LED的現狀及發展前景

陳志紅 司敏杰 郎 明

中國洛陽浮法玻璃集團有限責任公司（471000）

0 概述

LED是light emitting diode（發光二極管）管的縮寫，這種二極管包含一個P/N結和P/N型半導體中間的有源層。當給二極管兩端施加一定電壓時，半導體中的載流子（電子和空穴）發生復合，剩余的能量以光能的形式釋放出來,這就是LED的基本工作原理。

1 分類

根據光線的波長分，LED可分為可見光LED和紫外線LED，而可見光LED又可分為紅光LED、藍光LED及白光LED等。紫外線LED多用于醫療、防偽等領域，本文主要介紹可見光LED的現狀及發展前景。

2 LED光源的特點

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

2）效能高∶消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。

3）適用性強∶由于體積很小，每個單元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境。

4）壽命長∶在使用10萬小時后，光衰為初始的50%。

5）響應時間∶其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級,其在交通信號及汽車剎車燈方面的應用，正是利用了這個特性。

6）環保性∶其使用材料中不含有害金屬汞，不會對環境造成污染。

7）顏色∶對于多色光發光二極管，改變電流可以變色，如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最后為綠色。

8）價格∶LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由幾十只二極管構成。

3 LED的用途

雖然目前用于照明的白光LED數量有限，但其應用領域廣闊。下面就其中幾個主要領域介紹LED照明的現狀和未來。

3.1 普通照明領域

對于LED的應用，其在普通照明領域的廣泛普及是人們最為期待的。目前，照明LED的應用局限于局部照明、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發相關產品。

3.2 背光照明領域

在LED的各種應用中，用于手機等小型液晶屏幕的背光源的市場需求量最大。在手機上到處可以見到LED的應用，如液晶屏的背光源、按鍵照明、收到信號時的發光提示、照相機閃光燈等，有的一部手機中安裝了多達20個LED。省電、小巧的LED有助于延長手機的通話時間和使手機小型化。

作為中大型液晶背景光源，現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，它在汽車導航、電腦顯示器等中大型液晶背光源領域有良好的發展前景。

用LED作背光源的高顯色性、高清晰畫質的大屏幕液晶電視已開始商品化。

3.3 道路交通領域

該領域的應用主要為LED交通信號燈。與以前的白熾燈泡相比，LED燈的能效提高∶車輛用信號燈功率由75 W降至15 W，節能約80%；行人用信號燈由60 W降至15 W以下，節能75%以上。

而且，由于LED信號燈的使用壽命長，可大幅降低維護、廢品處理等施工成本。除了環保方面的特點外，LED燈的識別性也很強,即便受夕陽光照影響也不易造成不能辨認燈是否點亮的情況，在安全性方面也同樣具有優勢。

在道路交通領域,除交通信號燈外，LED還以節能、壽命長、免維護、體積小等特點逐步應用于隧道內指示燈、路燈、隧道導向外、路線導向燈等領域。

3.4 交通工具領域

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燈光源安裝在汽車上。LED汽車燈的優點為響應時間短、識別性強、能耗低、壽命長。

LED剎車燈的響應時間約比白熾燈短0.2 s（時速100 km時行使5～7 m），其對于安全方面的貢獻之大是顯而易見的。

3.5 顯示屏

室內外大型顯示屏和招牌是LED的重要應用領域。因使用高亮度LED，即使在白天也能顯示飽和色圖像,而且LED的高響應速度亦使其在該領域表現出色。當顯示足球比賽等變化較快的畫面時，為了不產生視覺暫留現象，亮、滅、換色時間必須低于15 ms，而LED的特性完全符合要求。

3.6 農業

太陽光中有紫外到紅外多種波長的光輻射，植物并不需要所有波長的光能量。用LED產生利于植物生長發育的特定波長的光（有助于光合作用的紅光和增強屈光性、塑形用的藍光）并在恰當的時間照射植物，可提高植物培育效率，并且LED與白熾燈不同，它沒有熱輻射，不會灼傷嫩葉。LED在植物工廠中的應用正在逐漸擴大。

3.7 漁業

在捕魚業領域，正在開發LED誘魚燈。不久前研制成功的藍光LED，其主波長（450～500 nm）在海里的光強衰減很小，同時也非常接近烏賊類魚的視覺靈敏波長范圍（470～490 nm），因而這種LED很適合用作省電、高效的誘魚燈光源。

除捕捉烏賊用外,寄希望于LED在現在使用金鹵燈作誘魚燈的秋刀魚捕捉和卷網漁業方面有進一步發展。

3.8 醫療

最近,出現一種使用LED的膠囊狀醫療檢測設備。該“膠囊探測器”內一端裝有白光LED和CMOS或CCD攝像器件。當病人將此“膠囊”吞下后，它會自動在人體內對消化器拍照，并將圖像以電信號的形式傳至體外。估計在不久的將來，患者們將可以永遠擺脫內窺鏡的痛苦。

此外，白光LED已開始用于外科手術照明。通常手術室內的照明燈都被稱作“無影燈”，但有時外科醫生的頭會遮擋光線，使手術室內變暗。不久前開發出一種可戴在醫生頭上的像風鏡似的LED燈具。

3.9 通信

LED在光通信領域的發展也倍受關注。若配以恰當的驅動電路，LED能夠用于100 Mb/s的高速數字通信，可組建家庭信息網絡等。

在歐洲使用LED的光通信車載LAN已應用于奔馳等多款汽車中，與目前使用“束線”將各種設備逐個連接起來的車載網絡相比，光電技術可以減輕電線總重量，利于輕量化。

另外，關于基于LED的可為手機、汽車導航儀等提供信息的可見光無線通信技術的基礎性研究也在積極進行中。

3.1 0 LED應用領域的拓展

與此同時，LED在上述領域以外的用途也開始受到關注。比如使用LED產品替代農藥進行殺菌、除蟲;冰箱內用LED促進蔬菜光合成產生維生素等。另外，許多建筑和照明設計師認為，使用LED可為他們增添許多新的設計方式，目前市場上已出現了一種新型的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電膜，外加電源后LED發光。這種玻璃被廣泛用于室內室外裝飾及樓梯護欄等，集照明、美觀、安全于一身，越來越受到建筑行業的青睞。筆者所在公司也已成功開發此產品,并逐步向LED的線發光和面發光領域拓展。

4 總結

作為“第4代光源”備受矚目的LED的優勢不僅是在照明領域,其在諸多領域中亦潛力巨大，期待今后的進一步開發。但目前還存在許多需要攻克的課題和解決的問題。

在一般用戶的印象中，LED是以低發熱量和低能耗著稱的。但隨著大功率和高亮度LED的需求逐漸擴大，LED的發熱也變成了一個嚴峻的問題。發熱會使LED元件的壽命很快降低，并導致樹脂封裝材料失效等問題，減小元件的熱阻首先要提高LED元件的發光效率。另一個要點是改善LED的散熱，這方面需要開發新型的襯底或封裝材料替代原有的環氧樹脂、有機硅樹脂等不利于散熱的成分。隨著技術的發展，這些問題都會迎刃而解,屆時LED將會有一個更加廣闊的前景。