从表1和表2也可以看出,LED的发光强度及发光效率的提高主要取决於采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料),1994年左右采用AlInGaP(四元素半导体材料)後,其发光强度及发光效率有很大的提高。另外,在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AlInGaP材料生产的红光、黄光LED及在SIC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED,在发光强度及发光效率上有较大的改进。
(2)提高LED功率
我们知道,LED
的发光强度与正向电流IF几乎成线性关系,即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制,PD=VF×IF(VF为正向压降),若过大地增加IF而使PD超过最大值时,LED会过热而损坏。为了要提高发光强度,开发出中功率LED(一般为几百mW),其工作电流也提高到70mA。近年来,为进一步提高发光强度,开发出大功率LED,其功率一般为1-10W(有一些还大於10W)。它的工作电流一般为350-700mA,有些可达1A以上。
以AmeriCAN Opto Plus LED公司生产的5W的PU-5WXX系列为例,在700mA电流下,其结温Tj为25℃,其典型发光强度如表3所示(大功率LED的发光强度用光通量表示)。
表3 PU-5WXX系列LED的典型发光强度
从表3可以看出,除蓝光LED的发光强度及发光效率较低外,其他发光颜色的发光强度及发光效率都相当高。
早期生产的LED是小功率的(几十至上百mW),现在已能生产大於10W的大功率LED,在功率上增加了100倍以上。
虽然说小功率LED与大功率LED的发光效率是差不多的,但LUMILEDS公司的研究表明,大功率白光LED比Φ5白光LED的寿命更长。另外,采用很多小功率白光LED组成的灯泡可靠性也差一些,灯泡体积也较大。例如,用1W白光LED做成灯具,其尺寸为50.8×50.8×7.1mm,而采用Φ5白光LED来做,其体积则要大得多。但目前大功率LED投产时间不长,价位较高,所以目前大部分LED灯泡仍是用小功率LED做的。
3、白光LED时代的来临
白光LED是LED家族中最後一个问世的,它的诞生是LED生产中一个重要的突破,它将成为新的照明光源。
白光是复合光,可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光。1995年前後生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。这种白光LED灯尺寸大、白光纯度不高、发光效率也不高。但这种三基色灯用单片机来控制可发出七色光及白光的变色灯,可用於娱乐场所,增加节日气氛。另外,采用RGB三种管芯组成的RGB LED常用於手机的变色背光。
在上世纪末,可能受荧光灯的启发,人们在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光的白光LED。采用不同的荧光粉,可发出冷白光(色温为4500-10000K)及暖白光(色温为2850-3800K)的白光LED。目前,白光LED的发光效率大都已超过30lm/W,某些产品已超过50lm/W的水准,它给用於照明的LED灯泡创造良好的条件。
在2005年,业界开发成功了无荧光粉、Φ5透明树脂封装的白光LED。该白光LED采用蓝宝石(Al2O3)为衬底,采用InGaN工艺技术制成。在IF为20mA时,发光强度为700-1200mcd,为LED的普及应用奠定了基础。
白光LED照明灯泡
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(1)TFT-LCD背光照明
目前,CCFL是大尺寸LCD产品中应用最广泛的背光技术。虽然从技术上来说CCFL已经相当成熟,无论是性能还是稳定性都久经考验。但在NB产品、大尺寸LCD-TV产品日益强调轻薄短小、更高的色彩表现和更强的环保特性趋势下,逐渐显示出强大的应用前景。 LED 背光技术的优势主要表现在∶
(A)使用寿命长
在发光寿命方面,LED背光技术将CCFL远远抛在後面。普通的CCFL背光源一般的使用寿命在3万小时左右,一些顶级的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。这样的寿命对於频繁使用的用户来说意味著使用2-3年後LCD的亮度就将会明显下降,许多LCD产品在使用几年後萤幕就会发黄、亮度明显变暗,而不得不更换LCD的CCFL背光模组。而LED背光则完全没有这样的问题,现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时。每天连续使用10个小时,可以连续用上27年,即使24小时不间断使用,这样的寿命也足够使用5年!而且还有再次提
升的潜力。
B、丰富的色彩表现力
在色彩表现力方面,LED背光也远胜於CCFL。原有的CCFL背光由於色纯度等问题,在色阶方面表现不佳。这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。更重要的是,冷阴极荧光灯色域较为狭窄,会严重影响在LCD显示器上显示的色谱,导致几乎所有的LCD显示器都无法达到平面印刷的Adobe RGB色域标准。据测试,采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的78%,近期少数面板厂商采用CCFL技术最高能够达到92%NTSC,後续提升空间不大,而LED背光却能轻松地获得超过100%的NTSC色域表现。在色彩表现力和色阶过渡方面,LED背光也有显著的优势,其色彩表现力强於CCFL背光源,色彩还原好,可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用。
LED与CCFL背光之效能比较
C、体积缩小
LED作为LCD背光会带来哪些好处呢?首先,采用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成,每个“格子”中都拥有一个LED半导体,这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性,还不需要复杂的光路设计,这样一来LCD的厚度就能做得更薄,同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味著笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如,2005年10月SONY就推出了11.1英寸,使用白光LED的VAIO笔记型计算机TX系列,采用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显示屏,使NB重量下降到1.26公斤,且萤幕厚度也降到仅4.5mm,整体NB厚度更下降16%到21mm,亮度也增加30%,且由於使用白光LED也使电池续航力大幅提升。
对於背光模块厂来说,LED背光模块在结构上,主要的差异点在於LGP的改变。使用CCFL时,由於受限於CCFL管径1.8mm,LGP入光侧必须维持2.0mm左右,而成为一个楔形的板(斜式导光板,即导光板两边厚度不一),这使得NB面板没有办法做得很薄。使用LED作背光源时,原来LGP之厚度限制已不存在,可以让整个LGP厚度均匀且变薄,再加上玻璃的厚度约可从0.5mm降为0.3mm,因此可以满足NB对於轻薄短小的追求。
开发NB用LED背光源,面临的最大瓶颈,仍在於如何让导光板的厚度变薄。一般导光板厚度多在2mm以上,而Sony以0.6mm厚度的导光板使用为主,因此背光厂商正积极开发更薄的导光板。
D、亮度和白平衡控制
实现LED功率控制很容易,不像CCFL的最低亮度存在一个门槛。因此,LED的亮度调整范围大,无论在明亮的户外还是全黑的室内,用户都很容易把显示设备的亮度调整到最悦目的状态;LED背光可以调整白平衡,同时保证整体对比度。当用户的视频源在计算机和DVD机间切换时,可以轻松在9600K和6500K间调整白平衡,而且不会牺牲亮度和对比度。
E、均匀性
冷阴极荧光灯属於管状光源,要将所发出的光均匀散布到面板的每一个区域就需要相当复杂的辅助组件,萤幕的厚度也难以控制。而且随著面板的增大,必须使用多条光源,这就要求来自这些CCFL的光还必须匹配。同时,CCFL背光源的能量利用 效率 低下。在光能从背光到萤幕的传输过程中,光能量损耗情况非常严重,最终大约有6%的光能可被真正利用。为了实现更高的亮度和对比度,厂商必须提高光源的输出功率或增加灯管数目,而这样带来的後果就是整机功耗上扬。这对於桌面型LCD显示器或液晶电视不会有多大的影响,但对笔记本LCD萤幕影响很大。LED可以为大尺寸萤幕提供连续面阵光源。LED是一种平面状光源,最基本的发光单元是3-5mm边长的正方形封装後,所需的辅助光学组件可以做得非常简单,极容易组合在一起成为既定面积的面光源,具有很好的亮度均匀性。
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