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LED生产工艺基础知识

日期:2009年12月31日 09:43

    LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写,中文译为“发光二极管”,顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线,目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。除此之外还有在蓝光LED上涂上荧光粉,将蓝光转化成白光的白光LED。
    LED的色彩与工艺:
    制造LED的材料不同,可以产生具有不同能量的光子,借此可以控制LED所发出光的波长,也就是光谱或颜色。历史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga),其正向PN结压降(VF,可以理解为点亮或工作电压)为1.424V,发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga),其正向PN结压降为2.261V,发出的光线为绿光。
    基于这两种材料,早期LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构,理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED,下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通过PN结压降可以确定LED的波长颜色。其中典型的有GaAs0.6P0.4的红光LED,GaAs0.35P0.65的橙光LED,GaAs0.14P0.86的黃光LED等。由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素,所以俗称这些LED为三元素发光管。而GaN(氮化镓)的蓝光LED、GaP的绿光LED和GaAs红外光LED,被称为二元素发光管。而目前最新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca)、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN的四元素材料制造的四元素LED,可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。
    发光强度:
    发光强度的衡量单位有照度单位(勒克司Lux)、光通量单位(流明Lumen)、发光强度单位(烛光Candlepower)
    1CD(烛光)指完全辐射的物体,在白金凝固点温度下,每六十分之一平方厘米面积的发光强度。(以前指直径为2.2厘米,质量为75.5克的鲸油烛,每小时燃烧7.78克,火焰高度为4.5厘米,沿水平方向的发光强度)
    1L(流明)指1CD烛光照射在距离为1厘米,面积为1平方厘米的平面上的光通量。
    1Lux(勒克司)指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。
    一般主动发光体采用发光强度单位烛光CD,如白炽灯、LED等;反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L,如LCD投影机等;而照度单位勒克司Lux,一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的,但需要从不同的角度去理解。比如:如果说一部LCD投影机的亮度(光通量)为1600流明,其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸(1平方米),则其照度为1600勒克司,假设其出光口距光源1厘米,出光口面积为1平方厘米,则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀,亮度将大打折扣,一般有50%的效率就很好了。
    实际使用中,光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD/平方米作为发光强度单位,并配合观察角度为辅助参数,其等效于屏体表面的照度单位勒克司;将此数值与屏体有效显示面积相乘,得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度,假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定,则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED显示屏须达到4000CD/平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED,最大亮度在700~2000CD/平方米左右。
    单个LED的发光强度以CD为单位,同时配有视角参数,发光强度与LED的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮,最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大,最大发光强度越小,但在整个立体半球面上累计的光通量不变。
    当多个LED较紧密规则排放,其发光球面相互叠加,导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时,需根据LED视角和LED的排放密度,将厂商提供的最大点发光强度值乘以30%~90%不等,作为单管平均发光强度。
    一般LED的发光寿命很长,生产厂家一般都标明为100,000小时以上,实际还应注意LED的亮度衰减周期,如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后,亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系,一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。
    配色、白平衡:
    白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成,当光线中绿色的亮度为69%,红色的亮度为21%,蓝色的亮度为10%时,混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果,而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光,称为配色。
    当为全彩色LED显示屏进行配色前,为了达到最佳亮度和最低的成本,应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成像素。
    白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。
    原色、基色:
    原色指能合成各种颜色的基本颜色。色光中的原色为红、绿、蓝,下图为光谱表,表中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差,则可合成颜色的区域会减小,光谱表中的三角形会缩小,从视觉角度来看,色彩不仅会有偏差,丰富程度减少。
    LED发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等,橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要,因为绿色占据了白色中69%的亮度,且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时,绿色是着重考虑的对象。

 

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