白光LED的新应用--卡灯的结构和原理

　　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

　　06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。

　　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。

　　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。

　　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。