LED屏幕

簡介

LED屏幕發展曆程40年回顧，1970年代最早的GaP、GaAsP同質結紅、黃、綠色低發光效率的LED已開始應用于指示燈、數字和文字顯示。

從此LED開始進入多種應用領域，包括宇航、飛機、汽車、工業應用、通信、消費類産品等，遍及國民經濟各部門和千家萬戶。到1996年LED在全世界的銷售額已達到幾十億美元。盡管多年以來LED一直受到顔色和發光效率的限制，但由于GaP和GaAsP LED具有長壽命、高可靠性,工作電流小、可與TTL、CMOS數字電路兼容等許多優點因而卻一直受到使用者的青眯。 九十年代，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工藝技術研究的前沿課題。超高亮度(UHB)是指發光強度達到或超過100mcd的LED，又稱坎德拉(cd)級LED。高亮度A1GaInP和InGaN LED的研制進展十分迅速，現已達到常規材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能達到的性能水平。1991年日本東芝公司和美國HP公司研制成InGaA1P 620nm橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p590nm黃色超高亮度LED實用化。同年，東芝公司研制InGaA1P 573nm黃綠色超高亮度LED，法向光強達2cd。1994年日本日亞公司研制成InGaN 450nm藍(綠)色超高亮度LED。至此，彩色顯示所需的三基色紅、綠、藍以及橙、黃多種顔色的LED都達到了坎德拉級的發光強度，實現了超高亮度化、全色化，使發光管的戶外全色顯示成為現實。 我國發展LED起步于七十年代，産業出現于八十年代。全國約有100多家企業，95%的廠家都從事後道封裝生産，所需管芯幾乎全部從國外進口。通過幾個“五年計劃”的技術改造、技術攻關、引進國外先進設備和部分關鍵技術， 使我國LED的生産技術已向前跨進了一步。

性能

超高亮度紅A1GaAsLED與GaAsP-GaP LED相比，具有更高的發光效率，透明襯低(TS)A1GaAs LED(640nm)的流明效率已接近10lm/w，比紅色GaAsP-GaP LED大10倍。超高亮度InGaAlP LED提供的顔色與GaAsP-GaP LED相同包括:綠黃色(560nm)、淺綠黃色(570nm)、黃色(585nm)、淺黃(590nm)、橙色(605nm)、淺紅(625nm深紅(640nm)。透明襯底A1GaInP LED發光效率與其它LED結構及白熾光源的比較，InGaAlP LED吸收襯底(AS)的流明效率為101m/w，透明襯底(TS)為201m/w，在590－626nm的波長範圍内比GaAsP-GaP LED的流明效率要高10－20倍；在560－570的波長範圍内則比GaAsP-GaP LED高出2－4倍。超高亮度InGaN LED提供了蘭色光和綠色光，其波長範圍蘭色為450－480nm，蘭綠色為500nm，綠色為520nm；其流明效率為3－151m/w。超高亮度LED目前的流明效率已超過了帶濾光片的白熾燈，可以取代功率1w以内的白熾燈，而且用LED陣列可以取代功率150w以内的白熾燈。對于許多應用，白熾燈都是采用濾光片來得到紅色、橙色、綠色和蘭色，而用超高亮度LED則可得到相同的顔色。近年AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED将多個(紅、蘭、綠)超高亮度LED芯片組合在一起，不用濾光片也能得到各種顔色。包括紅、橙、黃、綠、藍，目前其發光效率均已超過白熾燈，正向熒光燈接近。發光亮度已高于1000mcd，可滿足室外全天候、全色顯示的需要，用LED彩色大屏幕可以表現天空和海洋，實現三維動畫。新一代紅、綠、藍超高亮度LED達到了前所未有的性能。

應用

信息指示燈

汽車信号指示:汽車指示燈在車的外部主要是方向燈、尾燈和刹車燈；在車的内部主要是各種儀表的照明和顯示。超高亮度LED用于汽車指示燈與傳統的白熾燈相比具有許多優點，在汽車工業中有着廣泛的市場。LED能夠經受較強的機械沖擊和震動。平均工作壽命MTBF比白熾燈泡高出幾個量級，遠遠高出汽車本身的工作壽命，因此LED刹車燈可封裝成一個整體，而不必考慮維修。透明襯底Al.GaAs和AlInGaP LED與帶有濾光片的白熾燈泡相比具有相當高的流明效率，這樣LED刹車燈和方向燈就能夠在較低的驅動電流下工作，典型的驅動電流隻有白熾燈的1/4，從而降低了汽車用于行駛距離。較低的電功率還可降低汽車内部線路系統的體積和重量，同時還可減小集成化的LED信号燈的内部溫升，允許透鏡和外罩使用耐溫性能較低的塑料。LED刹車燈的響應時間為100ns，比白熾燈的響應時間短，這樣便給司機留下了更多的反應時間，從而提高了行車的安全保證。汽車的外部指示燈的照度及顔色均有明确規定。汽車的内部照明顯示雖不像外部信号燈那樣受到政府有關部門的控制，但汽車的制造者對LED的顔色及照度有要求。GaP LED早已用于車内，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在顔色和照度上可滿足制造者的要求，因而将更多的取代車内白熾燈。從價格上看，盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的，但從整個系統來看，二者的價格并沒有明顯的差别。随着超高亮度TS AlGaAs和AlGaInP LED實用化的發展，最近幾年價格一直在不斷降低，今後降低的幅度還會更大。

交通信号指示:用超高亮度LED取代白熾燈，用于交通信号燈、警示燈、标志燈現已遍及世界各地，市場廣闊，需求量增長很快。根據美國交通部門1994年的統計，美國安裝交通信号燈的十字路口有26萬個，每個十字路口至少要有12個紅色、黃色、藍綠色信号燈。許多十字路口還有一些附加的轉變标志和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣，每個十字路口可有20信号燈，而且要同時發光。由此可推算出美國全國約有1.35億個交通信号燈。目前采用超高亮度LED取代傳統的白熾的燈降低電力損耗已取得明顯效果。日本每年在交通信号燈上的耗電量約為100萬千瓦，采用超高亮度LED取代白熾燈後，其耗電量僅為原來的12%。

交通信号燈每個國家的主管部門都要制定相應的規範，規定信号的顔色、最低的照明強度，光束空間分布的圖樣以及對安裝環境的要求等。盡管這些要求是按白熾燈編寫的，但對目前采用的超高亮度LED交通信号燈基本上是适用的。 LED交通信号燈與白熾燈相比，工作壽命較長，一般可達到10年，考慮到戶外惡劣環境的影響，預計壽命要減少到5－6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實現産業化，價格也比較便宜，若用紅色超高亮度LED組成的模塊取代傳統的紅色白熾交通信号燈頭則可将因紅色白熾燈突然失效給安全造成的影響低到最低程度。一般LED交通信号模塊由若幹組串聯的LED單燈組成，以12英寸的紅色LED交通信号模塊為例，在3－9組串聯的LED單燈，每組串聯的LED單燈數為70－75個(總數為210－675LED單燈)，當有一個LED單燈失效時，隻會影響一組信号，其餘各組減小到原來的2/3(67%)或8/9(89%)，并不會像白熾燈那樣使整個信号燈頭失效。

LED交通信号模塊的主要問題是造價仍然顯得高些，以12英寸的TS-AlGaAs紅色LED交通信号模塊為例，最早應用于1994年，其造價為350$，而到1996年性能更好的12英的AlGaInP LED交通信号模塊，造價則為200$。預計今後不會很久，InGaN藍綠色LED交通信号模塊的價格将可與AlGaInP相比。白熾交通信号燈頭的造價雖低，但耗電量大，一個直徑12英寸的白熾交通信号燈頭的耗電量為150W，橫過馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W，據計算，每個十字路口的白熾信号燈每年的耗電量為18133KWh，折合每年電費為1450$；然而LED交通信号模塊則非常省電，每個8－12英寸的紅色LED交通信号模塊耗電量分别為15W和20W，十字路口拐彎處的LED标志可用箭頭開關顯示，耗電量僅有9w，據計算，每個十字路口每年可省電9916KWh，相當每年節省電費793$。按每個LED交通信号模塊的平均造價200$計，紅色LED交通信号模塊僅用其節省的電費，3年後即可收回最初的成本造價，并開始不斷得到經濟回報。因此目前使用AlGaInP LED交通信息模塊，盡管造價顯得地，但從長看，還是合算的。

大屏幕顯示

大屏幕顯示是超高亮度LED應用的另一巨大市場，包括:圖形、文字、數字的單色、雙色和全色顯示。在表2中列出了LED顯示的各種用途。傳統的大屏幕有源顯示一般采用白熾燈、光纖、陰極射線管等；無源顯示一般采用翻牌的方法。表3列出了幾種顯示的性能比較。LED顯示曾一直受到LED本身性能和顔色的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS-AlGaAs、InGaN LED已能夠提供明亮的紅、黃、綠、藍各種顔色，可完全滿足實現全色大屏幕顯示的要求。LED顯示屏可按像素尺寸裝配成各種結構，小像素直徑一般小于5mm，單色顯示的每個像素用一個T-1(3/4)的LED燈，雙色顯示的每個像素為雙色的T-1(3/4)的LED燈，全色顯示則需要3個T-1紅、綠、藍色燈，或者裝配一個多芯片的T-1(3/4)的LED燈作為一個像素。大像素則是通過把許多T-1(3/4)紅、綠、藍色LED燈組合在一起構成的。用InGaN(480nm)藍、InGaN(515nm)綠和ALGaAS(637nm)紅LED燈作為LED顯示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有較大的顔色範圍包括:藍綠、綠紅等，與國際電視系統委員會(NTSC)規定的電視顔色範圍基本相符。

相關研究

LED屏幕在當代社會生活許多方面都已經有了廣泛的應用,從電腦屏幕到手機屏幕,再到電視屏幕,這些無不對社會生活産生重要的影響。電視舞台美術是電視節目中有着重要表現力的關鍵元素,直接影響電視節目的觀看效果。本文通過LED屏幕的原理和材料特點,分析其具有的優勢。LED屏幕大量在舞台上的大量應用趨勢,是由于LED屏幕自身的光源屬性,兼有畫面流動性的特點,擴展了舞台虛構空間的概念,同時對電視節目的内容設置也産生了重要的影響。