LED显示屏技术现状及发展

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，自1994年起以新型可见光材料InGaAlP和InGaN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，而 ZnSe不像GaAs，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。