基于白光LED的一種新型光電器件—卡燈

LED 是light emitting diode (發(fā)光二極管)的縮寫,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)過渡層,稱為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,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、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 兩種新材料的開發(fā)成功,使LED的光效得到大幅度的提高。1998年,白光LED的開發(fā)成功標(biāo)志著照明技術(shù)革命的到來。

　　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題,可令光效隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。Cyberlux公司宣稱, 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,汽車上的各種燈,如前后燈、側(cè)燈、前照燈、車內(nèi)照明燈及儀表盤顯示器,將全面進(jìn)入開發(fā)應(yīng)用。根據(jù)Strategies Un2limited的統(tǒng)計(jì),日本大型車燈廠小系(Kohido)估算,到2008年所有的新車都會(huì)以LED作為車燈。

　　2　白光LED卡燈

　　國內(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吋)到6. 0 cm ( 2. 4吋) 。結(jié)構(gòu)分為框架、背光源模塊、閃爍電路、供電部分、開關(guān)五部分:

　　(1)框架

　　框架用來安裝整合其他部分,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,遮光板用來控制發(fā)光面積和發(fā)光面形狀。

　　(3)閃爍電路

　　卡燈內(nèi)部安裝通常安裝閃爍電路,通過控制開關(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。

　　(5)開關(guān)

　　用來連接電路和電源,調(diào)節(jié)卡燈開、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吋)的卡燈有兩個(gè)白光LED,利用BM—7,對(duì)發(fā)光面積為3. 8 cm ( 1. 5吋)的卡燈進(jìn)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 /㎡) :

　　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200 cd /m2就可以很好滿足應(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。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

　　隨著100 lm /W級(jí)白光LED的開發(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,中國政府也啟動(dòng)了綠色照明工程。可以肯定的是,隨著白光LED在汽車、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。