LED的现状及发展前景

陈志红 司敏杰 郎 明

中国洛阳浮法玻璃集团有限责任公司（471000）

0 概述

LED是light emitting diode（发光二极管）管的缩写，这种二极管包含一个P/N结和P/N型半导体中间的有源层。当给二极管两端施加一定电压时，半导体中的载流子（电子和空穴）发生复合，剩余的能量以光能的形式释放出来,这就是LED的基本工作原理。

1 分类

根据光线的波长分，LED可分为可见光LED和紫外线LED，而可见光LED又可分为红光LED、蓝光LED及白光LED等。紫外线LED多用于医疗、防伪等领域，本文主要介绍可见光LED的现状及发展前景。

2 LED光源的特点

1）电压低∶LED使用低压电源，供电电压在6～24 V之间，根据产品不同而有所差异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2）效能高∶消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

3）适用性强∶由于体积很小，每个单元LED小片呈3～5 mm的正方形或更小，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

4）寿命长∶在使用10万小时后，光衰为初始的50%。

5）响应时间∶其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级,其在交通信号及汽车刹车灯方面的应用，正是利用了这个特性。

6）环保性∶其使用材料中不含有害金属汞，不会对环境造成污染。

7）颜色∶对于多色光发光二极管，改变电流可以变色，如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。

8）价格∶LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由几十只二极管构成。

3 LED的用途

虽然目前用于照明的白光LED数量有限，但其应用领域广阔。下面就其中几个主要领域介绍LED照明的现状和未来。

3.1 普通照明领域

对于LED的应用，其在普通照明领域的广泛普及是人们最为期待的。目前，照明LED的应用局限于局部照明、装饰照明、轮廓照明等特殊方式，而人们迫切希望LED成为新一代普通照明光源，各照明公司都在积极开发相关产品。

3.2 背光照明领域

在LED的各种应用中，用于手机等小型液晶屏幕的背光源的市场需求量最大。在手机上到处可以见到LED的应用，如液晶屏的背光源、按键照明、收到信号时的发光提示、照相机闪光灯等，有的一部手机中安装了多达20个LED。省电、小巧的LED有助于延长手机的通话时间和使手机小型化。

作为中大型液晶背景光源，现在一般采用冷阴极灯管，但其为面光源，使用不够灵活，成本偏高，且有污染。而LED不含汞等污染物质，它在汽车导航、电脑显示器等中大型液晶背光源领域有良好的发展前景。

用LED作背光源的高显色性、高清晰画质的大屏幕液晶电视已开始商品化。

3.3 道路交通领域

该领域的应用主要为LED交通信号灯。与以前的白炽灯泡相比，LED灯的能效提高∶车辆用信号灯功率由75 W降至15 W，节能约80%；行人用信号灯由60 W降至15 W以下，节能75%以上。

而且，由于LED信号灯的使用寿命长，可大幅降低维护、废品处理等施工成本。除了环保方面的特点外，LED灯的识别性也很强,即便受夕阳光照影响也不易造成不能辨认灯是否点亮的情况，在安全性方面也同样具有优势。

在道路交通领域,除交通信号灯外，LED还以节能、寿命长、免维护、体积小等特点逐步应用于隧道内指示灯、路灯、隧道导向外、路线导向灯等领域。

3.4 交通工具领域

伴随高亮度红色LED的研制成功，1987年LED首次作为中心高位刹车灯光源安装在汽车上。LED汽车灯的优点为响应时间短、识别性强、能耗低、寿命长。

LED刹车灯的响应时间约比白炽灯短0.2 s（时速100 km时行使5～7 m），其对于安全方面的贡献之大是显而易见的。

3.5 显示屏

室内外大型显示屏和招牌是LED的重要应用领域。因使用高亮度LED，即使在白天也能显示饱和色图像,而且LED的高响应速度亦使其在该领域表现出色。当显示足球比赛等变化较快的画面时，为了不产生视觉暂留现象，亮、灭、换色时间必须低于15 ms，而LED的特性完全符合要求。

3.6 农业

太阳光中有紫外到红外多种波长的光辐射，植物并不需要所有波长的光能量。用LED产生利于植物生长发育的特定波长的光（有助于光合作用的红光和增强屈光性、塑形用的蓝光）并在恰当的时间照射植物，可提高植物培育效率，并且LED与白炽灯不同，它没有热辐射，不会灼伤嫩叶。LED在植物工厂中的应用正在逐渐扩大。

3.7 渔业

在捕鱼业领域，正在开发LED诱鱼灯。不久前研制成功的蓝光LED，其主波长（450～500 nm）在海里的光强衰减很小，同时也非常接近乌贼类鱼的视觉灵敏波长范围（470～490 nm），因而这种LED很适合用作省电、高效的诱鱼灯光源。

除捕捉乌贼用外,寄希望于LED在现在使用金卤灯作诱鱼灯的秋刀鱼捕捉和卷网渔业方面有进一步发展。

3.8 医疗

最近,出现一种使用LED的胶囊状医疗检测设备。该“胶囊探测器”内一端装有白光LED和CMOS或CCD摄像器件。当病人将此“胶囊”吞下后，它会自动在人体内对消化器拍照，并将图像以电信号的形式传至体外。估计在不久的将来，患者们将可以永远摆脱内窥镜的痛苦。

此外，白光LED已开始用于外科手术照明。通常手术室内的照明灯都被称作“无影灯”，但有时外科医生的头会遮挡光线，使手术室内变暗。不久前开发出一种可戴在医生头上的像风镜似的LED灯具。

3.9 通信

LED在光通信领域的发展也倍受关注。若配以恰当的驱动电路，LED能够用于100 Mb/s的高速数字通信，可组建家庭信息网络等。

在欧洲使用LED的光通信车载LAN已应用于奔驰等多款汽车中，与目前使用“束线”将各种设备逐个连接起来的车载网络相比，光电技术可以减轻电线总重量，利于轻量化。

另外，关于基于LED的可为手机、汽车导航仪等提供信息的可见光无线通信技术的基础性研究也在积极进行中。

3.1 0 LED应用领域的拓展

与此同时，LED在上述领域以外的用途也开始受到关注。比如使用LED产品替代农药进行杀菌、除虫;冰箱内用LED促进蔬菜光合成产生维生素等。另外，许多建筑和照明设计师认为，使用LED可为他们增添许多新的设计方式，目前市场上已出现了一种新型的LED装饰玻璃,它是将微型 LED夹在两层玻璃中间,其中有一层玻璃上镀有导电膜，外加电源后LED发光。这种玻璃被广泛用于室内室外装饰及楼梯护栏等，集照明、美观、安全于一身，越来越受到建筑行业的青睐。笔者所在公司也已成功开发此产品,并逐步向LED的线发光和面发光领域拓展。

4 总结

作为“第4代光源”备受瞩目的LED的优势不仅是在照明领域,其在诸多领域中亦潜力巨大，期待今后的进一步开发。但目前还存在许多需要攻克的课题和解决的问题。

在一般用户的印象中，LED是以低发热量和低能耗著称的。但随着大功率和高亮度LED的需求逐渐扩大，LED的发热也变成了一个严峻的问题。发热会使LED元件的寿命很快降低，并导致树脂封装材料失效等问题，减小元件的热阻首先要提高LED元件的发光效率。另一个要点是改善LED的散热，这方面需要开发新型的衬底或封装材料替代原有的环氧树脂、有机硅树脂等不利于散热的成分。随着技术的发展，这些问题都会迎刃而解,届时LED将会有一个更加广阔的前景。