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紅A1GaAsLED與GaAsP-GaP LED相比,具有更高的發(fā)光效率,透明襯低(TS)A1GaAs LED(640nm)的流明效率已接近10lm/w,比紅色GaAsP-GaP LED大10倍。超高亮度InGaAlP LED提供的顏色與GaAsP-GaP LED相同包括:綠黃色(560nm)、淺綠黃色(570nm)、黃色(585nm)、淺黃(590nm)、橙色(605nm)、淺紅(625nm深紅(640nm)。透明襯底A1GaInP LED發(fā)光效率與其它LED結(jié)構(gòu)及白熾光源的比較,InGaAlP LED吸收襯底(AS)的流明效率為101m/w,透明襯底(TS)為201m/w,在590-626nm的波長范圍內(nèi)比GaAsP-GaP LED的流明效率要高10-20倍;在560-570的波長范圍內(nèi)則比GaAsP-GaP LED高出2-4倍。超高亮度InGaN LED提供了蘭色光和綠色光,其波長范圍蘭色為450-480nm,蘭綠色為500nm,綠色為520nm;其流明效率為3-151m/w。超高亮度LED的流明效率已超過了帶濾光片的白熾燈,可以取代功率1w以內(nèi)的白熾燈,而且用LED陣列可以取代功率150w以內(nèi)的白熾燈。對于許多應(yīng)用,白熾燈都是采用濾光片來得到紅色、橙色、綠色和蘭色,而用超高亮度LED則可得到相同的顏色。AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED將多個(紅、蘭、綠)超高亮度LED芯片組合在一起,不用濾光片也能得到各種顏色。包括紅、橙、黃、綠、藍,其發(fā)光效率均已超過白熾燈,正向熒光燈接近。發(fā)光亮度已高于1000mcd,可滿足室外全天候、全色顯示的需要,用LED彩色大屏幕可以表現(xiàn)天空和海洋,實現(xiàn)三維動畫。新一代紅、綠、藍超高亮度LED達到了前所未有的性能,可以實現(xiàn)拼接顯示,采用BSV液晶拼接技術(shù)實現(xiàn)大畫面高亮度顯示。
大屏幕顯示是超高亮度LED應(yīng)用的另一巨大市場,包括:圖形、文字、數(shù)字的單色、雙色和全色顯示。在表2中列出了LED顯示的各種用途。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。表3列出了幾種顯示的性能比較。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,可完全滿足實現(xiàn)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(jié)構(gòu),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(gòu)成的。用InGaN(480nm)藍、InGaN(515nm)綠和ALGaAs(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。
適用性強,色彩豐富:由三基色(紅、綠、藍)顯示單元箱體組成,紅、綠、藍256級灰度構(gòu)成16777216種顏色,使電子屏實現(xiàn)顯示色彩豐富、高飽和度、高解析度、顯示頻率高的動態(tài)圖像;適用范圍:政府廣場、休閑廣場、繁華商貿(mào)中心、廣告信息發(fā)布牌、商業(yè)街、火車站、體育場館(UNILUMIN大運會)等。
隨著近些年來LED技術(shù)作為新一代照明技術(shù)受到了廣泛關(guān)注,LED功率加大,散熱問題也就越來越被人重視。經(jīng)研究人員長期觀察發(fā)現(xiàn),這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān),散熱不好結(jié)溫就高,壽命就短。
與以往使用的白熾燈和熒光燈不同,它們的能量損失雖大,但是大部分能量都是通過紅外線直接放射出去,光源的發(fā)熱少;而LED,除了作為可視光消耗的能量,其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱。又由于電子產(chǎn)品逐漸向高密度,高集成度發(fā)展,Led產(chǎn)品也不例外,所以解決Led散熱問題成為當(dāng)今提高Led性能,發(fā)展Led產(chǎn)業(yè)的主要問題。
LED發(fā)熱的原因:
LED發(fā)熱的原因是因為所加入的電能并沒有全部轉(zhuǎn)化為光能,而是一部分轉(zhuǎn)化成為熱能。LED的光效只有100lm/W,其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。
具體來說,LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個因素所引起的:
1.內(nèi)部量子效率不高,也就是在電子和空穴復(fù)合時,并不能100%都產(chǎn)生光子,通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復(fù)合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率,也就是轉(zhuǎn)化為熱能,但這部分不占主要成分,因為內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90%。
2.內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量,這部分是主要的,因為這種稱為外部量子效率只有30%左右,大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。
就如前文所說雖然白熾燈的光效很低,只有15lm/W左右,但是它幾乎將所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能而輻射出去,因為大部分的輻射能是紅外線,所以光效很低,但是卻免除了散熱的問題。
LED的散熱解決方式:
解決Led的散熱,主要從兩個方面入手,封裝前與封裝后,可以理解為Led芯片散熱與Led燈具散熱。Led芯片散熱主要與襯底和電路的選擇與工藝有關(guān),因為任何LED都會制成燈具,所以LED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好,因為LED芯片的熱容量很小,一點點熱量的積累就會使得芯片的結(jié)溫迅速提高,如果長時期工作在高溫的狀態(tài),它的壽命就會很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導(dǎo)出芯片到達外部空氣,要經(jīng)過很多途徑。具體來說,LED芯片所產(chǎn)生的熱,從它的金屬散熱塊出來,先經(jīng)過焊料到鋁基板的PCB,再通過導(dǎo)熱膠才到鋁散熱器。所以LED燈具的散熱實際上包括導(dǎo)熱和散熱兩個部分。
然而LED燈殼散熱依據(jù)功率大小及使用場所,也會有不同的選擇。主要有以下幾種散熱方法:
鋁散熱鰭片:這是最常見的散熱方式,用鋁散熱鰭片做為外殼的一部分來增加散熱面積。
導(dǎo)熱塑料殼:在塑料外殼注塑時填充導(dǎo)熱材料,增加塑料外殼導(dǎo)熱、散熱能力。
空氣流體力學(xué):利用燈殼外形,制造出對流空氣,這是最低成本的加強散熱方式。
風(fēng)扇:燈殼內(nèi)部用長壽高效風(fēng)扇加強散熱,造價低,效果好。不過要換風(fēng)扇就是麻煩些,也不適用于戶外,這種設(shè)計較為少見。
導(dǎo)熱管:利用導(dǎo)熱管技術(shù),將熱量由LED芯片導(dǎo)到外殼散熱鰭片。在大型燈具,如路燈 等是常見的設(shè)計。
表面輻射散熱處理:燈殼表面做輻射散熱處理,簡單的就是涂抹志盛威華輻射散熱涂料,可以將熱量用輻射方式帶離燈殼表面。
以下介紹一種新型的散熱涂料:ZS-411輻射散熱降溫涂料,涂料涂層具有高熱傳導(dǎo)率和較大的散熱表面積,同時在相當(dāng)寬的波長范圍內(nèi)(1-20μm)具有高輻射率,可以顯著提高包括傳導(dǎo)、對流、輻射散熱的綜合性能。
這種涂料采用高性能散熱溶液,該散熱溶液具有較高的可見光和近紅外光反射率、較高的熱紅外發(fā)射率和穩(wěn)定性等特殊性能,同時還具有良好的物理性能、化學(xué)性能和良好的施工性多種復(fù)合性,該散熱溶液工作原理是靠無機膠體微粒(小于100納米)發(fā)生凝聚而產(chǎn)生結(jié)合力。涂料溶液里添加納米碳管等具有較高的熱傳導(dǎo)率和發(fā)射性的材料,能使涂層表面呈現(xiàn)宏觀光潔微觀粗糙的形貌的納米材料組元,可以大大增加散熱裝置與外界的接觸面積,顯著提升散熱效果。同時加入大量被電子躍遷過的多種尖晶石作為復(fù)合紅外輻射體,既增加了雜質(zhì)能級,提高了紅外輻射系數(shù),又保持了相應(yīng)的熱穩(wěn)定性、耐熱性。
總體來說LED的發(fā)光效率還是比較低,從而引起結(jié)溫升高,壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。