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竞争激烈的高亮度LED芯片产业与技术(下篇)

  • 发布日期:2007-02-14 浏览次数752
编者按:随著led性能持续地提高,应用市场也随之急速扩大,隐藏在背后的原因是使用GaN、AllnGaP发光材料的高辉度led,拥有著长寿命、省电、耐震、低电压驱动等优秀的特色,并且超越灯泡和卤素等,而高发光效率的LED更是在最近几年陆续被研发出来,因此,未来高亮度LED市场的发展,将会更快速与广泛的成长。

其中普及率最明显的就是白光LED, 90年代末期在环保节能的背景下更被市场所期望着,同时也刺激了业者迅速研发相关的技术。就目前而言,白光LED主要的应用包括了手机液晶背光照明和车用内装照明,单单是这些市场就已经占了LED整体销售量的25%左右。

另一方面关于照明应用的部份,则处于刚起步的境界。一般建筑物的照明,往往占了整个消耗电力的20%,在日本,90年代已经超过每年1,000亿kWh。所以对于新一代节能型光源的期望相当大,但遗憾的是到目前为止,白光LED还只能够使用在相当小的范围。因为像5mm的小型白光LED,无法像电灯泡或者萤光灯那样,只用一个就能得到使用环境所需的光量。因此如果希望LED能够跨足到建筑照明,在整体技术上则需要更大的突破才行。

高亮度白光LED基本结构

白光LED基本上有两种方式。一种是多芯片型,一种是单芯片型。前者是将红绿蓝三种led封装在一起,同时使其发光而产生白光,后者是把蓝光或者紫光、紫外光的LED作为光源,在配合使用萤光粉发出白光。前者的方式,必须将各种LED的特性组合起来,驱动电路比较复杂,后者单芯片型的话,LED只有1种,电路设计比较容易。单芯片型进一步分成两类,一类是发光源使用蓝光LED,另一类是使用近紫外和紫外光。现在,市场上的白光LED大多数是蓝光LED配合YAG萤光粉。

在过去,只有蓝光LED使用GaN做为基板材料,但是现在从绿光领域到近紫外光领用的LED,也都开始使用GaN化合物做为材料了。并且伴随著白光LED应用的扩大,市场对其效能的期待也逐渐增加。从单纯的角度来看,高效率的追求一直都是被市场与业者所期待的。但是另一方面,演色也将会是一个重要的性能指标,如果只是做为显示用途的话,发光色为白色可能就已经足够了,但是从照明的用途来说,为了达到更高效率,如何实现与自然光接近的颜色就显得非常必要了。

GaN作为高亮度LED基材 逐渐普及

在技术发展的初期,全球只有23家业者发展及生产GaN LED,但是到今天为止生产业者的数量已经接近10家企业,因此在市场上也展开了激烈的竞争。与初期相比较之下,尽管今天已经实现了飞跃性的亮度提升,但是技术上即将面临更困难的门槛,所以现在不管是学术界,还是企业界都在集中精力进行技术和研究研发。以目前GaN LED整体的研发方向来看,大概分为,大电流化、短波长化,以及高效率化等等的发展方向。

图说:至今生产GaN LED的业者数量已接近10家。(资料来源:NICHIA)


如何让LED支持更大的电流

近年来,业者对于只需一颗就可达到相当亮度的LED研发相当积极,因此在这一方面的技术也就落在如何让LED能够支持更大的电流。通常30u㎡的LED最大可以驱动30mA的电流,但是这样的结果还是远远无法满足市场的期望,所以目标是需要将10倍以上的电流,导通到LED元件中。因此当LED的面积尺寸可以扩充到1m㎡时,那么紧接下来的工作便是如何让电流值能够达到350500mA,因为驱动电压是3V多,所以就可以有1W的电力能被流进1m㎡的芯片面积。

而在发光演色的方面,虽然有这么大的功率输入到GaN LED中,但是所投入电力的四分之三都无法转换成光而形成热量,因此LED就会出现过热的现象,这也会直接影响到LED的演色结果。因为LED元件的基本特性是,如果温度上升,发光效率就会下降以及造成演色性偏差,所以如何有效的释放大量产生热量的放热技术成为了关键,因此将LED装在热传导率大、热容量大的材料上就成了相当重要的问题,以目前来说大多是使用有价金属或者陶瓷。

短波长带来励起光的高能量化 提升萤光粉的发光效率


从蓝光开始的GaN LED,目前已经成功研发了高辉度绿光LED,开始虽然也有长波长化的研发趋势,但是因为InN的混晶比提高而导致的结晶性恶化,现在已经逐渐被业界放弃了。另一方面,为了诸如成为雷射代用品等的新型应用研发也开始被考量,所以目前业界对于短波长的研发正在积极进行。最近日本一些大学的实验室已经成功地研发出250nm的LED,不过实用性还是有待思考,因为人眼对于波长的接受度约为380nm,所

 

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