根據Nadarajah Narendran和Keith Toomey的說法,在構裝設計方面的改進,預期將可為以LED為基礎的照明燈具延長至十萬小時的壽命.
自電力照明被引介之后,在一世紀的期間,僅有兩種型態的光源技術──白熾燈和電力放電──曾經共存過.標準的住宅照明燈泡是屬于白熾光源的家族,而用于辦公室直線式的熒光燈,及在街道上看到之鈉燈,則是電力放電式家族的例子.而此刻,第三種型式的光源科技──發光二極管(Light Emitting Diode;LED),正在嶄露頭角并具有很好的前途.作為第一個固態照明的科技,LED有提供顯著的能源節約和長壽命的潛力.這些因素已將一般照明社群吸引到這一個新的科技了.
LED做為有效率的光源
對大多數的人們,LED這個名詞僅與經常在電子設備上所看到的小型指示燈相關,例如:收音機和遙控器.雖然LED是在1960年代后期開發出來的,而研究人員和開發者,卻花費了近三十年制造用此一科技的白光.然而在此期間,有顏色的LED之強度顯著地增加許多,允許它們被用在很多樣的應用上.在 1990年代的后半期間,LED開始在交通號幟上取代了白熾燈.在此一應用方面,與其對應的白熾燈比較,LED已顯示可節省超過80%以上所用的能源.如此大的能源節約可被實現,是因為傳統的彩色的號幟,在白熾燈上須用光學的濾器.這些濾器吸收,并浪費了顯著的由光源所產生的一部分的輻射能源.另一方面來 說,LED以一個狹窄波段來發光,因而可以有效率地產生彩色的光.
當LED在交通號幟上取代白熾燈時,它們不只是以能源效率來展露;事實上,一些制造商宣稱他們的LED可維持十萬小時.
當白光LED技術逐步進化時,產業界專家預期LED將可能使照明工業產生突破性的變革,包括:在照明的領域.聽到這個后,一些早期的采用者很快地就創造了一種光源,使用5mm 白光LED數組包裝在一個燈殼內.這些「LED燈泡」模仿標準的白熾燈泡,而且他們的制造者宣稱,他們是較白熾燈更有能源效率的,而且像他們的彩色對手一樣可持續十萬小時.這導致許多人相信,白光LED是準備好去取代白熾燈了.
白光LED的壽命
然而,現實卻無法實踐初期的宣示.在2000年代初期,研究人員的發表顯示,這些5mm 白光LED的光線輸出下降地非常迅速.在僅約6000小時內,光線的輸出下滑到其初始值的一半以下(Narendran et al. 2000 and 2001a).僅管有這項信息,以及許許多多的文章已顯示,5mm的白光LED非?？斓厮p,很多制造商仍繼續宣稱他們將可持續十萬小時.另一篇最近的刊物顯示,甚至于不同的彩色5mm LED,隨著時間變化而不會以同樣的方式衰減(Narendran et al. 2001b).這些LED是在一溫度控制的房間中測試的,而他們是被裝設在如<圖一>所示的印刷電路板上.不同色彩之LED的光線輸出之劣化,是顯示在<圖二>.紅色LED的光線輸出,是以較白光LED慢甚多的速率衰減,而綠光和藍光 LED則以中等的速率衰減.LED是封裝在一個與外界隔離的燈具中,在其中周遭的溫度是較在溫度控制的研究為高一些,而將遭受到更高的衰減速率.所以,所宣稱的LED燈具,以包裝的數組5 mmLED,白色或彩色的,其有十萬小時壽命是騙人的.這些LED的確是可維持十萬小時,但是他們的輸出可能不夠用于燈具的原定之應用了.五千小時之可用的壽命,對于5mm LED燈具來說可能是更為貼切的.
較新的LED封裝
標準的5 mm LED封裝原是被設計用在指示燈的應用,但是在操作時,他們的設計不允許自LED芯片,有足夠之熱傳導以維持冷卻.當芯片的溫度升高時,這個裝置會更快速地劣化.另一個問題是5mm 的白光LED,會使樹脂黃化而減低了光線的輸出,并且增加光線輸出的劣化速率.然而樂觀是有理由的;較新的高功率LED封裝已被設計用在照明的應用了.這些高功率LED,每一裝置產生十到二十倍更多的光通量,而與5 mm的封裝相比更為有效.
此外,一份近期之刊物已顯示,新高功率白光LED封裝之流明的劣化,與5 mm封裝相較已降低相當地多了(Narendran et al. 2001b).一些制造商經由適當地吸收熱量,并將LED封裝在不會隨時間劣化的材料,似乎已解決了劣化的問題.即使是傳統的光源,例如:白熾燈、鹵素 燈、熒光燈和金屬鹵化物燈,均展現出在他們的操作壽命期間之光線輸出衰減.<圖三>顯示不同的白色光源,其光線輸出隨時間變化的比較.高功率的LED有非常低的光線輸出劣化,根據<圖三>的初步數據,在裝置的架構的進步,光線的吸收和散熱已使得高功率LED能有所進展,它提供了改善的發光功效,并提高了照 度的維持度.
這些進步已使徥白光LED科技更有用于一般照明的應用的可能性了.假若LED工業能夠維持這些進步的趨勢,在未來的五至十年間,固態照明將可有明顯的市場突破.
未來在照明的LED
以LED菜單現之改善,固態照明正吸引了更多由照明界來的注意力.一般照明的市場是很巨大的,但是突破那個市場將需要更高價的LED產品.制造商將必須繼續致力于更長壽命的白光LED,并有著更高的功效、更高的照明通量和改善的顏色性質.照明研究中心(Lighting Research Center)現正在確認一些參數,其可以被改善以提供為人們可接受之有質量的照明.
使用LED的照明,對于建筑學上可能會有重要的沖擊.試著想象一位建筑師,他可以自由地設計建筑,將全部的照明系統建于墻壁、天花板、甚致在地板里面.當照明用的LED可達到很長壽命時,換一個燈泡的雜務將被歸類為一個博物館中的展示項目了(注:很久才換一次).
新的照明產品變成建筑的一部分,對于這個產業將會需要一全新的方向,而這種改變可能不是容易的.現在由天花板上吊掛的燈具,或在墻壁上的均將會消失,雖然設計師可找到更有審美觀取悅的方式來運用LED的科技,而不僅只是將LED隱藏在墻壁里面.制造商以及設計師和建筑師,將需要改變以跟上快速進化的 LED. (關于作者:Nadarajah Narendran 和 Keith Toomey 是在紐約Troy市的Rensselaer Polytechnic Institute之照明研究中心工作.)
LED顯示器件發展簡史和應用趨勢概述
新型LED顯示器件有功耗低、亮度高、壽命長、尺寸小等優點,本文從LED顯示器件的發展簡史開始,探討了表面貼裝LED、汽車應用中的LED和照明用LED的發展趨勢,對于從事顯示器件開發的中國工程師有一定參考價值.
全球第一款商用化發光二極管(LED)是在1965年用鍺材料作成的,其單價為45美元.隨后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用化LED.這些早期的紅色LED每瓦大約能提供0.1流明(lumens)的輸出光通量,比一般的60至100瓦白熾燈的15流明要低上100倍.
1968年,LED的研發取得了突破性進展,利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦,并且能夠發出紅光、橙光和黃色光.到1971,業界又推出了具有相同效率的GaP綠色裸片LED.
1972年開始有少量LED顯示屏用于鐘表和計算器.全球首款采用LED的手表最初還是在昂貴的珠寶商店出售的,其售價竟然高達2,100美元.幾乎與此同時,惠普與德州儀器也推出了帶7段紅色LED顯示屏的計算器.
到20世紀70年代,由于LED器件在家庭與辦公設備中的大量應用,LED的價格直線下跌.事實上,LED是那個時代主打的數字與文字顯示技術.然而在許多商用設備中,LED顯示屏也逐漸受到了來自其它顯示技術的激烈競爭,如液晶、等離子體和真空熒光管顯示器.
這種競爭性激勵LED制造商進一步拓展他們的產品類型,并積極尋求LED具有明顯競爭優勢的應用領域.此后LED開始應用于文字點陣顯示器、背景圖案用的燈柵和條線圖數組.數字顯示屏的尺寸和復雜度在不斷增長,從2位數字到3位甚至4位,從7段數字到能夠顯示復雜的文字與圖案組合的14或16段數組.到1980年制造商開始提供智慧化的點陣LED顯示屏.
80年代早期的重大技術突破是開發出了AlGaAs LED,它能以每瓦10流明的發光效率發出紅光.這一技術進步使LED能夠應用于室外運動信息發布以及汽車中央高位安裝停止燈(CHMSL)設備.1990年,業界又開發出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術,這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍.
今天,最亮的材料應是透明基底AlInGaP.在1991年至2001年期間,材料技術、裸片尺寸和外形方面的進一步發展使商用化LED的光通量提高了將近20倍.
對高強度藍光LED的不斷研發產生了好幾代亮度越來越高的器件.在1990年左右推出的基于碳化硅(SiC)裸片材料的LED效率大約是0.04流明/瓦,發出的光強度很少有超過15毫堪(millicandel)的.90年代中期的技術突破實現了第一個基于GaN的實用LED.現在還有許多公司在用不同的基底如藍寶石和SiC生產GaN LED,這些LED能夠發出綠光、藍光或紫羅蘭等顏色.高亮藍色LED的發明使真彩廣告顯示屏的實現成為可能,這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖像.
藍光LED的出現使人們還能利用倒行轉換的磷光材料將較高能量的藍光部分地轉換成其它顏色.將藍光與轉換磷的黃光整合在一起就能得到白光,而整合適當數量的藍光與紅橙磷(reddish orange phospher)則可以產生略帶桃色或紫色的色彩.現在僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線中的所有飽和顏色,并且各種顏色LED與磷的有機整合幾乎能夠毫無限制地產生任何顏色.
在可靠性方面,LED的半衰期(即光輸出量減少到最初值一半的時間)大概是1萬到10萬小時.相反,小型指示型白熾燈的半衰期(此處的半衰期指的是有一半數量的燈失效的時間)典型值是10萬到數千小時不等,具體時間取決于燈的額定工作電流.
表面貼裝LED
為了利用自動化組裝技術降低制造成本,從20世紀80年代開始業界逐漸推廣使用表面貼裝器件(SMT),90年代這一技術得到了進一步強化.最初的SMT LED作為低功率器件被主要用于指示設備和手機鍵盤的照明,后來又開發出大功率的SMT器件用于汽車面板照明、剎車燈,并擴展用于專業和一般的照明設備.
藍光LED的出現使人們還能利用倒行轉換的磷光材料將較高能量的藍光部分地轉換成其它顏色.將藍光與轉換磷的黃光整合在一起就能得到白光,而整合適當數量的藍光與紅橙磷(reddish orange phospher)則可以產生略帶桃色或紫色的色彩.現在僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線中的所有飽和顏色,并且各種顏色LED與磷的有機整合幾乎能夠毫無限制地產生任何顏色.
在可靠性方面,LED的半衰期(即光輸出量減少到最初值一半的時間)大概是1萬到10萬小時.相反,小型指示型白熾燈的半衰期(此處的半衰期指的是有一半數量的燈失效的時間)典型值是10萬到數千小時不等,具體時間取決于燈的額定工作電流.
表面貼裝LED
為了利用自動化組裝技術降低制造成本,從20世紀80年代開始業界逐漸推廣使用表面貼裝器件(SMT),90年代這一技術得到了進一步強化.最初的SMT LED作為低功率器件被主要用于指示設備和手機鍵盤的照明,后來又開發出大功率的SMT器件用于汽車面板照明、剎車燈,并擴展用于專業和一般的照明設備.
在汽車內外,照明設備中用得最多的還是白熾燈,但設計師與汽車制造商正在逐漸采納LED,開始時LED可能只用于豪華型汽車,但慢慢會過渡到大多數汽車上.LED的最大賣點之一是具有很長的平均無故障工作時間(MTBF),LED照明器件的使用壽命一般都要超過汽車本身的壽命.
有很多種LED產品,其封裝和器件適合儀表板、空調、收音機和電子開關等汽車內部照明設備使用.例如那些SMT器件就非常適合汽車儀表板使用.多用途的3mm和5mm注塑燈仍是汽車內部照明設備和外部照明設備的候選產品,目前這些器件已被廣泛應用于中央高位安裝停止燈(CHMSL)設備中.
對內部和外部照明設備來說,LED汽車燈裝置與白熾燈裝置的熱設計有很大不同.這是因為白熾燈會產生相當大的熱量,而白熾燈泡能承受這樣的高溫環境.LED燈數組所產生的熱量一般要比白熾燈少,但LED燈的最大內部溫度必須保持在推薦的上限范圍以內才能保持LED的可靠工作,如果超出LED燈的最高結溫,就可能由于環氧材料的膨脹而導致導線粘結劑或被抬高的LED裸片發生突發性故障.在濕度比較高的熱循環或加強型熱循環環境中,這些故障會顯得尤其突出.
LED燈的最大內部結溫受限于環氧封裝材料的熱膨脹特性.與汽車白熾信號燈設計相比,由于存在最大結溫的限制,LED汽車信號燈設計必須認真考慮熱設計問題.
用于照明的LED
傳統LED燈中使用的芯片是0.25×0.25mm大小,而照明用的LED一般都要在1.0× 1.0mm以上.專注于結構化裸片成型的設計工作-臺式結構、倒金字塔結構和倒裝芯片設計能夠改善LED的發光效率,從而使芯片發出更多的光.
封裝設計方面的革新包括將高傳導率的金屬塊用作基底、倒裝芯片設計和裸盤澆鑄式引線框等,這些方法都能設計出可高功率、低熱阻的器件,而且這些器件能比以前的器件照度更大.
目前一個典型的高光通量LED器件能夠產生幾流明到數十流明的光通量.更新的設計可以在一個器件中集成更多的LED,或者在單個組裝件中安裝多個器件,從而使輸出的流明數相當于小型白熾燈.例如,一個高功率的12芯片單色LED器件能夠輸出200流明的光能量,所消耗的功率在10到15瓦之間.
LED已經被廣泛應用于各種照明設備中,如電池供電的閃光燈、微型聲控燈、安全照明燈、室內室外道路和樓梯照明燈以及建筑物與標記連續照明燈.
本文小結
隨著時代的發展,我們將開發更多新的芯片級結構,以獲得更好的光能提取以及幅性能.磷材料的開發與磷摻雜工藝的改進有望繼續提高磷轉換式彩色發光二極管的發光效率.在引線框、PCB和注模技術等基底設計方面的更深入研發有望進一步降低封裝和材料的成本,從而降低LED器件每個流明的總體成本.
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