干货|近期值得密切关注的LED技术

广东LED · 2017-12-29

《麻省理工科技评论》称：并非所有科技突破都生来平等。一些技术更具实用性，而另一些则将推动更大范围的创新。我们需要估计，这样的创新将于何时来临。近期，有哪些LED技术突破值得密切关注？

中国首片4英寸940nm VCSEL外延实现量产

中国第一片自主知识产权4英寸940nm VCSEL垂直腔面发射激光器外延在中科芯电量产试制成功，近日将迅速送到台湾地区和内地下游厂家进行流片测试。自2016年7月中国第一片大尺寸6英寸PHEMT外延诞生起，由曾一平教授、张杨博士组成的国家自主科技团队代表中科芯电的产品线全方位进展和技术实力已经实现更快的突破。随着2018年国内外市场需求急剧增量，接下来，中科芯电将相继快速研发更多新型产品满足现有全球市场供不应求的现状。

近期苹果公司发布iphone8、iphoneX采用了VCSEL半导体激光器技术，VCSEL更是引起广泛关注。业界认为VCSEL产品进入苹果产业链不仅是产业公司业务的重大突破，更是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费领域的重大突破，VCSEL激光器将进入iphone产业链，光器件也将从工业领域走向消费领域。

那么什么是VCSEL激光器?垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，为互联网的需求和光学存储密度的不断提高提供了一条新途径。随着VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展，VCSEL不仅在手机、消费性电子等领域发挥越来越重要的作用，VCSEL还可以用来进行人脸识别、3D感测、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等。当然，VCSEL将来也可以大量应用在物联网、5G通信、RF元件、ADAS(先进驾驶系统)等。

图片来源：LightCounting

光通信领域受益于40G及100G通信技术的发展，VCSEL激光器的市场需求仍将持续发展，但未来最大的市场应用将会是智能手机领域。预计2017年智能手机方面VCSEL激光器需求量在6000万只，2018年将迅速增加至1.2亿只，2014年将会达到2.4亿只，基本上保持每年翻番增长，远超光通信不到5000万只的需求。在光通讯领域，VCSEL激光器应用已经成为趋势，但是目前有能力推出商业化产品方面的也就是光迅科技。5G以及物联网快速发展，带来流量数据爆炸式增长，对于高速低功耗器件需求越来越高。VCSEL激光器前景非常广阔，而国内在芯片生产方面还没有摆脱技术限制，仍然受制于人。由中科芯电引领的VCSEL核心外延国产量产应用将随着市场热度会受到更多的重视。

石墨烯纳米碳覆膜，实现LED无散热鳍片化

因为LED光源在发光的过程当中，会产生高热，因此LED使用大量的散热鳍片，尤其是功率在20W以上的LED灯具，各种形状的散热鳍片都可以很清楚看见，散热鳍片变成大功率LED的特色，可是却也是美观的杀手。

近几年来，石墨烯等纳米碳材料在散热上的运用，开始被重视与大量采用，其实早在多年前，就已有人成功开发运用石墨烯纳米碳材的散热技术，并且真正将石墨烯纳米碳覆膜取代散热鳍片，实现LED无散热鳍片化，并于2013年申请多篇专利：US 9170015 B2，他就是卢鸿智，台湾大学光电工程博士。卢鸿智博士表示，很多从事纳米散热的相关业者，运用石墨烯纳米碳材做散热，往往都是对客户的要求来者不拒，但最后常常发现喷涂上去降温效果不显著，其最大的原因在于，石墨烯纳米碳材运用的是热辐射，热辐射要发挥得好，先决条件是机构件的热流设计也要好，如果客户委托的机构件设计不良，没有经过筛选直接喷涂，是不会有降温效果的。因此，卢鸿智对客户的委托，都经过他亲自筛选，机构件合格的才喷涂，不合格的就退件，不合格率往往超过合格率；因为他下过的苦功与经验的累积，已经练就像古物鉴定专家一样，一眼就能判定优劣。因为LED光源的热，必须良好的传导到石墨烯纳米碳材喷涂的膜层，如此散热效果才会好，而产品的机构件就决定了石墨烯纳米碳材是否有效的关键；这往往是许多同业忽略的关键因素。因为每家公司都有他们自己的工业设计，所以一般都是不愿意去更动机构件，因此卢鸿智博士研发石墨烯LED光引擎，热不须透过机构件，因此机构件可以使用任何材料、任何设计，都对散热没有影响，直接解决客户的问题。图一是不同石墨烯纳米碳材的散热能力比较图，使用石墨烯纳米碳材的LED灯，其光源温度(红色线)明显低于未喷涂的LED(黑色线)；至于纳米碳材料本身差异影响并不大，例如纳米碳球、纳米碳管、或类钻碳等；不过卢鸿智博士表示还是可以进一步提升，透过特定比例配方混和不同石墨烯纳米碳材料，可以进一步降低(蓝色线)。

图一，不同石墨烯纳米碳材料的散热能力比较图

图二是20W石墨烯LED光引擎，配合20W LED的应用范围，采用PLCC型LED光源，直接插电使用就可以让光源温度保持在安全的80˚C标准内，外部机构件可以由业者任意发挥。

图二，20W石墨烯LED光引擎

图三是100W石墨烯LED光引擎，配合大功率灯具使用场所，采用COB型LED光源，在载板背后喷涂石墨烯纳米碳薄膜，就可以不须散热鳍片，让光源温度保持在安全的80˚C标准内，因此可以让灯具设计者任意发挥创意，而不用担心机构件影响散热。

图三，100W石墨烯LED光引擎

图四是石墨烯LED艺术灯之【王冠】，卢鸿智博士将石墨烯LED光引擎直接运用在艺术灯上，因为没有了散热鳍片影响美观，而且光引擎已可直接散热，因此机构件可以使用不能散热的艺术灯罩，也不会有任何影响，可以将LED艺术灯化，带来LED灯的新革命。

图四，石墨烯LED艺术灯之【王冠】

LED固态照明器件具有高效、节能、环保等优点，经过十多年发展已基本取代传统白炽灯、荧光灯而成为新一代照明光源。荧光粉具有波长转换功能，在决定LED白光性能如显色指数、色温、效率等方面起着重要作用，是LED照明器件的关键材料之一，研发效率高和热稳定性较好的荧光粉一直是人们追求的目标。宁波材料所所属二级所先进制造所的光电功能材料与器件团队研发出一种新型Ba9Lu2Si6O24:Ce3+硅酸盐青色荧光粉；在160℃时，其荧光量子效率可维持室温的94%，表现出良好的热稳定性。该研究获国家发明专利一项（ZL201410545720.6），相关结果发表于Advanced Optical Materials（2015, 3(8), 1096-1101，入选封面文章）。

随后，该团队围绕Ba9Lu2Si6O24材料，利用Tb3＋－Tb3＋量子剪裁和共振能量传递效应，获得了一种发光效率高达144%的绿色荧光粉，实现了可见光量子剪裁（J. Phys. Chem. C 2016, 120, 2362-2370）；首次观察到Eu2＋的异常红光发射，采用低温光谱手段追溯到了红光来源（Inorg. Chem. 2016, 55, 8628-8635）；在此基础上，通过Ce3＋／Eu2＋／Mn2＋共掺获得了单一白光。获国家发明专利一项（ZL201510780416.4），相关基础研究结果发表于J. Phys. Chem. C 2015, 119, 24558-24563；Materials Research Bulletin 2016, 80, 288-294。

近期，该团队通过理论和实验相结合，在Ba9Lu2Si6O24基青色荧光粉发光性能调控方面开展了系统研究。通过工艺优化，荧光内量子效率提升至90%，85℃/85%RH条件老化1600小时以上的光衰小于10%。仅采用该青色荧光粉与红粉复合，即可在NUV芯片上获得显色指数90以上的白光。基于对Ba9Lu2Si6O24第一性原理电子结构计算和理解，结合光谱学的实验表征手段，该团队提出一种计算宽带隙无机非金属材料基体带隙的方法，并揭示了材料发光的热稳定性机理，除了热和声子相互作用可引起发光猝灭外，由热引起的材料吸收率下降是导致发光材料热猝灭的另一个原因。相关结果发表于J. Mater. Chem. C（2017, 5, 12365-12377，入选封面和热点文章）。

团队还将Gd3Al2Ga3O12：Ce3＋黄色余辉荧光粉稳态荧光内量子效率提升至82%，这为解决交流LED频闪问题提供了一种具有潜在价值的稀土发光材料。相关内容申请国家发明专利2项（2016112538620, 2016112538762），部分研究结果发表于Chem. Commun.（2017, 53, 10636-10639）并入选该期刊封底文章。

以上工作获伦敦布鲁内尔大学Jack Silver教授、中科院长春光机所张家骅研究员、日本国立材料研究所/厦门大学解荣军研究员、工信部广州电子五所徐华伟高工的支持，并获国家自然科学基金（NSFC11404351）、浙江省公益技术基金（LGG18E020007）、宁波市自然科学基金（2014A610122，2017A610001）的资助。

图1 相应期刊封面

图2 Ba9Lu2Si6O24:Ce3+青色荧光粉与红粉制备的近紫外基白光LED器件性能

图3 Gd3Al2Ga3O12：Ce3＋黄色余辉荧光粉发光照明及余辉光谱

LED可提高果蔬产量

根据LEDinside报道，LED灯的颜色不仅可以帮助植物生长，而且还可以用来改善其全年的口感和质量，并有可能增加其营养价值。不仅如此，LED灯下种植的水果和蔬菜不易受气候变化的威胁，所以LED在农业领域的作用越来越受到关注。

Phillip Davis使用光来控制植物的生长，将其生长与依赖于良好天气相分离。

斯托克技术中心的其中一个温室种植西红柿，它们在彩色LED灯下生长。温室包含两种飞利浦LED灯。顶灯位于植物上方，用于取代标准的高压钠灯，LED彩灯位于顶棚内，以最大限度地提高作物的光利用效率。如今，随着世界人口的不断增长，真正的恐惧就是我们会吃尽粮食。斯托克技术中心在二十一世纪的作用是提出可持续改进粮食生产的技术，来应对当今的挑战。Phillip Davis说：“LED照明是我们五、六年前认识到的技术，可以真正使园艺受益。”园艺业对LED有很大的兴趣。不仅仅是因为能源效率，而是因为潜在的光线可以控制植物。改变LED灯颜色的能力至关重要。90％的植物基因受光照控制。因此，通过改变光谱，可以改变植物的生长方式、发育速度和形态。也可以改变风味、香气、抗氧化剂含量以及由植物产生的维生素的数量。斯托克技术中心使用植物的自然生物学来做到这一点，并且不以任何方式改变或它们的基因。相反，它使用光来提高产量、质量以及所培育产品的口感。光可以用来确保全年水果和蔬菜的味道是一致的，例如，确保在季节中生长的草莓和在冬季生长的草莓之间的味道没有差异。Davis说：“我们最近和一家餐馆的厨师谈过话，他说，如果罗勒的味道一年四季都在变化，那么设计一个菜谱就非常困难。”“我们一年四季都可以生产同样质量的罗勒，这意味着每次制作菜谱时，每次都需要相同的罗勒数量。”如果光照环境正确的话，减植物的枝叶也可以改善植物的生根。正确的照明可以将生根的植物数量从20％提高到接近100％，这意味着可以节省劳力和材料。上千家商业种植户参观了该技术中心，看到了这种技术，但在农场上使用LED还不是特别普遍。Davis说：“应用延迟主要是要让种植者相信LED在经济上是合理的举措。”“这是因为LED比现在在农场上使用的照明技术更昂贵。当价格开始下降时，将会有很多种植者希望投资这项技术。”其中一个主要原因是，LED不断发展，照明装置的价格与两年前相差无几。安装成本正在下降，但LED的价格仍然难以吸引许多种植者。LED的优点是相当可观的，同时也改变了光谱，LED的低温意味着它们可以靠近植物，但又不会损坏植物。LED中也没有重金属或玻璃，而高压钠灯有时会破裂导致污染。

可以调整LED光谱以控制植物质量的许多方面，包括外观、高度和开花时间。但LED农业的主要优势在于它不受全球变暖的影响，这意味着无论天气如何，植物栽培都可以不受干扰。Davis说：“我们正在谈论的系统永远不会取代大田作物。我们要做的是在当前的系统中增加另一层作物生产，以应对气候变化，并增加食物链的安全性。这些系统将一直生产同等质量的作物，而不依赖于天气。”自从五年前加入斯托克技术中心以来，Davis很惊讶：农业界和照明行业对他的工作表现出极大的兴趣。他对农业产业渴望将学术科学用于实践有着特别的印象，但是他对现有的障碍感到不安。Davis总结说：“我们需要降低LED农业的成本。但不以牺牲质量为代价。价格正在下降，但我们需要让人们对技术肯定，并且有经济意义。”