如何提高LED輝度增加散熱效果
前言:最近幾年LED(Light Emitting Diode；發(fā)光二極體)的市場需求極力旺盛，尤其是文字與資訊顯示等領域的成長，每年都以驚人的速度向上攀升，不久的將來LED勢必成為日常生活中不可閾缺發(fā)光光源。促使LED普及化的要素不外乎提高發(fā)光效率，使單體LED的光輸出增加，進而減少使用顆數(shù)達成小型化與低成本的基本要求。
LED的應用趨勢
雖然LED當初是以取代白熾燈為主要目標(表1)，不過90年代初期低功率砲彈型紅光LED已開始被應用於行人通行指示器(圖1)，每個指示器的LED使用數(shù)量約數(shù)十顆，隨著高功率紅光LED的實用化，2003年以後每個指示器的使用數(shù)量可望降至個位數(shù)，預估今後5年包含汽車方向燈與煞車燈都會被高功率紅光LED取代�；妒∧茉从^點利用LED作為機器的照明光源的情況不再是各別案例。雖然LED的價格處於不利地位，不過壽命超過白熾燈二位數(shù)與低耗電量卻是普及化的重要因素。
圖1 LED照明設備普及化的預測
LED取代鹵素燈(halogen lamp)與螢光燈會面臨兩個難題，第一個問題是鹵素燈與螢光燈的光束高達1000lm(流明)以上；第二問題是LED的發(fā)光效率數(shù)分之一左右。預估高發(fā)光效率、高功率LED會在2004年開始進入實用化，並在2005年逐漸被應用於汽車大燈與街燈。LED除了省能源的優(yōu)勢之外，如果作為LCD(液晶顯示器)背光模組的照明光源時，紅(red)、藍(blue)、綠(green)三色LCD可發(fā)揮高演色性與色溫可調(diào)的特質(zhì)(圖2)，不過目前成本與發(fā)光效率仍然無法超越冷陰極燈管，所以短期內(nèi)似乎沒機會跨入大型液晶顯示器領域。
如上所述由於冷陰極燈管的紅色演色性並不理想，如果LED與冷陰極燈管合併使用，藉此彌補冷陰極燈管缺失的觀點而言，一般認為2003～2004年相關業(yè)者會考慮使用高功率紅光LED作為輔助性光源。
發(fā)光色
主要用途
紅色>
液晶顯示器背光模組(改善紅色演色性)
橙色
保全燈具、汽車煞車燈
黃色
汽車方向燈、照相機用輔助燈、照明設備
紅色、綠色
植物哉培燈
黃色、橙色、綠藍色
交通信號鐙
紅色、綠色、藍色
小型液晶顯示器背光模組、投影機光源
白色
汽車大燈、照相機用閃光燈、搜救燈
表1 各種不同高功率LED的用途
注1) 波長:紅色(650nm)，橙色(620nm)，黃色(590nm)，綠色(530nm)，綠藍色(510nm),藍色(470nm)。
圖2 紅色LED與CCFL的演色性比較
高效率發(fā)光材料
高功率(high power)LED主要訴求是使LED的使用顆數(shù)戲劇性減少，進而降低設備成本(device coast)，具體對策是改善發(fā)光效率提高動作電流密度。不同化合物半導體材料可產(chǎn)生不同的發(fā)光色，綜觀LED的技術(shù)發(fā)展動向與實際市場應用趨勢，可以發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)紅色～黃色發(fā)光的LED，被應用於汽車、保全燈具，以及小型液晶顯然器輔助光源的機會遠大於其它發(fā)光色LED。紅色～黃色發(fā)光的LED通常是使用AlGaInP系化合物半導體，如圖3所示該材料不論是發(fā)光效率或是普及性，依目前的技術(shù)而言可說是沒有其它材料可與它比擬，即使是本世紀初期出現(xiàn)的紅色～黃色發(fā)光四維AlGaInP系化合物半導體，與綠色～近紫外發(fā)光的GaN系化合物半導體都屬於它的範疇，換言之AlGaInP系化合物半導體幾乎是處於定案階段。
圖3 高效率LED材料比較
紅色～黃色LED化合物半導體材料中以AlGaInP系的發(fā)光效率最高；
AlGaInP與GaP組合性材料AlGaInP/GaP的效率最佳；率色～藍色LED
則以GaN系的效率最高，如果採用量子井結(jié)構(gòu)時它的發(fā)光效率幾乎
與AlGaInP/GaP材料相同。
使用四維材料的LED(以下簡稱為四維LED)的內(nèi)部量子效率，紅光LED為80%，黃光LED為24%，兩者已經(jīng)接近理論極限，為了達成高功率LED的目的，必需朝提高外部發(fā)光效率亦即所謂的取光效率方向發(fā)展。四維LED在加速實驗時，理論上LED的電流密度可提高4倍左右，外部量子效率可增加2.5倍，如果再實施有效的散熱對策，抑制4倍電流密度後chip產(chǎn)生的熱量，如此一來相同的chip大小可獲得10倍的發(fā)光，依此推論未來LED的發(fā)光可望超過100倍。
表2是日本SUNKEN電氣最近開發(fā)的高功率紅光與黃光LED的規(guī)格，由表中列示的數(shù)據(jù)顯示，該公司開發(fā)的兩種新型LED chip的尺寸比傳統(tǒng)LED大5～10倍，光輸出分別是37lm、72lm，換句話說祇要一顆LED就可滿足汽車煞車燈需求光量；如果應用於交通信號燈時，大約祇要10顆LED就可取代傳統(tǒng)單色200顆的LED。
chip type
(mm)
波長
(nm)
輸入電流(mA)
順向電壓
(V)
光輸出
(lm)
發(fā)光效率(lm/W)
typeⅠ0.7×0.7
620
400
2.5
3747
590
400
2.5
21
27
typeⅡ1.0×1.0
620
800
2.5
72
47
590
800
2.5
42
27
0. 3×0.3
(SUNKEN高功率LED)
620
20
2.5
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