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综览2006年LED发展

导读: LED具备低消费电力、长使用寿命、高起动反应性,被认为是下一代主要照明光源。96年蓝光LED的问世,RGB三原色构成的白光LED,与蓝光组合黄色荧光体构成的白光LED,目前广泛应用在移动电话与液晶电视的背光照明模块。由于LED的发光效率与输出功率每年不断创新,加上紫外LED的实用化,一般认为不久的未

宁静
 
 
根据日本野村总合研究所的统计数据显示,2005年4月至2006年3月的白光LED的市场规模大约2000亿日圆,主要用途集中在移动电话背光模块/按键照明(key pad)/闪光灯、车用室内/外照明以及其它各种照明等领域。2005年以后白光LED的市场增长陷入胶着状态,主要原因是受到占白光LED市场整体80%的移动电话价格下跌影响所致,2002年第二季下半期以后,白光LED的价格就持续以年率25~30%下跌。

日本野村总合研究所预测2006年市场依旧维持停滞状态,一般认为液晶电视与计算机用监视器,以及大型显示器用背光模块陆续改用LED方式,因此2007~2008年白光LED的市场可望再度增长,到了2010年市场会出现飞跃性的扩大,届时市场规模势必突破3000亿日圆大关(图1),其中10吋以上大尺寸显示器用背光模块,预估会占整体的50%左右。

今后大尺寸背光模块的加入,可以牵动车用大灯、一般照明的白光LED市场,不过这并不保证日亚化学等日本LED大厂可以掌握主导权。在市场极端成熟的移动电话领域,韩国的三星电子机械公司(SEMCO)、LG Innotek(LGIT)公司透过生产规模的扩大,成本面可能发挥竞争优势,韩国LED大厂会加大火力,激烈夺取其它新应用领域,迫使日本LED芯片厂商必需与国内各下游应用厂商建立相互协助机制,同时不断开发高附加价值的商品。
 

 

图1 白光LED的市场预测
 

图2所示白光LED制作分别是RGB3色LED组合构成白光LED,蓝光LED与黄色发光荧光体的组合构成白光LED,以及最近备受注目的紫外/近紫外LED组合RGB荧光体构成白光LED三种方式,不过今后仍然是以蓝光LED组合RG荧光体构成白光LED,以及RGB3色LED组合构成白光LED为主流,2010年以后波长380~400nm左右的近紫外LED将进入实用化。

以短波长紫外/近紫外LED激发RGB荧光体的白光LED,它可以提高LED的演色性,相比之下蓝光LED激发RG荧光体构成的白光LED,光源照射物体时会呈现蓝色色调,光子能量极强的紫外/近紫外LED,只会出现白色光而且非常接近自然色,最近波长400nm左右的近紫外LED,输出功率已经超过14mW,透过磊晶封装提高光输出效率组合荧光体,未来能够应用在一般照明领域。目前波长380~405nm左右的近紫外LED已经开始样品出货,预定2007年正式进入量产。
 

 

图2 荧光式白光LED照明光源技术实用化预测
 

紫外/近紫外LED与蓝光LED一样以InGaN当作发光层,In组成变化就能够改变发光波长,In组成波动越大发光越高,因此理论上要求不均匀的In组成,然而波长低于380nm时,In组成的不均匀性会降低,发光效率则急遽恶化,短波长化通常使用AlGaN发光层,不过AlGaN的组成不易产生波动,其结果造成发光效更加恶化。如果同时考虑提高演色性降低发光效率,以及荧光体的激发效率等问题时,研究人员普遍认为“一般照明用白光LED,使用的最适宜波长应该是375nm”。

日本LED厂商Nightlight Semiconductor公司为降低结晶转位,因此导入高温SiN中间层与温GaN缓冲层,此外为提高短波长领域的组成不均匀性,开发在SiN单分子层上方制作AlGaN与InGaN rich领域的技术(图3),藉此使能隙(band gap)的波动变大,同时提高发光效率2倍左右。理论上紫外LED的发光效率几乎与蓝光LED相同水平,今后如果改采磊晶芯片(flip chip)结构,发光效率可以提升至30%,不过基于成本考虑,目前紫外LED的应用短期内集中在医疗、传感器、树脂硬化、光触媒光源等特殊领域。
 

 

图3 添加SiN形成In成份不均匀
 
 
 
LED照明模拟分析技术

‧分析LED照明光学系统时,必需根据分析目的准备各种设定方法。
‧分析LED本体时必需忠实作光学性、构造性实际模型细部模型化,如此才能够进行接近实象性的模拟分析。
‧分析LCD等LED应用时,LED的结构并不重要,通常只要设定发光面上的强度分布,与配光分布等性能即可。此时可以利用简易光源与远场配光分布设定功能,或是使用光线数据光源两种方式。

前者主要应用在一般照明系统,不论时间与精度都非常优秀,LighTools根据该配光分布,高机率决定光线的放射方向,亦即高强度方向出射更多的光线,因此只要备妥LED厂商提供的配光分数据库就可以轻易设定。后者的光线数据光源具备每条光线的数据,亦即光线追迹开始位置与传播方向等相关数据,它会将定义的近场发光分布当作光源,对光源与其它部位紧密配置的光学系统进行细节分析。上述光源使用是Radiant Imaging的可以光源数据库(data library),或是LED厂商提供的光线数据。LighTools是美国Optical Research Associates公司开发的照明设计分析软件,广泛应用在LED的设计、LED背光模块用导光板(图4)、车用照明等领域,它具备光学系统模型化的3次元CAD功能与照明分析功能。
 


图4 LED背光模块的仿真分析
 

照明分析功能是以几何光学为基础进行光源的光线追迹,计算照度、辉度、配光、色度分布,最近照明分析软件追加最佳化设计功能,它可以使完成的模型导向更好的结果,亦即照明分析软件会分析上述方法定义的光源出射的光线,并沿着光学系统模进行追迹,最后再依照到达评鉴面的光线,统计性计算照度、辉度、配光等分布(图5)。一般认为透过模拟分析可以减少试作、实验的次数,进而有效削减开发成本,缩短开发时间。
 

 

图5 RGB三种LED分析
 

上述设计分析软件采用内部(local)最佳化引擎,它的收敛比全球最佳化更早,可以设定众多的设计参数,为获得最佳结果分析软件会向设计者询求最适宜的设计参数初期值与增分量的设定,藉此充分发挥设计者的经验与知识。换言之以往手动反复变更参数的模拟分析,要求非常繁琐冗长的作业获得开放,设计者可以高度参与设计开发。

如上所述目前白光LED的主流之一,是蓝光LED组合黄色荧光体构成的白光LED,LighTools分析软件对利用LED与荧光体,改变发光色的色模拟分析非常有效。此外荧光体模型化时,只要定义指定材质(荧光体)的激发频谱、荧光频谱,接着再将光线射入完成的荧光体内,就能够模拟吸收、散乱,以及产生荧光时的模样。LighTools分析软件除了追加光学实时透视 (photo real rendering)功能之外,它还组合光线追迹仿真分析结果与retracing CG图像,透过材质表面质感设定的附加功能,设计者可以获得视感评鉴上非常逼真的透视影像(图6)。
 

 

图6 车用LED的模拟分析结果
 
 
 
LED的散热技术
一般照明灯具或是大型液晶电视的背光模块,如果采用LED方式都会面临棘手的散热问题。传统的散热方式是将搭载LED的铝质基板与热导管(heat pipe)接合,透过该散热路径将热能送入散热鳍片(heat sink)散热,然而这样的结构它的散热效果有一定的极限。有鉴于此,日本厂商大成塑料公司应用传统塑料射出成形技术,开发纳米模造技术(NMT: Nano Moulding Technology)将铝质基板与树脂一体成形,制成全新的LED散热器(图7)。

具体方法首先将薄膜状铜质热导管,压入设有孔穴的铝质基板内部,接着施加高温与压力使两者膨胀,藉此提高铝质基板与铜管的密接度,同时使孔穴内部形成铜膜,接着从孔穴导入冷却用水破除真空降低沸点,使LED产生的热能气化移转至散热鳍片等冷却组件散热,由于散热鳍片远离LED热源,因此它可以有效杜绝热能堆积在LED基板内部等问题。

根据实验结果显示,散热鳍片如果装设热电转换组件(Peltier device,TE致冷器),LED基板表面温度比传统方式低7°C,如果加大铜质热导管的直径,还可以再提高散热特性。铝质基板与铜质热导管一体成形,除了可以降低制作成本缩减模块外形尺寸,还能够大幅强化结构强度。新开发的一体形LED散热器适合应用在般照明灯具,或是大型液晶电视的背光模块、车用LED照明灯具等各领域。此外铜质热导管具备高挠曲性,这意味着照明灯具设计者,今后设计自由曲面LED的自由度相对增加。
 


图7 铝质基板与铜管一体型散热器
 
 
 
LED特性评鉴新方案
随着LED应用领域的扩展,适合各需求的光线取出重要性再度受到重视,美国SphereOptics公司以全光束测量仪“SLM系统”为主体,在LEDEX JAPAN 2006提出高精度简易的LED特性评鉴新方案(图8)。LM系统是由积分球、分光器、校正灯源电源、自我吸收补正灯、以及软件构成,LM系统主要特征例如测量LED数组时,具备自动补正基板造成光吸收的自我吸收补正功能,它可以作光源本体的高精度测量。此外,内建的软件只需按下操作键,就能够轻松进行LED光源的测量,测量包含分光放射强度频谱、全放射强度、全光束、色度、色温、演色评鉴数Ra等等。

积分球之中“ENITH Type”对可视光的反射率最高,其次是“OptoWhite Type”,“GOLD Type”适合紫外光LED的光学特性测量。上述“ENITH Type”积分球是将PTFE粉末涂布附着于积分球内部壁面,它可以支持波长250~2500nm的光源特性测量,在350~1500nm波长范围反射率高达99%耐热温度为250°C,具备高能量强度照射性,主要应用在紫外光LED的开发;“OptoWhite Type”积分球内部壁面涂布硫酸钡粉末,400~1000nm波长范围的反射率为98%。

积分球内部壁面的涂布与积分球的真圆度决定积分球的性能,上述各积分球可以均匀反射光线,表示积分球内部壁面的涂布与真圆度具备极高精度。此外SphereOptics公司还针对LED评鉴系统提出新方案,具体内容是在多频分光器与积分球构成的LED测量系统追加全光束、光度、配光特性、L-I-V特性评鉴功能。 Ocean Optics公司推出光纤多频分光器“USB4000”系统,受光组件采用线性半导体CCD矩阵(array)组件,组件数高达3468个,可以获得16位的A/D分辨率。Evident Technologies公司则推出“EviDot/EviTag”荧光性半导体纳米晶体(nano crystal)系统,它的发光强度极高,具备尖锐(sharp)发光频谱的量子点(quantum dot)尺寸分布不均非常低,因此可以达成很高的量子效率,能够以单一激发光源激发复数荧光色。
上述各公司提出的新方案主要目的,是彻底解决以往利用积分球进行光源光学特性测量时,面临基板的光吸收造成的补正,以及作业精度、速度迟缓,测量项目受限等困扰,因此高精度简易型LED特性评鉴新方案构成的新一代全功能积分球,非常符合LED相关厂商的实际作业需求。
 

 

图8 全光束测量系统结构
 
 
 
光学特性测量系统
LED应用在特殊领域时必需充分掌LED的光学特性,例如设计移动电话用白光LED背光模块时,必需根据LED的发光强度、光线分布、色度,设定LED的使用数量与配置结构,为了使光线均匀分布通常会使用反射与扩散光学膜片,此时亮度与色度均匀性变成非常重要。换言之,为了确保应用制品能够依照设计规格充分发挥特性,要求光学特性的测量与评鉴。掌握光学特性必需注意下列三大要素,分别是:
➀波长性扩散
➁空间性扩散
➂时间性扩散
此还需注意表示光线亮度代表性测量光,亦即照度、光度与全光束的测量。主要原因是LED具有单色与白色等多样性分光分布,光线透过镜片后还具备空间性特性。由于LED的电气反应速度非常快容易获得脉冲发光,因此评鉴LED的光学特性时,必需考虑上述三大要素。

评鉴LED的光学特性时,要求高度光学测量技术,因此高再现性测量以及测定值相互比较成为重要课题。为彻底解决该问题,LED测量标准化正积极展开中。 有关测光量,与附加值标准LED作比较测量,已经成为一般标准性作业手法,日本地区日本电球工业会等照明关系4大团体,发布共同规范「照明用白色LED测光方法通则」JEL311 (2006) 第2版,目前正朝向JIS化方向发展。国际照明委员会(CIE)则发布技术资料「Measurement of LED」 CIE127 (1997),目前进行改订版的编辑与ISO/CIE规格的制定。

鲜明色调是单色LED主要特征,它的分光分布大多类似半幅值数十nm左右高斯曲线与洛兰茨(Lorenz)曲线。进行类似如此窄频宽LED测光时,必需添加LED的分光分布与受光器的分光反应特性。对蓝色发光与黄色荧光体构成白光LED,由于它是窄频宽强蓝色发光,因此同样必需特别注意。图9的MCPD系列LED分光测量器,能够根据各波长校正包含受光部在内的Polychromator,它可以高精度测量LED的分光特性。
 

 

图9 高精度LED分光测量器外观
 

LED属于点发光组件,若与镜片等光学组件组合,非常容易控制光的空间性扩散(配光)。拥有相同发光强度(密度)的LED组件,透过特定方向的光强度控制,可以具备相异配光角特性。一般要求点光源的角度时,首先针对放射轴测量垂直面的照度,接着照度乘上测量面至发光点距离的二次方,亦即一般点光源的角度测量,大多利用光线的「逆二次方法则」,前提是测量面的光密度必需均等。然而实际上配光角受到变小控制的LED,测量面的光密度未必均等,传统方式不易正确测量光度,因此CIE提倡「CIE平均化LED光度」,新的测光量已经被JEL311采用。图10的MCPD系列用光度测量附件,它可以达成CIE提倡的「CIE平均化LED光度」测量。
 

 

图10 CIE平均化LED光度测量附件外观
 

所谓全光束是指发光体输出的光强度总合,对供给电力而言获得的全光束,被视为发光效率成为LED性能要件之一。发光体的全光束测量通常是将光源设置在(图11)积分球的中心位置,依此测量被积分的内部壁面光强度。某些表面封装型与小配光角的LED,它的发光点背面无光线分布,此时必需靠近积分球的壁面设置LED,藉此防止直接光入射到测光部。至于积分球的大小必需考虑测量LED(模块)的表面积大小与发热量,此外在积分球内部点灯时,放射光会被吸收发生所谓的自我吸收现象,因此使用设有补正灯源的积分球是测量LED必要的手段。
 

 

图11 积分球实际外
 

应用LED设计LED模块或是灯具时,配光的掌握非常重要,例如LED背光模块的应用,要求白光LED的光度角度分布(配光)与色度角度分布,此时必需使用能够自动控制的双轴测角器(Goniometer),如此才能构测量各角度的分光分布,接着分析各角度的分光分布,就可以评估光度与色度的角度分布(图12)。
 

 

图12 白光LED的相关色温角度分布特性
 
 
 
结语
LED具备低消费电力、长使用寿命、高起动反应性,被认为是下一代主要照明光源。96年蓝光LED的问世,RGB三原色构成的白光LED,与蓝光组合黄色荧光体构成的白光LED,目前广泛应用在移动电话与液晶电视的背光照明模块。由于LED的发光效率与输出功率每年不断创新,加上紫外LED的实用化,一般认为不久的未来LED照明灯具可望成为日常生活不可或缺的一部份。 

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