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LED知识基础
LED知识基础
1.LED的色温基本常识
LED產品中,一项重要的规格数字就是色温,这关係到LED灯光照明產品所显示的顏色特性,一般的灯具也都有色温的规格。
色温高低计量单位是以KelvinScale,也就是以K为单位,一开始是凯氏於钢铁厂内观察到溶解金属开始至最高温度时,金属发亮所呈现的顏色不同,而以数据单位记录下来,后来就產生色温的规格表。
一、色温的定义:
以绝对温度K来表示,即把标準黑体加热,温度升高到一定程度时该黑体顏色开始深红-浅红-橙黄-白-蓝,逐渐改变,某光源与黑体的顏色相同时,我们把黑体当的绝对温度称为该光源的色温。
二、不同光源环境下的色温:
下面是一般常见照明灯具所採用的色温
卤素灯3000k
钨丝灯2700k
高压钠灯1950-2250k
蜡烛光2000k
金属卤化物灯4000-4600k
冷色营光灯4000-5000k
高压汞灯3450-3750k
暖色萤光灯2500-3000k
晴空8000-8500k
阴天6500-7500k
夏日正午阳光5500k
下午日光4000k
三、不同色温下的光色:
1、低色温:
色温在3300K以下,光色偏红给以温暖的感觉;有稳重的气氛,温暖的觉;当採用低色温光源照射时,能使红色更鲜艳。
2、中色温:
色温在3000–6000K为中间,人在此色调下无特别明显的视觉心理效,有爽快的感觉;所以称为”中性”色温。
当採用中色温光源照射时,使蓝色具有
清凉感。
3、高色温:
色温超过6000K,光色偏蓝,给人以清冷的感觉,当採用高色温光源照时,使物体有冷的感觉。
a.色温与亮度高色温光源照射下,如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛;低色温光源照射下,亮度过高会给人们有一种闷热感觉。
b.光色的对比在同一空间使用两种光色差很大的光源,其对比将会出现层次效果,光色对比大时,在获得亮度层次的同时,又可获得光色的层次。
采用低色温光源照射,能使红色更鲜艳;
采用中色温光源照射,使蓝色具有清凉感;
采用高色温光源照射,使物体有冷的感觉。
显色性:
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色逼真的程度;光源的显色性是由显色指数来表明,它表示物体在光下颜色比基准光(太阳光)照明时颜色的偏离
,能较全面反映光源的颜色特性。
显色性高的光源对颜色表现较好,我们所见到的颜色也就接近自然色,显色性低的光源对颜色表现较差,我们所见到的颜色偏差也较大。
国际照
明委员会CIE把太阳的显色指数定为100,各类光源的显色指数各不相同,如:
高压钠灯显色指数Ra=23,荧光灯管显色指数Ra=60~90。
显色分两种
忠实显色:
能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数(Ra)高的光源,其数值接近100,显色性最好。
效果显色:
要鲜明地强调特定色彩,表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。
光效:
衡量光源节能的重要指标,就是光源发出的光通量除以光源所消耗的功率。
单位:
流明/瓦(lm/w)。
标准光源:
我们知道,照明光源对物体的颜色影响很大。
不同的光源,有着各自的光谱能量分布及颜色,在它们的照射下物体表面呈现的颜色也随之变化。
为了统一对颜色的认识,
首先必须要规定标准的照明光源。
因为光源的颜色与光源的色温密切相关,所以CIE规定了四种标准照明体的色温标准:
标准照明体A:
代表完全辐射体在2856K发出的光(X0=109.87,Y0=100.00,Z0=35.59);
标准照明体B:
代表相关色温约为4874K的直射阳光(X0=99.09,Y0=100.00,Z0=85.32);
标准照明体C:
代表相关色温大约为6774K的平均日光,光色近似阴天天空的日光(X0=98.07,Y0=100.0,Z0=118.18);
标准照明体D65:
代表相关色温大约为6504K的日光(X0=95.05,Y0=100.00,Z0=108.91);标准照明体D:
代表标准照明体D65以外的其它日光。
CIE规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布,是规定的光源颜色标准。
它并不是必须由一个光源直接提供,也并不一定用某一光源来实现。
为了实现CIE规定的标准
照明体的要求,还必须规定标准光源,以具体实现标准照明体所要求的光谱能量分布。
CIE推荐下列人造光源来实现标准照明体的规定:
标准光源A:
色温为2856K的充气螺旋钨丝灯,其光色偏黄。
标准光源B:
色温为4874K,由A光源加罩B型D-G液体滤光器组成。
光色相当于中午日光。
标准光源C:
色温为6774K,由A光源加罩C型D-G液体滤光器组成,光色相当于有云的天空光。
CIE标准照明体A、B、C由标准光源A、B、C实现,但对于模拟典型日光的标准照明体D65,目前CIE还没有推荐相应的标准光源。
因为它的光谱能量分布在目前还不能由真实
的光源准确地实现。
当前国际上正在进行着与标准照明体D65相对应的标准光源的研制工作。
现在研制的三种模拟D65人造光源分别为:
带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯。
它们的相对光谱能量分布与D65有所符合,带滤光器的高压氙弧灯提供了
最好的模拟,带滤光器的白炽灯在紫外区的模拟尚不太理想,荧光灯的模拟较差。
为了满足精细辨色生产活动的需要,还有采用荧光灯和带滤器的白炽灯组成的混光光源,
称为D75光源。
其色温可达7500K。
主要运用在原棉评级等精细辨色工作中。
Lab模式:
Lab模式是一般人较为陌生的色彩模式,这个模式的色彩定义是由国际照明委员会CIE所制定的,也是目前所有模式中涵盖色彩范围最广的模式。
它的特色是对色彩的描述
完全采用数学方式,与系统及设备无关,因此它可以无偏差地在系统与平台间进行转换。
Lab模式是以一个亮度分量L(Lightness)–范围是0-100;以及两个颜色分量a与b来表示颜色。
a分量是由绿色演变到红色–范围是-120-120;而b分量则是由蓝色
演变到黄色–范围是-120-120。
2.LED基础知识
SMDLEDsurface-mountdeviceLED。
表面粘着型LED。
表面粘着型LED的出现是在1980年初,是因应更小型封装和工厂自动化而生。
初期厂商裹足不前,主要因素是表面粘着LED最早面临的问题是无法完成高温红外线下焊锡回流的步骤。
LED的比热较IC低,温度升高时不仅会造成亮度下降,且超过摄氏100度时将加速组件的劣化。
LED封装时使用的树脂会吸收水分,这些水分子急速汽化时,会使原封装树脂产生裂缝,影响产品效益。
在1990年初,HP和SiemensComponentGroup合作开发长分子键聚合物,作为表面粘着型LED配合取放机器的设计,表面粘着型LED到此才算正式登场。
,
LEDLightEmittingDiode。
发光二极管。
LED为通电时可发光的电子组件,是半导体材料制成的发光组件,材料使用III-V族化学元素(如:
磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等),发光原理是将电能转换为光,也就是对化合物半导体施加电流,透过电子与电洞的结合,过剩的能量会以光的形式释出,达成发光的效果,属于冷性发光,寿命长达十万小时以上。
LED最大的特点在于:
无须暖灯时间(idlingtime)、反应速度很快(约在10^-9秒)、体积小、用电省、污染低、适合量产,具高可靠度,容易配合应用上的需要制成极小或数组式的组件,适用范围颇广,如汽车、通讯产业、计算机、交通号志、显示器等。
LED又可以分成上、中、下游。
从上游到下游,产品在外观上差距相当大。
上游是由磊芯片形成,这种磊芯片长相大概是一个直径六到八公分宽的圆形,厚度相当薄,就像是一个平面金属一样。
LED发光颜色与亮度由磊晶材料决定,且磊晶占LED制造成本70%左右,对LED产业极为重要。
上游磊晶制程顺序为:
单芯片(III-V族基板)、结构设计、结晶成长、材料特性/厚度测量。
中游厂商就是将这些芯片加以切割,形成为上万个晶粒。
依照芯片的大小,可以切割为二万到四万个晶粒。
这些晶粒长得像沙滩上的沙子一样,通常用特殊胶带固定之后,再送到下游厂商作封装处理。
中游晶粒制程顺序为:
磊芯片、金属膜蒸镀、光罩、蚀刻、热处理、切割、崩裂、测量。
而,下游封装顺序为:
晶粒、固晶、粘着、打线、树脂封装、长烤、镀锡、剪脚、测试。
国内主要的LED生产厂商有:
鼎元、光磊、国联、亿光等企业。
红外线发光二极管红外线LightEmittingDiode。
主要以GaAs系列材料发展为主,通常以LPE液相磊晶法的方法制作,发光波长从850~940不等。
GaP磷化镓。
磷化镓,是Ⅲ-Ⅴ族(三五族)元素化合的化合物。
GaP是一种间接迁移型半导体,具有低电流、高效率的发光特性,可发光范围函盖红色至黄绿色,为LED主要使用材料之一。
GaN氮化镓。
氮化镓,是Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物。
GaN使MOVPE制作技术,可制作高亮度纯蓝光LED及纯绿光LED,更可应用于蓝光、绿光雷射二极管之制作。
MOVPE虽已是一成熟的磊晶制作技术,但以此技术制作GaN蓝光LED其中仍须相当的专业知识、经验和技巧
AlInGaP磷化铝铟镓。
AlInGaP此材料是近年来用在高亮度LED之制造上较新的材料,使用MOVPE磊晶法制程。
目前世界上仅有三家厂商供应此产品的公司,即美国HP、日本Toshiba、台湾国联光电。
AlGaAs砷化铝镓。
为GaAs和AlAs的混晶。
AlGaAs适合于制造高亮度红光及红外线LED,主要以LPE磊晶法量产,但因需制作AlGaAs基板,技术难度高。
反向粘着型薄芯片LEDreversemountingtype薄芯片LED。
此种芯片可粘着在穿式印刷电路板上,减少LED所占的厚度。
主要可用作可携式电话按键之背光源。
侧面发光直角LED
此种LED芯片是从最上层面发光,但可将发光面旋转一个面焊接。
侧面发光直角LED有超小型和高亮度两种,超小型是用于LCD背光源、呼叫器、行动电话;高亮度型是用作汽、机车第三剎车灯和户外显示器。
直角表面粘着型LED灯泡SIDELED。
直角表面粘着型LED灯泡不需额外的光学件或反射器,焊接后光线的行径路线可与各电路板平行,使工程人员在设计时有较大的弹性,因而可在设计的后段再加上此产品,而不需事先考虑。
产品可应用在自动安全断电开关、背光源和光导管等,用作电话和数据处理系统的指示灯。
可见光LED可见光LightEmittingDiode。
LED(发光二极管)的种类繁多,依发光波长大致分为可见光与不可见光两类。
可见光LED产品主要包括传统LED、高亮度AlGaInP(磷化铝镓铟)红、黄、橘光LED及InGaN(氮化铟镓)蓝、绿光LED、以及白光LED。
其产品以显示用途为主,又以亮度一烛光(1cd)作为一般LED和高亮度LED之分界点。
一般LED广泛应用于各种室内显示用途;高亮度LED后者则适合于户外显示,如汽车第三煞车灯、户外信息看板和交通号志等。
不可见光LED不可见光LightEmittingDiode。
LED(发光二极管)的种类繁多,依发光波长大致分为可见光与不可见光两类。
不可见光LED,波长850至1550奈米,其短波长红外光可作为红外线无线通讯使用,如红外线LED应用在影印纸张尺寸检知、家电用品遥控器、工厂自动检测、自动门、自动冲水装置控制等;长波长红外光,则应用在中、短距离光纤通讯上,作为光通讯用光源。
GaNLED氮化镓发光二极管。
GaNLED是属于直接能隙之半导体材料,其能隙为3.4ev,而AlN为6.3ev,InN为2.0ev,将这几种材料做成混晶时,可以将能隙从2.0ev连续改变到6.3ev,因此可以获得从紫外线、紫光、蓝光、绿光到黄光等范围的颜色。
目前最成功的GaN组件有高亮度蓝光及绿光LED,因GaN高亮度蓝光、绿光LED的开发成功,使得户外全彩LED显示器及LED交通号志得以实现,各种LED的应用也更加广泛。
以高亮度蓝光LED激发萤光物质(phospher)可以产生白光,其低耗电及高寿命的特性,未来有可能取代一般照明用的白炽灯泡,GaNLED的市场潜力十分雄厚。
3.OLEDOELD。
OrganicElectro-LuminescenceDisplay。
有机电激发光。
透过电流驱动有机薄膜来发光,其发光可为单独的之红色、蓝色、绿色,甚至是全彩。
由于OLED所使用的有机化合物材料会自行发光,因此不像LCD面板后方须要加上背光源,可以大幅降低耗电、简化制程、使面板厚度变薄。
OLED的特点为具有自发光、广视角、响应速度快、低耗电量、对比强、亮度高、厚度薄、可全彩化,及动画显示等,被认为是极具潜力的平面显示技术。
国内目前有铼宝、光磊、东元激光、翰立光电等厂商投入。
室内用LED显示看板
LED显示看板不管尺寸大小,都是由单一组件的LED加以拼装而成,LED的单一组件,来自下游封装好的点矩阵式的LED,或是单位模块Cluster,再由显示看板的厂商将这些单一组件,依照各种不同的需求,组装成各种大型的看板,加上控制电路,然后到各施工地点安装测试。
室内用的LED显示看板,因观看的距离近,所以要求的分辨率较高,一般是使用点矩阵式模块,因室内的环境较稳定,所以比较不需要做防水防护装置及散热等措施,施工方面比较容易。
户外用LED显示看板
LED显示看板不管尺寸大小,都是由单一组件的LED加以拼装而成,LED的单一组件,来自下游封装好的点矩阵式的LED,或是单位模块Cluster,由显示看板的厂商将这些单一组件,依照各种不的需求,组装成各种大型的看板,加上控制电路,然后到各施工地点安装测试。
户外LED看板,观看距离较远,分辨率要求相对的较低,但对亮度、可见度及耐候性的要求都比较高,所以在户外的施工上比较需要考虑散热和防水等问题。
大型LED显示屏
大型LED显示屏需要组合不同的元组件与技术,一家厂商很难完全自产自足,因此外围产业的分工十分重要。
大型LED显示屏需要的元组件包括:
DriverIC、LEDCluster、PowerSupply、Cable及机械框架等;技术方面的需求包括:
防静电设计、电力配电规划、驱动线路设计、驱动软件设计、机械结构设计(散热、视角、支撑、遮阳、防潮等考量)以及亮度、色度的测试技术等。
UVLED紫外线二极管
UVLED(紫外线发光二极管)照明不仅可净化空气、节约能源,并可望取代现有的萤光灯与白热灯等照明装置,加上过去仅及405nm的波长带最近扩大到200nm,预期应用范围将大幅扩大到杀菌、废水处理、除臭、医疗、皮肤病治疗、辨识伪钞与环境Sensor等领域。
光通量(Luminousflux,Φ)单位为:
流明(lumen,lm)由一光源所发射并被人眼感知之所有辐射能称之为光通量。
光强度(luminousintensity,I)光源在某一方向立体角内之光通量大小。
单位:
坎德拉(candela,cd)照度(Illuminance,E)单位:
勒克斯(Lux,lx)照度是光通量与被照面之比值。
1lux之照度为1lumen之光通量均匀分布在面积为一平方米之区域。
辉度(Luminance,L)单位:
坎德拉每平方米(cd/㎡)一光源或一被照面之辉度指其单位表面在某一方向上的光强度密度,也可说是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度。
发光二极管(LightEmittingDiode,简称LED)?
是一种藉外加电压激发电子而放射出光(电能→光)的光电半导体组件。
发光现象属半导体中的直接发光(没有第三质点的介入)。
整个发光现象可分为三个过程(直接发光):
价电带的电子受外来的能量(顺向偏压),被激发至导电带,并同时于价电带遗留一个电洞,形成电子-电洞对。
受激发的电子于导电带中,与其它质点碰撞(散射),损失部份能量,而接近导电带边缘。
一旦导电带边缘的电子于价电带觅得电洞时,电子即从导电带边缘,经由陷阱中心(释放热能)或发光中心(释放光能),回到价电带与电洞复合,电子-电洞对消失。
因为LED主要是电子经由发光中心与电洞复合而发光,所以是一种微细的固态光源,不但体积小、寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性特佳,而且能够配合轻、薄和小型化之应用设备的需求,成为日常生活中十分普遍的产品。
利用各种化合物半导体材料及组件结构之变化,设计出不同的LED。
依其发光波长分为可见光、不可见光(红外光、紫外光)。
可见光:
有红、橙、黄、绿、蓝、紫等各种颜色,主要以显示用途为主。
又以亮度1烛光(cd)作为一般亮度和高亮度之分界点。
一般亮度LED广泛应用于各种室内显示用途;高亮度LED则适合于户外显示,如:
汽车第三煞车灯、户外信息看板和交通号志等。
不可见光:
短波长红外光可作为红外线无线通讯使用;长波长红外光则使用在中、短距离光纤通讯上,作为光通讯用光源。
使用的材料基本上已大致决定LED所释出的波长,其中,适合制作1000mcd以上之高亮度LED的材料,由长波长而短波长,分别为AlGaAs(砷化铝镓)、AlGaInP(磷化铝铟镓)及GaInN(氮化铟镓)等。
AlGaAs(砷化铝镓)适合于制造高亮度红光及红外线LED,主要以液相磊晶(LPE)法进行量产,使用双异质接面构造(DH)为主,但因为须制作AlGaAs基板,技术的困难度很高,故投资开发的厂商较少。
AlGaInP(磷化铝铟镓)适合于高亮度红、橘、黄及黄绿光LED,主要以金属有机气相磊晶(MOVPE)法进行量产,使用双异质接面(DH)及量子井(QW)构造,效率更为提高。
且由于AlGaInP红光LED在高温与高湿环境下,其寿命试验结果优于AlGaAs红光LED,未来有成为红光LED主流的趋势。
GaInN(氮化铟镓)适合于高亮度深绿、蓝、紫及紫外光LED,以高温的金属有机气相磊晶(MOVPE)法进行量产,也采用双异质接面(DH)及量子井(QW)构造,效率比前述的AlGaAs、AlGaInP更高。
全球各大厂均已积极投入相关材料组件技术之研发,并有所突破。
白光LED,乃是日本日亚公司利用蓝光LED加上黄色萤光材料构成的,其光电转换效率于1998年4月已提升至15流明/瓦,比传统灯泡略高,若以常见照明灯具之开发历程来看,白光LED极有机会成为未来于照明产业之明星产品。
LED设计之初,主要是利用于家用电器品显示器,广告看板或装饰用。
但由于其具有固定波长及操作方便等特点,已逐渐利用于植物生产研究上。
1987年开始有学者利用LED固定波长特性,应用在植物向地性,型态改变及病害发生上的研究。
日本千叶大学古在(Kozai)教授研究室将其应用在组织瓶苗的生产研究上。
预计未来在光研究上将有极大应用价值。
当然,目前LED亮度和价格仍未达实用化阶段,不过,由于极具市场潜力,各方面研究正急速的展开,LED势必成为提供植物生长的新兴光源。
外延片生长外延生长的基本原理是,在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有红宝石和SiC两种)上,气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面,生长出特定单晶薄膜。
目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
MOCVD金属有机物化学气相淀积(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition,简称MOCVD),1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。
该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体,是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备,主要用于GaN(氮化镓)系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造,也是光电子行业最有发展前途的专用设
一、led基本介绍
led发光原理:
发光二极管led(LightEmittingDiode)是利用二极管內电子与空隙结合过程中能量转换产生光的输出。
led特性:
冷性发光不产生热,元件寿命长(十万小时以上)、反应速度很快、体积小、功耗小、适合量产,高可*度。
led制作材料通常为砷、磷、镓等Ⅲ–Ⅴ族元素,制作过程包括上游的晶圆制作、磊晶成长,中游的扩散制程、金属蒸镀、晶粒制作,以及下游的产品封装及应用市场等。
二、市场概況:
led可分为可见光(450~780nm)与不可见光,在可见光部分传统亮度产品已是成熟型产品,产量虽大,不过由于价格低产值不高,年复合成长率也只有10%;高亮度led是目前的主流产品,主要应用在大型看板、交通标志、背光源、汽车第三刹车灯。
较成熟的AlGaInP(红、橙、黃光)应用广泛,专利问题不大,价格已与传统亮度接近,应用的领域巨大。
现阶段最热门的属GaInN(蓝、绿光)产品,近年在蓝色背光源手机风潮下需求强劲,产品应接不暇。
GaInN+荧光粉(白光)主要应用于照明上,由于蓝光的突破全球大厂纷纷投向白光照明的研发,加上近期全彩手机风行,使白光背光源炙手可热,未来技术若有进展,将逐步取代一般照明市场,拥有庞大的商机。
在不可见光方面,主要用在红外线(850~950nm)及光通讯(850~1550nm)领域,由于这方面投入较高,技术难度大,产品的价格与毛利率也较好,目前市场是美、日、欧等大厂分食的局面。
根据StrategiesUnlimited的预估,1998年世界可见光led生产值,以10.4亿美元及54.1%的占有率最高;第二是台湾3.46亿美元、18%的占有率,美国以16.5%、3.18亿美元,排名第三;欧洲地区则有2亿美元产值,及10.4%占有率
三、led应用
led的应用领域非常广,包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等,可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。
1、汽车部分:
以汽车內装使用包括了仪表板、音箱等指示灯,及汽车外部(第三刹车灯、左右尾灯、方向灯等),目前欧洲系列车种包括奥迪、宝马、福斯等品牌全系列采用高亮度led,而车厂中,丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度led,其他各车厂新车,也在陆续采用。
若再加上前后车灯、刹车灯,交通标志等,与交通有关的市场,商机非常庞大。
在交通标志灯市场方面,全球约有2000万座交通标志灯,若每年更新200万座,商机可延续10年。
2、背光源部分:
主要是手机背光光源方面,是SMD型产品应用的最大市场。
虽然近两年手机的增长速度已明显趋缓,但全年仍有4亿支水准,以1支手机要led背光源2颗、按键6颗SMDled计,一年保守4亿支手机需求约32亿颗led。
最近韩国蓝色背光手机风潮,使蓝光led的市场供不应求,显见手机在led应用市场中仍占有举足轻重的地位。
继蓝光手机后,目前市场已是彩屏手机天下。
以往彩屏手机是极高端产品,不过今年主要零组件价格下滑,使得彩屏手机和单色手机的价差缩小,加上厂商的大力促销,手机的换型潮悄然发生。
3、显示屏led显示屏作为一种新兴的显示媒体,随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展,得到了飞速发展,它与传统的显示媒体―多彩霓虹灯、象素管电视墙、四色磁翻板相比较,以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高等优势,已广泛应用于各行各业。
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