超高亮度LED的技術發(fā)展和應用分析

3 超高亮度LED的應用

3.1 信息指示燈

3.1.1 汽車信號指示

汽車指示燈在車的外部主要是方向燈、尾燈和剎車燈；在車的內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(tǒng)的白熾燈相比，具有許多優(yōu)點，在汽車產業(yè)中有著廣泛的市場。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數量級，遠遠高出汽車本身的工作壽命，因此LED剎車燈可封裝成一個整體，而不必考慮維修。透明襯底AlGaAs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剎車燈和方向燈就能夠在較低的驅動電流下工作，典型的驅動電流只有白熾燈的1/4。較低的功率還可降低汽車內部線路系統(tǒng)的體積和重量，同時還可減小集成化的LED信號燈的內部溫升，允許透鏡和外罩使用耐溫性能較低的塑料。LED剎車燈的響應時間為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顏色均有明確規(guī)定。汽車的內部照明顯示雖不像外部信號燈那樣受到政府有關部門的控制，但汽車的制造者對LED的顏色及照明度有要求。GaP LED早已用于車內，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在顏色和照明度上可滿足制造者的要求，因而將更多地取代車內白熾燈。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(tǒng)來看，二者的價格并沒有明顯的差別。隨著超高亮度TSAlGaAs和AlGaInP LED實用化的發(fā)展，最近幾年價格一直在不斷降低，今后降低的幅度還會更大。

3.1.2 交通信號指示

用超高亮度LED取代白熾燈，用于交通信號燈、警示燈、標志燈現(xiàn)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(tǒng)計，美國安裝交通信號燈的十字路口有26萬個，每個十字路口至少要有12個紅色、黃色、藍綠色信號燈。許多十字路口還有一些附加的轉變標志和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣，每個十字路口可能有20個信號燈，而且要同時發(fā)光。由此可推算出美國全國約有1.35億個交通信號燈。目前采用超高亮度LED取代傳統(tǒng)的白熾燈降低電力損耗已取得明顯效果。每年在交通信號燈上的耗電量約為100萬千瓦，采用超高亮度LED取代白熾燈后，其耗電量僅為原來的12％。

對交通信號燈，每個國家的主管部門都要制定相應的規(guī)范，規(guī)定信號的顏色、最低的照明強度，光束空間分布的圖樣以及對安裝環(huán)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交通信號燈基本上是適用的。

LED交通信號燈與白熾燈相比，工作壽命較長，一般可達到10年，考慮到戶外惡劣環(huán)境的影響，預計壽命要減少到5年～6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實現(xiàn)產業(yè)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(tǒng)的紅色白熾交通信號燈頭則可將因紅色白熾燈突然失效給安全造成的影響降低到最低程度。一般LED交通信號模塊由若干組串聯(lián)的LED單燈組成，以12英寸的紅色LED交通信號模塊為例，在3組～9組串聯(lián)的LED單燈，每組串聯(lián)的LED單燈數為70個～75個（總數為210個～675個LED單燈），當有一個LED單燈失效時，只會影響一組信號，其余各組減小到原來的2/3（67％）或8/9（89％），并不會像白熾燈那樣使整個信號燈頭失效。

LED交通信號模塊存在的主要問題是造價仍然顯得高些，以12英寸的TS－AlGaAs紅色LED交通信號模塊為例，最早應用于1994年，其造價為350＄，而到1996年，性能更好的12英寸的AlGaInP LED交通信號模塊，造價為200＄。預計不會很久，InGaN藍綠色LED交通信號模塊的價格將可與AlGaInP相比。白熾交通信號燈頭的造價雖低，但耗電量大，一個直徑為12英寸的白熾交通信號燈頭的耗電量為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號燈每年的耗電量為18133kWh，折合每年的電費為1450＄；然而，LED交通信號模塊非常省電，每個8英寸～12英寸的紅色LED交通信號模塊的耗電量分別為15W和20W，十字路口拐彎處的LED標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(jié)省電費793＄。按每個LED交通信號模塊的平均造價為200＄計，紅色LED交通信號模塊僅用其節(jié)省的電費，3年后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，盡管造價顯得高些，但從長遠看，還是合算的。 3.2 大屏幕顯示

大屏幕顯示是超高亮度LED應用的另一個巨大市場，包括圖形、文字、數字的單色、雙色和全色顯示。傳統(tǒng)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。LED顯示曾一直受到LED本身性能和顏色的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS－ AlGaAs、InGaN LED已能夠提供明亮的紅、黃、綠、藍各種顏色，可完全滿足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AsAlGaAs(637nm)紅LED燈作為LED顯示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有較大的顏色范圍，包括藍綠、綠紅等，與國際電視系統(tǒng)委員會（NTSC）規(guī)定的電視顏色范圍基本相符。

3.3 液晶顯示（LCD）的背照明

在液晶顯示中至少有10％采用有源光作為背照明，光源可使LCD顯示屏在黑暗的環(huán)境下易讀，全色LCD顯示也需要光源。LCD背照明所需的光源主要有白熾燈泡、場致發(fā)光、冷陰極熒光、LED等，其中LED在LCD背照明中最有競爭力，新型的超高亮度AlGaInP、AlGaAs、 InGaN LED可以提供高效率的發(fā)光和寬范圍的顏色。