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液晶显示器技术3


LED 显示屏是发光二极管主要应用领域之一,近年来发展迅速。目前,LED 显示屏制作技术先 进,售价低,国外公司很难在大陆竞争市场。据不完全统计,1998 年我国 LED 显示屏生产厂 商有 150 多家,制造各类显示屏约五万平方米,实现产值 14 亿元,LED 产业取得了举世瞩目 的成绩。近年来,在产品结构、制作技术、产品质量、量产水平、市场占有等方面,紧逼日 本的态势,在世界

LED 产业中紧挨美国、日本之后,位居世界第三。五年来,每年平均增长达 20%以上,1997 年台湾十大光电产品中占第四位,产值 18870 百万元新币,Epistar Corp 已 经开发成功用于全彩色灯和显示器的红色、绿色、蓝色芯片,这些芯片光强超过 70mcd。一 家正在投产的公司,利用 MOVPE 技术生产 InGaAlp 超亮度的发光材料和芯片。台湾有七家生 产 LED 芯片的公司,生产各色传统芯片,占世界产量的七成以上。 发光二极管的应用十分普遍,由于工作电压低、耗电省、色彩丰富、价格低,因而受到 电气工程师和科研人员的欢迎。早期,传统的产品发光效率低,光强一般几个到几十个 mcd, 适宜使用在室内场合,在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。由于应用技 术日趋发展,传统产品出现新的应用商机,正在流行的 LED 圣诞灯,由于造型新颖,有鸭嘴 型圣诞灯、多彩球型灯、珠廉窗灯,而且色彩丰富,不易碎破,低压使用的安全性,近期在 香港等东南亚地区销势强劲,受到人们普遍的欢迎,正在威胁和替代现有闪电灯泡的圣诞市 场。一种受到儿童欢迎的闪光鞋,利用走睡时 LED 闪烁发光,非常醒目,既有单色光、也有 双色光。在工业产品方面,发光二极管型 AD11 指示灯在电源柜上普遍使用,种产品采用多芯 片集成组成光源,有红黄绿三种颜色,经电容降压后,可以使用 220V、280V 电源,江苏一家 制造商介绍,该公司年销售达到 10M 只以上,每年需要(200~300)M LED 芯片,市场还有扩 张的潜力。由于主动发光指示清晰,寿命长,耗电少等特点,很受用户欢迎,不久可以全部 替代电泡型 AD11 产品。 总之, 传统发光二极管的市场不仅会随着原有应用面产品的成长而提 升,而且新的应用面开拓了市场商机。 2 先进的发光管 随着新材料及半导体工业技术的发展, 1994 年起以新型可见光材料 InGaAlP 和 InGaN 自 为主流,实现了高亮度、多色化,加之封装技术的改进,显示信息大型化,出现了 LED 产品 新的应用领域, 带来了更多的市场商机。 这些产品使得 LED 应用由室内使用提升到户外使用, 能在阳光强烈的场合下清晰显示,发光效率极高,光强超过 1000mcd,同时满足了全彩色显 示和便携产品低功耗要求。这些先进的发光管包括以下各种类型。 (1) 蓝色、绿色发光二极管 蓝 色 LED 材 料 有 碳 化 硅 (Suc) 、 氮 化 镓 (GaN) 及 铟 氮 镓 (InGaN) 三 元 材 料 等 。 采 用 InGaN/AlGaN 结构制成的蓝色发光灯峰值波长 470nm,法向光强达到 2000mcd;绿色发光灯峰 值波长 520nm, 法向光强可达 5000mcd。 其中, 还有峰值波长 500nm 的蓝绿色(交通绿)发光灯, 在蓝色发光的基础上, 包封时在其芯片上添加几 mg 的萤光物质转换成白色, 白光二极管是微 型白炽灯的最佳替代品,价格虽比电泡贵,但不易破碎,更加省电,工作时几乎不发热,可 以连续照明 10 多年,这些产品在日本、德国、美国及台湾等著名的光电子公司生产并推向市 场。 (2) 新颖的四次元发光二极管

八十年代后期开发上市的 GaAlAs 材料,制成红色发光管,首先实现超高亮度的要求,发 光强度超过 1000mcd,但是光衰较大,因此应用范围受到限制。九十年代开发成功的 InGaAlP 四次元材料,制成产品可以获得红、橙、黄、琥珀四种颜色,发光效率极高,并且高温性能很 好,是户外使用的理想产品。 (3)新品种 LED 及功率发光二极管 工作电流为 70mA,发出极强的光束,视角较大,一般为(40~70)度,用于汽车标志灯; 贴片式(SMD)LED 在小电流下工作;一般为(1~2)mA,有足够亮度,可节省便携式产品的耗电 量;恒压发光二极管,制作时将电阻封装在内部,使用时不需限流电阻,一般工作在 12V 以 下,使用者十分方便,同样在封装时封进一块集成电路,一般在 5V 以下工作,当通电时会闪 烁发光,可以作为状态显示,使用也很方便。这种集群 LED 芯片、器件、元件可以制成发光模 块,实现特定的功能要求,利用 LED 多芯片的集群组成多彩色灯具,典型的红、绿、蓝三色 可以组成全色灯,在三色中间交合处呈现白色光。 这些新器件的出现,拓展了 LED 的应用领域。首先是交通讯号显示光源的应用,具有抗 震耐冲击,光响应速度快,省电寿命长等特点;其次是汽车工业的应用,汽车使用白炽灯不 耐振动撞击,易损坏,使用寿命短,经常需要更换,1987 年开始,我国开始在汽车上安装高 位刹车灯,由于 LED 响应速度快,可以及早提醒司机刹车,减少汽车追尾事故,增加安全性, 在汽车仪表板及各种照明部分的光源, 都可有超高亮度发光灯来担当, 在发达国家, 使用 LED 制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件,美国 HP 公司在 1996 年推出的 LED 汽车尾 灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯;第三是 LED 背光源,特别是高效侧部发光的背光源最 为引人注目,LED 作为 LCD 背光源应用,具有寿命长,出光效率高,无干扰和性价比高等特 点,有电子手表、手机、BP 机、电子计算器、刷卡机等广泛应用,随着便携电子产品日趋小 型化,LED 背光源更具优势,在手机中都选用 LED 背光源,因此背光源制作技术将向更薄型、 低功耗、均匀一致方面发展,LED 侧部背光板的厚度可做到 0.7mm~3.5mm,出光效率达到 50%~70%,并且有绿色、红色、蓝色及各种混合色随客户选用,不久可能出现厚度相同于 EL 的超薄背光源;第四是人们最感兴趣的 LED 照明光源,直接目标是 LED 光源替代白炽灯和萤 光灯,这种趋势已从局部领域和由小到大开始替代,日本通产省号召全国节约能源,正在计 划替代白炽灯的发光二极管项目(称为照亮日本的项目),头五年的预算为 50 亿日元,如果 LED 替代半数的白炽灯和萤光灯,每年可节约相当于 60 亿升原油的能源(相当于五个 1.35 ×106kW 核电站的发电量) ,并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生,改善人们生活居住的 环境,因此人们正面临照明变革,期待 LED 给人们带来福音。 由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用,呈现了朝阳工业的欣欣 向荣的景象,LED 产业会得到持续发展。 ① 制造厂商会在超高亮、全彩色技术面扩张投资,提升产能,从业人员会有增加,我国 (包括台湾和香港地区)将成为世界 LED 的主要产地,预计占世界总量的六成以上,五年之后 产值达到七十亿元, 超高亮度 LED 会有 30%速度增长, 而传统 LED 也会以 5%~10%的速度增长。 ② 目前,许多色别的发光二极管都达到烛光级水平,随着器件结构的改进;发光效率的 飞速提高;今后 LED 发展的主流是照明光源;开始在一些领域取代白炽灯,期间会与其它光 源互补、 并存、 共同发展, 人们面临着照明光源的变革, 有人预言 LED 是 21 世纪的照明光源。

③ 世界光电子产业的发展推动应用领域的变化发展, 随着 LED 产业的发展会有更多的资 金投向 LED 的研究和生产。因此,现有超高亮度、蓝色、绿色 LED 的技术为少数厂商垄断将 会突破,预计产品成本会有大幅度的下降,从而促进市场再开发, 应用的再拓展。 可以相信,半导体发光技术不会被其它技术产品取代,而且会继续沿着原来的轨道向前 发展。 3 LED 市场前景 LED 是近几年来迅速崛起的半导体光电器件,它具有体积小、重量轻、电压低、电流小、 亮度高和发光响应速度快等优点,容易与晶体管和集成电路配套使用,可以在许多领域得到 应用,因而在全球市场上十分走俏。LED 技术在近年来不断获得新的突破,应用范围不断拓 宽,已成为极具发展潜力的电子产品之一。计算机显示屏已经普遍采用液晶显示。有源矩阵 液晶显示器是当前已经大量生产的产品, 可以显示色彩丰富的电视图像, 但需要较暗的背景, 视角较小,尤其是用它制造大尺寸显示屏的成本较高,因此,发光二极管将成为一种更佳的 平面显示器件。目前,发光二极管的年销售量已超过 20 亿美元,到 2003 年有望突破 50 亿美 元大关, 全球 LED 市场前景广阔,吸引了诸多厂商参与 LED 新产品的开发生产, 市场竞争日趋 激烈。 高亮度红光(GaAs 和 GaAsP)和黄光(InAlGaP)发光二极管(LED)早已大量生产,长期以来 因缺少高亮度的蓝光与绿光而难以呈现丰富的色彩,近年来高亮度的蓝光与绿光发光二极管 技术大有进步,产品质量不断提高,给 LED 市场增光添彩。 厂商们开发的Ⅲ-V 族如铝、 铟、 镓的氮化物 AlN、 InN、 GaN 等, 其能带隙宽为 (1.9~6.2) eV,能够产生绿光、蓝光和紫外光,成为制造 LED 的极佳材料。除了以上几种氮化物外,对 Ⅱ-Ⅵ族材料也进行了研究。主要是用硒化锌 ZnSe 制造多层异质结构可发出蓝绿光,实际上 器件衬底都用 GaAs,因其晶格与 ZnSe 较匹配,也较易购得到 3 吋直径的片子。美国厂商曾 开发出以 ZnSe 为衬底, ZnTeSe 为有源层的发光二极管, 输出 512nm 深绿光, ZnSe 不像 GaAs, 而 它对该波长的光是透明的,加上 10mA 电流时可获得 1.3mW,即外部量子效率达 5.3%,因而其 亮度比用Ⅲ-Ⅴ族氮化物制造的 LED 亮度更高。此外,Ⅲ-Ⅴ族氮化物 LED 已有较长的寿命试 验记录,它比 GaAs 材料更硬、尤其适合于制作耐高温器件。 在各种制造 LED 的材料当中, 尤其以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料最为引人注 目。GaN 发光效率高,抗辐射性能和耐热性能极佳,强度和硬度高,并且耐酸性强,是一种 极具应用价值的半导体材料。因此,氮化镓材料及其合金最适宜于制造短波长发光器件,发 光波长范围包括绿、蓝、紫等多种波段,普遍用来制造蓝光和绿光 LED。引人注目的是,在 蓝光 LED 技术的基础上,以蓝光激发 YAG 荧光材料而制造成功的白光 LED 渐成新宠,深受广 大用户欢迎,有望成为照明领域的一支新军。因此,目前在全球 LED 市场上,蓝、绿、白光 LED 正在开始形成三足鼎立的态势,成为最具发展潜力的 LED 产品。 4 中国 LED 蓬勃发展 中国在 LED 领域的研究开发工作成绩斐然。目前我国的普绿和高亮度纯红 LED 已经基本

实现商品化,但是,高亮度的纯蓝、纯绿 LED 在我国尚属空白。目前,世界上只有美国 Cree 公司和日本 Nichia 公司等少数几家厂商能够生产蓝光和绿光 LED。 我国国家光电子工艺中心 正在从事以Ⅲ~Ⅴ族半导体量子阱结构为基础的新一代光电子器件研究开发,承担国家 863 计划项目“蓝光 LED 研制和产业化技术” ;我国方大集团与科研院所合作,率先在我国将第三 代半导体材料(GaN)用来研制 LED,将绿光 LED、白光 LED 等科研成果实现产业化。该集团首 期将投资 8000 万元,形成年产 1.2 亿支蓝光 LED 的生产能力,在 LED 市场上重拳出击。近几 年来, 我国 LED 显示屏的生产已经逐步形成行业规模, 市场规模每年约为 (3.5~4) 亿人民币。 我国台湾省 LED 产业非常发达,早在上世纪 90 年代初已经名列世界第三位。目前台湾 LED 产品市场占有率已达 28%,超过了美国,位居世界 LED 市场第二位,产品 80%以上外销, 主要销往韩国、日本、美国和欧洲等地。目前台湾 LED 业主要是向全彩化、高亮度和大型化 的方向发展。 近年来,LED 显示屏的关键控制技术随着超大规模集成电路(VLSI)的发展而日趋完善, EPLD、DSP 以及 FPGA 已经得到广泛应用,一些厂商正在研发专用的 LED 控制集成电路。LED 显示屏与 LCD、PDP 等同类平板显示屏产品比较,由于 LED 产品具有性能稳定、寿命较长、功 耗较小以及价格低廉等优势,因此在各种实际应用中具有较强的市场竞争力,其市场前景十 分广阔。■


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