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  • 新聞動態

    行業新聞

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    不得不看的LED照明技術8大趨勢+23大新材料技術發展

     

    我國半導體照明產業近幾年在產量、產值和技術指標等方面均取得突破性發展。2014年,我國半導體照明光源、燈具的產值為950億元,同比增長43.9%。其中,LED照明產品出口為90億美元,同比增長50%,LED照明滲透率為20%。2015年上半年,LED照明產品同比約增長23%左右,1~5月份出口為40.8億美元,與去年同期相當。

     

    從全球半導體照明的最新動態來看,全球LED器件光效實驗室水平已超過300lm/w,產業化水平達到150lm/w以上,LED整燈光效實驗室水平達200lm/w。美國SSL計劃目標調整為器件光效產業化水平達250lm/w,LED整燈光效產業化水平達200lm/w?傊,LED照明產品的滲透率、光效等與理論值和目標值還有很大差距,技術上還需要有較大突破。

     

    LED照明技術呈現八大趨勢

    LED照明技術涉及面很廣,是多學科技術與現代信息技術的結合,其發展呈現八大技術發展趨勢。

     

     

    一是提高LED照明整燈的能效:LED整燈能效現階段由六部分組成:內量子效率、芯片取光效率、封裝效率、熒光粉激發效率、燈具效率和電源效率。在一定邊界條件下理論值是58%,目前較好的燈具能效也只有30%多,還有很大推進空間,上述六項均要達到90%以上才行,需要技術上有所突破。
    二是提高LED光源的光色質量及顯色性表征值:提高LED光源的光色質量,要采用RGB多光譜組合,即多芯片組合或多基色熒光粉組合,達到合理的LED光譜量分布SPD,還要控制主要的光色參數,如色容差、眩光、光電閃爍等。LED光源顯色性表征是個長期爭論的課題,LED光源可實現多光譜的靈活組合,采用任何一種參數的顯色性表征,都是有缺陷的,終極的表征可能是以光譜形式。還有專家提出采用色域指數(GAT)與CRI一起表征光對色彩的還原。
    三是LED照明燈具創新技術:LED光源、燈具目前是LED照明產業的重中之重,技術上要加速燈具造型和控制功能的創新,具體是燈具外觀形狀創意、尺寸大小靈活、光量按需調節、光色靈活變化、安裝位置隨意等。
    四是深入開展智能照明的研發及應用:智能照明的技術特點包括開放式、分布式、遙控遙測、兼容性、互動性等,是照明技術和信息技術的深度融合。在技術上涉及面廣,關鍵技術有發光模組與驅動電源之間的界面整合等,目前亟須有統一的基礎標準,要根據實際需求進行研發推廣應用。
    五是大力拓展LED照明應用領域:推廣在非視覺照明系統的應用,如醫療保健、生態農業、LED可見光通信以及紅外LED和紫外LED的應用,這方面內容豐富,應用技術正在快速發展中。LED顯示應用技術重點開發高清小間距顯示屏和高清可彎曲顯示器技術,實現高清LED電視和高清可折疊、可穿戴的顯示裝置。
    六是窄光譜LED器件的研究:單個LED較窄光譜可實現組合LED光譜靈活性,可在LED顯示中實現更大的色域空間,是很大的應用領域,實現窄光譜LED器件的技術要從材料外延上有所突破。
    七是白光LED器件將逐步轉向RGB組合方式:采用RGB組合白光理論上具有更高的光效,并方便燈具調光、調色、調顯色性等,技術上要重點提升綠光LED光效,RGB組合有可能成為普通照明的主流。
    八是天然光照明將是終極目標:隨著LED多光譜照明的發展,人們將更重視節能照明、健康照明和生態照明,采用類似太陽光照明將是最佳選擇,即天然光照明,利用LED技術可以實現,但要解決很多技術問題。
    LED照明技術有很大發展空間,還需要進一步提高整燈的能效和光品質。在應用上積極推進燈具創新的同時,要不斷拓展應用領域,如智能照明、非視覺照明和高清顯示器;在技術上要實現終極目標,即天然光照明,為人們提供節能、健康、舒適的照明環境。
     

     

    納米級發光新材料技術發展動態

    量子點發光技術近年來發展很快,是發光領域中的新技術路線。
    量子點LED:量子點(QD)是用納米技術制作,QD顆粒一般在2nm~12nm之間,量子點發光體由發光核、半導體殼、有機配位體組成,如發光核CdSe(硒化鎘)QD顆粒,其優點是:可發射可見光至紅外,發光穩定,內量子效率可達90%,與LED結合產生色彩豐富、十分明亮的暖白光。
    3D打印QD-LED:普林斯頓大學首次展示3D打印量子點LED,其底層是由納米銀顆粒構成,頂部是兩個聚合物為銦鎵,量子點是納米級硒化鎘顆粒,外殼是硫化鋅包裹,上下電極連接后,硒化鎘納米顆粒發出不同的可見光,將QD-LED打印到具有曲線形表面的裝置上,如接觸透鏡。該技術將擴大到3D打印其他的有源器件,如MEMS、晶體管、太陽能電池等。一旦產業化將是顛覆性創新技術。
    紫外光(UV)QD-LED:美國圣母大學正在開發氮化鎵QD,其電子空穴通過隧道貫穿(電子穿透墊壘的現象),不是傳統的漂移擴散?砂l紫外光(UV)的LED,取得很大進展,有詳細的文章報導。
    量子點混合LED:日本廣島大學研究量子點無機/有機混合發光二極管,可發出白光、藍光,電源電壓6V,有效發光量的78%來自硅量子點,提高輸出功率密度350倍。新型LED在常溫常壓下通過溶液加工過程,號稱是照明系統上一場新的革命。
    量子點電激發藍光LED:臺東大學與遠東科大合作研究,以膠體量子點硫化鎘、硫化鋅制作出電激發藍光二極管,以類似有機的無機材料做出來,可靠性高,可取代OLED在平板上的應用。
    量子點背光技術:嵌入量子點背光源,采用嵌入量子點的光學薄膜(QDEF)應用于LCD背光源,量子點在藍光LED背光的照射下,發出紅光、綠光形成RGB白光。提高LED發光效率,提升LCD色彩飽和度,將LCD色域提升30%,也增加背光亮度,降低能耗,并已產業化。預計這種彩電2015年生產130萬臺,2018年達1870萬臺。
    第二代量子點顯示技術:浙大兩個研究小組合作開發,將量子點放入溶液中,具有晶體和溶液的雙重性能,原理上讓電子減緩“步伐”,促使電子與空穴有效相會復合,大大提升量子點LED效率、性能和穩定性,發光量子效率可達100%,RGB彩色豐富。應用于顯示和照明上取得突破。
    石墨烯發光技術:發現石墨烯發光是個新的突破,另外可在石墨烯襯底上生長第三代半導體。
    石墨烯發光燈泡:哥倫比亞大學和首爾大學等單位合作研究,將石墨烯微細絲附加在金屬電極上,兩邊為SiO2,懸掛在硅襯底的方式。通電流加熱至超過2500℃,從而發明亮的光,石墨烯的溫度不會傳給襯底。利用發光長細絲與硅基板的反彈干涉,可調整所發射的光譜,號稱是世界上最薄燈泡,并可應用于光通信。該技術如產業化將是照明領域的顛覆性創新。
    石墨烯LED:清華大學近期發布采用二種石墨烯,即氧化石墨烯(GO)和還原石墨烯(rGO)混合組成LED,隨著外加電壓的變化,可改變發光波長,這二種界面存在一系列離散的能級,可在發光、傳感器、柔性顯示上應用。
    SiC+石墨烯+GaN薄膜:在SiC圓片上將硅汽化,并將留下的石墨烯薄膜穩妥地轉移至硅基板上,在此石墨烯襯底上采用直接凡德瓦外延法,生長高質量單晶GaN薄膜,將大幅度降低半導體組件成本。IBM近期宣稱,已掌握這些技術,將在5年內投資30億美元,發展在石墨烯襯底上生長高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及“后Si時代”組件,首先大幅度降低GaN藍光成本。
    玻璃基板+石墨烯+濺射GaN:東京大學藤網洋研究團隊發表在玻璃基板上轉印石墨烯多層膜,并在膜上用脈沖濺射法(PSD)形成GaN(AlN+n-GaN+GaN與InGaN多層結構多量子阱MQWs+P-GaN)。其優點:生長GaN品質大幅度提升,可制作RGB三原色組合LED,大幅度降低成本。還可制作GaN構成的高遷移晶體管(HEMT),該技術路線如果獲得產業化,將是顛覆性的創新。
    Si+石墨烯+分子束外延GaN:西班牙Graphenea公司宣布,與日本立命館大學、麻省理工大學、首爾大學、韓國東國大學合作用普通化學氣相沉積法(CVD)在銅箔上形成石墨烯,直接轉印在硅基板上,然后在石墨烯上采用射頻等離子輔助分子束外延法(RF-MBE)生長GaN晶體,具有六角形對稱性是沿C軸向生長,是從Si(100)面上生長的GaN晶體,實現了最高品質。
    上述三種石墨烯襯底上生長高質量GaN技術,均不采用MOCVD設備,生長效率高、成本低、質量高,除了應用于發光、激光之外,均可發展第三代寬禁帶半導體,這將是顛覆性的創新技術。
    納米發光技術
    納米發光的結構形式是多樣的,這里介紹幾種典型的納米發光結構形態。
    納米線型LED:波爾研究所研究納米線型LED,其納米線的核是GaN材料,長度約2微米,直徑約10~500納米,外圍材料是InGaN。二極管中的光是由兩種材料間的機械張力決定的,這種納米線是可以使用更少的能量提供更高的亮度,更節能,可用于手機、電視以及很多形式的燈光,號稱將改變未來照明世界。
    超薄非結晶電介質膜發光材料:美國德州農機大學開發一種發光芯片,采用在硅晶圓上進行室溫濺射沉積方法制成電介質膜,其中有納米晶層,可提升發光密度,在工藝中可與硅IC兼容,工藝簡單,是新的納米發光材料。
    3D打印“光紙”:美國德州Rohinni公司利用3D打印光紙(Light paper),將油墨與微型LED混合印在半導體層上,并夾在另外兩層材料之間,微型LED只有紅血球大小,當電子通過微型LED時點亮光紙,號稱世界最薄LED燈。
    最薄LED:華盛頓大學研究人員宣布,已開發全球最薄LED,厚度相當于3個原子,這種可折疊的LED,未來用于便攜式、可靈活穿戴的設備。
    超高速LED:美國杜克大學研究通過金屬納米立方體和黃金膜之間添加熒光分子,實現高速LED,制造75個銀納米立方體,并困住其內的光,增加光的強度,通過“珀塞爾效應”強化加快,熒光分子發射光子速度是傳統LED的1000倍,還可作為量子密碼系統的單光子源,支持安全光通信。
    接近太陽光的LED:意大利InSubria大學采用納米顆粒面板對白光LED光源進行散射,得到與太陽光接近的燈光,利用雷利散射原理,使白光LED陣列擴散成“藍天”效果,或微黃色斑點模擬太陽光,已有產品,效果好,可極大提升光色品質。
    超清可彎曲顯示屏技術:采用納米技術制作相變材料PCM,可處二種狀態所謂GST,晶體態和玻璃態,這種GST在電流脈沖下,晶體玻璃態循環可超過100萬次/秒。三層材料結構:即導電玻璃+GST+導電玻璃,每層都僅有幾個納米厚,該技術可能生產出超薄、超高速、低能耗、高清、可折疊的彩色顯示屏。
    其他發光材料
    發白光的激光器:美國亞利桑那大學研制一種可發R、G、B的激光器,混合成為白光,也可用于光通信,比普通LED快10~100倍。
    中村修二采用不同技術路線,提出激光照明為第三代照明。
    磷烯發光材料:澳洲國立大學發現磷薄層發光特性,可作PV與LED。
    有機發光二極管(OLED):已進入平面照明領域,有人預測,將來會占照明領域的四分之一。
    鈣鈦礦LED:劍橋大學、牛津大學等聯合開發鈣鈦LED,工藝簡單、成本低,宣稱5年后這種LED可產業化。
    納米級發光新材料技術近年來取得很大進展,尤其是量子點發光、石墨烯發光和納米發光等技術,均具有開拓性和顛覆性的創新技術,可能是未來照明的新光源,要引起我們業內的高度重視。
    石墨烯襯底上生長高質量的晶體,除了應用于發光和激光外,將極大推動第三代寬禁帶半導體材料的發展,為研制“后硅時代”高性能組件提供支撐。

     

     

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