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LED发光显示材料
摘 要
LED因其能耗低、色彩还原性好、绿色环保以及寿命长等众多优势，已经在照明与显示领域得到了广泛应用。本文介绍了LED的原理、发展历史、优点以及应用，并进一步阐述了LED今后的发展趋势
关键词：LED，发光原理，发展现状，发展前景
一、LED的简介及发展历史
LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。1907 年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。
二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。
1936 年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。二十世纪50 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60 年代面世。据说在早期的试验中，LED 需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。
第一个商用LED 仅仅只能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。 到70 年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。LED 采用双层磷化镓蕊片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。尽管它不如欧洲的LED 高效。但在70 年代末，它能发出纯绿色的光。 80 年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED 的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到20 世纪90 年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED 也出现在90 年代早期，再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED 一样光源暗淡。
90 年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。超亮度蓝光蕊片是白光LED 的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在LED 市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。随着人类在LED超亮度的领域的技术进步，LED在消费电子的运用也越来越广泛。
二、发光原理
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着 在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。
三、LED分类
1.按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。2.按发光管出光面特征分
按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：
（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。
（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。3.按发光二极管的结构分
按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
4.按发光强度和工作电流分
按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。
除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。
四、LED的优点
随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低。新的组合式管芯的出现，也让单个LED管(模块)的功率不断提高。通过同业的不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转。控制软件的改进，也使得LED照明使用更加便利。这些逐步的改变，都体现出了LED发光二极管在照明应用的前景广阔。
LED被称为第四代光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域。
LED之所以得到人们的重视是因为它具有许多优点：(1)发光效率高
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%左右，较节能灯减少40%左右。一般白炽灯的发光效率只能达到15lm/W，而LED电光转化效率高，发光效率高达40甚至50lm/W，所以节能效果十分明显。（接近60%，绿色环保、工作电压低（3V左右））
(2)使用寿命长
反复开关无损寿命，稳定性好。一般LED的寿命高达几万小时，10万小时光衰为初始的50%。
(3)价格低廉
LED的价格越来越平民化，因LED省电的特性，也许不久的将来，人们都会把白炽灯换成LED灯。我国部分城市公路、学校、厂区等场所已换装完LED路灯、节能灯等。
(4)适用性
体积小，可以做成各种形状，重量轻，抗振性能好。
(5)环保
LED是由无毒的材料构成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用，不辐射红外线和紫外线，无频闪。
(6)安全
LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，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。
相比之下，各种传统照明存在一定的缺陷：
白炽灯电光转化效率低（10%左右）、寿命短（1000小时左右）、发热温度高、颜色单一且色温低。
荧光灯电光转化效率不高（30%左右）、危害环境、不可调亮度（低电压无法启辉发光）、紫外辐射、闪烁现象、启动较慢、稀土原料涨价（荧光粉占成本比重由10%上升到60~70%）、反复开关影响寿命；体积大。
高压气体放电灯耗电量大、使用不安全、寿命短、散热问题，多用于室外照明。
五、LED的应用
(1)用作指示灯。
六十年代末红色LED问世时由于发光强度不高，被用作指示灯和电平指示，并一直沿用至今。如今的电子产品、仪器的工作状态指示大部分都是用红、绿色LED。现在各种光色的LED在交通信号灯上得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。(2)用作显示屏。
将普通的LED按要求排列、控制，即能具有显示字符、图形的功能，称为数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等，如图8。这些不同的显示屏中的每个发光单元都是一个发光二极管。
(3)照明光源。
这是目前最热门的应用，市场上已经大量出现高亮LED电筒（如图9），不久将进入生活照明和液晶显示器背光源领域。另外各种颜色的高亮度二极管还可用于做景观照明，美化环境。
六、LED发光材料的前景
LED技术虽然取得了长足的发展，但在家庭照明和显示领域还没有大批量的投入商业生产，最主要的原因是成本太高。如果成本问题解决，LED大量投入使用，带来的技术革新和能源节约是巨大的。比如在液晶显示器上，LED背光源可以提高亮度，降低能耗，光的均匀性、漏光和色彩显示能力也都将得到较大幅度的改善。用在家庭照明上，LED的优势是大幅度降低能耗，其耗电量是同等照明亮度白炽灯的1/8，是日光灯的1/2。另外LED寿命长，也可以节约大量的材料，保护了环境。
发光材料的其他应用领域更是有巨大的发展潜力。同样在显示技术领域，有机发光显示器（OLED）已经研制成功。这是一种比LCD显示器更先进的显示技术，拥有比无机半导体电致发光材料更好的电热稳定性和器件的可机械加工性，更好的显示特性，以及一些特殊性能，是未来的发展趋势之一。另外发光材料在交通、医学、光电子等方面也将得到更广泛的应用。
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