技術是推動LED產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的強大驅動力,也是企業(yè)闊步登上世界舞臺的底氣和硬氣。在國際經(jīng)濟不景氣的背景之下,LED行業(yè)只有不斷研發(fā)出新技術,才能突破行業(yè)的瓶頸,才能保證行業(yè)得到長久發(fā)展。
回顧2016年,LED行業(yè)諸多技術取得了突破性發(fā)展。本文盤點了全球各地的一些LED相關的新技術及新應用信息,期望大家能夠從中吸取應用創(chuàng)意養(yǎng)分，以創(chuàng)造出更多優(yōu)秀的產(chǎn)品。
愛爾蘭研究員設計金字塔形量子點LED
日前,愛爾蘭廷德爾國家研究所(Tyndall National Institute)的研究人員采用可擴展且兼容于代工廠的微影技術工藝,設計出金字塔形的量子點發(fā)光二極管(LED),可望為量子運算產(chǎn)生作用與狀態(tài)相關聯(lián)的糾纏光子。
項目負責人Emanuele Pelucchi博士表示,這項研究未來將可能用于量子計算的研究,以加速量子技術的應用。
二維材料結合制作“量子LED”
劍橋大學的研究者在《自然·通信》(Nature Communications)發(fā)文稱,作為有光學活性的半導體,二硒化鎢和二硫化鎢可以用于制作量子光發(fā)生器。
過渡金屬硫族化合物薄層提供了一個電子填充空穴的二維緊密受限區(qū)域。當電子移動到處于較低能級的空穴中時,能級差會產(chǎn)生一個光子。在英國研究者制作的量子LED中,電壓推動電子通過器件并填充空穴,產(chǎn)生單光子。研究者們相信,這個完全電控的超薄平臺將使量子通信中的片上單光子發(fā)射更接近現(xiàn)實。
這項研究表明二硒化鎢可以作為電控量子發(fā)射器。然而研究者也表明二硫化鎢是一種全新的可以全電控產(chǎn)生可見光波段單光子的量子發(fā)射器。
CSP LED結合量子點技術解決LED微縮技術瓶頸
現(xiàn)階段小間距LED顯示屏應用在室內(nèi)100寸~150寸已經(jīng)漸趨成熟。但以目前技術來說,PLCC的LED封裝體的縮小尺寸極限約在0505(mm)。若想要進一步做到100寸以下的小間距LED顯示屏,LED微縮就面臨了成本與波長均一度的挑戰(zhàn)。目前一般藍光波長均勻性的量產(chǎn)水準是5~12nm,而小間距LED的波長均一度目標是3~4nm。另外,當LED封裝體的尺寸持續(xù)縮小時,為了避免打線造成體積增加,紅光LED需從垂直(Vertical)改成覆晶(flip chip)形式,成本甚至超過藍光LED和綠光LED在小間距顯示屏的成本總和達一倍之多。
LED磊晶大廠晶電(Epistar)突破限制的做法,便是結合CSP和量子點(QD)技術,透過量子點光轉換,解決藍綠光LED波長均勻性不佳,以及紅光LED覆晶昂貴的問題。晶電的量子點小間距LED,封裝體尺寸可做到0303甚至0202(mm),點距(pitch)達到0.5mm以下。以解析度的業(yè)界標準而言,這樣的LED封裝體,甚至可做到60寸以下的小顯示器,可望大幅打開小間距LED顯示屏的應用范圍。
沸石可使LED照明更便宜與高效
來自魯汶大學,斯特拉斯堡大學和法國國家科研中心的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的熒光粉,可使下一代的熒光燈和LED照明更便宜和更有效。該小組利用了高發(fā)光的銀原子簇和沸石類礦物的多孔構架。
銀簇由少量的銀原子組成,具有顯著的光學性質。然而目前的應用很有限,因為銀簇往往聚集成較大的顆粒,從而失去了令人關注的光學性能。教授霍夫肯和他的團隊從分子成像和光電單元中發(fā)現(xiàn)了一種方法能讓銀簇分開插入到沸石的多孔結構中。研究結果表明,穩(wěn)定的銀簇能保持其獨特的光學性能。
沸石類礦物可在自然界中發(fā)現(xiàn),也可工業(yè)合成。這種礦物有非常明晰的構架。它們通常用于家用和工業(yè)應用,如洗衣粉和水處理。Maarten Roeffaers教授從表面化學和催化作用的角度解釋說:“沸石含有鈉或鉀離子。我們用離子交換來取代這些離子和銀離子。為了獲得我們想要的簇,我們用銀離子加熱沸石,使銀離子自動成簇。
新型LED散熱裝置技術
新型LED散熱裝置專利技術采用全新的散熱理念,使LED燈的體積和重量比節(jié)能燈(熒光燈)小、輕,但燈的功率不受任何限制。同時,該項目關于功率因數(shù)校正的兩項專利打破了相關技術被國外壟斷的局面,并且減少了一個開關管和一些配套的電阻電容。這不僅簡化了電路,還避免了開關動作產(chǎn)生的功率損耗和電磁騷擾。
科技部火炬中心研究員何志明對該技術給予了充分肯定,同時建議加強產(chǎn)學研結合,盡快形成完整的LED照明產(chǎn)品,并取得數(shù)據(jù)支撐,以便更好地完成產(chǎn)業(yè)化及市場推廣。
南工大研制最高效鈣鈦礦LED
9月26日,筆者從南京工業(yè)大學獲悉,江蘇省柔性電子重點實驗室黃維院士、王建浦教授團隊在鈣鈦礦發(fā)光二極管(LED)研究領域取得重大突破,他們創(chuàng)新性地設計并制備了一種具有多量子阱結構的鈣鈦礦LED,其器件效率和穩(wěn)定性遠超國際同行報道的其他鈣鈦礦LED。這一突破性進展發(fā)表在國際頂級學術期刊《自然·光子學》(Nature Photonics)上。
據(jù)了解,黃維院士團隊創(chuàng)造性地采用溶液加工方法將無機LED中用于提高器件發(fā)光效率的量子阱結構引入到鈣鈦礦LED中,開發(fā)了具有多量子阱結構的鈣鈦礦發(fā)光材料,兼具二維鈣鈦礦材料成膜質量高和三維鈣鈦礦材料發(fā)光效率高的優(yōu)點。利用這種維度可調的多量子阱鈣鈦礦材料,創(chuàng)造了目前鈣鈦礦LED能量轉換效率的世界最高紀錄。此次研究開拓了新的研究方向,有望在進一步深入研究的基礎上,在未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
新型交流LED照明技術
針對LED直接被交流電驅動時發(fā)光頻閃這一世界難題,長春應化所與四川新力光源股份有限公司于2008年開始合作,開展新型交流LED照明技術的研發(fā)。經(jīng)過6年多的不懈探索和開拓,科研人員研發(fā)出了一種以發(fā)光材料為核心的全新交流LED技術,該技術達到了國際領先水平,使我國成為了世界唯一能夠利用發(fā)光材料生產(chǎn)低頻閃交流LED產(chǎn)品的國家,有力推動了我國LED照明技術水平。
目前,該項成果已成功在四川新力光源股份有限公司和中科光電(長春)股份有限公司實現(xiàn)轉化,產(chǎn)品具有電路簡單、成本低、散熱好、能效高、使用壽命長等優(yōu)點,已通過我國的相關認證,以及美國保險商實驗室、歐洲統(tǒng)一等機構的認證,并銷往美國、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多個國家,取得了顯著的經(jīng)濟效益。
美研究人員或可讓LED達到零光衰
伊利諾大學香檳分校研究人員發(fā)展出一種新的方法,提升綠光LED亮度并且提高其效率。使用產(chǎn)業(yè)內(nèi)標準的半導體長晶技術,研究人員在硅基板上制造氮化鎵(GaN)晶體,這種晶體能夠產(chǎn)生高功率的綠光,應用于固態(tài)照明。
伊利諾大學的電氣與計算機工程系助理教授Can Bayram表示:“這是一個具有突破性的制程,研究人員成功在可調式的CMOS硅制程上生產(chǎn)新的原料,也就是方形氮化鎵(cubic GaN),這種原料主要用于綠色波長射極。”
將半導體用于感測以及通訊能夠打開可見光通訊的應用,而光通訊正是徹底改變光應用的技術。支援CMOS制程的LED能夠達到快速、高效率、低功率且多重應用的綠光LED同時能夠省下許多制程裝置的費用。
攻克未解難題 Saphlux研發(fā)出更亮的LED
隨著第一代以c面氮化鎵為基礎的固體照明材料遇到瓶頸,半極性氮化鎵材料成為全球光學材料研究熱點之一,但卻一直無法解決批量生產(chǎn)的問題,價格居高不下。成立于2014年的初創(chuàng)公司Saphlux,研發(fā)了一種新技術,可以在標準的大尺寸藍寶石襯底上直接生長半極性氮化鎵,解決了量產(chǎn)難題。
Saphlux通過多次試驗,終于在今年初找到了解決方法(涉及商業(yè)機密贊不方便對外透露),打破了原有的半極性氮化鎵材料生長模式,不僅可以在標準的大尺寸藍寶石襯底上直接生長半極性氮化鎵,還能直接控制晶體生長的方向和形狀。
這一底層技術的突破,意味著有望突破第一代材料量子效率下降和綠光光隙的瓶頸,制成下一代大功率、高光效的LED和激光產(chǎn)品,尤其是對醫(yī)療、戶外等對照明要求高的領域意義重大。
臺學者研發(fā)出世界首個全彩LED
近日,華人科學家陳志佳及葉亞川研發(fā)出世界第一個全彩LED。他們使用氮化鎵材料研發(fā)出三種特殊的量子結構,可以發(fā)出三種不同顏色的光,可以獨立射出也可以混合發(fā)射。由于LED有省電和壽命長的特性,采用全彩LED制成的全LED顯示器,將可能取代目前使用的液晶技術(LCD),甚至超越有機發(fā)光二極體(OLED)。
該項計劃主持人陳志佳博士說,用氮化鎵材料制成藍光或綠光LED已是成熟技術,但制成紅光LED則非常困難,他們不但是世界少數(shù)能達到此一目標的團隊,且是唯一能夠將三原色光集中在一個小器件上,并能隨意取用其中任一顏色,如果加上電路的適當調配,更可以混合出無數(shù)多種顏色光,畫面品質將更加漂亮。
日本研發(fā)出不使用稀有元素的紅光LED
日本東京工業(yè)大學與京都大學的研究小組發(fā)布消息稱,已研發(fā)出不使用高價稀有元素的紅色發(fā)光半導體。據(jù)悉,今后有望利用地球上蘊藏量豐富的氮制成的氮化物,以低廉的成本運用于紅色發(fā)光二極管(LED)與太陽能電池。研究小組就半導體候補物質將含鋅氮化物設定為瞄準對象,列出了583個種類名單,通過超級計算機預測結晶結構與穩(wěn)定性等,從中篩選出21種。
研究人員在其中選出一個適合用于紅色LED的物質,在1200度、約5萬氣壓的條件下合成。該物質在光照下發(fā)出預期中的紅光,被發(fā)現(xiàn)有望成為紅色LED的材料。使用低價氮化物的LED已成功實現(xiàn)藍色與綠色,但紅色始終未得到實際運用,存在必須使用稀有元素及難廢棄原材料的問題。
東京工業(yè)大學計算材料科學教授大場史康表示:“該物質僅需鈣、鋅和氮等蘊藏量豐富的元素即可制成。今后想研究更為簡單的合成方式,推動實際運用。”
新型石墨烯復合材料可降溫延長LED產(chǎn)品使用壽命
臺灣研究人員已經(jīng)制備出新型石墨烯復合材料,可有效降低LED溫度,從而大幅度提高LED的使用壽命。研究人員使用鈦酸酯偶聯(lián)劑(TCA)作為還原氧化石墨烯和聚酰胺的橋分子,制成的致密納米復合材料比單獨使用聚合物的導熱性提升了53%。他們測試了兩種不同組分的材料(一種里面僅僅有聚酰胺,另一種是聚酰胺/鈦酸酯-石墨烯的復合材料),將這兩種材料都應用到LED當中,并用熱成像和熱電偶進行分析。
聚酰胺/鈦酸酯-石墨烯材料有著更高的平衡溫度,這表明該材料比聚酰胺材料的熱傳遞速率更快。研究人員測試了該復合材料的耐久性,結果表明持續(xù)使用過程中,連接處的高溫會使得LED的性能下降。結果表明,復合材料保留了其光強的95%,而聚酰胺單組份材料只保留了69%。
事實上,該研究團隊已經(jīng)研究出了一種熱塑性材料,該材料與更昂貴的石墨烯的熱性能相當,并可以采用注塑工藝成型,制品形狀易于控制。該材料有助于制備低成本、重量輕、柔性的LED散熱片,還提高了LED的使用壽命。該研究成果已在Carbon中發(fā)表。
韓國研發(fā)出無熒光粉白色LED
韓國科學技術院(KAIST)物理學教授研究團隊成功研發(fā)出制造無熒光粉白色LED的技術,可望運用在次世代照明及顯示器上。KAIST研究團隊以半導體芯片取代熒光粉。頂部為同心圓模樣的金字塔結構,設計成復合結構體。制造出的3D結構體各個面以不同條件形成量子井(Quantum Wells),各發(fā)出不同的顏色。
研究團隊說明,調整制造3D結構體的時間和條件,以改變各結晶面面積的方法,制造出多元混色的LED。研究團隊也找到了可使用高倍數(shù)顯微鏡測量3D結構體內(nèi)部電流注入程度的方法。只要研發(fā)出可有效注入電流的方法,就可調整LED元件效率和色彩重現(xiàn)度。
研發(fā)團隊表示,未來可透過3D半導體制程研發(fā)改善效率,催生不使用熒光粉的低價、色彩重現(xiàn)度高的單一芯片白色光源。相關研究成果刊登在自然雜志Light:Science & Applications在線版。
臺灣大學團隊開發(fā)創(chuàng)新白光LED技術
前要制作白光LED,若不是采用白色磷光體(phosphor)材料涂布包覆于單色LED之外,就是將紅光、綠光與藍光LED混合在一起;臺灣大學(National Taiwan University,NTU)的研究人員正在開發(fā)一種技術,能從單一分層柱狀(tiered-column)LED產(chǎn)生單一像素(pix)的白光。
上述技術是由臺灣大學光電工程學研究所(Institute of Photonicsand Optoelectronics)教授楊志忠所率領的團隊正在進行的研究;其基本概念是將量子阱(quantumwells)嵌入在同一基板上生長、排列非常緊密的氮化鎵(GaN)與氮化銦鎵(InGaN)奈米柱(nano-rods)。楊志忠指出,那些LED陣列是以有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)脈沖生長方法制作,能達到比采用傳統(tǒng)制程技術更佳的發(fā)光性能。
“我們能生長出不同截面尺寸的多節(jié)(multi-section)奈米柱,相較于單節(jié)奈米柱能展現(xiàn)更寬廣的發(fā)射頻譜;”楊志忠在接受EETimes美國版編輯獨家專訪時表示:“我們開發(fā)這種多節(jié)奈米柱LED的目標,是能發(fā)射出免磷光體的白光。”
楊志忠表示,這種側壁發(fā)光(sidewallemission)可能更有效率,因為會有更大的表面區(qū)域;透過垂直擴展不同直徑的金字塔,甚至在每個奈米柱內(nèi)能發(fā)出更多光。結合適當平衡的紅綠藍(RGB)光源,這種方法應該也能產(chǎn)生各種冷暖色調的白光。
松下研發(fā)出光擴散型塑料 可廣泛用于商業(yè)照明領域
日本大阪松下公司宣布已研發(fā)出了光擴散型聚丙烯樹脂(PP)模塑料,名為“FULLBRIGHT”PP。該公司稱該光擴散型聚丙烯樹脂(PP)模塑料可延長LEDs的使用壽命。松下稱,該材料適用于注拉吹塑成型,其面世使復雜形狀的成型加工成為可能,而且有助于賦予客戶更大的產(chǎn)品設計自由度。
松下研發(fā)的聚丙烯脂材料能夠加工0.5毫米薄壁成型產(chǎn)品,這在之前是無法實現(xiàn)的;松下稱,該材料能實現(xiàn)小于10%的加工厚度精度。松下表示,公司之前使用的材料在產(chǎn)品被吹塑至0.5毫米厚度時產(chǎn)生一個孔洞。
光擴散聚丙烯樹脂模塑料克服了傳統(tǒng)PP樹脂模塑料的耐光性弱點并實現(xiàn)了優(yōu)良的耐化學性,有助于延長LED照明的使用壽命。光擴散聚丙烯樹脂模塑料的耐光性:在90°C400W汞燈30厘米近的條件下,暴露90天后(約2000小時)褪色。ΔE:2.0以下,相當于戶外環(huán)境中10年,人們才會注意到材料褪色;公司之前的材料ΔE為:17。
材料的低比重特性有助于實現(xiàn)LED照明設備的輕量化設計。該材料有著廣泛的應用,可用于商店照明、戶外廣告牌、數(shù)字看板,水景照明和汽車車內(nèi)照明燈。
UV LED技術太陽能充電凈水裝置
隆德大學水資源工程教授肯尼斯?佩爾松指出:“目前全球有7.5億人無法獲得清潔用水,提供安全飲用水一項巨大的挑戰(zhàn),也是人類最重要的目標之一。”鑒于此,他與一名工程師于2013年聯(lián)合成立的環(huán)保公司W(wǎng)atersprint,并開發(fā)出一種采用太陽能充電和UVLED技術的凈水設備,該設備提供的凈水遠遠超過智能電網(wǎng)所能覆蓋的區(qū)域。
據(jù)了解,該技術是通過UV LED技術與智能軟件和Wi-Fi結合來凈化水質。其12伏系統(tǒng)非常有效,并且可以在單個太陽能電池板中運行。太陽能電池也能夠進行自身充電,因此該便攜式設備在農(nóng)村無電區(qū)也能使用。這款小巧便攜的太陽能電池站已經(jīng)被安置在孟加拉國農(nóng)村地區(qū)。去年10月已經(jīng)安裝首臺凈水裝置,目前還有9臺凈水裝置已經(jīng)交付給孟加拉國項目。
紫外LED自由曲面配光技術應用取得新進展
在重慶市科技計劃項目支持下,中國科學院重慶綠色智能技術研究院集成光電技術研究中心在紫外LED自由曲面配光技術的應用研究中取得重要進展,成功將紫外LED光源用于曝光機領域,產(chǎn)品已在PCB、液晶面板、觸摸屏等行業(yè)獲得應用。相關成果已獲得國家專利授權(專利號:用于紫外LED準直的透鏡201320875490.0、高均勻度的紫外LED曝光頭201420651432.4)。
傳統(tǒng)的平行光曝光機采用高壓汞燈作為光源,其壽命只有1000小時,耗電高,且有污染。采用UVLED替換汞燈光源,壽命可達汞燈的50倍,耗電量可減少90%,大幅降低企業(yè)生產(chǎn)成本,環(huán)保無污染。
目前,重慶研究院已突破LED多自由曲面精確配光、適用于紫外波段的無機光學元件加工等關鍵技術,首次研發(fā)出基于紫外LED的平行光曝光頭,平行半角可控制在±2°以內(nèi),照明不均勻性小于3%,照明強度高達40mW/cm2。
綠光LED新材料能解決“綠色鴻溝”難題
英國劍橋大學(University of Cambridge)與2家半導體公司日前合作利用立方氮化鎵(cubic GaN;或稱3C GaN)材料,做為綠光LED發(fā)光材料,希望能解決綠光部分材料因轉換效率不佳而出現(xiàn)的綠色鴻溝(greengap)問題。
Wallis還指出,使用立方GaN另一益處則是綠光LED能隙比六邊GaN還低200mV,因此可節(jié)省銦的使用,但也有其缺點。因為在GaN,3C結晶晶格在熱力學上較不穩(wěn)定,因此在達到可成長磊晶的溫度時,只有六邊結晶可形成,除非能量平衡可透過人工加以調整,所幸Anvil半導體目前已研發(fā)出方法。采用該公司發(fā)明的成長立方碳化硅(cubic silicon carbide)方法,其晶格常數(shù)已與立方GaN相當接近,讓立方結晶可以順利成長。
Wallis透露,劍橋大學已成功成長立方結構低于99%的GaN并在材料上成長量子井,未來該校將繼續(xù)在量子井附近成長N與P型層,以便形成可透過偏壓將電子轉換成光子的二極管。
研究發(fā)現(xiàn)混合奈米晶體LED設計可抑制效率下降
南京大學(NJU)的研究人員們采用一種混合奈米晶體的途徑,在氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)藍光LED結構的奈米孔洞中填充奈米晶體,據(jù)稱可大幅提高白光LED的效率。
他們在發(fā)布于《應用物理快報》(Applied Physics Letters)的研究中指出,提高色彩轉換效率(CCE)的關鍵取決于有效的非輻射諧振能量轉移,而不是在結合藍光InGaN/GaN LED與向下轉換材料(如磷或甚至半導體奈米晶體(NC)等)時經(jīng)常發(fā)生的輻射泵。
溫大教授發(fā)明材料讓白光LED燈壽命更長
溫州大學化學與材料工程學院甌江特聘教授向衛(wèi)東,發(fā)明了新材料,能讓LED燈壽命延長10年左右,并能長時間照射,讓LED燈更廣泛地用于高檔汽車、高鐵、飛機、潛艇等照明上。
向衛(wèi)東教授花費多年精力,研究出了黃光單晶材料,該種材料是在2000℃高溫的環(huán)境下生產(chǎn)制備而成,只要在每個LED藍光芯片上放一片相匹配(例如24瓦單顆光源可用5.5mm×5.5mm單晶匹配)的黃光單晶材料,就能發(fā)出穩(wěn)定的白光。因該晶體耐高溫、導熱性好等特性,可以讓LED燈更加耐用,使用壽命更長,尤其可以讓燈泡不會因長時間照射產(chǎn)生的高溫導致?lián)p害,因此非常適合運用于高檔汽車的車燈、高鐵、飛機或是潛艇等照明上。
瓦克推出新款LED封裝用硅橡膠
慕尼黑的瓦克化學集團成功開發(fā)出兩種新的LED封裝用材料。這兩種名為LUMISIL740和LUMISIL770的有機硅封裝材料可固化成高透明的有機硅彈性體,并能夠承受極高的工作溫度和強烈的光線輻射,而不黃變或脆化,尤其適用于對高效LED進行封裝。
LUMISIL740和LUMISIL770這兩種新的LED封裝材料均為雙組分配方,可在室溫條件下通過鉑催化加成反應進行交聯(lián),其硫化膠能夠達到聚二甲基硅氧烷典型的1.41的折射率,屬“正常折射系數(shù)類”封裝材料(Normal Refractive Index Encapsulant)。它們能夠有效地保護LED敏感的半導體芯片不受環(huán)境影響,也可用作熒光染料的載體,有針對性地改變LED光線的顏色。
