基于白光LED的一种新型光电器件——卡灯

LED 是light emitting diode (发光二极管)的缩写,是一种由半导体技术制成的电光源。LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层,称为P2N结。在正向导通时,半导体中的多数载流子和少数载流子复合,释放出的能量以光子或部分以光子的形式发射出来,大量的光子形成光子流,即发光。P2N结加反向电压时,少数载流子难以注入,故不发光。由于半导体材料的带隙能量不同,不同半导体材料的LED可以发出不同颜色的光。

LED光源具有体积小、寿命长、耗电量小、反映速度快、颜色丰富、可平面封装等特点,是一种环保节能的冷光源。由于LED有以上特点,所以被广泛用于显示和照明领域。

1965年,第一款商用LED (发红光)问世,效率仅为0. 1 lm /W。1968 年, 由GaAsP 材料制作的LED效率已达到1 lm /W ,并且能发出红、橙、黄色光。20世纪90年代初,发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的Ga InN 两种新材料的开发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。1998年,白光LED的开发成功标志着照明技术革命的到来。

1 白光LED的最新进展

2006年12月,日本日亚化学工业发布正向电流为20 mA 时、发光效率达到150 lm /W 的白色LED,其发光效率达到了提高演色性后的荧光灯的约1. 7倍,为白炽灯的11. 5倍,甚至超过了普遍认为发光效率最高的高压钠灯。昭和电工集团(SDK)研究出一种制造氮化镓(GaN)基及其他氮化物基优质复合半导体的新工艺,主要用于蓝色和白色LED。2007年2月, Philip s Lumileds宣布LED外延技术( ,基本解决白光大功率LED光效随电流攀升而下降的问题,可令光效随驱动电流的增加而增加。Cyberlux公司宣称, 使用塑料材质可让白光LED的售价更低廉,这种技术既能显著降低制造成本,照明亮度也优于传统白光LED。2007年3 月,首尔半导体( SSC)推出3. 5万小时、光通量96 lm的八角形2 W 单芯片Acriche,可直接插在110 V 或220 V交流电源上使用,无需AC /DC转换器。SSC计划到2008年Ariche光效提高到120 lm /W。

目前,LED芯片厚度只有0. 4 mm, LED的光引出技术也有很大进步。因此,带LED的背光源逐步用于第三代手机、PDA、手提DVD、数字摄像机等小型显示器。另外,汽车上的各种灯,如前后灯、侧灯、前照灯、车内照明灯及仪表盘显示器,将全面进入开发应用。根据Strategies Un2limited的统计,日本大型车灯厂小系(Kohido)估算,到2008年所有的新车都会以LED作为车灯。

2 白光LED卡灯

国内一家光电器件有限公司为日本带工一款新的白光LED产品,名称为“卡灯”,产品实物如图1所示。这是白光LED的新应用,已申请专利。

图1 白光LED卡灯实物

2. 1 LED卡灯的结构及原理

目前制造的LED卡灯多为小尺寸,发光部分面积从3. 81 cm (1. 5吋)到6. 0 cm ( 2. 4吋) 。结构分为框架、背光源模块、闪烁电路、供电部分、开关五部分:

(1)框架

框架用来安装整合其他部分,使之成为一个整体,根据不同需要可以加工成不同几何形状,图1中卡灯上为长方形。

(2)背光源模块

背光源模块是卡灯的最重要部分,决定卡灯的发光面积和发光质量。背光源模块又由LED灯、反射板、导光板、扩散板、遮光板、增透棱镜和背光源框架组成。LED灯为发光源,导光板使几个LED灯发出的光扩展到整个发光面,扩散板通过漫反射原理使发出的光更加均匀,增透棱镜可以改变出射光线的角度,把更多光线聚集在正面观看者的方向,遮光板用来控制发光面积和发光面形状。

(3)闪烁电路

卡灯内部安装通常安装闪烁电路,通过控制开关,调节卡灯的发光部分发出几种不同模式的光。

普通的闪烁电路可以提供常亮、长间隔闪烁、快速闪烁三种模式。

(4)供电部分

LED的工作电压在3 V左右,由于LED具有省电的特点,给卡灯供电的电源可以是钮扣电池。由钮扣电池供电的卡灯结构紧凑,可做成厚度较小的产品。也可以使用拆卸式可充电锂电池,使用充电锂电池的优点为节约资源。若卡灯被经常使用,用充电锂电池结构更为合理。

(5)开关

用来连接电路和电源,调节卡灯开、关及发光模式。

2. 2 亮度测试

测试卡灯亮度采用多点辉度计(BM—7) ,BM—7有2°/1°/0. 2°/0. 1°等4个量测角度可切换,最小测量面积可达φ0. 1 mm。可测量亮度L、色度X、Y,三色值X、Y、Z,色温、响应时间、对比度等。广泛用于LCD、BLU、LCM等领域的量测,是液晶行业的标准。

3. 8 cm (1. 5吋)的卡灯有两个白光LED,利用BM—7,对发光面积为3. 8 cm ( 1. 5吋)的卡灯进行亮度测试,亮度测试采用九点测试法。测试点位置如图2所示。

图2 九点测试示意图

选取5 个LED 背光,选用测试仪器TOPCONBM-7 ,测试距离为50 cm,测试条件是电流I = 20mA。测得9个点的亮度值如表1 (单位是cd /㎡) :

2. 3 数据分析

均匀度R的计算公式为:

由上面的公式计算出,五组背光有效发光部分的均匀度分别为92%、86%、93%、92%、88% ,其中最大均匀度已达到93%,最小值也有86%。所有均匀度都在85%以上,这说明卡灯等在光源均匀度方面已经很高。表格最后一项是每组9个点亮度的平均值,第四组数值较低,分析可能为安装工艺原因。

除去第四组,都超3 400 cd /m2。而通常亮度超过200 cd /m2就可以很好满足应用了。

为直观对比各测试点的亮度大小,每个点取五个亮度平均值,制成三维曲面图如图3所示,其中水平面的横轴和纵轴表示测量点的位置,用点的数字标号标注,垂直的数值轴表示9个点的亮度平均值,单位为cd /m2。

以上数据显示,卡灯的亮度和均匀度都很好。但是从图3可以看出,发光面边缘亮度高,中心亮度低,这点在以后需要改进。

图3 卡灯亮度值分布

2. 4 卡灯的应用

LED卡灯在日常生活中有很多应用。白光LED卡灯体积轻薄、环保,通常集成在其他商品结构中,在卡灯发光部分可附着半透明卡片(如名片、标签、节日卡等) 。当卡灯点亮时,尤其是在黑暗处,卡片内容会被突显出来。除白色卡灯,已经用红、绿、黄色LED制作成彩色卡灯。礼品包装盒装上这种彩色卡灯,可以起到装饰作用。另外,由于卡灯上装有闪烁电路,闪烁的灯光能够引起人们注意,所以卡灯也用在安全方面。

3 结束语

随着100 lm /W级白光LED的开发成功,白光LED在显示和照明方面应用的普及化进程中又向前迈进了一步,由白光LED制作的新器件也越来越多。欧盟已经表示要在两年内用LED完全取代白炽灯,中国政府也启动了绿色照明工程。可以肯定的是,随着白光LED在汽车、显示器背光源、照明电器中应用不断增加,LED时代必将很快到来。

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