三大发明人谈LED新十年:与新技术同行

2013-11-29 10:55:05来源: 中国半导体照明网
    在日前举办的第十届中国国际半导体照明论坛(CHINASSL2013)上,蓝光LED发明人中村修二教授、黄光LED发明人George Craford教授及OLED发明人邓青云教授齐聚一堂,他们从自己对技术和产业的角度阐述半导体照明新技术的未来发展前景,成为LED论坛史无前例的盛况。

       LED照明前景可期

       在中村修二指出,LED照明将是未来的一个发展趋势。

       他从技术的角度,就半导体照明技术的第一代LED以及第二代LED做了分析对比。第一代LED是在碳化硅和硅做基底,第二代LED是基于氮化镓做基底的,氮化镓基底的LED性能有了很大的提高,电流密度可以很大,温度可以很高,相比第一代LED,这种氮化镓的LED非常好。

       通过利用半极化和非极化,可以有效提高发光效率。2007年,中村修二研发团队发现,利用半极化和非极化平面,可使LED发光成本降低50%,发光率增长50%,这样的技术已经应用。氮化镓基底没有蓝宝石基底的缺陷,且可以提高电流密度,散热增加0.4%-0.5%,LED亮度更好。

       除了发光效率,成本上LED下降也很快。一项技术的产业化通常会受到成本的制约。有时候人们会说一千流明有多少成本?中村修二介绍,使用氮化镓基底,电流密度可以增长10%,可以大幅降低成本,对现在LED的贡献不止10%。氮化镓基底的成本也许会增加30-40%,但是它的发光密度会增加40%以上,总体算下来还是很合算。

       氮化镓基底还可以减少LED模块的数量。对于一些电光源,过去用蓝宝石基底需要7个模块,现在用氮化镓基底可以只用一个氮化镓基底。

       总体来看,氮化镓比蓝宝石基底的LED更好,而且成本下降,能够满足现有LED技术要求,电流密度可比以前增加10倍,照明质量更高。中村修二对LED照明应用很有信心。他相信,随着未来产业中LED技术的加速采用,发光质量的提升和总体成本的下降,LED照明将会有一个光明的未来。

       未来十年新技术怎样影响照明系统

       LED产业已经获得了整个业界的支持和扶持,可说是势不可挡。但是人类究竟需要什么样的照明?未来会有什么样的新技术?这些新技术会对LED照明产生怎样的影响?

       回溯过去可以更好地预测未来。黄光LED发明人George Craford教授展示了过去十年LED性能的变化。从最开始采用甲基荧光粉的LED,到LED发光亮度发展到接近100流明,但LED灯非常昂贵,直到1986年LED技术出现了更好的发展,在具备同样照明亮度的情况下,LED每流明价格大幅降低。多年来LED照明一直在不断研发,也出现了很多新的技术,使得现在LED亮度有了近十倍的改善,伴随着每一次改善我们都会看到每流明的成本下降。

       现在出现了革命性的发展。George Craford指出,目前可以看到,每瓦特流明预计2020年会翻一番,成本会下降10倍。

       过去十年LED的性能革命

       封装对降低成本是一个非常重要的因素。过去使用陶瓷的封装使得成本不断下降,针对客户想要的应用,也出现了多种多样的封装。即使是陶瓷的封装也有变化。色彩的控制也是消费者想要的。比如飞利浦有LUXEON TX产品,它有非常好的热性能、色彩的控制。LED性能不断上升,2010年末到2012年性能上升了23%,现在性能又进一步上升了15%,总体上出现了40%以上的性能提高。

       接下来十年当中会出现什么样的状况?George Craford表示,首先是每瓦流明数和每美元流明数不断提升,发光质量持续优化,而且灯的质量也会不断上升。其次是现在的一些新技术可能会对未来照明产生影响,但是还很难指出哪个技术更重要。不仅仅是LED照明本身,接下来的十年当中整个照明系统都会出现变化。要生产一个高效的LED,要有电效率、转化效率等参数。LED底部荧光粉转换效率上,目前绿光和蓝光的效率几乎接近实际的限值,要继续提高性能,就必须在这些而不只是一个领域做出改进。如果将来有窄带系的荧光粉,则可以继续提高照明绩效20%,随着荧光粉的改进照明绩效也会进一步上升。现在的显色指数(CRI)也不是很好。下图中显示出两个红色的荧光粉。红色荧光粉只要稍微调整CRI就会出现改变,这说明显色指数并不是想象中那么重要。也许在接下来的十年,会有技术突破发生,人们可以找到比CRI更好的系数。

       显色指数受到其他因素的影响而发生变化

       什么样的技术突破比较重要呢?一是可以降低成本。利用极化的和非极化的氮化镓作为基板,使基板的成本不断下降。二是提升发光效率。George Craford称,现在高性能的绿光还没有出现,如果把红、绿、蓝色光结合在一起就需要有效的绿光,这是一个棘手的问题。如果获得比较好的CRI,从理论上来讲可以获得更大的效率。三是冲破固有理念。如果利用激光或者窄截距的光源,可以获得比较好的光束,但是在这些不同的光线当中会有一些颜色的局限。因此,在色彩方面还是需要做出进一步的研发工作,以便研发出多色彩的LED灯。四是,荧光粉是否可以应用在碳化硅、氮化镓以及一氧化锌衬底当中?是否有好的方法实现光子结构的应用?还有散热等问题也需要关注。

       第三,照明系统将从“替代”阶段继续演进,继而出现新的应用。从历史延续来说,如果没有白炽灯阶段就不可能有LED灯泡。George Craford尤其指出,那么,是否还可以利用其他的方式去替代LED灯,或者替代荧光粉,使得所有的灯具都出现很多的变化?是否可以最优地利用LED?事实上有时候新事物出现的速度比我们想象的快,比如数字颜色的改变还有动作的感知、灯的通信等。思索人们究竟需要什么样的照明,这个问题很有意义。

       第四是光与健康生活的问题。蓝光可以对人们的健康产生很重要的影响。飞利浦公司和大学研究机构合作也作了一些研究。如果是带蓝光的白光会影响人们的生物节律,如果蓝光越多的话,褪黑素就会越少。如果光源能够调节,学生的学习成绩会比原来提高。他们的注意力也可增加70%。也许可以把LED嵌入到衣服当中。新的设计概念出现会影响我们的生活。

       OLED会威胁到 LED吗

       LED已然受到热捧,前途一片光明。但OLED也在进入照明领域。

       LED和OLED的区别很大。LED是一个晶体点光源,OLED实际上是一个扩散的光源区域,可以做成几米长,是有机质的薄膜。目前OLED正延伸到屏幕上的应用,试图取代LCD。

       以OLED为基础的小型屏幕大约在2000年时就在手机上得到应用。相对于多层的LCD,OLED只有两层,通电之后就可以发光。OLED的发光层材料与LED和LCD的最大不同就是,OLED是自我发光,关掉电源不能发光。因此,如果用它做屏幕或者显示屏,OLED的对比度很高。对于光源来讲,OLED对于显示屏来讲非常重要。

       在很多应用中可以发挥OLED的优势。比如三星用OLED的技术做了大概超过5亿个手机。Iphone 5S也使用了OLED。邓青云指出,事实上现在OLED在显示屏上和LED差不多。如果想要在电视上应用OLED,则还需要跨越很多的障碍。但现在香港和美国都已有应用,2013年10月份香港已经有了OLED电视,是55英寸的LG可卷曲显示屏,比LED的性能更好。三星认为OLED屏幕电视会取代LCD电视,并做了很多努力。松下公司也在发展OLED技术。调研公司DisplaySearch预测,未来在电视市场中2016年电视用货量将超过250Million台。

       

OLED的电视出货量预测

       邓青云介绍,LED有非常多的蓝光,但是绿光不足。相比之下,OLED绿光非常多,蓝光非常少,所以可以做很柔和的光线,这是OLED的特点。在照明领域,由于OLED是分散式的光源,它的2GB颜色效率非常高。分散的光源不能作为点光源使用,因此,现在OLED主要是应用在装饰中,还没有应用在普通的照明中。但邓青云表示,如果把成本降下来,OLED应该是未来很重要的普通照明光源。

       OLED的性能在进步,目前的发光效率已经达到90流明,寿命达到一万小时以上。普林斯顿大学和加州大学也做了研究,根据他们的研究,OLED的效率可以达到100%。OLED的出光有时候会有一些损失,最大的问题就是蓝光的问题,它的蓝光寿命很短。想要提高OLED发光效率,要同时提高和优化它的结构。邓青云透露,在OLED显示屏领域有几十亿的投资,在开发第五代到第八代的显示屏,最终也会波及照明业的发展。

       封装技术和材料会助推OLED的未来应用。邓青云教授指出,一位大学教授开发了一个OLED的结构,已经达到了100流明每瓦。如果制造出OLED结构的话,就能使它的出光率更高。如果对OLED基底做一个特殊的处理,发光效率可以达到110流明,前提是必须要保证塑料耐用,因此要考虑到封装技术是否好。

       现在,欧司朗的OLED电灯已经出现。邓青云相信,随着技术的进步,OLED未来会更便宜更好。

       与新技术相遇

       可以发现,OLED在显示屏上和LED差不多,而且在手机当中也有大量出货。有理由推测,在非点光源领域,随着OLED的成本降低,OLED与LED将有一个应用市场的交集和竞争。而在OLED电视方面,LG已经开发出可卷曲55英寸显示屏,这对该市场的LED照明来说也是一个信号,就是它已经和OLED迎面轻微相撞。LED如天马出群众星捧月,OLED则如龙居浅水,初露升腾。OLED潜伏着什么样的机遇?未来的碰撞程度会如何呢?就目前的LED市场来说,如George Craford所言,人们究竟需要什么样的照明?也还需要我们继续挖掘、研究。也许还可以利用其他的方式去替代LED灯,或者替代荧光粉,使得所有的灯具都出现很多的变化。

       技术的前行是必然规律,我们正与新技术同行。

关键字:LED新十年

编辑:冯超 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/2013/1129/article_9660.html
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