LED灯是怎么诞生的?未来它会如何发展?

2018年07月12日
撰文/方牧怀刘如熹
本文节选自《知识就是力量》杂志
 
夕阳西下,一盏盏发光二极体(light-emitting diode, LED)路灯渐渐亮起;下班后在拥挤的公交车厢里,人们玩着手上的智能手机;繁华的街道上,五光十色的LED招牌炫丽地闪烁着。
这些场景对我们来说,也许再平凡不过,但你可曾想过,在1990年以前,LED仅用作指示灯。由于1993年一项革命性的发明,使LED领域跨入新的时代,不久后,白光LED也随之问世。
一、蓝光LED的诞生
LED最早起源于1961年,美国德州仪器公司发展以磷化铟镓材料合成的 LED,其放光波长范围为近红外线。1962年,奇异公司发展的红色发光二极体,因其转化效率差且发光波长远离可见光范围,因此未被广泛应用,仅用作指示灯。1991年,美国HP公司与日本东芝公司研发的绿色发光二极体,因缺少蓝光 LED,无法利用三色原理组合成白光照明光源。
直到1993年,日本的中村修二成功开发出具高亮度的蓝光发光二极体。相较于传统的日光灯与炽灯泡,LED 不仅体积小、环保、省电,寿命更是长达10万小时,且因其低耗电的特性,对于电力缺乏的发展中国家,无疑是一大福音,现今环保意识与节能观念逐渐提升,发光二极体已跃升为 21 世纪照明与显示器的新光源。
二、革命性的照明装置
为了将LED运用于照明装置,可使用红、绿与蓝三种颜色的 LED 组成白光。这虽然可以解决过去无法产生白光的问题,但此装置也有许多缺点,不仅成本过高,而且三种 LED 的寿命不同,如果其一损坏,就必须淘汰此装置。因此,世界各国的科学家也积极寻找解决方法,而此问题的答案为——荧光粉。
作为发光二极体基础材料的无机粉体被称为荧光粉,此材料具有高光能转换效率与高色彩饱和度,合成与加工步骤简易,主要可分为主体晶格与活化剂两个部分,主体晶格为荧光粉体的主要晶体结构,并提供活化剂的配位环境,其将影响活化剂放光特性。
活化剂则为掺杂在主体之离子,为主要发光中心,通常为稀土元素。而最著名的荧光粉莫过于 1996 年日亚化学揭示的铈掺杂钇铝石榴石(简称 YAG),此荧光粉可被蓝光 LED 激发(波长为 460 纳米)。而 YAG 所放出的黄光,经适当调控荧光粉添加量,可得到由蓝光LED 晶片所放出的蓝光,加上 YAG 黄色荧光粉所放出的黄光,即可形成白光。此装置不仅成本低,更可避免使用三种不同颜色 LED 所面临的各自寿命不同的问题。
三、LED的未来会怎么发展?
据统计,若台湾 1/4 的白炽灯泡与传统日光灯替换为白光 LED,则每年可省下约 110 亿千瓦时的电力,相当于核电厂一年的发电量,因此,作为日后照明的主要光源,如何提升 LED 亮度与降低成本势必成为一大课题。
现代手机、平板电脑与大型 LED 电视的普及,也使LED更普遍地用于背光面板。因为蓝光LED的发明,使得今日的世界可以运用电脑控制,使LED发出数百万种颜色的光,因此,大到路上随处可见的大型LED展示板、红绿灯,小到荧幕的背光系统,都有LED的身影。
另外,现代常利用电脑控制LED放光的强度与颜色来模拟日照,来进行温室植栽,因此我们常可以在同一时间看到不同季节的花卉。
本文来源:知识就是力量公众号
工作动态