白光LED的新應(yīng)用--卡燈的結(jié)構(gòu)和原理

　LED 是light emitting diode （發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)，是一種由半導(dǎo)體技術(shù)制成的電光源。LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為P2N結(jié)。在正向?qū)〞r(shí)，半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子復(fù)合，釋放出的能量以光子或部分以光子的形式發(fā)射出來(lái)，大量的光子形成光子流，即發(fā)光。P2N結(jié)加反向電壓時(shí)，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。由于半導(dǎo)體材料的帶隙能量不同，不同半導(dǎo)體材料的LED可以發(fā)出不同顏色的光。

　　LED光源具有體積小、壽命長(zhǎng)、耗電量小、反映速度快、顏色豐富、可平面封裝等特點(diǎn)，是一種環(huán)保節(jié)能的冷光源。由于LED有以上特點(diǎn)，所以被廣泛用于顯示和照明領(lǐng)域。

　　1965年，第一款商用LED （發(fā)紅光）問(wèn)世，效率僅為0. 1 lm /W。1968 年， 由GaAsP 材料制作的LED效率已達(dá)到1 lm /W ，并且能發(fā)出紅、橙、黃色光。20世紀(jì)90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的Ga InN 兩種新材料的開(kāi)發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。1998年，白光LED的開(kāi)發(fā)成功標(biāo)志著照明技術(shù)革命的到來(lái)。

　　1　白光LED的最新進(jìn)展

　　06年12月，日本日亞化學(xué)工業(yè)發(fā)布正向電流為20 mA 時(shí)、發(fā)光效率達(dá)到150 lm /W 的白色LED，其發(fā)光效率達(dá)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(guò)了普遍認(rèn)為發(fā)光效率最高的高壓鈉燈。昭和電工集團(tuán)（SDK）研究出一種制造氮化鎵（GaN）基及其他氮化物基優(yōu)質(zhì)復(fù)合半導(dǎo)體的新工藝，主要用于藍(lán)色和白色LED。2007年2月， Philip s Lumileds宣布LED外延技術(shù)（ ，基本解決白光大功率LED光效隨電流攀升而下降的問(wèn)題，可令光效隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。Cyberlux公司宣稱(chēng)， 使用塑料材質(zhì)可讓白光LED的售價(jià)更低廉，這種技術(shù)既能顯著降低制造成本，照明亮度也優(yōu)于傳統(tǒng)白光LED。2007年3 月，首爾半導(dǎo)體（ SSC）推出3. 5萬(wàn)小時(shí)、光通量96 lm的八角形2 W 單芯片Acriche，可直接插在110 V 或220 V交流電源上使用，無(wú)需AC /DC轉(zhuǎn)換器。SSC計(jì)劃到2008年Ariche光效提高到120 lm /W。

　　目前，LED芯片厚度只有0. 4 mm， LED的光引出技術(shù)也有很大進(jìn)步。因此，帶LED的背光源逐步用于第三代手機(jī)、PDA、手提DVD、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等小型顯示器。另外，汽車(chē)上的各種燈，如前后燈、側(cè)燈、前照燈、車(chē)內(nèi)照明燈及儀表盤(pán)顯示器，將全面進(jìn)入開(kāi)發(fā)應(yīng)用。根據(jù)Strategies Un2limited的統(tǒng)計(jì)，日本大型車(chē)燈廠小系（Kohido）估算，到2008年所有的新車(chē)都會(huì)以LED作為車(chē)燈。

　　2　白光LED卡燈

　　國(guó)內(nèi)一家光電器件有限公司為日本帶工一款新的白光LED產(chǎn)品，名稱(chēng)為“卡燈”，產(chǎn)品實(shí)物如圖1所示。這是白光LED的新應(yīng)用，已申請(qǐng)專(zhuān)利。

　　2. 1　LED卡燈的結(jié)構(gòu)及原理

　　目前制造的LED卡燈多為小尺寸，發(fā)光部分面積從3. 81 cm （1. 5跡┑6. 0 cm （ 2. 4跡 。結(jié)構(gòu)分為框架、背光源模塊、閃爍電路、供電部分、開(kāi)關(guān)五部分：

　　（1）框架

　　框架用來(lái)安裝整合其他部分，使之成為一個(gè)整體，根據(jù)不同需要可以加工成不同幾何形狀，圖1中卡燈上為長(zhǎng)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(fā)光面積和發(fā)光質(zhì)量。背光源模塊又由LED燈、反射板、導(dǎo)光板、擴(kuò)散板、遮光板、增透棱鏡和背光源框架組成。LED燈為發(fā)光源，導(dǎo)光板使幾個(gè)LED燈發(fā)出的光擴(kuò)展到整個(gè)發(fā)光面，擴(kuò)散板通過(guò)漫反射原理使發(fā)出的光更加均勻，增透棱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(lái)控制發(fā)光面積和發(fā)光面形狀。

　?。?）閃爍電路

　　卡燈內(nèi)部安裝通常安裝閃爍電路，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)卡燈的發(fā)光部分發(fā)出幾種不同模式的光。

　　普通的閃爍電路可以提供常亮、長(zhǎng)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，由于LED具有省電的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)緊湊，可做成厚度較小的產(chǎn)品。也可以使用拆卸式可充電鋰電池，使用充電鋰電池的優(yōu)點(diǎn)為節(jié)約資源。若卡燈被經(jīng)常使用，用充電鋰電池結(jié)構(gòu)更為合理。

　?。?）開(kāi)關(guān)

　　用來(lái)連接電路和電源，調(diào)節(jié)卡燈開(kāi)、關(guān)及發(fā)光模式。

　　2. 2　亮度測(cè)試

　　測(cè)試卡燈亮度采用多點(diǎn)輝度計(jì)（BM—7） ，BM—7有2°/1°/0. 2°/0. 1°等4個(gè)量測(cè)角度可切換，最小測(cè)量面積可達(dá)φ0. 1 mm?？蓽y(cè)量亮度L、色度X、Y，三色值X、Y、Z，色溫、響應(yīng)時(shí)間、對(duì)比度等。廣泛用于LCD、BLU、LCM等領(lǐng)域的量測(cè)，是液晶行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　3. 8 cm （1. 5跡┑目ǖ樸辛礁靄墜LED，利用BM—7，對(duì)發(fā)光面積為3. 8 cm （ 1. 5跡┑目ǖ平行亮度測(cè)試，亮度測(cè)試采用九點(diǎn)測(cè)試法。測(cè)試點(diǎn)位置如圖2所示。

　　選取5 個(gè)LED 背光，選用測(cè)試儀器TOPCONBM-7 ，測(cè)試距離為50 cm，測(cè)試條件是電流I = 20mA。測(cè)得9個(gè)點(diǎn)的亮度值如表1 （單位是cd /O） ：

　　2. 3　數(shù)據(jù)分析

　　均勻度R的計(jì)算公式為：

　　由上面的公式計(jì)算出，五組背光有效發(fā)光部分的均勻度分別為92%、86%、93%、92%、88% ，其中最大均勻度已達(dá)到93%，最小值也有86%。所有均勻度都在85%以上，這說(shuō)明卡燈等在光源均勻度方面已經(jīng)很高。表格最后一項(xiàng)是每組9個(gè)點(diǎn)亮度的平均值，第四組數(shù)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(guò)200 cd /m2就可以很好滿(mǎn)足應(yīng)用了。

　　為直觀對(duì)比各測(cè)試點(diǎn)的亮度大小，每個(gè)點(diǎn)取五個(gè)亮度平均值，制成三維曲面圖如圖3所示，其中水平面的橫軸和縱軸表示測(cè)量點(diǎn)的位置，用點(diǎn)的數(shù)字標(biāo)號(hào)標(biāo)注，垂直的數(shù)值軸表示9個(gè)點(diǎn)的亮度平均值，單位為cd /m2。

　　以上數(shù)據(jù)顯示，卡燈的亮度和均勻度都很好。

　　但是從圖3可以看出，發(fā)光面邊緣亮度高，中心亮度低，這點(diǎn)在以后需要改進(jìn)。

　　2. 4　卡燈的應(yīng)用

　　LED卡燈在日常生活中有很多應(yīng)用。白光LED卡燈體積輕薄、環(huán)保，通常集成在其他商品結(jié)構(gòu)中，在卡燈發(fā)光部分可附著半透明卡片（如名片、標(biāo)簽、節(jié)日卡等） 。當(dāng)卡燈點(diǎn)亮?xí)r，尤其是在黑暗處，卡片內(nèi)容會(huì)被突顯出來(lái)。除白色卡燈，已經(jīng)用紅、綠、黃色LED制作成彩色卡燈。禮品包裝盒裝上這種彩色卡燈，可以起到裝飾作用。另外，由于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(jié)束語(yǔ)

　　隨著100 lm /W級(jí)白光LED的開(kāi)發(fā)成功，白光LED在顯示和照明方面應(yīng)用的普及化進(jìn)程中又向前邁進(jìn)了一步，由白光LED制作的新器件也越來(lái)越多。歐盟已經(jīng)表示要在兩年內(nèi)用LED完全取代白熾燈，中國(guó)政府也啟動(dòng)了綠色照明工程?？梢钥隙ǖ氖?，隨著白光LED在汽車(chē)、顯示器背光源、照明電器中應(yīng)用不斷增加，LED時(shí)代必將很快到來(lái)。