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LED产品的应用领域、发展方向及市场前景
  时间:2015-07-22 13:41
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      LED显示屏是发光二极管主要应用领域之一,近年来发展迅速。目前,LED显示屏制作技术先进,售价低,国外公司很难在大陆竞争市场。据不完全统计,1998年我国LED显示屏生产厂商有150多家,制造各类显示屏约五万平方米,实现产值14亿元,LED产业取得了举世瞩目的成绩。近年来,在产品结构、制作技术、产品质量、量产水平、市场占有等方面,紧逼日本的态势,在世界LED产业中紧挨美国、日本之后,位居世界第三。五年来,每年平均增长达20%以上,1997年台湾十大光电产品中占第四位,产值18870百万元新币,Epistar Corp已经开发成功用于全彩色灯和显示器的红色、绿色、蓝色芯片,这些芯片光强超过70mcd。一家正在投产的公司,利用MOVPE技术生产InGaAlp超亮度的发光材料和芯片。台湾有七家生产LED芯片的公司,生产各色传统芯片,占世界产量的七成以上。
  发光二极管的应用十分普遍,由于工作电压低、耗电省、色彩丰富、价格低,因而受到电气工程师和科研人员的欢迎。早期,传统的产品发光效率低,光强一般几个到几十个mcd,适宜使用在室内场合,在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。由于应用技术日趋发展,传统产品出现新的应用商机,正在流行的LED圣诞灯,由于造型新颖,有鸭嘴型圣诞灯、多彩球型灯、珠廉窗灯,而且色彩丰富,不易碎破,低压使用的安全性,近期在香港等东南亚地区销势强劲,受到人们普遍的欢迎,正在威胁和替代现有闪电灯泡的圣诞市场。一种受到儿童欢迎的闪光鞋,利用走睡时LED闪烁发光,非常醒目,既有单色光、也有双色光。在工业产品方面,发光二极管型AD11指示灯在电源柜上普遍使用,种产品采用多芯片集成组成光源,有红黄绿三种颜色,经电容降压后,可以使用220V、280V电源,江苏一家制造商介绍,该公司年销售达到10M只以上,每年需要(200~300)M LED芯片,市场还有扩张的潜力。由于主动发光指示清晰,寿命长,耗电少等特点,很受用户欢迎,不久可以全部替代电泡型AD11产品。总之,传统发光二极管的市场不仅会随着原有应用面产品的成长而提升,而且新的应用面开拓了市场商机。
  2  先进的发光管
  随着新材料及半导体工业技术的发展,自1994年起以新型可见光材料InGaAlP和InGaN为主流,实现了高亮度、多色化,加之封装技术的改进,显示信息大型化,出现了LED产品新的应用领域,带来了更多的市场商机。这些产品使得LED应用由室内使用提升到户外使用,能在阳光强烈的场合下清晰显示,发光效率极高,光强超过1000mcd,同时满足了全彩色显示和便携产品低功耗要求。这些先进的发光管包括以下各种类型。
  (1) 蓝色、绿色发光二极管
  蓝色LED材料有碳化硅(Suc)、氮化镓(GaN)及铟氮镓(InGaN)三元材料等。采用InGaN/AlGaN结构制成的蓝色发光灯峰值波长470nm,法向光强达到2000mcd;绿色发光灯峰值波长520nm,法向光强可达5000mcd。其中,还有峰值波长500nm的蓝绿色(交通绿)发光灯,在蓝色发光的基础上,包封时在其芯片上添加几mg的萤光物质转换成白色,白光二极管是微型白炽灯的最佳替代品,价格虽比电泡贵,但不易破碎,更加省电,工作时几乎不发热,可以连续照明10多年,这些产品在日本、德国、美国及台湾等著名的光电子公司生产并推向市场。
  (2) 新颖的四次元发光二极管
  八十年代后期开发上市的GaAlAs材料,制成红色发光管,首先实现超高亮度的要求,发光强度超过1000mcd,但是光衰较大,因此应用范围受到限制。九十年代开发成功的InGaAlP四次元材料,制成产品可以获得红、橙、黄、琥珀四种颜色,发光效率极高,并且高温性能很好,是户外使用的理想产品。
  (3)新品种LED及功率发光二极管
  工作电流为70mA,发出极强的光束,视角较大,一般为(40~70)度,用于汽车标志灯;贴片式(SMD)LED在小电流下工作;一般为(1~2)mA,有足够亮度,可节省便携式产品的耗电量;恒压发光二极管,制作时将电阻封装在内部,使用时不需限流电阻,一般工作在12V以下,使用者十分方便,同样在封装时封进一块集成电路,一般在5V以下工作,当通电时会闪烁发光,可以作为状态显示,使用也很方便。这种集群LED芯片、器件、元件可以制成发光模块,实现特定的功能要求,利用LED多芯片的集群组成多彩色灯具,典型的红、绿、蓝三色可以组成全色灯,在三色中间交合处呈现白色光。
  这些新器件的出现,拓展了LED的应用领域。首先是交通讯号显示光源的应用,具有抗震耐冲击,光响应速度快,省电寿命长等特点;其次是汽车工业的应用,汽车使用白炽灯不耐振动撞击,易损坏,使用寿命短,经常需要更换,1987年开始,我国开始在汽车上安装高位刹车灯,由于LED响应速度快,可以及早提醒司机刹车,减少汽车追尾事故,增加安全性,在汽车仪表板及各种照明部分的光源,都可有超高亮度发光灯来担当,在发达国家,使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件,美国HP公司在1996年推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯;第三是LED背光源,特别是高效侧部发光的背光源最为引人注目,LED作为LCD背光源应用,具有寿命长,出光效率高,无干扰和性价比高等特点,有电子手表、手机、BP机、电子计算器、刷卡机等广泛应用,随着便携电子产品日趋小型化,LED背光源更具优势,在手机中都选用LED背光源,因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗、均匀一致方面发展,LED侧部背光板的厚度可做到0.7mm~3.5mm,出光效率达到50%~70%,并且有绿色、红色、蓝色及各种混合色随客户选用,不久可能出现厚度相同于EL的超薄背光源;第四是人们最感兴趣的LED照明光源,直接目标是LED光源替代白炽灯和萤光灯,这种趋势已从局部领域和由小到大开始替代,日本通产省号召全国节约能源,正在计划替代白炽灯的发光二极管项目(称为照亮日本的项目),头五年的预算为50亿日元,如果LED替代半数的白炽灯和萤光灯,每年可节约相当于60亿升原油的能源(相当于五个1.35×106kW核电站的发电量),并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生,改善人们生活居住的环境,因此人们正面临照明变革,期待LED给人们带来福音。
  由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用,呈现了朝阳工业的欣欣向荣的景象,LED产业会得到持续发展。
  ① 制造厂商会在超高亮、全彩色技术面扩张投资,提升产能,从业人员会有增加,我国(包括台湾和香港地区)将成为世界LED的主要产地,预计占世界总量的六成以上,五年之后产值达到七十亿元,超高亮度LED会有30%速度增长,而传统LED也会以5%~10%的速度增长。
  ② 目前,许多色别的发光二极管都达到烛光级水平,随着器件结构的改进;发光效率的飞速提高;今后LED发展的主流是照明光源;开始在一些领域取代白炽灯,期间会与其它光源互补、并存、共同发展,人们面临着照明光源的变革,有人预言LED是21世纪的照明光源。
  ③ 世界光电子产业的发展推动应用领域的变化发展,随着LED产业的发展会有更多的资金投向LED的研究和生产。因此,现有超高亮度、蓝色、绿色LED的技术为少数厂商垄断将会突破,预计产品成本会有大幅度的下降,从而促进市场再开发, 应用的再拓展。
  可以相信,半导体发光技术不会被其它技术产品取代,而且会继续沿着原来的轨道向前发展。
  3 LED市场前景
  LED是近几年来迅速崛起的半导体光电器件,它具有体积小、重量轻、电压低、电流小、亮度高和发光响应速度快等优点,容易与晶体管和集成电路配套使用,可以在许多领域得到应用,因而在全球市场上十分走俏。LED技术在近年来不断获得新的突破,应用范围不断拓宽,已成为极具发展潜力的电子产品之一。计算机显示屏已经普遍采用液晶显示。有源矩阵液晶显示器是当前已经大量生产的产品,可以显示色彩丰富的电视图像,但需要较暗的背景,视角较小,尤其是用它制造大尺寸显示屏的成本较高,因此,发光二极管将成为一种更佳的平面显示器件。目前,发光二极管的年销售量已超过20亿美元,到2003年有望突破50亿美元大关,全球LED市场前景广阔,吸引了诸多厂商参与LED新产品的开发生产,市场竞争日趋激烈。
  高亮度红光(GaAs和GaAsP)和黄光(InAlGaP)发光二极管(LED)早已大量生产,长期以来因缺少高亮度的蓝光与绿光而难以呈现丰富的色彩,近年来高亮度的蓝光与绿光发光二极管技术大有进步,产品质量不断提高,给LED市场增光添彩。
  厂商们开发的Ⅲ-V族如铝、铟、镓的氮化物AlN、InN、GaN等,其能带隙宽为(1.9~6.2)eV,能够产生绿光、蓝光和紫外光,成为制造LED的极佳材料。除了以上几种氮化物外,对Ⅱ-Ⅵ族材料也进行了研究。主要是用硒化锌ZnSe制造多层异质结构可发出蓝绿光,实际上器件衬底都用GaAs,因其晶格与ZnSe较匹配,也较易购得到3吋直径的片子。美国厂商曾开发出以ZnSe为衬底,ZnTeSe为有源层的发光二极管,输出512nm深绿光,而ZnSe不像GaAs,它对该波长的光是透明的,加上10mA电流时可获得1.3mW,即外部量子效率达5.3%,因而其亮度比用Ⅲ-Ⅴ族氮化物制造的LED亮度更高。此外,Ⅲ-Ⅴ族氮化物LED已有较长的寿命试验记录,它比GaAs材料更硬、尤其适合于制作耐高温器件。
  在各种制造LED的材料当中,尤其以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料最为引人注目。GaN发光效率高,抗辐射性能和耐热性能极佳,强度和硬度高,并且耐酸性强,是一种极具应用价值的半导体材料。因此,氮化镓材料及其合金最适宜于制造短波长发光器件,发光波长范围包括绿、蓝、紫等多种波段,普遍用来制造蓝光和绿光LED。引人注目的是,在蓝光LED技术的基础上,以蓝光激发YAG荧光材料而制造成功的白光LED渐成新宠,深受广大用户欢迎,有望成为照明领域的一支新军。因此,目前在全球LED市场上,蓝、绿、白光LED正在开始形成三足鼎立的态势,成为最具发展潜力的LED产品。
  4 中国LED蓬勃发展
  中国在LED领域的研究开发工作成绩斐然。目前我国的普绿和高亮度纯红LED已经基本实现商品化,但是,高亮度的纯蓝、纯绿LED在我国尚属空白。目前,世界上只有美国Cree公司和日本Nichia公司等少数几家厂商能够生产蓝光和绿光LED。我国国家光电子工艺中心正在从事以Ⅲ~Ⅴ族半导体量子阱结构为基础的新一代光电子器件研究开发,承担国家863计划项目“蓝光LED研制和产业化技术”;我国方大集团与科研院所合作,率先在我国将第三代半导体材料(GaN)用来研制LED,将绿光LED、白光LED等科研成果实现产业化。该集团首期将投资8000万元,形成年产1.2亿支蓝光LED的生产能力,在LED市场上重拳出击。近几年来,我国LED显示屏的生产已经逐步形成行业规模,市场规模每年约为(3.5~4)亿人民币。
  我国台湾省LED产业非常发达,早在上世纪90年代初已经名列世界第三位。目前台湾LED产品市场占有率已达28%,超过了美国,位居世界LED市场第二位,产品80%以上外销,主要销往韩国、日本、美国和欧洲等地。目前台湾LED业主要是向全彩化、高亮度和大型化的方向发展。
  近年来,LED显示屏的关键控制技术随着超大规模集成电路(VLSI)的发展而日趋完善,EPLD、DSP以及FPGA已经得到广泛应用,一些厂商正在研发专用的LED控制集成电路。LED显示屏与LCD、PDP等同类平板显示屏产品比较,由于LED产品具有性能稳定、寿命较长、功耗较小以及价格低廉等优势,因此在各种实际应用中具有较强的市场竞争力,其市场前景十分广阔。