被发光半导体改变的世界

叶卫东

全球能源短缺始终是人类的忧患，节约能源是我们面对的一项重要课题。在照明领域，半导体照明（LED）发光产品的充分应用吸引着世人的目光。LED作为一种高效节能型的绿色光源产品，将让人类社会更高效利用能源。LED所代表的是新型照明光源时代。

照明和光是世界上几乎所有生物赖以生存的前提，LED对人类社会起到的作用，除了看见和被看见的功用以外，还可以对健康医疗、交通运输、节约能源、保护环境以及食品农业和信息社会等方面发挥不可或缺的作用。

LED即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导體芯片作为发光材料，在 半导体中通过载流子发生辐射复合，释放过剩的能量，而发射出光子，可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、 紫等各色的光。光是由半导体材料内带电粒子，即电子和空穴相结合时产生。LED半导体材料内的电子和空穴包含在能带内，分隔的能带（能带隙）确定了LED发射的光子（光粒子）的能量。光子能量决定了发射光的波长，因而决定了它的颜色。不同半导体材料具有不同的能带隙，进而产生不同颜色的光，精确的波长（色）可以用改变光发射材料组成比例调谐。LED灯是具有可控制性的数字化照明技术。其基本组成是LED器件、电源转换驱动器、控制光变暗和混色效应的控制器、光学元件及灯具。这是LED光源系统各单元的配置。

电能是经济可持续发展的重要因素，大多数国家用于照明的耗能，约占其整体电能的20%。而照明灯又仅有30%的电能用来发光，其余作为热白白耗费。所以，研发使用新型高效节能的固态光源十分必要。固态光源是1879年爱迪生发明钨丝灯泡以来，一项关键的新兴电光源技术，也是光工业的一场革命。

所谓固态光源指向一个事实，即LED发光是从固体——一块半导体发射出，而不是像有玻璃泡的白炽灯、卤钨灯和荧光灯那样从真空管或充气管中发射出，它发光时不发热。固态光源具有许多优点：寿命长，维护价格低、能耗低、高质量的光输出、仅有最小的紫外光和红外光辐射、工作电压低而比较安全，以及没有灯丝会断裂因而耐久。

LED除了对人类的社会和生活有很多具体而直接的贡献以外，本身在国际上也是非常大的产业，有着上千亿的经济规模。因此，发展LED产业、推进LED的照明应用进程，将较大幅度地降低能源消耗和有利保护环境，对我国的可持续发展具有重大战略意义。

LED的创新与应用

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。根据使用功能的不同，可以将其划分为信息显示、信号灯、车用灯具、液晶屏背光源、通用照明五大类。

LED显示屏具有亮度高、视角大、可视距离远、造型灵活多变、色彩丰富等优点，目前主要应用于广告传媒、体育场馆、舞台背景、市政工程等户外领域。

近年随着LED芯片材料技术进步和控制技术的不断提升，LED显示屏综合性价比优势日益突出，使用范围不断扩大，增长速度明显快于传统的单双色显示屏。随着LED成本和价格的不断降低，LED显示屏的市场潜力被进一步发掘，未来小间距LED显示屏将逐步从户外扩展至室内，很可能全面替代现有电视、笔记本电脑、平板电脑的LCD拼接屏、DLP拼接屏技术。2010年我国LED显示屏应用市场产值约为150 亿元，2016 年我国LED显示屏应用市场产值已达到约548亿元，此期间年复合增长率达24.10%，近年发展增速均保持在30%左右，是LED行业未来发展的重要方向之一。

液晶显示屏需使用背光模组作为驱动光源。在色彩显示上，LED 背光可以提供前所未有的色彩还原性，还可以利用 LED 瞬间启动的优势消除普通液晶屏在显示快速移动物体时出现的拖尾模糊现象，画面质量将显著提升；在生产成本上，利用 LED 背光中不同单色灯的瞬间切换，实现场序显色，可以替代液晶显示器中占成本 30%左右的彩色滤光片；在外观上，LED背光可以使液晶屏幕变得更为轻薄；在使用寿命上，LED 背光具有节能省电的优点，以笔记本电脑为例，通过使用LED背光源，电池使用时间可延长40%以上。LED背光源具有不可比拟的优势，因而近年来在液晶屏背光源领域得到了广泛应用。目前，LED 在以手机、平板电脑、笔记本电脑等为主的中小尺寸背光源市场，和以液晶电视为主的大尺寸背光源市场渗透率均已达 100%。

LED照明较普通照明具备了节能、响应时间短、使用时间长、绿色环保、色彩可调等优势，决定了它是目前最理想的光源。LED照明应用市场主要可分为户外通用照明、建筑物外观照明、景观照明、交通信号照明、室内空间展示照明、娱乐场所及舞台照明、车辆指示灯照明等。LED照明市场被认为是未来LED最重要且最具发展前景的应用之一。

另外，制造商利用LED色彩变化丰富的特点，研制出以色彩气氛传递感情或是表达情绪的LED 产品，让人们对居室生存环境更加重视，也是未来 LED 应用于室内照明的主要发展方向。还有，世界各国都在发展推进LED 的新应用。例如水的过滤消毒、交互式游戏与情境光源的市场都可见 LED商机所在，未来 LED 应用势必激发出更多新创意。

近年间全球LED技术不断创新。新纳米镀膜材料的亮相，使得LED 亮度大幅提升。有关研究人员成功开发一种几乎不反光的纳米镀膜材料，其反光率只有目前应用于电子设备的镀膜材料的几分之一。该材料有望为制造更高效的LED和太阳能电池等创造条件。新的纳米镀膜材料是通过在氮化铝 （AIN） 基板上沉积二氧化硅或者二氧化钛蒸气得到的。研究人员使二氧化硅或二氧化钛在氮化铝上形成毛毯似的纳米棒阵列，每根纳米棒约 50 nm 宽， 并以一定的角度斜翘着。研究人员表示， 该材料的低折射率源于它的多孔性。通过将5 层纳米棒阵列排列起来，实现了镀膜材料不同的折射率，从底部的2.03到顶部的1.05，总的反射度可降0.1%。这种新材料的另一优质性能就是适用多种于不同波长和入射角度的光。这是抗反射效果最好的纳米镀膜材料之一，它可将 LED 的亮度提高 5%——10%。

LED在医学领域的作用

LED的另一个重要功能是在医疗和健康方面。我们知道，光能够通过眼睛和皮肤对人的健康产生影响。1903年，丹麦医师与科学家尼尔斯·吕贝里·芬森以在光线放射治疗皮肤病症，开启新的医学方法的贡献，获得诺贝尔生理学与医学奖。今天有了LED技术，可以在医疗健康方面进行更广泛的应用，如睡觉控制问题，视觉转换问题和肌肉损伤治理等。

迄今为止，LED在医疗领域有广泛应用。LED医疗设备可分为诊断设备、治疗设备及其他辅助设备，不同的设备对光源有不同的要求与规范。

医疗用光源应该具有定点、定向照明、高强度照明、光色纯正以及均匀、无影照明、低光谱伤害、结构密封消毒、结构透气、调光控制、高可靠性等特殊需求。而传统的卤素灯、金卤灯都是光线向四面八方全空间发散的典型发散光源，这样高热辐射、全光谱、发散的光源，对达到医疗用光源的上述特殊技术要求有很大局限，因此必须采用一系列特种技术。而与传统医疗照明产品相比，LED在实现定点、定向照明、高强度照明、调光控制、实现高显色性、低光谱伤害等方面具有先天优势，可以有力克服常规医疗照明的不足。比如，LED 是定点光源、定向照明光源，只需通过合理的芯片与封装设计，并稍微结合二次配光，就可以实现理想的定向照明，其光学系统简单，配光效果理想。

LED又为冷光源，不产生任何红外和紫外辐射。配光方便，可以有效地将光线投射到需要照明的区域，亮度容易调节。医生在手术中，可根据不同组织对亮度的不同要求、环境的照明情况、眼睛的疲劳程度，方便于调节亮度，避免长时间在强光下手术，造成视觉疲劳。LED 的发射光谱全部在可见光区域，没有紫外、红外等有害光谱成分，可以杜绝紫外光对人体组织的伤害以及红外光造成的体液挥发及组织灼伤等。还可做成不同的色温，使灯光呈现更纯正的白光，可以瞬间启动，达到最大亮度，低压直流驱动。并且使用蓄电池作为备用电源，实现系统的无故障运行。灯具寿命也大有延长，在使用过程中，无需频繁的更换灯泡，这样既降低成本，减少医护人员工作强度，而且使手术更加安全。

LED在医学领域应用较普遍。例如牙科光纤手机，LED很好地解决了传统卤素灯泡发热量大，导致口腔内热量过高，影响治疗效果的问题。LED 手术无影灯在照明过程中对光线的控制可以更加精细，能够覆盖更广的面积，给医护人员提供极佳的手术视野。另外，胃肠道的癌症，尤其是小肠部位的癌症用传统胃镜观察不到，而 LED极其适合在胶囊胃镜上使用。它可以在病人体内连续使用，发热量低，是其它光源不能相比的。目前 LED 在医用头灯、光固化机、冷光源及眼内照明设备中的应用日益增多。

光学理疗设备是LED发展的另一重要区域。常用的光疗法有红光、蓝光、蓝紫光及多光谱疗法。可通过改变 LED的半导体材料，得到治疗所需波段的光，而无需担心杂光造成的影响。另外，可以将两个或者多个LED芯片组合封装，满足不同光疗的需求。LED为光疗仪器的多功能化开辟了道路。目前，已有红光、蓝光及黄光治疗仪问世，主要用于毛细血管扩张、色斑等问题的治疗。婴儿蓝光治疗仪，采用蓝光 LED 作为光源，用于治疗新生儿黄疸。随着技术的发展，红外和紫外LED会更多地应用在光疗设备中。

LED 在医疗中研究的热点皮肤相关医学的测量有着重要的意义。通过对皮肤进行多光谱成像，将不同光谱下采集的图像综合起来进行诊断分析是目前发展的一个重要方向。采用多光谱 LED 光源可以提供稳定的图像获取环境，从而能够测量皮肤粗糙度、鳞屑度、皱纹度和平整度等几何特性，能够建立基于色刺激值的皮肤表面颜色定量表征系统，构建专家系统对获取的多信息综合处理，实现对皮肤斑痕、日光损伤、血液流变和痤疮等病变定量评估。

激光作为光源在光学动力治疗中已经很普遍，但是激光本身存在的一些不可克服的缺点限制了它的应用，因此用LED代替用于光动力治疗的激光光源有着重要的意义。

LED关于植物和养殖的研究

1990年，LED首次被用于植物的研究，并被证明是一种比传统光源更为有效的替代光源。由于其具备低功耗、窄光谱和低发热等优点，2000年后，LED作为一种更高效的光源被迅速引入植物工厂。通过调节LED光谱的分布来控制植物开花和叶片形态形成的方法不仅简单， 而且还可促进植物中功能性化学物质浓度的增加。

在各种环境因素中，光是影响植物生长发育和功能性化学物质积累的最重要因素之一。植物的生长发育和生理指标都受到光的重要影响。

从历史上看，LED对植物影响的研究最初是从植物形态学上开始的， 国内研究人员在此方面也做了很多有价值的工作。近年来，国内外的科研人员开始将研究目标转向LED对植物体内功能性化学物质积累的影响， 并在多个领域取得了较大的进展。该方面的研究对于在人工光源的照射下生产出具有可控输出的各种功能性和药用性植物都具有非常重要的意义。

至今，有关LED对植物生长发育作用的研究已进行多年，但人们以前多从植物形态学角度进行研究。近年该项研究已逐步转向LED照明对植物体内功能性化学物质积累的影响这一领域。在农业和食品方面，光是所有植物生长的最基本的前提。根据所用半导体材料的不同，LED发出光的波长可从紫外线到红外线广泛的区间范围， 并且每个LED发出光的波长范围可以很窄。因而， 它是一种真正具有频谱控制能力的且非常有效的植物照明光源。LED的这些优势， 尤其是其光谱的可调控性、技术的不断创新和成熟以及使用量的日益增加，使其成为植物照明光源的首选。LED能够将合适的光波范围匹配到植物的光接收器， 并影响植物的形态和组成成分。对于在受控环境下培养的植物，LED的优越性也使之成为首选光源。在植物组织培养方面，LED的使用已取得了卓越的成就。例如LED照明使一家植物工厂每平方米面积最多可生长二十层植物，足够一人的蔬菜年需量。光不仅可以用于花卉植物生长，而且对现代农业和养殖业也有直接的帮助。

在家禽养殖方面，LED照明对鸡、猪等的生长也发挥显著作用。在肉鸡方面，通过 LED 的光色、光照度与光周期等因子的调控，可影响小肠黏膜结构来提高营养吸收和促进生长，通过影响卫星细胞增殖及肌肉纤维发育提高屠宰性能与鸡肉品质，同时影响行为和健康，增强免疫力，降低死亡率和疾病发生率等。在蛋鸡和种鸡方面，通过对光环境进行调控，可影响其饲料消耗，并促进促黄体素和促卵泡素等激素的释放来影响性成熟、产蛋率等，同时提高种鸡的受精孵化率，改善鸡蛋品质情况，有效降低啄癖现象。

随着畜禽养殖业的机械化、規模化、集约化程度越来越高，可控的人工光源已成为禽舍内光照的主要来源。LED作为一种新型光源，越来越受到国内外业界的关注。随着近年来LED在农业生产中的应用显著增加，LED 光源也已成为家禽规模养殖人工照明最具潜力的新光源。