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LED在各领域中的应用

2020年6月27日

LED在各领域中的应用

20世纪90年代LED技术的长足进步,不仅是发光效率超过了白炽灯,光强达到了烛光级,而且颜色也从红色到蓝色覆盖了整个可见光谱范围。这种从指示灯水平到超过通用光源水平的技术革命导致各种新的应用,诸如汽车信号灯、交通信号灯、室外全色大型显示屏以及特殊的照明光源。

随着发光二极管高亮度化和多色化的进展,应用领域也不断扩展.从下边较低光通量的指示灯到显示屏,再从室外显示屏到中等光通量功率信号灯和特殊照明的白光光源,最后发展到右上角的高光通量通用照明光源。2000年是时间的分界线,在2000年已解决所有颜色的信号显示问题和灯饰问题,并已开始低、中光通量的特殊照明应用,而作为通用照明的高光通量白光照明应用,似乎还有待时日,需将光通量进一步大幅度提高方能实现。当然,这也是个过程,会随亮度提高和价格下降而逐步实现。

LED显示屏

自20世纪80年代中期,就有单色和多色显示屏问世,起初是文字屏或动画屏。90年代初,电子计算机技术和集成电路技术的发展,使得LED显示屏的视频技术得以实现,电视图像直接上屏,特别是90年代中期,蓝色和绿色超高亮度LED研制成功并迅速投产,使室外屏的应用大大扩展,面积在100—300m不等。

目前LED显示屏在体育场馆、广场、会场甚至街道、商场都已广泛应用,美国时代广场上的纳斯达克全彩屏最为闻名,该屏面积为120英尺×90英尺,相当于1005m,由1900万只超高亮蓝、绿、红色LED制成。此外,在证券行情屏、银行汇率屏、利率屏等方面应用也占较大比例,近期在高速公路、高架道路的信息屏方面也有较大的发展。发光二极管在这一领域的应用已成规模,形成新兴产业,且可期望有较稳定的增长。

交通信号灯

航标灯采用LED作光源已有多年,目前的工作是改进和完善。道路交通信号灯近几年来取得了长足的进步,技术发展较快,应用发展迅猛,我国目前每年有四万套左右的订单,而美国加州在去年一年内就用LED交通信号灯更换了五万套传统光源的信号灯,根据使用效果看,寿命长、省电和免维护效果是明显的。目前采用LED的发光峰值波长是红色630nm,黄色590nm,绿色505nm。应该注意的问题是驱动电流不应过大,否则夏天阳光下的高温条件将会影响LED的寿命。

最近,应用于飞机场作为标灯、投光灯和全向灯的LED机场专用信号灯也已获成功并投入使用,多方反映效果很好。它具有自主知识产权,获准两项专利,可靠性好、节省用电、免维护、可推广应用到各种机场、替代已沿用几十年的旧信号灯,不仅亮度高,而且由于LED光色纯度好,特别鲜明,易于信号识别。

汽车用灯

超高亮LED可以做成汽车的刹车灯、尾灯和方向灯,也可用于仪表照明和车内照明,它在耐震动、省电及长寿命方面比白炽灯有明显的优势。用作刹车灯,它的响应时间为60ns,比白炽灯的140ms要短许多,在典型的高速公路上行驶,会增加4—6m的安全距离。

液晶屏背光源

LED作为液晶显示的背光源,它不仅可作为绿色、红色、蓝色、白色,还可以作为变色背光源,已有许多产品进入生产及应用阶段。最近,手机上液晶显示屏用LED制作背光源,提升了产品的档次,效果很好。采用8个蓝色、24个绿色、32个红色LuxeonLED制成的15英寸(1英寸≈2.5厘米)液晶屏的背光源,可达到120W,2500 lm,亮度18000nits(尼特,cd/m²)。22液晶屏背光源也已制成,仅为6mm厚,不但混色效果好,显色指数也达到80以上。目前大型背光源虽处于开发阶段,但潜力很大。

灯饰

由于发光二极管亮度的提高和价格的下降,再加上长寿命、节电,驱动和控制较霓虹灯简易,不仅能闪烁,还能变色,所以用超高亮度LED做成的单色、多色乃至变色的发光柱配以其他形状的各色发光单元,装饰高大建筑物、桥梁、街道及广场等景观工程效果很好,呈现一派色彩缤纷、星光闪烁及流光异彩的景象。已有不少单位生产LED光柱达万米以上,彩灯几万个,目前正逐步推广,估计会逐步扩大单独形成一种产业。

照明光源

作为照明光源的LED光源应是白光,目前作为军用的白光LED照明灯具,已有一些品种投入批量生产。由于LED光源无红外辐射,便于隐蔽,再加上它还具有耐振动、适合于蓄电池供电、结构固体化及携带方便等优点,将在特殊照明光源方面会有较大发展。作为民间使用的草坪灯、埋地灯已有规模生产,也有用作显微镜视场照明、手电、外科医生的头灯、博物馆或画展的照明以及阅读台灯。

温室补光

光是植物生长和发育最重要的环境因素之一, 对植物的生长发育、形态建成、光合作用、物质代谢及基因表达均有调控作用,因此温室补光是实现植物优质高产的重要途径。近年来,发光二极管在植物工厂中的应用越来越广泛,LED光源的波宽窄、能耗低、体积小、效率高、耐衰老、热耗低的优点,使其成为了众多光质研究人员使用的新光源。至今为止,大量应用LED光源研究光环境对植物宏观的形态、产量、品质的影响,以及对细胞显微结构、植物分化、次生代谢物质的影响的研究层出不穷。

发光二极管封装件的散热

在半导体照明装置中,通常采用高功率高亮度的发光二极管(LED)作为光源,当在发光二极管中通以电流时,电 子与空穴会直接复合,从而释放能量发光,其具有功耗小、使用寿命长等优点,在照明领域应用广泛。然而,目前的光电转换效率较低,有很大比重转化为热能,故LED芯片上的功率密度很大。大的功率密度对器件的散热也提出了高的要求,发光二极管中封装件散热问题已成为影响其产业化发展的重大问题。

散热冷却方式

LED 的散热机构一般有这几种形式:

1.利用热传导金属或散热鳍片与LED封装件贴合散热。

2.加装风扇强制散热。

3.在封装件中设置流通液体散热。

4.热管在封装件中的结合,利用热管内工作介质相变时可吸收或散发热能。

原理与特点

热管散热利用物质相变的原理,具有可吸收或散发高热能的特性,这使得热管成为具备极高的热传导效率的设备, 热管冷却主要是利用工作流体在真空中的蒸发与冷凝来传递热量,当热管的一端受热时,毛细芯中的工作液体蒸发汽化,蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体,液体再沿多孔材料依靠毛细管作用流回蒸发端,热量得以沿热管迅速传递。

钙钛矿发光二极管

传统无机LED技术相对成熟且发光效率高,在照明领域应用广泛,但外延生长等制备工艺限制了其难用于大面积和柔性器件制备。有机或量子点LED具有易于大面积成膜、可柔性化等优势,但是高亮度下的低效率和短寿命问题还亟待解决。金属卤化物钙钛矿型材料兼具无机和有机材料的诸多优点”。如可溶液法大面积制备、带隙可调、载流子迁移率高、荧光效率高等。因此,基于钙钛矿材料的LED相较于传统发光二极管具有诸多优势,尤其是可低成本、大面积制备高亮度、高效率发光器件,对显示与照明均具有重要意义。

钙钛矿发光二极管发展迅速,自2014年剑桥大学报道首篇外量子效率(EQE)为0.76%的三维钙钛矿发光器 件以来,经过短短五年的发展,近红外、红光和绿光钙钛矿发光器件的外量子效率均已突破20%。值得一提的是我国科学家在钙钛矿发光领域里的多个方向开创了全新的研究方法。

2015年,南京工业大学与浙江大学团队合作报道了外量子效率为3.5%的钙钛矿发光二极管,为当时的最高纪录,也是国内在此领域的首篇论文。随后,北京理工大学和南京理工大学相继报道了基于量子点的钙钛矿LED。2016年,南京工业大学采用具有多量子结构的钙钛矿实现了外量子效率突破10%的近红外钙钛矿LED, 相关成果于2016年发表于《Nature Photonics》。采用类似方法,中国科学院半导体研究所将绿光钙钛矿LED的外量子效率提高到14.36%。2018年,南京工业大学首次将近红外钙钛矿LED外量子效率提升至20.7%,性能媲美已产 业化的有机和量子LED。同年,华侨大学”州将绿光钙钛矿LED的EQE提升至20.3%。

这两项国内成果被《Nature》 邀请的领域专家评述为“突破性成果”, “是钙钛矿材料在发光二极管中应用的里程碑式跨越”, “使钙钛矿LED技术突破性能障碍,将推动钙钛矿LED的产业化发展”。总体来说,目前我国在钙钛矿LED研究方面处于世界领先地位,特别是在高亮度、高稳定性钙钛矿发光器件方面,已经取得具有自主知识产权。有世界影响力的创新成果。

尽管钙钛矿LED的研究已经取得了很大的进展,但其发展仍然面临着诸多挑战。首先,钙钛矿LED的稳定性问题需要解决。目前通过材料设计、器件结构及界面优化等方法已大大提升了钙钛矿LED的稳定性,但尚未达到产业化的要求。其次,钙钛矿材料中铅元素的毒性可能是其产业化道路上的一个障碍。研究发现许多元素(如锡、铜、 锗及银等)在钙钛矿材料中可以替代铅元素,但目前利用这些元素制备的器件性能还不及铅基钙钛矿LED。此外, 大面积模块化制备钙钛矿LED仍处于萌芽期,如何发展制备工艺来进行可控大面积生产还需要解决。

总之,钙钛矿发光材料与器件具有诱人的发展前景, 未来随着对材料理解的深入及工艺技术的进步,有望进一 步提高器件的效率和稳定性,推进其产业化进程。在不远的将来,钙钛矿LED将会以其优异的性能和低廉的成本成为新一代显示与照明的有力竞争者,在未来照明与显示产业中占有重要地位。

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