回顾2016年,LED行业诸多技术取得了突破性发展。本文盘点了全球各地的一些LED相关的新技术及新应用信息,期望大家能够从中吸取应用创意养分，以创造出更多优秀的产品。
爱尔兰研究员设计金字塔形量子点LED
日前,爱尔兰廷德尔国家研究所(Tyndall National Institute)的研究人员采用可扩展且兼容于代工厂的微影技术工艺,设计出金字塔形的量子点发光二极管(LED),可望为量子运算产生作用与状态相关联的纠缠光子。
项目负责人Emanuele Pelucchi博士表示,这项研究未来将可能用于量子计算的研究,以加速量子技术的应用。
二维材料结合制作“量子LED”
剑桥大学的研究者在《自然·通信》(Nature Communications)发文称,作为有光学活性的半导体,二硒化钨和二硫化钨可以用于制作量子光发生器。
过渡金属硫族化合物薄层提供了一个电子填充空穴的二维紧密受限区域。当电子移动到处于较低能级的空穴中时,能级差会产生一个光子。在英国研究者制作的量子LED中,电压推动电子通过器件并填充空穴,产生单光子。研究者们相信,这个完全电控的超薄平台将使量子通信中的片上单光子发射更接近现实。
这项研究表明二硒化钨可以作为电控量子发射器。然而研究者也表明二硫化钨是一种全新的可以全电控产生可见光波段单光子的量子发射器。
CSP LED结合量子点技术解决LED微缩技术瓶颈
现阶段小间距LED显示屏应用在室内100寸~150寸已经渐趋成熟。但以目前技术来说,PLCC的LED封装体的缩小尺寸极限约在0505(mm)。若想要进一步做到100寸以下的小间距LED显示屏,LED微缩就面临了成本与波长均一度的挑战。目前一般蓝光波长均匀性的量产水准是5~12nm,而小间距LED的波长均一度目标是3~4nm。另外,当LED封装体的尺寸持续缩小时,为了避免打线造成体积增加,红光LED需从垂直(Vertical)改成覆晶(flip chip)形式,成本甚至超过蓝光LED和绿光LED在小间距显示屏的成本总和达一倍之多。
LED磊晶大厂晶电(Epistar)突破限制的做法,便是结合CSP和量子点(QD)技术,透过量子点光转换,解决蓝绿光LED波长均匀性不佳,以及红光LED覆晶昂贵的问题。晶电的量子点小间距LED,封装体尺寸可做到0303甚至0202(mm),点距(pitch)达到0.5mm以下。以解析度的业界标准而言,这样的LED封装体,甚至可做到60寸以下的小显示器,可望大幅打开小间距LED显示屏的应用范围。
沸石可使LED照明更便宜与高效
来自鲁汶大学,斯特拉斯堡大学和法国国家科研中心的研究人员发现了一种新的荧光粉,可使下一代的荧光灯和LED照明更便宜和更有效。该小组利用了高发光的银原子簇和沸石类矿物的多孔构架。
银簇由少量的银原子组成,具有显着的光学性质。然而目前的应用很有限,因为银簇往往聚集成较大的颗粒,从而失去了令人关注的光学性能。教授霍夫肯和他的团队从分子成像和光电单元中发现了一种方法能让银簇分开插入到沸石的多孔结构中。研究结果表明,稳定的银簇能保持其独特的光学性能。
沸石类矿物可在自然界中发现,也可工业合成。这种矿物有非常明晰的构架。它们通常用于家用和工业应用,如洗衣粉和水处理。Maarten Roeffaers教授从表面化学和催化作用的角度解释说:“沸石含有钠或钾离子。我们用离子交换来取代这些离子和银离子。为了获得我们想要的簇,我们用银离子加热沸石,使银离子自动成簇。
新型LED散热装置技术
新型LED散热装置专利技术采用全新的散热理念,使LED灯的体积和重量比节能灯(荧光灯)小、轻,但灯的功率不受任何限制。同时,该项目关于功率因数校正的两项专利打破了相关技术被国外垄断的局面,并且减少了一个开关管和一些配套的电阻电容。这不仅简化了电路,还避免了开关动作产生的功率损耗和电磁骚扰。
科技部火炬中心研究员何志明对该技术给予了充分肯定,同时建议加强产学研结合,尽快形成完整的LED照明产品,并取得数据支撑,以便更好地完成产业化及市场推广。
南工大研制最高效钙钛矿LED
9月26日,笔者从南京工业大学获悉,江苏省柔性电子重点实验室黄维院士、王建浦教授团队在钙钛矿发光二极管(LED)研究领域取得重大突破,他们创新性地设计并制备了一种具有多量子阱结构的钙钛矿LED,其器件效率和稳定性远超国际同行报道的其他钙钛矿LED。这一突破性进展发表在国际顶级学术期刊《自然·光子学》(Nature Photonics)上。
据了解,黄维院士团队创造性地采用溶液加工方法将无机LED中用于提高器件发光效率的量子阱结构引入到钙钛矿LED中,开发了具有多量子阱结构的钙钛矿发光材料,兼具二维钙钛矿材料成膜质量高和三维钙钛矿材料发光效率高的优点。利用这种维度可调的多量子阱钙钛矿材料,创造了目前钙钛矿LED能量转换效率的世界最高纪录。此次研究开拓了新的研究方向,有望在进一步深入研究的基础上,在未来实现产业化。
新型交流LED照明技术
针对LED直接被交流电驱动时发光频闪这一世界难题,长春应化所与四川新力光源股份有限公司于2008年开始合作,开展新型交流LED照明技术的研发。经过6年多的不懈探索和开拓,科研人员研发出了一种以发光材料为核心的全新交流LED技术,该技术达到了国际领先水平,使我国成为了世界唯一能够利用发光材料生产低频闪交流LED产品的国家,有力推动了我国LED照明技术水平。
目前,该项成果已成功在四川新力光源股份有限公司和中科光电(长春)股份有限公司实现转化,产品具有电路简单、成本低、散热好、能效高、使用寿命长等优点,已通过我国的相关认证,以及美国保险商实验室、欧洲统一等机构的认证,并销往美国、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多个国家,取得了显著的经济效益。
美研究人员或可让LED达到零光衰
伊利诺大学香槟分校研究人员发展出一种新的方法,提升绿光LED亮度并且提高其效率。使用产业内标准的半导体长晶技术,研究人员在硅基板上制造氮化镓(GaN)晶体,这种晶体能够产生高功率的绿光,应用于固态照明。
伊利诺大学的电气与计算机工程系助理教授Can Bayram表示:“这是一个具有突破性的制程,研究人员成功在可调式的CMOS硅制程上生产新的原料,也就是方形氮化镓(cubic GaN),这种原料主要用于绿色波长射极。”
将半导体用于感测以及通讯能够打开可见光通讯的应用,而光通讯正是彻底改变光应用的技术。支援CMOS制程的LED能够达到快速、高效率、低功率且多重应用的绿光LED同时能够省下许多制程装置的费用。
攻克未解难题 Saphlux研发出更亮的LED
随着第一代以c面氮化镓为基础的固体照明材料遇到瓶颈,半极性氮化镓材料成为全球光学材料研究热点之一,但却一直无法解决批量生产的问题,价格居高不下。成立于2014年的初创公司Saphlux,研发了一种新技术,可以在标准的大尺寸蓝宝石衬底上直接生长半极性氮化镓,解决了量产难题。
Saphlux通过多次试验,终于在今年初找到了解决方法(涉及商业机密赞不方便对外透露),打破了原有的半极性氮化镓材料生长模式,不仅可以在标准的大尺寸蓝宝石衬底上直接生长半极性氮化镓,还能直接控制晶体生长的方向和形状。
这一底层技术的突破,意味着有望突破第一代材料量子效率下降和绿光光隙的瓶颈,制成下一代大功率、高光效的LED和激光产品,尤其是对医疗、户外等对照明要求高的领域意义重大。
台学者研发出世界首个全彩LED
近日,华人科学家陈志佳及叶亚川研发出世界第一个全彩LED。他们使用氮化镓材料研发出三种特殊的量子结构,可以发出三种不同颜色的光,可以独立射出也可以混合发射。由于LED有省电和寿命长的特性,采用全彩LED制成的全LED显示器,将可能取代目前使用的液晶技术(LCD),甚至超越有机发光二极体(OLED)。
该项计划主持人陈志佳博士说,用氮化镓材料制成蓝光或绿光LED已是成熟技术,但制成红光LED则非常困难,他们不但是世界少数能达到此一目标的团队,且是唯一能够将三原色光集中在一个小器件上,并能随意取用其中任一颜色,如果加上电路的适当调配,更可以混合出无数多种颜色光,画面品质将更加漂亮。
日本研发出不使用稀有元素的红光LED
日本东京工业大学与京都大学的研究小组发布消息称,已研发出不使用高价稀有元素的红色发光半导体。据悉,今后有望利用地球上蕴藏量丰富的氮制成的氮化物,以低廉的成本运用于红色发光二极管(LED)与太阳能电池。研究小组就半导体候补物质将含锌氮化物设定为瞄准对象,列出了583个种类名单,通过超级计算机预测结晶结构与稳定性等,从中筛选出21种。
研究人员在其中选出一个适合用于红色LED的物质,在1200度、约5万气压的条件下合成。该物质在光照下发出预期中的红光,被发现有望成为红色LED的材料。使用低价氮化物的LED已成功实现蓝色与绿色,但红色始终未得到实际运用,存在必须使用稀有元素及难废弃原材料的问题。
东京工业大学计算材料科学教授大场史康表示:“该物质仅需钙、锌和氮等蕴藏量丰富的元素即可制成。今后想研究更为简单的合成方式,推动实际运用。”
新型石墨烯复合材料可降温延长LED产品使用寿命
台湾研究人员已经制备出新型石墨烯复合材料,可有效降低LED温度,从而大幅度提高LED的使用寿命。研究人员使用钛酸酯偶联剂(TCA)作为还原氧化石墨烯和聚酰胺的桥分子,制成的致密纳米复合材料比单独使用聚合物的导热性提升了53%。他们测试了两种不同组分的材料(一种里面仅仅有聚酰胺,另一种是聚酰胺/钛酸酯-石墨烯的复合材料),将这两种材料都应用到LED当中,并用热成像和热电偶进行分析。
聚酰胺/钛酸酯-石墨烯材料有着更高的平衡温度,这表明该材料比聚酰胺材料的热传递速率更快。研究人员测试了该复合材料的耐久性,结果表明持续使用过程中,连接处的高温会使得LED的性能下降。结果表明,复合材料保留了其光强的95%,而聚酰胺单组份材料只保留了69%。
事实上,该研究团队已经研究出了一种热塑性材料,该材料与更昂贵的石墨烯的热性能相当,并可以采用注塑工艺成型,制品形状易于控制。该材料有助于制备低成本、重量轻、柔性的LED散热片,还提高了LED的使用寿命。该研究成果已在Carbon中发表。
韩国研发出无荧光粉白色LED
韩国科学技术院(KAIST)物理学教授研究团队成功研发出制造无荧光粉白色LED的技术,可望运用在次世代照明及显示器上。KAIST研究团队以半导体芯片取代荧光粉。顶部为同心圆模样的金字塔结构,设计成复合结构体。制造出的3D结构体各个面以不同条件形成量子井(Quantum Wells),各发出不同的颜色。
研究团队说明,调整制造3D结构体的时间和条件,以改变各结晶面面积的方法,制造出多元混色的LED。研究团队也找到了可使用高倍数显微镜测量3D结构体内部电流注入程度的方法。只要研发出可有效注入电流的方法,就可调整LED元件效率和色彩重现度。
研发团队表示,未来可透过3D半导体制程研发改善效率,催生不使用荧光粉的低价、色彩重现度高的单一芯片白色光源。相关研究成果刊登在自然杂志Light:Science & Applications在线版。
台湾大学团队开发创新白光LED技术
前要制作白光LED,若不是采用白色磷光体(phosphor)材料涂布包覆于单色LED之外,就是将红光、绿光与蓝光LED混合在一起;台湾大学(National Taiwan University,NTU)的研究人员正在开发一种技术,能从单一分层柱状(tiered-column)LED产生单一像素(pix)的白光。
上述技术是由台湾大学光电工程学研究所(Institute of Photonicsand Optoelectronics)教授杨志忠所率领的团队正在进行的研究;其基本概念是将量子阱(quantumwells)嵌入在同一基板上生长、排列非常紧密的氮化镓(GaN)与氮化铟镓(InGaN)奈米柱(nano-rods)。杨志忠指出,那些LED阵列是以有机金属化学气相沉积(MOCVD)脉冲生长方法制作,能达到比采用传统制程技术更佳的发光性能。
“我们能生长出不同截面尺寸的多节(multi-section)奈米柱,相较于单节奈米柱能展现更宽广的发射频谱;”杨志忠在接受EETimes美国版编辑独家专访时表示:“我们开发这种多节奈米柱LED的目标,是能发射出免磷光体的白光。”
杨志忠表示,这种侧壁发光(sidewallemission)可能更有效率,因为会有更大的表面区域;透过垂直扩展不同直径的金字塔,甚至在每个奈米柱内能发出更多光。结合适当平衡的红绿蓝(RGB)光源,这种方法应该也能产生各种冷暖色调的白光。
松下研发出光扩散型塑料 可广泛用于商业照明领域
日本大阪松下公司宣布已研发出了光扩散型聚丙烯树脂(PP)模塑料,名为“FULLBRIGHT”PP。该公司称该光扩散型聚丙烯树脂(PP)模塑料可延长LEDs的使用寿命。松下称,该材料适用于注拉吹塑成型,其面世使复杂形状的成型加工成为可能,而且有助于赋予客户更大的产品设计自由度。
松下研发的聚丙烯脂材料能够加工0.5毫米薄壁成型产品,这在之前是无法实现的;松下称,该材料能实现小于10%的加工厚度精度。松下表示,公司之前使用的材料在产品被吹塑至0.5毫米厚度时产生一个孔洞。
光扩散聚丙烯树脂模塑料克服了传统PP树脂模塑料的耐光性弱点并实现了优良的耐化学性,有助于延长LED照明的使用寿命。光扩散聚丙烯树脂模塑料的耐光性:在90°C400W汞灯30厘米近的条件下,暴露90天后(约2000小时)褪色。ΔE:2.0以下,相当于户外环境中10年,人们才会注意到材料褪色;公司之前的材料ΔE为:17。
材料的低比重特性有助于实现LED照明设备的轻量化设计。该材料有着广泛的应用,可用于商店照明、户外广告牌、数字看板,水景照明和汽车车内照明灯。
UV LED技术太阳能充电净水装置
隆德大学水资源工程教授肯尼斯?佩尔松指出:“目前全球有7.5亿人无法获得清洁用水,提供安全饮用水一项巨大的挑战,也是人类最重要的目标之一。”鉴于此,他与一名工程师于2013年联合成立的环保公司Watersprint,并开发出一种采用太阳能充电和UVLED技术的净水设备,该设备提供的净水远远超过智能电网所能覆盖的区域。
据了解,该技术是通过UV LED技术与智能软件和Wi-Fi结合来净化水质。其12伏系统非常有效,并且可以在单个太阳能电池板中运行。太阳能电池也能够进行自身充电,因此该便携式设备在农村无电区也能使用。这款小巧便携的太阳能电池站已经被安置在孟加拉国农村地区。去年10月已经安装首台净水装置,目前还有9台净水装置已经交付给孟加拉国项目。
紫外LED自由曲面配光技术应用取得新进展
在重庆市科技计划项目支持下,中国科学院重庆绿色智能技术研究院集成光电技术研究中心在紫外LED自由曲面配光技术的应用研究中取得重要进展,成功将紫外LED光源用于曝光机领域,产品已在PCB、液晶面板、触摸屏等行业获得应用。相关成果已获得国家专利授权(专利号:用于紫外LED准直的透镜201320875490.0、高均匀度的紫外LED曝光头201420651432.4)。
传统的平行光曝光机采用高压汞灯作为光源,其寿命只有1000小时,耗电高,且有污染。采用UVLED替换汞灯光源,寿命可达汞灯的50倍,耗电量可减少90%,大幅降低企业生产成本,环保无污染。
目前,重庆研究院已突破LED多自由曲面精确配光、适用于紫外波段的无机光学元件加工等关键技术,首次研发出基于紫外LED的平行光曝光头,平行半角可控制在±2°以内,照明不均匀性小于3%,照明强度高达40mW/cm2。
绿光LED新材料能解决“绿色鸿沟”难题
英国剑桥大学(University of Cambridge)与2家半导体公司日前合作利用立方氮化镓(cubic GaN;或称3C GaN)材料,做为绿光LED发光材料,希望能解决绿光部分材料因转换效率不佳而出现的绿色鸿沟(greengap)问题。
Wallis还指出,使用立方GaN另一益处则是绿光LED能隙比六边GaN还低200mV,因此可节省铟的使用,但也有其缺点。因为在GaN,3C结晶晶格在热力学上较不稳定,因此在达到可成长磊晶的温度时,只有六边结晶可形成,除非能量平衡可透过人工加以调整,所幸Anvil半导体目前已研发出方法。采用该公司发明的成长立方碳化硅(cubic silicon carbide)方法,其晶格常数已与立方GaN相当接近,让立方结晶可以顺利成长。
Wallis透露,剑桥大学已成功成长立方结构低于99%的GaN并在材料上成长量子井,未来该校将继续在量子井附近成长N与P型层,以便形成可透过偏压将电子转换成光子的二极管。
研究发现混合奈米晶体LED设计可抑制效率下降
南京大学(NJU)的研究人员们采用一种混合奈米晶体的途径,在氮化铟镓(InGaN)/氮化镓(GaN)蓝光LED结构的奈米孔洞中填充奈米晶体,据称可大幅提高白光LED的效率。
他们在发布于《应用物理快报》(Applied Physics Letters)的研究中指出,提高色彩转换效率(CCE)的关键取决于有效的非辐射谐振能量转移,而不是在结合蓝光InGaN/GaN LED与向下转换材料(如磷或甚至半导体奈米晶体(NC)等)时经常发生的辐射泵。
温大教授发明材料让白光LED灯寿命更长
温州大学化学与材料工程学院瓯江特聘教授向卫东,发明了新材料,能让LED灯寿命延长10年左右,并能长时间照射,让LED灯更广泛地用于高档汽车、高铁、飞机、潜艇等照明上。
向卫东教授花费多年精力,研究出了黄光单晶材料,该种材料是在2000℃高温的环境下生产制备而成,只要在每个LED蓝光芯片上放一片相匹配(例如24瓦单颗光源可用5.5mm×5.5mm单晶匹配)的黄光单晶材料,就能发出稳定的白光。因该晶体耐高温、导热性好等特性,可以让LED灯更加耐用,使用寿命更长,尤其可以让灯泡不会因长时间照射产生的高温导致损害,因此非常适合运用于高档汽车的车灯、高铁、飞机或是潜艇等照明上。
瓦克推出新款LED封装用硅橡胶
慕尼黑的瓦克化学集团成功开发出两种新的LED封装用材料。这两种名为LUMISIL740和LUMISIL770的有机硅封装材料可固化成高透明的有机硅弹性体,并能够承受极高的工作温度和强烈的光线辐射,而不黄变或脆化,尤其适用于对高效LED进行封装。
LUMISIL740和LUMISIL770这两种新的LED封装材料均为双组分配方,可在室温条件下通过铂催化加成反应进行交联,其硫化胶能够达到聚二甲基硅氧烷典型的1.41的折射率,属“正常折射系数类”封装材料(Normal Refractive Index Encapsulant)。它们能够有效地保护LED敏感的半导体芯片不受环境影响,也可用作荧光染料的载体,有针对性地改变LED光线的颜色。
