LED顯示器件發(fā)展簡史和應(yīng)用趨勢

新型LED顯示器件有功耗低、亮度高、壽命長、尺寸小等優(yōu)點，本文從LED顯示器件的發(fā)展簡史開始，探討了表面貼裝LED、汽車應(yīng)用中的LED和照明用LED的發(fā)展趨勢，對于從事顯示器件開發(fā)的中國工程師有一定參考價值。

全球第一款商用化發(fā)光二極管(LED)是在1965年用鍺材料作成的，其單價為45美元。隨后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用化LED。這些早期的紅色LED每瓦大約能提供0.1流明(lumens)的輸出光通量，比一般的60至100瓦白熾燈的15流明要低上100倍。

1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。到1971，業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色裸片LED。

1972年開始有少量LED顯示屏用于鐘表和計算器。全球首款采用LED的手表最初還是在昂貴的珠寶商店出售的，其售價竟然高達2,100美元。幾乎與此同時，惠普與德州儀器也推出了帶7段紅色LED顯示屏的計算器。

到20世紀70年代，由于LED器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用，LED的價格直線下跌。事實上，LED是那個時代主打的數(shù)字與文字顯示技術(shù)。然而在許多商用設(shè)備中，LED顯示屏也逐漸受到了來自其它顯示技術(shù)的激烈競爭，如液晶、等離子體和真空熒光管顯示器。

這種競爭性激勵LED制造商進一步拓展他們的產(chǎn)品類型，并積極尋求LED具有明顯競爭優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域。此后LED開始應(yīng)用于文字點陣顯示器、背景圖案用的燈柵和條線圖陣列。數(shù)字顯示屏的尺寸和復雜度在不斷增長，從2位數(shù)字到3位甚至4位，從7段數(shù)字到能夠顯示復雜的文字與圖案組合的14或16段陣列。到1980年制造商開始提供智能化的點陣LED顯示屏。
80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)出紅光。這一技術(shù)進步使LED能夠應(yīng)用于室外運動信息發(fā)布以及汽車中央高位安裝停止燈(CHMSL)設(shè)備。1990年，業(yè)界又開發(fā)出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術(shù)，這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍。

今天，最亮的材料應(yīng)是透明基底AlInGaP。在1991年至2001年期間，材料技術(shù)、裸片尺寸和外形方面的進一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近20倍。

對高強度藍光LED的不斷研發(fā)產(chǎn)生了好幾代亮度越來越高的器件。在1990年左右推出的基于碳化硅(SiC)裸片材料的LED效率大約是0.04流明/瓦，發(fā)出的光強度很少有超過15毫堪(millicandel)的。90年代中期的技術(shù)突破實現(xiàn)了第一個基于GaN的實用LED?，F(xiàn)在還有許多公司在用不同的基底如藍寶石和SiC生產(chǎn)GaN LED，這些LED能夠發(fā)出綠光、藍光或紫羅蘭等顏色。高亮藍色LED的發(fā)明使真彩廣告顯示屏的實現(xiàn)成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖像。

藍光LED的出現(xiàn)使人們還能利用倒行轉(zhuǎn)換的磷光材料將較高能量的藍光部分地轉(zhuǎn)換成其它顏色。將藍光與轉(zhuǎn)換磷的黃光整合在一起就能得到白光，而整合適當數(shù)量的藍光與紅橙磷(reddish orange phospher)則可以產(chǎn)生略帶桃色或紫色的色彩?，F(xiàn)在僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線中的所有飽和顏色，并且各種顏色LED與磷的有機整合幾乎能夠毫無限制地產(chǎn)生任何顏色。

在可靠性方面，LED的半衰期(即光輸出量減少到最初值一半的時間)大概是1萬到10萬小時。相反，小型指示型白熾燈的半衰期(此處的半衰期指的是有一半數(shù)量的燈失效的時間)典型值是10萬到數(shù)千小時不等，具體時間取決于燈的額定工作電流。

表面貼裝LED

為了利用自動化組裝技術(shù)降低制造成本，從20世紀80年代開始業(yè)界逐漸推廣使用表面貼裝器件(SMT)，90年代這一技術(shù)得到了進一步強化。最初的SMT LED作為低功率器件被主要用于指示設(shè)備和手機鍵盤的照明，后來又開發(fā)出大功率的SMT器件用于汽車面板照明、剎車燈，并擴展用于專業(yè)和一般的照明設(shè)備。

SMT是蜂窩/PCS電話機的主要技術(shù)要求，現(xiàn)在看來這一市場仍具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?001年全球手機的制造量大約有3.8億部，據(jù)預測今年的制造量將上升到4.3億部，到2005年將達到5.2億部。一部手機平均要使用10個表貼型LED，也即意味著僅手機市場對LED的需求就達到了40億個。

手機功能的不斷升級也進一步刺激了對更高性能LED的需求。確切說，手機設(shè)計人員需要多種多樣的LED，包括更高亮度的單色LED器件、真彩LCD顯示屏(特別是第2.5代和第3代手機的LCD)背景光源用的白色LED以及實現(xiàn)產(chǎn)品差異化所需的藍色和紫羅蘭色等特殊色LED。同時，由于手機的復雜度越來越高，體積也越來越小，有更多的用戶對LED提出了更薄更小外形包裝的要求。

特別是越來越多的人希望高性能LED能提供“芯片LED”的表貼封裝，即工業(yè)標準的1.6×0.8mm外形尺寸。

話機制造商要求對LED的顏色與強度進行分類，以確保背景光源設(shè)備能與用戶需求取得高度一致。這樣做能使LED非常適合用于背景光源設(shè)備，即LCD、按鍵、前面板、符號與鍵盤背景照明等，因為這些設(shè)備上顏色與光強度的和諧統(tǒng)一非常重要。

（助編：xiaohu）