LED 是light emitting diode (發光二極體)的縮寫,是一種由半導體技術製成的電光源。LED的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片,在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層,稱為P2N結。在正嚮導通時,半導體中的多數載流子和少數載流子複合,釋放出的能量以光子或部分以光子的形式發射出來,大量的光子形成光子流,即發光。P2N結加反向電壓時,少數載流子難以注入,故不發光。由於半導體材料的帶隙能量不同,不同半導體材料的LED可以發出不同顏色的光。

LED光源具有體積小、壽命長、耗電量小、反映速度快、顏色豐富、可平面封裝等特點,是一種環保節能的冷光源。由於LED有以上特點,所以被廣泛用於顯示和照明領域。

1965年,第一款商用LED (發紅光)問世,效率僅為0. 1 lm /W。1968 年, 由GaAsP 材料製作的LED效率已達到1 lm /W ,並且能發出紅、橙、黃色光。20世紀90年代初,發紅光、黃光的GaAlInP和發綠、藍光的Ga InN 兩種新材料的開發成功,使LED的光效得到大幅度的提高。1998年,白光LED的開發成功標志著照明技術革命的到來。

1　白光LED的最新進展

2006年12月,日本日亞化學工業發布正向電流為20 mA 時、發光效率達到150 lm /W 的白色LED,其發光效率達到了提高演色性后的熒光燈的約1. 7倍,為白熾燈的11. 5倍,甚至超過了普遍認為發光效率最高的高壓鈉燈。昭和電工集團(SDK)研究出一種製造氮化鎵(GaN)基及其他氮化物基優質複合半導體的新工藝,主要用於藍色和白色LED。2007年2月, Philip s Lumileds宣布LED外延技術( ,基本解決白光大功率LED光效隨電流攀升而下降的問題,可令光效隨驅動電流的增加而增加。Cyberlux公司宣稱, 使用塑料材質可讓白光LED的售價更低廉,這種技術既能顯著降低製造成本,照明亮度也優於傳統白光LED。2007年3 月,首爾半導體( SSC)推出3. 5萬小時、光通量96 lm的八角形2 W 單晶元Acriche,可直接插在110 V 或220 V交流電源上使用,無需AC /DC轉換器。SSC計劃到2008年Ariche光效提高到120 lm /W。

目前,LED晶元厚度只有0. 4 mm, LED的光引出技術也有很大進步。因此,帶LED的背光源逐步用於第三代手機、PDA、手提DVD、數字攝像機等小型顯示器。另外,汽車上的各種燈,如前後燈、側燈、前照燈、車內照明燈及儀錶盤顯示器,將全面進入開發應用。根據Strategies Un2limited的統計,日本大型車燈廠小系(Kohido)估算,到2008年所有的新車都會以LED作為車燈。

2　白光LED卡燈

國內一家光電器件有限公司為日本帶工一款新的白光LED產品,名稱為“卡燈”,產品實物如圖1所示。這是白光LED的新應用,已申請專利。

圖1 白光LED卡燈實物

2. 1　LED卡燈的結構及原理

目前製造的LED卡燈多為小尺寸,發光部分面積從3. 81 cm (1. 5吋)到6. 0 cm ( 2. 4吋) 。結構分為框架、背光源模塊、閃爍電路、供電部分、開關五部分:

(1)框架

框架用來安裝整合其他部分,使之成為一個整體,根據不同需要可以加工成不同幾何形狀,圖1中卡燈上為長方形。

(2)背光源模塊

背光源模塊是卡燈的最重要部分,決定卡燈的發光面積和發光質量。背光源模塊又由LED燈、反射板、導光板、擴散板、遮光板、增透稜鏡和背光源框架組成。LED燈為發光源,導光板使幾個LED燈發出的光擴展到整個發光面,擴散板通過漫反射原理使發出的光更加均勻,增透稜鏡可以改變出射光線的角度,把更多光線聚集在正面觀看者的方向,遮光板用來控制發光面積和發光面形狀。

(3)閃爍電路

卡燈內部安裝通常安裝閃爍電路,通過控制開關,調節卡燈的發光部分發出幾種不同模式的光。

普通的閃爍電路可以提供常亮、長間隔閃爍、快速閃爍三種模式。

(4)供電部分

LED的工作電壓在3 V左右,由於LED具有省電的特點,給卡燈供電的電源可以是鈕扣電池。由鈕扣電池供電的卡燈結構緊湊,可做成厚度較小的產品。也可以使用拆卸式可充電鋰電池,使用充電鋰電池的優點為節約資源。若卡燈被經常使用,用充電鋰電池結構更為合理。

(5)開關

用來連接電路和電源,調節卡燈開、關及發光模式。

2. 2　亮度測試

測試卡燈亮度採用多點輝度計(BM—7) ,BM—7有2°/1°/0. 2°/0. 1°等4個量測角度可切換,最小測量面積可達φ0. 1 mm。可測量亮度L、色度X、Y,三色值X、Y、Z,色溫、響應時間、對比度等。廣泛用於LCD、BLU、LCM等領域的量測,是液晶行業的標準。

3. 8 cm (1. 5吋)的卡燈有兩個白光LED,利用BM—7,對發光面積為3. 8 cm ( 1. 5吋)的卡燈進行亮度測試,亮度測試採用九點測試法。測試點位置如圖2所示。

圖2 九點測試示意圖

選取5 個LED 背光,選用測試儀器TOPCONBM-7 ,測試距離為50 cm,測試條件是電流I = 20mA。測得9個點的亮度值如表1 (單位是cd /㎡) :

2. 3　數據分析

均勻度R的計算公式為:

由上面的公式計算出,五組背光有效發光部分的均勻度分別為92%、86%、93%、92%、88% ,其中最大均勻度已達到93%,最小值也有86%。所有均勻度都在85%以上,這說明卡燈等在光源均勻度方面已經很高。表格最後一項是每組9個點亮度的平均值,第四組數值較低,分析可能為安裝工藝原因。

除去第四組,都超3 400 cd /m2。而通常亮度超過200 cd /m2就可以很好滿足應用了。

為直觀對比各測試點的亮度大小,每個點取五個亮度平均值,製成三維曲面圖如圖3所示,其中水平面的橫軸和縱軸表示測量點的位置,用點的數字標號標注,垂直的數值軸表示9個點的亮度平均值,單位為cd /m2。

以上數據顯示,卡燈的亮度和均勻度都很好。但是從圖3可以看出,發光面邊緣亮度高,中心亮度低,這點在以後需要改進。

圖3 卡燈亮度值分佈

2. 4　卡燈的應用

LED卡燈在日常生活中有很多應用。白光LED卡燈體積輕薄、環保,通常集成在其他商品結構中,在卡燈發光部分可附著半透明卡片(如名片、標籤、節日卡等) 。當卡燈點亮時,尤其是在黑暗處,卡片內容會被突顯出來。除白色卡燈,已經用紅、綠、黃色LED製作成彩色卡燈。禮品包裝盒裝上這種彩色卡燈,可以起到裝飾作用。另外,由於卡燈上裝有閃爍電路,閃爍的燈光能夠引起人們注意,所以卡燈也用在安全方面。

3　結束語

隨著100 lm /W級白光LED的開發成功,白光LED在顯示和照明方面應用的普及化進程中又向前邁進了一步,由白光LED製作的新器件也越來越多。歐盟已經表示要在兩年內用LED完全取代白熾燈,中國政府也啟動了綠色照明工程。可以肯定的是,隨著白光LED在汽車、顯示器背光源、照明電器中應用不斷增加,LED時代必將很快到來。