LED显示屏发展历程30年回顾..doc

LED 显示屏发展历程 30年回顾1970年代最早的 GaP 、 GaAsP 同质结红、黄、绿色低发光效率的 LED 已开始应用于指 示灯、数字和文字显示。从此 LED 开始进入多种应用领域,包括宇航、飞机、汽车、工业 应用、通信、消费类产品等,遍及国民经济各部门和千家万户。到 1996年 LED 在全世界的 销售额已达到几十亿美元。 尽管多年以来 LED 一直受到颜色和发光效率的限制, 但由于 GaP 和 GaAsP LED具有长寿命、高可靠性 , 工作电流小、 可与 TTL 、 CMOS 数字电路兼容等许多 优点因而却一直受到使用者的青眯。 最近十年, 高亮度化、 全色化一直是 LED 材料和器件 工艺技术研究的前沿课题。超高亮度 (UHB是指发光强度达到或超过 100mcd 的 LED ,又称 坎德拉 (cd级 LED 。高亮度 A1GaInP 和 InGaN LED的研制进展十分迅速,现已达到常规材 料 GaA1As 、 GaAsP 、 GaP 不可能达到的性能水平。 1991年日本东芝公司和美国 HP 公司研 制成 InGaA1P 620nm 橙色超高亮度 LED , 1992年 InGaA1p590nm 黄色超高亮度 LED 实用 化。同年,东芝公司研制 InGaA1P 573nm 黄绿色超高亮度 LED ,法向光强达 2cd 。 1994年 日本日亚公司研制成 InGaN 450nm 蓝 (绿 色超高亮度 LED 。至此,彩色显示所需的三基色 红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的 LED 都达到了坎德拉级的发光强度,实现了超高亮度化、 全色化, 使发光管的户外全色显示成为现实。 我国发展 LED 起步于七十年代, 产业出现于 八十年代。全国约有 100多家企业, 95%的厂家都从事后道封装生产,所需管芯几乎全部从 国外进口。通过几个“五年计划”的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技 术, 使我国 LED 的生产技术已向前跨进了一步。二、超高亮度 LED 的性能 :超高亮度红 A1GaAsLED 与 GaAsP-GaP LED相比, 具有更高的发光效率, 透明 衬低 (TSA1GaAs LED(640nm的流明效率已接近 10lm/w, 比红色 GaAsP-GaP LED大 10倍。 超高亮度 InGaAlP LED提供的颜色与 GaAsP-GaP LED相同包括 :绿黄色 (560nm、浅绿黄色 (570nm、黄色 (585nm、浅黄 (590nm、橙色 (605nm、浅红 (625nm深红 (640nm。透明衬底 A1GaInP LED发光效率与其它 LED 结构及白炽光源的比较, InGaAlP LED吸收衬底 (AS的 流明效率为 101m/w,透明衬底 (TS为 201m/w,在 590-626nm 的波长范围内比 GaAsP-GaP LED 的流明效率要高 10-20倍; 在 560-570的波长范围内则比 GaAsP-GaP LED高出 2-4倍。 超高亮度 InGaN LED提供了兰色光和绿色光, 其波长范围兰色为 450-480nm , 兰绿色 为 500nm ,绿色为 520nm ;其流明效率为 3-151m/w。超高亮度 LED 目前的流明效率已超 过了带滤光片的白炽灯,可以取代功率 1w 以内的白炽灯,而且用 LED 阵列可以取代功率 150w 以内的白炽灯。对于许多应用,白炽灯都是采用滤光片来得到红色、橙色、绿色和兰 色,而用超高亮度 LED 则可得到相同的颜色。近年 AlGaInP 材料和 InGaN 材料制造的超高 亮度 LED 将多个 (红、兰、绿 超高亮度 LED 芯片组合在一起,不用滤光片也能得到各种颜 色。包括红、橙、黄、绿、蓝,目前其发光效率均已超过白炽灯,正向荧光灯接近。发光亮 度已高于 1000mcd ,可满足室外全天候、全色显示的需要,用 LED 彩色大屏幕可以表现天 空和海洋,实现三维动画。新一代红、绿、蓝超高亮度 LED 达到了前所未有的性能。三、超高亮度 LED 的应用 :1.信息指示灯汽车信号指示 :汽车指示灯在车的外部主要是方向灯、尾灯和刹车灯;在车的内部主要是各种仪表的照明和显示。超高亮度 LED 用于汽车指示灯与传统的白炽灯相比具有 许多优点,在汽车工业中有着广泛的市场。 LED 能够经受较强的机械冲击和震动。平均工 作寿命 MTBF 比白炽灯泡高出几个量级,远远高出汽车本身的工作寿命,因此 LED 刹车灯 可封装成一个整体,而不必考虑维修。透明衬底 Al.GaAs 和 AlInGaP LED 与带有滤光片的 白炽灯泡相比具有相当高的流明效率,这样 LED 刹车灯和方向灯就能够在较低的驱动电流 下工作,典型的驱动电流只有白炽灯的 1/4,从而降低了汽车用于行驶距离。较低的电功率 还可降低汽车内部线路系统的体积和重量, 同时还可减小集成化的 LED 信号灯的内部温升, 允许透镜和外罩使用耐温性能较低的塑料。 LED 刹车灯的响应时间为 100ns , 比白炽灯的响 应时间短, 这样便给司机留下了更多的反应时间, 从而提高了行车的安全保证。 汽车的外部 指示灯的照度及颜色均有明确规定。 汽车的内部照明显示虽不像外部信号灯那样受到政府有 关部门的控制,但汽车的制造者对 LED 的颜色及照度有要求。 GaP LED早已用于车内,超 高亮度 AlGaInP 和 InGaN LED由于在颜色和照度上可满足制造者的要求,因而将更多的取 代车内白炽灯。从价格上看,尽管 LED 灯与白炽灯相比还是较贵的,但从整个系统来看, 二者的价格并没有明显的差别。随着超高亮度 TS AlGaAs和 AlGaInP LED实用化的发展, 最近几年价格一直在不断降低,今后降低的幅度还会更大。交通信号指示 :用超高亮度 LED 取代白炽灯,用于交通信号灯、警示灯、标志灯现已遍及世界各地,市场广阔,需求量增长 很快。 根据美国交通部门 1994年的统计, 美国安装交通信号灯的十字路口有 26万个, 每个 十字路口至少要有 12个红色、黄色、蓝绿色信号灯。许多十字路口还有一些附加的转变标 志和跨越马路的人行横道警示灯。这样,每个十字路口可有 20信号灯,而且要同时发光。 由此可推算出美国全国约有 1.35亿个交通信号灯。 目前采用超高亮度 LED 取代传统的白炽 的灯降低电力损耗已取得明显效果。 日本每年在交通信号灯上的耗电量约为 100万千瓦, 采 用超高亮度 LED 取代白炽灯后,其耗电量仅为原来的 12%。交通信号灯每个国家的主管部门都要制定相应的规范,规定信号的颜色、最低 的照明强度, 光束空间分布的图样以及对安装环境的要求等。 尽管这些要求是按白炽灯编写 的,但对目前采用的超高亮度 LED 交通信号灯基本上是适用的。 LED 交通信号灯与白炽 灯相比,工作寿命较长,一般可达到 10年,考虑到户外恶劣环境的影响,预计寿命要减少 到 5-6年。目前超高亮度 AlGaInP 红、橙、黄色 LED 已实现产业化,价格也比较便宜,若 用红色超高亮度 LED 组成的模块取代传统的红色白炽交通信号灯头则可将因红色白炽灯突 然失效给安全造成的影响低到最低程度。 一般 LED 交通信号模块由若干组串联的 LED 单灯 组成, 以 12英寸的红色 LED 交通信号模块为例, 在 3-9组串联的 LED 单灯,每组串联的 LED 单灯数为 70-75个 (总数为 210-675LED 单灯 ,当有一个 LED 单灯失效时,只会影 响一组信号,其余各组减小到原来的 2/3(67%或 8/9(89%,并不会像白炽灯那样使整个信 号灯头失效。LED 交通信号模块的主要问题是造介仍然显得高些,以 12英寸的 TS-AlGaAs 红色 LED 交通信号模块为例,最早应用于 1994年,其造价为 350$,而到 1996年性能更好 的 12英的 AlGaInP LED交通信号模块, 造价则为 200$。 预计今后不会很久, InGaN 蓝绿色 LED 交通信号模块的价格将可与 AlGaInP 相比。白炽交通信号灯头的造价虽低,但耗电量 大,一个直径 12英寸的白炽交通信号灯头的耗电量为 150W ,横过马路人行道的交通警示 灯的耗电量为 67W ,据计算,每个十字路口的白炽信号灯每年的耗电量为 18133KWh ,折 合每年电费为 1450$;然而 LED 交通信号模块则非常省电,每个 8-12英寸的红色 LED 交 通信号模块耗电量分别为 15W 和 20W ,十字路口拐弯处的 LED 标志可用箭头开关显示, 耗电量仅有 9w ,据计算,每个十字路口每年可省电 9916KWh ,相当每年节省电费 793$。 按每个 LED 交通信号模块的平均造价 200$计,红色 LED 交通信号模块仅用其节省的电费, 3年后即可收回最初的成本造价, 并开始不断得到经济回报。 因此目前使用 AlGaInP LED交通信息模块,尽管造价显得地,但从长看,还是合算的。2.大屏幕显示大屏幕显示是超高亮度 LED 应用的另一巨大市场,包括 :图形、文字、数字的 单色、双色和全色显示。在表 2中列出了 LED 显示的各种用途。传统的大屏幕有源显示一 般采用白炽灯、 光纤、阴极射线管等;无源显示一般采用翻牌的方法。 表 3列出了几种显示 的性能比较。 LED 显示曾一直受到 LED 本身性能和颜色的限制。 如今, 超高亮度 AlGaInP 、 TS-AlGaAs 、 InGaN LED已能够提供明亮的红、黄、绿、蓝各种颜色,可完全满足实现全色 大屏幕显示的要求。 LED 显示屏可按像素尺寸装配成各种结构, 小像素直径一般小于 5mm , 单色显示的每个像素用一个 T-1(3/4的 LED 灯,双色显示的每个像素为双色的 T-1(3/4的 LED 灯,全色显示则需要 3个 T-1红、绿、蓝色灯,或者装配一个多芯片的 T-1(3/4的 LED 灯作为一个像素。大像素则是通过把许多 T-1(3/4红、绿、蓝色 LED 灯组合在一起构成的。 用 InGaN(480nm蓝、 InGaN(515nm绿和 ALGaAS(637nm红 LED 灯作为 LED 显示的三基色, 可以提供逼真的全色性能,而且具有较大的颜色范围包括 :蓝绿、绿红等,与国际电视系统 委员会 (NTSC规定的电视颜色范围基本相符。3.液晶显示 (LCD的背照明在液晶显示中至少有 10%采用有源光作为背照明,光源可使 LCD 显示屏的黑 暗的环境下易读, 全色 LCD 显示也需要光源。 LCD 背照明所需的光源主要有 :白炽灯泡、 场 致发光、冷阴极荧光、 LED 等,它们被列于表 4进行比较,其中 LED 在 LCD 背照明中最 有竞争力,新型的超高亮度 AlGaInP 、 AlGaAs 、 InGaN LED 可以提供高效率的发光和宽范 围的颜色。 LED 用于 LCD 背照明主要有三种方式。 (1最简单是把 LED 灯直 接安装在 LCD 散射膜的后面, 可用许多封装的 LED 灯, 它们应当具有非常宽的光束角, 以 使轴向光均匀性较好。也可以采用未封装的管芯,一般用 GaP LED ,然而用 AlGaInP 、 TS-AlGaAs LED则可在小电流下工作,减小功耗。 (2另一方式是边缘光 LCD 背照明,用一 个透明或半透明的矩形塑料块作为导光体,将其直接按装在 LCD 散射膜的后面,塑料块的 后表面涂上白色反光材料, LED 光从塑料块的一个侧边射入,其余侧边作以白色反光材料。 (3将 LED 发出的光导入光纤束之中,光纤束的散射膜后面构成一个平坦的薄片,可以用不 同的方法将光从薄片中取出作为 LCD 的背照明。 采用 LED 作为背照明的液晶显示器可用于 移动电话、 笔记本电脑, 随着小型液晶显示器在节电型通信产品中的广泛使用, 将会对超高 亮度 LED 有更大的需求。4.固体照灯全色超高亮度 LED 的实用化和商品化, 使照明技术面临一场新的革命, 由多个 超高亮度红、蓝、绿三色 LED 制成的固体照明灯不仅可以发出波长连续可调的各种色光, 而且还可以发出亮度可达几十到一百烛光的白色成为照明光源。 最近, 日本日亚公司利用其 InGaN 蓝光 LED 和荧光技术,又推出了白光固体发光器件产品,其色温为 6500K ,效率达 每瓦 7.5流明。对于相同发光