
  Lumination
  GELcore是GE照明与EMCORE公司的合资公司,创建于1999年1月,总部位于美国新泽西州。2007年2月,GELcore改名Lumination,公司致力于高亮度LED产品的研发和生产。通过把GE先进的照明技术、品牌优势和全球渠道与EMCORE权威的半导体技术相结合,GELcore已经在转变人们对照明的认识过程中扮演了重要的角色。GELcore几乎涉足所有GaN LED相关产品,现有的产品包括大功率LED交通信号灯、大型景观灯、其他建筑、消费和特殊照明应用等。通过把电子、光学、机械和热能管理等各个领域的技术相结合,GELcore加快了LED技术的应用并创造了世界级的LED系统。另外,GELcore还利用独特的客户管理系统来和那些LED专家和产品应用客户保持长期的友好关系。
  Osram
  OSRAM是全世界最大的两个照明生厂商之一。建于1919年,最大的股东为Siemens AG,总部位于慕尼黑,在全世界拥有超过36,000的员工。OSRAM商标早在1906年注册,到目前为止是世界公认的历史最悠久的商标名称之一。
  Osram拥有有别于日亚(蓝光+YAG荧光粉)的蓝光+TGA荧光粉白光专利技术,开发出采用SiC衬底的GaN型光电器件,采用蓝光LED芯片和黄荧光粉组合产生白光LED,在大尺寸LCD背光源、白光照明和车用LED产品上具有优势。Osram主要的经营领域在欧洲市场及汽车用白光LED市场,与日亚化学有明显市场区隔。
  Color Kinetics(CK)
  公司组建于1997年,总部位于马萨诸塞州的波士顿市,其在智能固态照明系统及技术设计、市场开发方面处于行业领先地位,并获得了相关技术的许可权。公司的获奖系列产品利用LED的实用及美观性能,在高性能灯具及OEM许可应用中,突破了传统光源的局限。其产品及技术优势使其在数码智能方面获得了一项称为Chromacore(R)的专利,这项专利可用来产生并控制数以百万计的LED灯光颜色及动态效果,应用于舞台照明和景观照明。
  CK公司自诞生以来,智能特性一直是CK阵营的主要手段,合作伙伴的战略能够提供给新加入者卓越的范例。当将数字智能技术用于基于高亮度二极管的数百万颜色的产生与控制时,CK公司显然是该领域的驱动者,他们的智能文件夹包括32项已授专利和120多项正在申请的专利。CK公司采取公开、积极的方式与那些认识到智能固体照明的价值及其普遍深入的应用前景的制造商形成委托加工与许可的关系,以促进刚刚起步的固体照明工业的发展。目前CK公司在英国、中国都设有办事处,在日本还成立了一家合资公司。
  
  1.3 LED光源主要优势
  LED的发光原理是利用半导体中的电子和电洞结合而发出光子,不同于灯泡需要在3000度以上的高温下操作,也不必像日光灯需使用高电压激发电子束,LED和一般的电子组件相同,只需要2~4伏特(V)的电压,在常温下就可以正常动作,因此其寿命也比传统光源来得更长,可达10万小时以上(目前产业化的国外可达3~5万小时)。
  白炽灯的发光效率是8--15 lm/ W左右,普通T-8卤素荧光灯光效可达40 lm/ W,T-5高效荧光灯可以达到80 lm/ W,LED光效可达200lm/w,LED还有毫秒级的通断时间,这也是一般应用光源无法达到的。
  LED所发出的颜色,主要是取决于电子与电洞结合所释放出来的能量高低,也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。同一种材料的波长都很接近,因此每一颗LED的光色都很纯正,与传统光源都混有多种颜色相比,LED可说是一种数字化的光源。
  LED芯片大小可以因用途而随意切割,常用的大小为0.3~1mm左右,跟传统的灯泡或日光灯相比,体积相对小得多。为了使用方便,LED通常都使用树脂包装,做成5mm左右的各种形状,十分坚固耐震。
  1.4 LED手机市场前景
  就手机上应用LED来说,主要可分为四大类,第一类为来电指示灯,约使用1颗;第二类是手机附数字相机可搭配闪光灯,约使用一颗;第三类为屏幕背光源约使用2-6颗,第四类为按键背光源约使用6-10颗,所以一共加起来最少约要10~12颗LED,而最高阶的机种可能会达到19~20颗LED,可见手机对LED产业的贡献度。
  从全球销售额来看,2005年手机市场占比高达62%,从量上看,手机市场占比也达18%,手机市场当之无愧是推动LED产业的第一波浪潮。尽管手机市场仍在增长,但增长日趋缓慢;另一方面,各种新型具有多种附加功能的手机越来越多,手机功耗大,对手机节能的要求越来越强烈,这将推动能耗更低的OLED面板对TFT LCD面板的替代,而OLED是主动发光,不需要背光,对LED的需求趋降。
  综合来看,手机市场目前仍是LED的主要市场,但手机市场的影响力在下降,LED成长需要新的应用市场的推动,白光LED进入一般通用照明市场预计2010后才会真正来临,现阶段有两个“整装”市场潜力大—笔记本、液晶显示器及液晶电视的背光与汽车内饰背光及前后灯市场。
  
  1.5 LED NB及液晶电视背光市场前景
  LED作为LCD的背光源,与传统背光技术相比,除了在色域范围的优势外,还有很多独特的优点,归纳为十个方面:
  节能。目前,照明消耗约占整个电力消耗的20%,同样照明效果的情况下,耗电量是白炽灯泡的八分之一,荧光灯管的二分之一。美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测,美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代,每年节省350亿美元电费,每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量;日本100%白炽灯换成LED,可减少1~2座核电厂发电量,每年节省10亿公升以上的原油消耗;台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代,每年节省110亿度电。
  在液晶显示器已经成为主流显示器的今天,LED背光源凭借其独特、压倒性的优势,逐渐显示出强大的应用前景。
  
  1.6以目前来看,在车用领域最大的市场在车内饰背光,其次为车后灯,2006年全球车内饰市场销售额4.2亿美元,车后灯市场为2.2亿美元,预计2010年汽车市场LED总体销售额会达到11.5亿美元。
LED照明工程前景广阔
    LED在照明工程中的运用已非常普遍,过去10年来,LED在颜色种类、亮度和功率都发生了极大的变化。LED以其令人惊叹而欣喜的应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。LED寿命长达10万小时,意味着每天工作八小时,可以有35年免维护的理论保障。低压运行,几乎可达到100%的光输出,调光时低到零输出,可以组合出成千上万种光色,而发光面积可以很小,能制作成1平方毫米。经过二次光学设计,照明灯具达到理想的光强分布。快速发展的LED技术将为照明设计与应用带来崭新的可能性,这是许多传统光源所不可能实现的。 
    今天似乎全世界的目光都聚焦在LED这个新型的光源上,被誉为21世纪的绿色照明产品,甚至人们预言未来会大部分取代传统的光源。因为它具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节能、发光体接近点光源(有利于LED的灯具设计)、薄型灯具,灯具材料选择范围大,不需要加反射器,低压,没有紫外辐射,尤其在公共环境中使用更加安全等特点。再加上LED光源的生产可实现无汞化,对于环境保护和节约能源更具有重要意义。 
 传统的LED主要应用于信号显示领域、建筑物航空障碍灯、航标灯、汽车信号灯、仪表背光照明,如今娱乐、建筑物室内外、城市美化、景观照明中应用也越来越广泛。但是目前LED光源的寿命还不能达到所标出的100,000小时,实际寿命约在50,000小时左右,这主要与其散热方面的问题有关。在很小的空间里,随着功率的加大,半导体组件就会过热。再者,白色LED还不能达到普通灯泡所具有的亮度。
LED在照明工程中的应用方向 
1、建筑物外观照明 
  对建筑物某个区域进行投射,无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具,这与传统的投光灯具概念完全一致。但是,由于LED光源小而薄,线性投射灯具的研发无疑成为LED投射灯具的一大亮点,因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。它的安装便捷,可以水准也可以垂直方向安装,与建筑物表面更好地结合,为照明设计师带来了新的照明语汇,拓展了创作空间。并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。
2、景观照明 
 由于LED不像传统灯具光源多是玻璃泡壳,它可以与城市街道家具很好的有机结合。可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。对于花卉或低矮的灌木,可以使用LED作为光源进行照明。LED隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。固定端可以设计为插拔式,依据植物生长的高度,方便进行调节。
3、标识与指示性照明 
  需要进行空间限定和引导的场所,如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明,可以使用表面亮度适当的LED自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具,如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯,以及购物中心内楼层的引导灯等。另外,LED与霓虹灯相比,由于是低压,没有易碎的玻璃,不会因为制作中弯曲而增加费用,值得在标识设计中推广使用。
4、室内空间展示照明 
  就照明品质来说,由于LED光源没有热量、紫外与红外辐射,对展品或商品不会产生损害,与传统光源比较,灯具不需要附加滤光装置,照明系统简单,费用低廉,易于安装。其精确的布光,可作为博物馆光纤照明的替代品。商业照明大都会使用彩色的LED,室内装饰性的白光LED结合室内装修为室内提供辅助性照明,暗藏光带可以使用LED,对于低矮的空间特别有利。
5、娱乐场所及舞台照明 
  由于LED的动态、数字化控制色彩、亮度和调光,活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。从白光到全光谱中的任意颜色,LED的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值(10,000小时后仍然维持90%的光通),与PAR灯和金卤灯的50~250小时的寿命相比,降低了维护费用和更换光源的频率。另外,LED克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。与PAR灯相比,没有热辐射,可以使空间变得更加舒适。目前LED彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。
6、视频屏幕
  全彩色LED显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置,采用先进的数字化视频处理技术,有无可比拟的超大面积与超高亮度。根据不同的户内外环境,采用各种规格的发光像素,实现不同的亮度、色彩、分辨率,以满足各种用途。它可以动态显示图文动画信息,利用多媒体技术,可播放各类多媒体文件。世界上目前最有影响的LED显示屏,当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所,总计使用了18,677,760只LED,面积为10,736平方英尺。屏幕可以划分成多个画面,而同时显示,将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部,整个朝向浦西的建筑立面镶上了长100m的超大型LED屏,总计面积达到3600平方米。堪称世界第一。 
7、与工业设计相结合 
  LED是近年来欧洲产品设计师的宠儿,他们将LED作为产品设计元素的一部分,驰骋于想象的空间,将光、玻璃或其它材料结合在一起,成为美轮美奂的艺术品。

  
户外广告将迎来LED时代  
     受众记忆空间的有限性和信息传播的无限性,使注意力逐渐成为一种稀缺资源,传媒已成为资本和技术之外的第三大社会力量。生活方式的变化驱动户外媒体的发展,在广播、电视、报纸、杂志的受众不断分化后,户外媒体已成为真正的大众媒体,其独特价值无可替代。
     凭着高到达率低和千人成本两大优势,户外媒体已成为2005年增长最为迅速的广告媒体。根据国内领先的市场研究机构CTR数据显示,2005年,在报纸媒体出现1%负增长的情况下,户外媒体的增长率高达79%,已占据5%的市场份额,而且还将保持持续增长的强劲势头。
      随着社会科技的进步和户外广告的发展,人们对户外媒体的要求也越来越高,传统的路牌、灯箱、单立柱、霓虹灯等表现形式单一的户外媒体已经无法满足受众的需 求。户外广告市场上的竞争将是品牌价值、客户管理和专业品质的较量,于是,LED开始浮出水面。LED 大型显示屏是科技与媒体的完美结合,能把该理念充分发挥,当仁不让地成为未来户外媒体发展趋势。
     LED全彩显示屏是1990年代在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体,它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成的大面积显示屏幕,结合了微电子、 光学、计算机、信息处理等诸多现代高新技术,具有环境适应能力强、高节能、寿命长、多变幻、利环保、高新尖等一系列优势。LED显示屏不仅画面亮度高、对 比度大,色彩鲜艳,而且可显示动态画面和文字,它主动光发,远距离分辨率高,即使在百米以外,视觉效果跟在家里看电视一样,已广泛用于人流量多的公共场 所、交通要道。
     其功能除广告宣传外,还可发布信息,丰富人们的文化娱乐生活,是观众喜爱的信息传播媒体,在我国北京、上海、重庆等大城市已推广应用,并收到了很好的效 果。而近期,国内著名的广告公司分众传媒、东方明珠移动纷纷进军户外LED市场,则更昭示了这一市场的勃勃生机。
  据专家预测,今后几年全球各类LED显示屏需求每年均会达到几十亿美元,而且还在逐年递增。而在中国,据全国光学光电子行业协会LED显示屏分会统计,去 年LED显示屏全行业的销售额约为40亿元,随着加入WTO,又借助2008奥运会和2010年上海世博会带来更多的眼球经济,以及国家对环保问题的重视 等多种利好因素的影响下,LED显示屏在体育、户外广告、交通等诸多领域的市场将有显著的增加。专家预测认为:国内市场LED全彩屏需求增长率将高达 30%以上。
  目前国际上著名的LED显示屏厂商有比利时的Barco、美国的Daktronics和 Lighthouse等,国内比较好的的有上海三思、大连路明、深圳锐拓、惠州德赛等。我国LED显示屏产业的技术水平相对先进,主要产品和关键技术与 国际同行业的先进水平能保持一致,但工艺水平比较落后,在产品规范化、整体系统设计、可靠性、制造工艺、检测测试手段等方面与国际先进水平有明显的差距。
  随着LED技术的发展,人们越来越意识到它和环境的协调性、美观性以及更好的心理体验,在这方面,走在同行业前列的是比利时Barco。Barco一直引 着LED显示领域的革命,为人们提供创意型的显示解决方案,使LED与各种环境相融合,为人们带来独特视觉感受的同时也带来无与伦比的心理体验,也提供了 更多的广告和互动机会。Barco在户外广告领域有很多成功案例,在国内就有重庆的解放碑和北京的中关村,这些成功案例均为Barco LED的用户带来巨大的商业价值。这些有Barco LED的地方更已成为当地方的标志性建筑之一。
  LED显示屏在户外广告领域的市场应用前景是令人充满信心的。目前国内最大的难题是市场对LED的理解力还不够,主要是行业技术进步的停滞和企业战略的缺 乏,主要表现为LED显示屏过多集中于低端市场,这样就容易牺牲品质和创意单纯追求低价格;另外,很多广告商对创意型LED的视觉冲击力和商机认识也不深 刻,这些都阻碍了人们对创意型LED显示解决方案的追求。因此,Barco等国际领先厂商的使命是不仅要代表最新的技术,更要倡导全新的理念。而如何改变 传统理念,抓住市场契机,都是行业内企业需要缜密考虑的。
LED显示器件发展简史和应用趋势  
  新型LED显示器件有功耗低、亮度高、寿命长、尺寸小等优点,本文从LED显示器件的发展简史开始,探讨了表面贴装LED、汽车应用中的LED和照明用LED的发展趋势,对于从事显示器件开发的中国工程师有一定参考价值。
  全球第一款商用化发光二极管(LED)是在1965年用锗材料作成的,其单价为45美元。随后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料 制作的商用化LED。这些早期的红色LED每瓦大约能提供0.1流明(lumens)的输出光通量,比一般的60至100瓦白炽灯的15流明要低上100 倍。
  1968年,LED的研发取得了突破性进展,利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦,并且能够发出红光、橙光和黄色光。到1971,业界又推出了具有相同效率的GaP绿色裸片LED。
  1972年开始有少量LED显示屏用于钟表和计算器。全球首款采用LED的手表最初还是在昂贵的珠宝商店出售的,其售价竟然高达2,100美元。几乎与此同时,惠普与德州仪器也推出了带7段红色LED显示屏的计算器。
  到20世纪70年代,由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用,LED的价格直线下跌。事实上,LED是那个时代主打的数字与文字显示技术。然而在许多商用设备中,LED显示屏也逐渐受到了来自其它显示技术的激烈竞争,如液晶、等离子体和真空荧光管显示器。
  这种竞争性激励LED制造商进一步拓展他们的产品类型,并积极寻求LED具有明显竞争优势的应用领域。此后LED开始应用于文字点阵显示器、背景图案用 的灯栅和条线图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长,从2位数字到3位甚至4位,从7段数字到能够显示复杂的文字与图案组合的14或16段阵列。到 1980年制造商开始提供智能化的点阵LED显示屏。
  80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED,它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位安装停止灯(CHMSL)设备。 1990年,业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术,这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。
  今天,最亮的材料应是透明基底AlInGaP。在1991年至2001年期间,材料技术、裸片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近20倍。
  对高强度蓝光LED的不断研发产生了好几代亮度越来越高的器件。在1990年左右推出的基于碳化硅(SiC)裸片材料的LED效率大约是0.04流明/ 瓦,发出的光强度很少有超过15毫堪(millicandel)的。90年代中期的技术突破实现了第一个基于GaN的实用LED。现在还有许多公司在用不 同的基底如蓝宝石和SiC生产GaN LED,这些LED能够发出绿光、蓝光或紫罗兰等颜色。高亮蓝色LED的发明使真彩广告显示屏的实现成为可能,这样的显示屏能够显示真彩、全运动的视频图 像。
  蓝光LED的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能量的蓝光部分地转换成其它颜色。将蓝光与转换磷的黄光整合 在一起就能得到白光,而整合适当数量的蓝光与红橙磷(reddish orange phospher)则可以产生略带桃色或紫色的色彩。现在仅用LED光源就能完全覆盖CIE色度曲线中的所有饱和颜色,并且各种颜色LED与磷的有机整合 几乎能够毫无限制地产生任何颜色。
  在可靠性方面,LED的半衰期(即光输出量减少到最初值一半的时间)大概是1万到10万小时。相反,小型指示型白炽灯的半衰期(此处的半衰期指的是有一半数量的灯失效的时间)典型值是10万到数千小时不等,具体时间取决于灯的额定工作电流。
  为了利用自动化组装技术降低制造成本,从20世纪80年代开始业界逐渐推广使用表面贴装器件(SMT),90年代这一技术得到了进一步强化。最初的 SMT LED作为低功率器件被主要用于指示设备和手机键盘的照明,后来又开发出大功率的SMT器件用于汽车面板照明、刹车灯,并扩展用于专业和一般的照明设备。
  SMT是蜂窝/PCS电话机的主要技术要求,现在看来这一市场仍具有极大的发展潜力。2001年全球手机的制造量大约有3.8 亿部,据预测今年的制造量将上升到4.3亿部,到2005年将达到5.2亿部。一部手机平均要使用10个表贴型LED,也即意味着仅手机市场对LED的需 求就达到了40亿个。
  手机功能的不断升级也进一步刺激了对更高性能LED的需求。确切说,手机设计人员需要多种多样的 LED,包括更高亮度的单色LED器件、真彩LCD显示屏(特别是第2.5代和第3代手机的LCD)背景光源用的白色LED以及实现产品差异化所需的蓝色 和紫罗兰色等特殊色LED。同时,由于手机的复杂度越来越高,体积也越来越小,有更多的用户对LED提出了更薄更小外形包装的要求。
  特别是越来越多的人希望高性能LED能提供“芯片LED”的表贴封装,即工业标准的1.6×0.8mm外形尺寸。
  话机制造商要求对LED的颜色与强度进行分类,以确保背景光源设备能与用户需求取得高度一致。这样做能使LED非常适合用于背景光源设备,即LCD、按键、前面板、符号与键盘背景照明等,因为这些设备上颜色与光强度的和谐统一非常重要。在汽车内外,照明设备中用得最多的还是白炽灯,但设计师与汽车制造商正在逐渐采纳LED,开始时LED可能只用于豪华型汽车,但慢慢会过渡到大多数汽车 上。LED的最大卖点之一是具有很长的平均无故障工作时间(MTBF),LED照明器件的使用寿命一般都要超过汽车本身的寿命。
  有很多种LED产品,其封装和器件适合仪表板、空调、收音机和电子开关等汽车内部照明设备使用。例如那些SMT器件就非常适合汽车仪表板使用。多用途的 3mm和5mm注塑灯仍是汽车内部照明设备和外部照明设备的候选产品,目前这些器件已被广泛应用于中央高位安装停止灯(CHMSL)设备中。
  对内部和外部照明设备来说,LED汽车灯装置与白炽灯装置的热设计有很大不同。这是因为白炽灯会产生相当大的热量,而白炽灯泡能承受这样的高温环境。 LED灯阵列所产生的热量一般要比白炽灯少,但LED灯的最大内部温度必须保持在推荐的上限范围以内才能保持LED的可靠工作,如果超出LED灯的最高结 温,就可能由于环氧材料的膨胀而导致导线粘结剂或被抬高的LED裸片发生突发性故障。在湿度比较高的热循环或加强型热循环环境中,这些故障会显得尤其突出。
  LED灯的最大内部结温受限于环氧封装材料的热膨胀特性。与汽车白炽信号灯设计相比,由于存在最大结温的限制,LED汽车信号灯设计必须认真考虑热设计问题。
  传统LED灯中使用的芯片是0.25×0.25mm大小,而照明用的LED一般都要在1.0× 1.0mm以上。专注于结构化裸片成型的设计工作-台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计能够改善LED的发光效率,从而使芯片发出更多的光。
  封装设计方面的革新包括将高传导率的金属块用作基底、倒装芯片设计和裸盘浇铸式引线框等,这些方法都能设计出可高功率、低热阻的器件,而且这些器件能比以前的器件照度更大。
  目前一个典型的高光通量LED器件能够产生几流明到数十流明的光通量。更新的设计可以在一个器件中集成更多的LED,或者在单个组装件中安装多个器件, 从而使输出的流明数相当于小型白炽灯。例如,一个高功率的12芯片单色LED器件能够输出200流明的光能量,所消耗的功率在10到15瓦之间。
  LED已经被广泛应用于各种照明设备中,如电池供电的闪光灯、微型声控灯、安全照明灯、室内室外道路和楼梯照明灯以及建筑物与标记连续照明灯。
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