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2017年即将画上句号 LED技术团队在关注什么?

发表时间:2017-12-13 15:55

2017年即将画上句号,回顾LED行业一整年的发展,在诸多技术难题上获得了喜人的突破。2017年产业集中度得到进一步提升,发展进入良性轨道。特别是近几年在技术创新的强力推动下,我国LED产业关键技术与国际水平差距进一步缩小,产业规模持续扩大。那么,关于LED,技术团队都在关注什么?除了紫外UV LED、Micro LED等,LED还有哪些最新技术进展。


研究发现加入硼可解决LED发光效率下降现象


密西根研究团队11月发表最新研究,发现将化学元素硼(Boron)加入氮化铟镓 (INGan) 材料可以让LED半导体的中间层(middle layer)厚度变大,解决发光效率随着注入电流的提高而下降的现象。这项研究已经刊登于应用物理学快报(Applied PhysicsLetters)。


发光二极管(Light-emitting diode)半导体由带有正电性质的P型半导体和带有电子的N型半导体组合,通电后具有正电性质的电洞(hole) 会和电子(electron)结合并产生光,在中间层的所使用的材质将决定波长长短。


电子和电洞移动到中间层时,有太多的电子同时被挤压到中间层,会使其相互碰撞、无法有效的和电洞结合,降低发光效率,而这种情形又称之为欧格再结合(Auger recombination)。


而要解决这项问题的办法是增加中间层的厚度,好让电子和电洞有足够的空间;然而要增加中间层的厚度却没有想象中容易。


因为LED半导体是晶体状,原子间有其固定排列规则,而该特定间距又称为晶体参数(lattice parameter)。当晶体材料相互层叠生长时,它们的晶格参数必须相似,原子排列规则与材料连接处才能匹配,否则材料会变形。


研究者Williams和Kioupakis透过预测模型发现,将硼加入氮化铟镓,可以增加中间层的厚度,以利电子和电洞结合。BInGaN材料发出的光的波长也非常接近于氮化铟镓的波长,可以调整出不同的颜色。


这项研究是否能实际在实验室产出还是未知数,而究竟要掺入多少的的硼元素也是一项挑战,但是密西根研究团队的发现对新型LED的研发是一大贡献。

LED在显微技术中的应用


基于其高亮度、高可控性及宽光谱输出的特点,LED近期发展出了一些不为大家所熟知的专业照明应用。


荧光显微技术在生命科学中运用广泛,常常被用来研究生物样本,包括单细胞到整个组织的样本。这个过程涉及到利用光学显微镜使用特定波长的光束来刺激样品。由于斯托克斯(Stokes)位移——物质被光激发后,产生的电子跃迁(荧光)中,其吸收谱和发射谱峰值间的波长差或频率差,光束重新发射的荧光波长大于原激发光的波长。而把荧光显微技术中传统使用的灯泡换成LED光源,这一改变为该领域带来的效益远不止大大降低运行成本。


作用一:满足光谱需求


有些研究需要使用活细胞成像,另一些需要使用被化学试剂固定于某一特定生命时期的细胞。不论何种情况,用于照明样本的光源类型和设计对显微镜所需的硬件以及所记录图像的质量和有效性都有极大的影响。


早期使用LED系统的一个重要原因在于使用者及实验管理的便利性。最常见的灯泡,例如100 W高压汞灯,其寿命很短,约为300小时。使用者通常会在记事本上记录打开灯泡的时间,因为如果使用灯泡的时间过长,会增加爆炸的风险。然而,LED产品的使用寿命长达数万小时。


灯泡需要预热与冷却,而且一整天都要这样。而LED光源可以在需要的时候以电子方式打开或关闭,即在观察样本或成像期间打开光源,不使用的时候关闭。尽管用LED光源替代灯泡的卖点很多,但同时存在高亮度及光谱范围这两个主要问题,LED光源最初并未被广泛应用。

LED光源发出的光不是宽光谱而是半峰宽约10 nm至40 nm的类高斯光谱。因此光源设计人员要使用多个LED来满足研究人员的光谱需求,这就带来了光源设计过程中新的光电和机械复杂性,而这些问题对于传统光源来说是不存在的。捕捉和校准LED芯片的朗伯发射,然后使用双色镜组合出多种颜色,这已经成为了标准方法。朗伯定律表明,从漫反射表面观察到的发光强度与入射光和表面法线之间夹角θ的余弦值成正比。这种复杂性和损耗导致大多数LED光源最多能包含6种不同波长的光。


一种新颖且已获得专利的方法采用了波长组概念,即具有相近光谱的LED光波长成为一个用户可选择的通道,根据对高速应用的需求,可以把四组光谱分离的LED组合在一起。但关键是,某些波长接近的分组,在相同的样本中很少会同时用到。如今,研究人员可以使用包含16种波长的LED光源,使用这种方法能够提高LED的亮度、谱段范围,也能降低成本。


长期以来,灯泡光谱的绿光区域是最弱的,这部分区域在固态照明中被称为“绿色缺口”,也是LED光谱中极其微弱的区域。一种解决方法是使用由一系列明亮蓝色LED激发的荧光棒。与单芯片LED相比,在常见的荧光显微镜上使用这种方法会增加成本且使用不方便。对蓝色LED芯片功率的最新研究提出了更为简单的解决方案,即在LED上直接放置荧光剂,且只选择能够提供最大绿色光谱区域的荧光剂。下图中展现了由明亮绿色LED通过斯托克斯位移激发的红色光。


作用二:成像增强


显微技术的最终目标是获取优质图像。LED由于其固态特性可作为显微镜附件直接使用,无需重新校准。采用科勒照明(一种现代科学光学显微镜下的样品照明技术),光源中的光学器件可将LED成像到显微镜物镜的后孔径上。这种反向工作的物镜能够在样品的完整视场内均匀地分散光线,然而一些LED系统仍使用导光板,以减轻显微镜的重量和振动。


具有良好的阻挡和传输区域的滤光片能够改善图像的信噪比。在用于DAPI(6-二脒基-2-苯基吲哚)荧光团成像的典型激发滤光片和发射滤光片中,激发滤光片要挡住汞(Hg)光谱中蓝色区域的高能量光线。


相比之下,用于激发DAPI的LED在相应的激发带上产生了极低的能量,包括在样品成像相对较弱的蓝色区域。对比结果为,使用LED作为光源能够获得更好的图像信噪比,因为它减少了样品的背景色阶。爱丁堡大学的Sandrine Prost及其同事们的研究表明采用波长可控的独立LED光源,其信噪比的提高超过了灯泡系统,甚至超过了一些白色宽频谱LED光源。


同时,样品观测结果也会受观察过程的影响,因为细胞不适合暴露在高强度光线下。不当光照的负面作用包括光漂白和光毒性,随着时间推移,光照将导致信号减弱、活细胞死亡或行为异常。减少样品的照明时间对降低这些负面效应至关重要。传统灯泡光源通过机械快门来控制曝光,有时会造成长时间的延迟,导致样品在相机的曝光时间内被不必要地照亮。


使用自动控制的LED光源则可以解决这个问题。LED的直接逻辑电路(TTL)控制达到了微秒量级的开/关时间,优于USB通信方式。许多高端相机在曝光时有TTL信号输出,该信号可以直接反馈至LED光源,控制光源开/关,与相机曝光时间精确匹配。由于连续成像两至三个荧光团很常见,所以最新的LED光源将波长序列编程到光源内,相机按顺序依次进行曝光。这种电路连接方式减少了样品不必要的曝光,而机械控制的快门或者电脑控制方法都没有实时操作系统。


最近,高效节能的340 nm LED光源已经进入市场,可以进行钙荧光指示剂(Fura-2)的成像。这项应用可以捕捉到神经网络的活动以便对阿尔茨海默病和其它类似病症进行研究。英国Strathclyde大学的Peter Tinning及其同事们的研究表明,使用340nm或380nm的强LED系统,可使细胞中Fura-2浓度比标准细胞制备方案低25%。该研究不仅为实验研究节省了资金,更重要的是,能够降低荧光标记可能导致的细胞毒性效应,以观测到生物样品更为典型的自然行为。(内容来源于《中国激光》)


企业研发进展

LG研发全球首个100毫瓦杀菌紫外线UVC-LED

LG Innotek研发出全球首个杀菌紫外线UV(Ultraviolet rays,紫外线)-C LED,输出功率可高达100毫瓦(mW)。相较2020年才有可能开发的行业预计,提前2年完成。

UV-C LED是发射波长较短的 200~280 纳米(nm)紫外线产品,也被称为深紫外线(Deep UV)。LG Innotek本次开发的LED以278nm的波长破坏细菌DNA,并与特殊物质产生化学反应,作用于杀菌或硬化装置等。

UV-C LED可以打造光输出越高杀菌力越强的杀菌装置,但由于发热等问题,难以确保品质稳定。一直以来引领市场的日本企业也计划在 2020年推出100mW UV-C LED。

LG Innotek应用光输出最大化的外延结构及垂直芯片技术,打破了技术限制。提高紫外线输出,有效排放热,确保了稳定的品质可行性。100mW1个LED可以放射强力杀菌紫外线达1万小时以上。


此次LG Innotek凭借开发光输出100mW产品,可以更加快速地扩大 UV-C LED 应用领域。对于流动的水或空气也可以快速杀菌,不仅可以用于净水器、空气净化器等生活家电,还可用于大厦与汽车的空调系统、水处理装置等。


原有UV-C LED大部分光输出为1~2mW 级,主要用于便携式杀菌器或小型家电。这是因为UV-C输出较弱而难以扩大应用。

LG Innotek常年与多家全球企业讨论应用UV-C LED开发的多种产品,一直以来市场都渴望推出高输出LED,因此预计对100mW UV-C LED的需要将快速增长。

LG Innotek将加快步伐确保UV LED市场主导权。尤其在杀菌、硬化性能卓越的UV-C领域拥有独家技术,有信心占领市场。


先于日本推出净水器水龙头杀菌用LED模块、电梯扶手用UV LED杀菌器等创新产品,品质竞争力也获得了认可。

LG Innotek相关人士称,“我们将继续拉大与竞争公司的技术差距,不断推出满足顾客需要的创新产品,引领市场发展。”


京东方:Micro LED技术研究已取得进展

11月29日,京东方A(000725)在互动平台回复投资者提问称,目前公司已开展对微发光二极体显示器(Micro LED)的技术研究,并取得一定进展。Micro LED为新一代的显示技术,结构是微型化LED阵列承继了LED的特性,Micro LED优点包括低功耗、高亮度、反应速度快等等。但因为目前技术尚未成熟,还需要一段时间的发展。


三星:明年CES或展出150英寸Micro LED电视


苹果积极布局Micro LED荧幕、日前还传出正在跟台积电解决瓶颈问题,而三星电子也不落人后,传出打算在明2018年1月的美国拉斯维加斯消费性电子展CES上,发表一款Micro LED电视。


据ZDNet韩国24日报道,三星的Micro LED电视,荧幕将达到150英寸,会在明年稍晚正式上市,瞄准的是家庭剧院市场。


想要制造缩小版的LED,难度相当高。Micro LED荧幕使用的LED,尺寸不到100微米,每颗LED芯片可做为一个画素,优点是耗电量低,也不会有OLED的残影(burn-in)问题。若采用塑胶制基板,则会具有可挠性。智能型手机需要更加微小的LED芯片,因此应用上还得再等一阵子。


三星发言人不愿对此做出评论。Sony曾在2012年抢先展示了一款55英寸的Micro LED电视和多款原型机,但至今还无法商业化。


集邦咨询LED研究中心报告指出,自Sony推出Crystal Micro LED显示屏,受到市场大幅关注。其产品之优势包含视角更广、对比度更高、画质更好,透过无缝拼接可应用在汽车展厅、博物馆、电影院等利基型市场。根据LEDinside调查,现阶段许多传统显示屏厂、LCD厂等正积极投入Mini/Micro LED显示屏的开发。相信在未来的3~5年,随着技术去瓶颈化,将有助于Mini/Micro LED显示屏切入高端利基市场。


鸿海转投资的夏普5月22日宣布,为了加快Micro LED面板的研发、商品化脚步,将携手CyberNet VentureCapital(鸿海间接持股100%)、群创、荣创等3家泛鸿海集团公司于今年10月收购研发Micro LED面板的美国新创公司eLux。


据夏普指出,在完成收购手续后,夏普、CyberNet、群创和荣创对eLux的出资比重分别为31.82%、45.45%、13.64%和9.09%。


德豪润达开发出全倒装RGB COB显示模块


自2016年以来,小间距显示屏一直为国内外显示企业的主要研发目标,COB技术虽成功引领了新一代高清LED显示的开发革命,但由于工艺技术的限制,正装COB的发光角度与打线距离,从技术路线上就局限了产品的性能发展。


德豪润达通过旗下的事业部资源整合,在器件、显示两大事业部的联合研发下,成功量产出全倒装RGB封装的COB显示模块,极小间距的P0.95mm搭配上180°的大角度出光震撼体验,成功跨越了现行正装COB显屏的技术难题。


目前德豪润达已量产的单显示屏模块为171*76mm,可藉由无缝拼接完成27.5寸的全倒装RGB COB显示屏,在像素点间距达到P0.95的同时,更提供了高亮度的1200nits完美规格。并藉著单像素尺寸微小至0.025mm2,显屏的黑光学占比大幅提高为98%。


已量产的大视角小间距全倒装RGB COB高锐显示模块


在研发阶段的全倒装RGB COB实验进展,已成功的完成P0.5的超密集显屏模块样板。相信在不久的将来,德豪润达将给显示屏带来无限可能。


原标题 关于LED技术,他们都在研究什么?

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