LED性能（共7篇）
LED性能 篇1
0 引 言
针对液晶显示存在对比度不高的固有问题,近年来动态调光技术应运而生,并迅速发展[1,2]。动态调光技术通常分为全局调光(Global Dimming)和区域调光(Local Dimming)。和全局调光相比,区域调光可以获得更高的节能效果[3,4]。区域调光需要将背光源分为可单独控制亮度的多个分区。为降低成本和复杂性,通常背光分区数目L×K会远远低于液晶显示像素分辨率M×N。动态调光算法可根据显示图像内容确定L×K个区域的背光亮度,根据L×K个分区经过光学扩散后变为M×N个像素的亮度,再对液晶像素进行精确补偿。
对于发光二极管(Light-emitting Diode ,LED)背光源,LED发出的光线到达液晶盒的亮度通常和背光结构及其性能相关,包括单个LED功率、LED之间的间距、LED和扩散膜之间的距离、扩散膜数量、扩散膜特性及扩散膜之间的距离等。要精确得到不同亮度下L×K个分区经过光扩散后变为M×N个精密像素的亮度,必须知道上述所有的参数,而对于液晶显示产品的终端用户,这些参数往往是很难全部获知的。即使得到也需要通过卷积计算得到最终的扩散效果。由于计算量巨大,根本无法在一幅图像的消隐期内完成,也就无法实现视频的实时播放。如果液晶像素不能进行精确补偿,将导致采用区域调光技术的液晶显示器显示效果降低,严重影响该技术的产业化。
文献[5-7]均提到了采用光扩散函数(Light Spread Function,LSF)对背光进行平滑,该方法主要是将背光信号与光扩散函数LSF卷积,来模拟LED发出光线扩散后的光强分布,根据计算的结果便可以确定图像像素补偿信号。但由于卷积的运算量大且计算复杂,需要非常高的硬件载体来存储和计算;文献[8]提出了一种针对分区背光的模糊-扩散方法(Blur Mask Approach,BMA),该方法是根据低通滤波模板与背光信号的矩阵运算,得到平滑效果较好的背光信号,据此再调整液晶像素值,但并没有给出模板参数的求解方法。文献[9,10]均应用了BMA算法对背光信号进行平滑,都是直接给出了采用的滤波模板,并没有提及如何得到这些模板参数。由于对不同的显示器就有不同的扩散滤波模板,本文通过对LED分区背光光扩散性能的研究,提出了一种通用的求解模板参数的方法。用低通滤波模拟LED背光扩散的过程,并最终求得低通滤波模板参数。该方法计算简单,可操作性强,精度高。
1 动态区域调光
动态区域调光技术通常包括2个步骤:1) 根据显示图像确定每个分区(L×K)的背光亮度;2) 对M×N个液晶像素进行亮度补偿。例如对于图1(a)的分辨力为768 pixels×1 024 pixels的图像,背光分为4×8个区域时,根据式(1)可以确定每个区域的亮度[11](图1(b)),公式中,Lmax(i,j)为每个区域内图像灰度最大值,Lave(i,j)为每个区域灰度平均值,LB(i,j)为对应该分区背光亮度值。
通常根据式(2)对液晶像素进行亮度补偿。P为原像素值,Pt为调节后像素值。如不考虑光线的扩散,将4×8个直接进行放大,得到768 pixels×1 024 pixels个扩散后的背光值,据此进行液晶像素的补偿后的综合效果如图1(c)所示。可以看出,调光后的图像具有明显的分区,显示效果根本无法接受。
出现图1(c)的显示效果,其根本原因就是没有考虑背光中光线的扩散。在实际的背光源中,若干个LED点光源发出的光线经过扩散膜(板)后变为亮度均匀的面光源。液晶像素的补偿必须基于实际的面光源上各像素点对应位置的光线强度。
(a) 原图像; (b) 图像各分区背光; (c) 分区调光后图像(a) Original image; (b) Backlight of each region; (c) Local dimmed image
2 分区背光模糊-扩散
图像平滑是一种可以减少和抑制图像噪声的实用数字图像处理技术,平滑滤波可用低通滤波实现[12]。对于在动态区域调光中形成的分区边缘明显可见的背光图像信号,可通过合理的选择滤波模板的大小和参数,模拟LED在背光模组中的扩散过程,达到对背光信号平滑滤波的目的。本文拟采用低通滤波算法将低分辨率的背光值平滑模糊并扩散至高分辨率的背光入射值,以据此补偿液晶像素。
低通滤波模板通常用(2n+1)×(2n+1)不同尺寸的模板来表示。模板尺寸越大,平滑效果越好,但计算量就越大,需要的处理时间就越长,实现视频实时处理的难度也就越大。对不同的液晶显示器,有不同的结构组合方式,就有不同的背光模组,则会有不同的模板。假设低通滤波模板的大小为3×3,如图2(a)所示。通常情况下,背光分区设计具有上下左右对称性,故图2(a)可简化为图2(b)。其中,a在滤波模板的中心位置,表示中心扩散后的剩余光能量系数;b、c和d分布在滤波模板的四周,分别代表光扩散中心对四周的扩散能力系数。为保证光在传播中的能量守恒,a、b、c和d满足恒等式a+2b+2c+4d=1。
(a) 滤波模板; (b) 对称滤波模板(a) Filtering template; (b) Symmetrical filter
设初始背光矩阵为L,矩阵中元素L(i,j)代表对应分区背光亮度,其中,i对应分区背光的行,j对应分区背光的列。背光入射点L(i,j)经过第一次滤波运算后,可以得到模糊一次的数值,用L(i,j)×1表示,即:
为了尽可能地模拟再现光扩散传播的过程,需要对L(i,j)不断地进行线性扩大和平滑模糊,直至得到原始图片大小的M×N个背光信号值,再据此补偿液晶像素,得到M×N个像素的精确亮度。一般模糊-扩散4~6次即可。由式(3)可知,经过J次扩散后的背光入射值的L(i,j)×J就是初始背光值和滤波模板的函数,如式(4)所示。
理论上,如果得知最终J次扩散后的数值,通过联立方程,结合a+2b+2c+4d=1,即可解得滤波模板各参数值。根据如上的原理,本文提出通过测试的方法,获得在特定分区LED背光下,经扩散后到达屏前的对应各分区中心的实际亮度,归一化后为背光J次扩散后的数值,经过联立方程求解,即得测试液晶显示器的低通滤波模板。
3 实际应用及结果分析
低通滤波模板参数获得方法主要包括3个步骤:1) 在设定各分区背光值情况下,测试液晶显示面板上各分区中心的实际亮度值;2) 计算模糊-扩散N次后各分区中心模糊扩散后的理论亮度值表达式;3) 将各分区中心理论亮度值表达式与测试得到的对应实际亮度值联立方程,即可得到低通滤波模板各参数。
3.1 实际模板计算
本文采用液晶显示五维综合测试台和TOPCON公司的色度亮度计对直下式LED分区背光液晶显示器进行测试,如图3所示。显示器对角线尺寸为18.5英寸,屏幕分辨率为768 pixels×1 024 pixels,背光分区为4×8,共4行8列。每个分区中包含192 pixels×128 pixels,即分区为竖向长方形区域。
为计算的统一性,需将测试到的屏前亮度归一化。首先需测试背光全打开时,液晶显示屏对应各分区的中心亮度,获得亮度归一化标准。背光驱动控制电路板产生所有分区背光LED都是最高亮度255的驱动信号,送入背光源。待显示器显示稳定,用色度亮度计逐个测试显示器对应各分区中心点的亮度,记为L255(i,j),见式(5),其中,i=1~4,j=1~8,i表示分区背光的行数,j表示分区背光的列数,4×8表示LED分区背光数量。将L255(i,j)平均值作为测试亮度的归一化标准,记为Lave,见式(6)。
通过背光驱动控制电路板设定各分区初始亮度矩阵Lblcok-set,见式(7)。用色度亮度计逐个测试在该背光下,液晶显示面板各分区中心对应实际亮度L'blcok-mea(i,j),见式(8)。将测试数据L'blcok-mea根据Lave归一化到0~255阶,得到归一化亮度矩阵Lblock-mea,见式(9)。
在该背光下对背光信号进行模糊并扩散。首先需将背光初始亮度矩阵Lblcok-set按原边界值进行边界扩散,再根据式(3)对扩散矩阵进行模糊,得到第一次扩散混光后亮度矩阵LH,以LH中第2行、第2列元素LH(2,2)为例,计算方法见式(10)。
再根据式(3)对归一化亮度矩阵LH继续进行4次模糊-扩散,得到第5次模糊-扩散亮度矩阵Lfinal,将Lfinal中的元素进行4×8分区。取每个分区中心四个元素算式的平均值,作为显示面板对应该分区中心的亮度,该分区中心的亮度算式仍然含参数a、b、c和d的,可用含参数a、b、c和d的函数f(a,b,c,d)简单表示。
将测试归一化后亮度矩阵L'blcok-mea中的元素亮度数值与模糊扩散得到的该分区亮度f(a,b,c,d)对应相等,即可构成该分区方程L'block-mea(i, j)=f(a,b,c,d),与其他分区方程联立组成方程组,再结合恒等式a+2b+2c+4d=1,联立解方程,即可求解得到测试液晶显示器的低通滤波模板各参数:a=0.38;b=0.11;c=0.08;d=0.06。本文采用MATLAB编程实现模糊扩散和求解方程的过程。
3.2 结果验证
以图4中图片为例验证本文提出方法的正确性。图4(a)为原图片,图4(b)为根据式(1)计算得到的该图片各分区实际背光调光值,式(11)给出了具体数值。根据上面计算得到的滤波模板参数对背光进行模糊并扩散5次后得到的扩散效果如图4(c)所示,再根据图4(c)对液晶像素进行补偿,得到的调光后显示图片如图4(d)。
(a) 原图像;(b) 图像各分区背光;(c) 分区背光模糊-扩散结果;(d) 分区调光后图像(a) Original image; (b) Backlight of each region; (c) Backlight blurred and diffused result; (d) Local dimmed image
首先对原始背光信号模糊-扩散后求解出各分区中心的亮度算式,将a=0.38;b=0.11;c=0.08;d=0.06对应代入模板中,此时各分区中心的亮度中不再含有未知数,可直接算出具体数值即分区中心理论亮度值;然后通过实际测试得到各分区中心的实际亮度值。通过比较理论计算亮度与实际测试亮度之间的相对误差,可确定本文提出方法的精度。如图5所示。
可以看出,实测亮度归一化后与计算亮度值基本吻合,经过计算,32个分区的相对误差平均值为6.41%。
3.3 样机效果
本文测试和验证实验都是在自主研发的直下式区域调光液晶显示器上进行的,其背光采用LED直下式分区背光,共分4?8个分区,每个分区有相同数目的LED,根据图片内容,采用合适的背光取值方法,单独控制该分区背光,达到最佳的显示效果。图6所示为验证用图片不调光(左)和调光后(右)的图片显示效果对比图,可以看出,对于同一图像,采用本文方法的动态调光液晶电视的能耗为38.8 W,不采用调光的电视的能耗为53.2 W,节能率为27.06%。
样机中采用基于高速FPGA的电路实现,由于电路处理速度足够快,完全可以在两幅图片的消隐期内完成LED背光调光亮度计算、模糊扩散、液晶像素补偿等,即使播放快速变换的视频也没有拖尾现象,不影响液晶电视的响应速度。
4 结 论
液晶显示器的区域动态调光技术中,各分区背光确定后,为了保证背光降低后图像的亮度和显示效果,需要对液晶像素进行精确补偿。目前常用低通滤波方法模拟LED背光源在背光模组中传播时的扩散过程。但对于不同的显示器就有不同的扩散滤波模板,本文通过对LED分区背光光扩散性能的研究,提出一种通用的获得LED光扩散函数模板的方法。经过平台测试和MATLAB仿真求解,最终得到低通滤波模板即LED分区背光光扩散函数模板参数,进而得知各像素的实际背光亮度,再据此对液晶像素进行精确补偿。并在直下式LED分区背光液晶显示系统上,通过具体图像验证了该方法的准确性。该方法采用常见的测试设备,可操作性强,精度高。经验证,直下式液晶显示器的背光分区为32个时,32个分区的相对误差平均值为6.41%。
摘要：液晶显示器的区域动态调光技术中,各分区背光确定后,为了保证背光降低后的亮度和显示效果,需要对液晶像素进行精确补偿。本文采用低通滤波方法模拟LED背光源在背光模组中传播时的扩散过程,得到光扩散函数模板参数,进而得知各像素的实际背光亮度,据此对液晶像素进行精确补偿。在直下式LED分区背光液晶显示系统上,通过具体图像验证了该方法的准确性。该方法采用常见的测试设备,可操作性强,精度高。经验证,背光分区为32个时,32个分区的相对误差平均值为6.41%。在动态区域调光液晶电视样机中实现了本文的扩散方法,和没有调光的电视相比,节能率达到27.06%,画面无拖尾现象。
关键词：液晶显示器,区域动态调光技术,LED背光,低通滤波,像素补偿
结温对LED性能的影响分析 篇2
近几年来,发光二极管(Light- Emitting-Diode LED) 作为第四代光源发展非常迅速。因为其在很多方面相对于传统光源而言具有较多优势,比如寿命长、污染低、效率高、工作温度低等,使得LED在诸如信号灯、背光源、汽车灯、普通照明等多个领域都有广泛的应用。但是LED器件的发光强度、发光效率以及使用寿命等因素受LED热学性能影响了非常大,热量问题已经成为LED发展的一个瓶颈问题。也基于此,目前国内很多LED研究人员对散热做了大量的研究,本文主要阐述结温对LED性能的影响。
2 Led结温产生的原因
LED的核心部分是P-N结,其实PN结的结温的定义就是当PN结两端有电流流过时,PN结的温度会升高,PN结的温度成为LED结温。结温产生的原因比较多,主要的原因有:
1 LED器件的注入效率导致结温升高,因为注入效率不会达到100%,电子和空穴复合的时候不会100% 全部以光子的形式释放出能量,因为在LED工作时除了P区向N区注入电荷以外,N区也会向P区注入电荷,一般情况下,N区向P区注入的电子不会产生光电效应,而是以发热的形式消耗掉了。
2 PN结存在电阻,也就是器件电极结构也会导致热量的产生,窗口层衬底、PN结区的材料以及银胶等均存在一定的电阻值,这些电阻值相互叠加,构成LED的串联电阻。当电流流过P-N结时会产生热量导致结温的升高。
3不能忽视的一个主要原因则是出光效率,它易导致LED结温升高。与周围其他介质相比较而言,LED芯片材料具有较大的折射系数,从而导致芯片内部产生的大部分光子(>90%)会在芯片与介质面产生全发射,无法顺利地溢出界面,最终被芯片材料或衬底吸收,形成热量后会致使结温升高。
4另一个决定结温高低的因素是LED器件的热散失能力。散热能力强,热量传导到空气当中的速度快,结温较低, 反之,散热能力差时结温较高。
3结温的测量
目前市场上有多种结温测量方法:
(1)利用不同温度下的频移来测温结温,也就是拉曼光谱法测试结温,这种测试方法是基于拉曼散射谱中的谱线来进行测试,这种结温测试的原理是LED的发光峰值波长和LED芯片之间存在一个关系式,这样可以获得芯片内部不同微区域的温度分布。
(2)第二种最直接的方法是将微型温度传感器植入LED封装模块中,通过传感器所获得的温度与热敏电阻关系式推算结温,这种测试方法能比较实时的测出LED结温,但同时这种方法也存在一定的缺点,也就是增加了封装级的成本。
(3)就目前而言,常采用电学法进行结温测试,利用此种方法便可通过脉冲控制方式获取动态结温。
4 LED结温特性研究分析
4.1实验
首先将表面覆有氧化膜的铝板样品的制备 :开料→钻孔→干膜光成像→检板 →蚀刻→蚀检→绿油→字符→绿检→喷锡→铝基面处理→ 冲板→终检→包装→出货。
然后是进行整体封装 :
(1)首先是固晶:银胶作用:固定芯片、导电、导热;基板作用:固定芯片、电路走线、散热。烘烤注意事项:1) 固晶完毕的材料必须在1小时内放入烤箱烘烤。 2) 调节好烘烤温度,注意烘烤时间。
(2)焊线: 1)焊线就是把芯片和基板上的电路进行连接导通,使芯片在通电情况下正常发光。
(3)围坝:围坝主要为了方便后面点荧光粉工序和发光面积的需要。围坝好的材料必须在1小时内放入烤箱烘烤。(注意:必须使用专用烤箱,不能与固精烤箱混用。)
(4)匀底胶:先配胶水,胶水配好后开始搅拌;抽真空,抽出搅拌时产生的气泡。 温度:45℃。时间:无气泡时;匀胶。把胶水均匀覆盖在基板上;抽真空,抽出匀胶时产生的气泡。温度45℃。时间:是一直到无气泡时。
最后就是进行短烤长烤,然后进行测试分光:送入分光分色机里进行测试分BIN项目,检测光源光通量、显色指数、相关色温、电压、电流、电性不良,最后进行老化测试。
然后进行结温的测量:在制备好的一体化封装结构的大功率白光LED铝基板的背面开出一条狭窄的槽子,槽子的厚度远小于基板的厚度,然后将测温计的测量头放在槽子里、并在芯片的正下方,然后涂覆导热胶,将加热板压在上面,最后用胶带固定,通过控制加热板的温度,使其对LED芯片加热,从而测量结温。
4.2实验结果分析
上图为不同结温下的白光LED样品的绝对光谱图,从图中可以看出,在6组不同的结温下,白光LED的相对光谱中均存在两个辐射峰,一个为蓝光波峰峰值为450nm、另一个为黄光波峰,峰值在580 nm附近,,随着结温不断升高,白光LED的绝对光谱的左峰,即蓝光芯片的辐射波峰峰值在不断的衰减,共衰减了27.73%,其辐射光谱的右峰峰值也在不断的衰减。主要原因有:1) 由于LED蓝光芯片结温逐渐升高,荧光粉层温度也会不断的升高, 同时荧光粉的效率也会下降,导致LED整灯的发光效率下降。
2) 温度的升高降低了蓝光芯片的辐射复合效率,减少了蓝光辐射,降低了电光转换效率,同时也降低了相应荧光粉的发光效率;
图2表示的是不同结温下的白光LED的光效和CRI,从图2可以看出,随着蓝光芯片结温的升高,白光LED的发光效率和显色指数都有明显的变化趋势,首先发光效率成一直下降的趋势,而显色指数先下降然后再上升。上述现象主要是:1) 由于红黄蓝三种光的辐射能量出现了不同幅度的衰减,所以红黄蓝三种光的辐射能量的比例也在不断的发生变化,即先远离标准比例然后再接近标准比例,才导致了白光LED的CRI先减小后增大的变化趋势。2)随着蓝光芯片结温的升高,其辐射复合效率降低了,降低了LED电光转换效率,同时减少了蓝光辐射,从而导致白光LED的发光效率不断的下降。
5总结
本文通过对LED结温的产生的原因以及对整体封装LED的影响等方面的分析,得出结温在LED封装过程中对LED色温、显色性等方面会产生至关重要的重要,最后通过数据给出结温对发光效率以及显色指数的影响,随着蓝光芯片结温的升高,白光LED的发光效率在逐渐降低, 在LED封装过程中应采取合理的方法和手段来降低结温。
摘要：本文对LED的结温定义、结温产生的原因、结温的测量以及结温对白光LED的影响做了比较详细分析,得出结温对LED性能的重要影响,并给出仿真图解释了结温对光谱以及显色性的具体影响。
浅议LED拼接屏的性能和特点 篇3
1 液晶拼接墙系统设计
1.1 系统组成
整套液晶拼接墙显示系统主要由以下几部分组成:
1) 46"LED拼接显示单元 (DID液晶屏面板) ;2) 内置图像拼接器;3) 应用管理软件包;4) 线材及配件;5) 壁挂挂架。
1.2 系统规格
本方案采用的液晶拼接墙由多媒体的LED拼接显示单元拼接而成, 选择如下方式:
3×3 46″拼接, 总共6个单元, 尺寸规格如下:
单屏面积:1025.7mm (宽) ×579.8mm (高)
整屏面积:3077.1mm (宽) ×1159.6mm (高)
1.3 系统结构图
机柜:根据拼接墙显示尺寸及外观尺寸进行设计
拼接墙的大小按照惯例由拼接墙单元的个数 (宽m*高n) 和单元的尺寸来计算。例如3×3-46″拼接墙指高3个单元, 宽3个单元, 由9个46″液晶拼接显示单元组成, 具体使用时可根据安装环境选择立式或挂壁式安装, 选择不同的安装方式时再加上边柜及立式底座的尺寸, 便可得到拼接墙的外观尺寸。
2 液晶拼接显示单元:包含内置图形处理及驱动板、液晶屏和电源
2.1 图形处理及驱动板
采用3D数字降噪, 3D解码, 动态色度、亮度补偿, 驱动拼接二合一, 支持1920*1080高解屏, 真正的10bit LVDS输出, 视频信号环路输出, DVI数字高清接口, VGA输入, YPb Pr和RGBHV复合输入, ESD防静电设计, 更好的保证设备正常运行。显示设备自动调整处理拼接信号, 显示图象更亲切自然。采用FPGA阵列式组合处理构架, 全硬件设计, 快速启动 (启动时间小于8S) 和全天时全天候正常工作。集超带宽视频信号采集、实时高分辨率数字图像处理、3D高阶数字滤波等并行处理机制, 能从根本上保证对所有输入视频进行全实时、图像无延迟处理, 无丢帧现象。显示设备可以实现高分辨率、高亮度、高色彩还原显示。
2.2 液晶屏
拼接墙使用SAMSUNG超窄边DID专业液晶屏, 并经过技术处理, 使其符合拼接墙的设计要求。
2.3 电源
拼接墙每一单元都有独立的开关电源模块, 保证系统长时间稳定运行, 整机输入使用带保护地的单相三线制交流电源, 并确保整个工程系统使用同一保护地。不能使用无保护地的电源, 电源线的接地脚不能破坏。
3 控制计算机
拼接墙系统控制提供一个软件包, 可安装于任何品牌的PC机, 在windows环境下, 运行软件并通过RS232串行通信, 用于对拼接墙的信号和各种功能的控制。
4 各类线材
各类线材将按实地安装数量及高度等数据进行定制。系统特点和功能
4.1 系统特点
4.1.1 高清晰度、高亮度、高色域
清晰度、亮度、色彩饱和度是液晶的三个重要性能指标, LED拼接墙采用数字信号处理技术和拼接处理技术, 结合最新技术的液晶屏, 具有高清晰度、高亮度、高色域的特点。
4.1.2 高级窄边拼接, 内置处理器
高级的窄边液晶拼接, 采用比以往机器薄二分之一的高级窄边, 即使拼接, 边缘也不注意。每个液晶单元, 自带内置处理功能, 在无外部控制器的情况下, 实现多个N*M组合屏显示任意多路信号。
4.1.3 嵌入式系统
一般来说, 我们把非PC系统, 但又具有计算机功能的设备或器材称为嵌入式系统。也可以说它是以应用为中心, 软硬件可裁减的, 并将软件固化在FLASH中, 对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的微型专用计算机系统。也就是说嵌入式系统集应用软件与硬件于一体, 具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点, 特别适合于要求实时和多任务的应用。嵌入式系统的软硬件设计难度通常都更高, 但是它为用户提供了以下好处:
1) 易于使用。用户无须经过专门培训, 只需会简单的操作, 便能使用。
2) 系统稳定性高, 软件容错能力更强, 无需专人管理。嵌入式系统将功能集中到一个体积较小的设备内, 系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高, 所以无需专人管理。
3) 软件固化在FLASH中, 不可修改, 可靠性高。
4) 使用嵌入式实时操作系统, 系统开关机快。
5) 软硬件成本低。嵌入式系统采用一体化的硬件结构和专用的操作系统, 用户不需要支付软件费用, 总体成本较低。
6) 机械尺寸较小, 结构简单紧凑。一体化的设计使整个系统结构简单, 体积小, 重量轻, 同时也提高了系统的稳定性和可靠性。
4.1.4 拼接方式任意选择, 使用场所适应性强
LED拼接墙, 除了拼接数量任意选择外 (mХn) , 屏的大小亦多种选择, 满足不同场所的需要。
4.1.5 拼接台数不限
一般拼接墙由于技术限制, 拼接台数受限。LED拼接墙采用最新的嵌入式硬件拼接技术, 拼接单元数理论上可以达到无限多单元, 目前工程实践已达二百多单元。
4.1.6 灵活多变的拼接显示组合功能
液晶拼接墙可以根据不同用户、不同使用环境的要求进行个性化设计, 可以选择单屏显示、整屏显示、任意组合显示。
4.1.7 先进的屏幕参数自动高校功能
针对液晶拼接墙使用的液晶单元中液晶屏及驱动电路可能出现的离散性问题, 液晶拼接墙使用了自主研发的先进的拼接墙系数 (亮度、对比度、色度、白平衡) 自动调校功能, 从而保证了整幅拼接屏幕的色彩一致性和亮度的均匀性。
4.1.8 稳定运行寿命超长, 维护成本低
液晶显示技术是目前最优异的平板显示技术之一, 尤其是拼接墙使用的液晶屏, 其背光源的使用寿命就超过6万小时, 长时间工作后图像稳定没任何变化。液晶显示技术没有任何需要定期更换的耗材设备, 所以维护、维修成本极低。
4.1.9 美观的墙体结构
LED拼接墙壁挂式机柜厚度不超过350mm, 机架厚度不超过180mm, 可以选用立柜和壁挂两种安装方式, 适应不同使用场所的应用要求。拼接墙机柜采用全钢与铝合金结构, 坚固牢靠, 拼接屏挂入式安装, 简单方便, 整体结构紧凑大方、节省空间。
4.1.1 0 环保健康
LED液晶拼接墙发热量小、无辐射、无闪烁、不伤眼、不含有害物质 (如铅、汞、镉和六价铬等符合相关标准规定) , 是新一代环保健康拼接墙, 在欧美一些发达国家, LED拼接墙已成为主流显示设备。
4.2 系统功能
可显示多种画面拼接方式:
(1) 整个拼接墙显示任意一路信号;
(2) 每个单元屏幕显示一路信号;
(3) N*M组合与任意位置、大小显示任意多路信号。
4.2.1 拼接墙的优势及技术指标
DID液晶 (LED) 单元的主要特点:
(1) 高亮度
与TV和PC液晶屏相比, DID液晶屏拥有更高的亮度。TV或PC液晶屏的亮度一般只有250~300cd/㎡ (≤20.1〞) 和460~500 cd/m2 (≥26〞) , 而DID液晶屏的亮度为450~1000 cd/㎡ (≥26〞) 。
(2) 高对比度
DID液晶屏具有3000:1 (≥26〞) 对比度, 比传统PC或TV液晶屏要高出一倍以上, 是一般背投的三倍。
(3) 更好的彩色饱和度
目前普通LED和CRT的彩色饱和度只有72%, 而DID LED可以达到92%的高彩色饱和度, 这得益于DID新开发的色彩校准技术, 通过这个技术, 除了对静止画面进行色彩校准外, 还能对动态画面进行色彩的校准, 这样才能确保画面输出的精确和稳定。
(4) 更宽的视角
PVA (Patterned Vertical Alignment) 技术即“图像垂直调整技术”, 利用这种技术, 可视角度可达双178°以上 (横向和纵向) 。
(5) 可靠性更好
普通液晶屏为电视, PC显示器设计, 不支持日夜连续使用;DID液晶屏为监视器、广告牌设计, 支持在公众场合日夜连续使用。
(6) 纯平面显示
LED是平板显示设备的代表, 是真正的纯平显示器, 完全无曲率大画面, 无变形失真。
(7) 亮度均匀, 影像稳定不闪烁
由于LED每一个点在接收到信号后就一直保持那种色彩和亮度, 而不像CRT那样需要不断刷新亮点。因此, LED亮度均匀、画质高而且绝对不会闪烁。
(8) 120Hz倍频刷新频率
专利的120Hz倍频液晶显示技术, 能有效解决图像快速运动过程中的拖尾和模糊, 增强图像的清晰度和对比度, 使画面更清澈, 人眼长时间观看也不易疲劳。
(9) 更长使用寿命
普通的NB、PC及TV使用的LED液晶屏其背光源的使用寿命为1万至3万小时, 而DID LED液晶屏背光源的使用寿命均可达10万小时以上, 这就确保了拼接幕墙使用的每片液晶屏在长时间使用后的亮度、对比度和色度的一致性并且确保幕墙的使用寿命不低于8万小时。
(10) 超薄窄边设计
DID液晶屏在拥有超大显示面积的同时, 还有厚度薄, 重量轻等优势, 可以方便地拼接、安装。一般46英寸的DID LED, 其重量只有19.5KG, 厚度不到10公分, 拼接专用的液晶屏, 其优秀的窄边设计, 使其边缘分别只有2.4mm/4.3mm, 相对于46寸的大屏幕来说, 这么小的边缘完全不影响幕墙的整体显示效果。
(11) 接入信号可开多模式窗口
LED性能 篇4
1 LED灯具的散热性能
本部分内容研究了三种典型结构冷挤压散热器的散热性能, 并与其它相对应的工艺加工出来的散热器性能进行对比和分析, 其结果如下:
1) 对于7W的大功率LED灯鳍片散热器, 拉铝型材散热器球泡灯中心灯珠的最高温度达105.39℃, 而冷挤压铝材散热器的球泡灯中心灯珠的最高温度仅为72.00℃, 表明冷挤压散热器较拉铝型材散热器的散热性能更佳, 且冷挤压散热器上的温度分布更均匀。
2) 对于24W的大功率LED灯翅片散热器, 使用压铸铝成形后LED芯片处、铝基板表面、散热器表面最高温度分别89.93℃、53.13℃、58.69℃, 而使用挤压铝成形后相应最高温度为81.72℃、46.5℃和49.71℃, 表明冷挤压散热器较压铸铝散热器的散热性能更佳, 且散热器的温度分布上冷挤压铝散热器更为均匀并保持较低值。
3) 对于24W的大功率LED灯蜂窝状散热器, 当灯头采用水平、竖直向下和竖直向上放置时, 其芯片上的最高温度分别为87.85℃、60.21℃和60.52℃, 表明散热器竖直向下放置其散热性能最佳, 竖直向上方向次之, 而水平摆放时散热性能最差, 主要原因是散热器的不同摆放形式影响其流场分布, 在竖直摆放条件下温度场的分布会使蜂窝孔中形成较为快速的流体, 即“烟囱效应”, 能够快速的带走在散热器上的热量, 极大地提高其散热能力。
4) 对于冷挤压的鳍片式散热器, 选取底板厚度、中心壁厚、叶片数目、叶片厚度、叶片弧度五个结构参数, 每个结构参数选取四个水平构建正交试验表, 分析各结构参数对其散热性能的影响, 研究结果表明所选取的五个结构参数对散热性能影响的大小顺序为:底板厚度>叶片弧度>叶片厚度>叶片数目>中心壁厚。同时推广到翅片式和蜂窝状散热器中可知, 底板厚度和翅片或蜂窝高度是散热性能最主要的影响因素。
2 LED灯具的散热设计
1) 自然对流散热。自然对流散热是利用散热器周围的空气吸收了热量之后成为热空气, 而热空气上升时, 冷空气自然而然就会下降从而带动空气之间产生对流的原理上, 透过散热鳍片和周边空气进行的直接接触, 实现热气上升, 冷气下降, 空气产生对流, 从而达到了散热的效果。虽然这种散热方法很管用, 但是, 自然对流散热的方式是需要有很大的散热表面积才能够实现其散热的效果。然而, 目前由于消费者需求, 许多大功率的LED灯具产品逐渐被推出使用, 散热鳍片也因运而生, 散热鳍片的功能在于提供较大的散热表面积, 用来强化并实现对流散热这种方式所产生的效果, 多数情况下都是装在灯具的背面。鳍片自然散热的技术已经被绝大多数的厂商运用到了大功率的LED灯具上面, 且成效显著。然而, 装入散热鳍片的使用虽然增加了散热的效果, 但同时也存在着一些弊端, 比如LED灯具经常会有灰尘堆积等问题, 而且在立杆型的LED灯具的安全悬挂方面有着一定的风险, 同时装入散热鳍片会增加LED灯具的整体重量以及制作成本, 另一方面, 由于LED灯具长时间的使用, 会面临的堆积灰尘方面的问题, 当LED灯具中的散热鳍片上积累了太多的脏污、灰尘, 将导致其散热能力逐渐弱化, 为了避免落尘堆积的问题, 可以再设计上将散热鳍片与LED灯具的光源面同向下散热。
2) 散热器结构的优化设计。在散热器结构的优化设计方面, 这里选择使用铝合金作为散热器的材料;根据累积的经验确定最优翅片的数目为36片, 翅片的高度为67m m, 翅片的宽度为2.11m m~3.12m m, 这样可以保证自然对流散热的顺利进行;由于翅片的布局关系到散热器内部气流组织和换热系数的提高, 因此在散热器的选用方面, 采用了波纹状翅面布局的结构, 这样可以制造紊流。基于此, 本文尝试选择一种在翅片间设有钉柱的翅柱复合型散热器, 其原理是针对平板翅片式散热器单纯依靠自然对流散热的缺陷。因为钉柱能够让通过该散热器的气流受到扰乱波动, 从而可以提高其散热的性能。在相同的风速下, 翅柱式散热器表面的N usselt数会比平板翅式散热器高出30%~45%;在相同的泵送功率下, 翅柱式散热器的收益因子会比平板翅式散热器约高出20%。
3) 风扇强制散热。风扇强制散热的方式可以有效的将热能排除, 这种方法在电脑、空调和汽车、微波炉等电器中都会使用到。风扇强制散热是利用风扇中扇出的风, 使空气产生对流, 然后将热空气排出灯具外再进行散热。这种方式的使用部分厂商虽然采取不多, 但也已经有些厂商利用风扇强制散热的技术, 且效果显著。
4) 电磁喷流散热。这种方式是在电器结构中采用一种薄膜空腔体, 利用电磁驱动产生动力而使薄膜上下震动, 最终产生空气对流, 从而促使空气对流, 其原理同风扇类似。电磁喷流散热不是使用风扇扇叶产生气流, 它的结构是一具有薄膜空腔体, 利用电磁或压电驱动器以每秒100~200次的频率振荡薄膜, 从而促使薄膜进行上下振荡, 随着薄膜的上下位移, 空气会流入到中空腔体再行喷出, 喷出后的气流会带动周边的空气产生涡流现象, 进而强化空气的对流能力。这种散热方式目前已经应用到了LED球泡灯。
3 结语
综上所述, LED灯具工作时的温度与灯具的散热效果有着直接切中要的关联, 同时, 影响LED灯具的发光效果以及使用的寿命的跟灯具工作时候的温度也有着不可切断的联系。因此, 对于大功率的LED照明灯具, 在设计当中非常重要的就是散热的设计, 一定要严格把控设计中的每一个环节, 综合的提高LED灯具的散热效果。为人们改善生活质量, 并促进我国节能环保型社会发展。
参考文献
[1]赵凤舞.浅析LED灯具的散热设计[J].信息技术与信息化, 2012.
[2]韩月.大功率LED灯具散热器设计[D].北京化工大学, 2012.
[3]邹华德.浅析LED灯具的散热设计[J].科协论坛 (下半月) , 2013.
LED性能 篇5
Nowadays environmental protection and energy saving are put forward in many fields on the world,so is in the illumination area[1].In our country,the energy consuming in illumination area accounts for about 15%of all.Therefore it becomes very important to develop high-efficiency illumination equipment.White light emitting diode(WLED)is a kind of new light-source,which has the virtues of low energy consuming,long life time,high stability,easy maintenance,etc,and it’s named as the most prospective source in the 21st century[2].
According to the principle of fluorescence and color mixing,white LED made by phosphors excited by LED chip is one of the most important technologies to achieve white light illumination.So,the matching between phosphors and LED chips can influence the performance of white LED significantly[3].The selection of phosphors needs to satisfy two aspects:phosphor’s excitation spectrum should match with LED chip’s emission spectrum,and then high conversion efficiency can be achieved;phosphor’s emission spectrum should match with LED chip’s emission spectrum,therefore,color rendering index can meet our requirement(indoor:Ra>80,outdoor:Ra>70)[4].
1 Measurement Principle and Experimental Device
Based on different excitation sources,measurement methods can be classified into the following ways.
Blue LED chip is generally used to excite LED phosphor,phosphor’s emission light and part of LED chip’s light which is not absorbed by phosphor mix together,and then white light can be achieved and phosphor’s characteristics excited by LED chip can also be acquired.This method is very simple,but it has many problems in practical use:1)blue LED chips from different batches are different in spectrums;2)LED chip is always measured under pulse drive mode at 25℃,but its real working condition is under high junction-temperature.Therefore it’s really difficult to get phosphors’characteristics objectively.
At present,fluorescence spectrophotometer is also used for measuring the excitation and emission spectrum of phosphor.Monochromatic light produced by excitation-monochromator excite phosphor to emit fluorescence,and then split light via emission-monochromator,at last the emission spectrum is detected by photodetector.This instrument is mainly used for analyze material’s composition and structure.
This paper will introduce a novel measurement system called double splitting fluorescence spectroradiometer.This system can measure phosphor’s emission spectral power distribution.Compared with the traditional fluorescence spectrophotometer:1)the power or photons of the excitation light are determined exactly;2)spectroradiometer’s response function is calibrated accurately;3)spectroradiometer’s sampling function is isosceles triangle,the relationship between sampling space∆λand bandwidth of the monochromatorδλshould satisfy:
Where:N is an integer,Then spectroradiometer will have flat response function during the whole spectrum,so the exact spectral power distribution of the emission spectrum can be acquired,luminosity and chroma parameters can be calculated.Otherwise,the spectrum will be inaccurate[5].
According to the above principle,the experimental devices are showed in figure 2.They include two major parts:excitation spectrometer and emission spectrometer.Excitation source is composed by UV deuterium lamp and visible halogen lamp,the excitaion wavelength can range from 200 nm to 800 nm.As figure 2 shows,a broadband light source passes through a monochromator,thus the monochromatic light can be achieved,and then the light beam enters into the sample chamber,reaching a sector mirror,by which light is switched into two parts,one is detected by a photodetector directly,which can be used for inspecting the diversification of the excitation source timely,another is used for exciting the sample.After assembing by lens the emission light transfers through a fiber and be tested by the spectroradiometer.At last,phosphor’s emssion specrum is determined[6].
2 Evaluation of Phosphor’s Efficiency
Phosphors used for lamp are commonly evaluated by relative luminance,but this needs standard phosphor to be reference,the preparation,storage and stability of standard phosphor are very difficult.Besides,relative luminance is only useful when comparing the phosphors which have close color temperature and spectral power distribution.Therefore,phosphor’s luminous efficacy,quantum efficiency and energy efficiency are brought forward.
Phosphor’s luminous efficacy(ηL)is defined as the ratio of emission light’s luminous fluxΦV(lm)to excitation light’s powerΦE(W)when phosphor is excited by certain short wave band.
Phosphor’s quantum efficiency(ηQ)is defined as the ratio of emission light’s photons to excitation light’s photons when phosphor is excited by certain short wave band.
Phosphor’s energy efficiency(ηE)is defined as the ratio of emission light’s energy(or power)to excitation light’s energy(or power)when phosphor is excited by certain short wave band.
2.1 Excitation Efficiency Excited by Single Wavelength
LED phosphor’s efficiencies will be different excited by different wavelengths.Using the apparatus mentioned in the above paragraph,phosphor’s luminous efficacy,quantum efficiency and energy efficiency excited by each single wavelength can be measured.Luminous efficacy excited by single wavelength is the ratio of emission light’s luminous flux(lm)to excitation light’s power(W),symbol:ηL(λex).
Quantum efficiency excited by single wavelength is defined as the ratio of emission light’s photons to excitation light’s photons,symbol:ηQ(λex).
Energy efficiency excited by single wavelength is defined as the ratio of emission light’s energy(or power)to excitation light’s energy(or power),symbol:ηE(λex)
In the formulas,λex is the excitation wavelength;λem is the emission wavelength;Φem(λem,λex)is the emission spectral power distribution excited by the single wavelengthλex;Φex(λex)is the excitation spectral power;V(λem)is the CIE-defined wavelength-dependent spectral luminous efficacy of photopic vision,λ1 toλ2 is the emission light’s band width.
2.2 Excitation Efficiency Excited by Blue LED Chip
Suppose the spectral power distribution of blue LED chip isΦLED(λex)in white LED,then we can calculate phosphor’s luminous efficacy excited by blue LED chip,symbol:ηL(LED):
Phosphor’s quantum efficiency excited by blue LED chip,symbol:ηQ(LED):
Phosphor’s energy efficiency excited by blue LED chip,symbol:ηE(LED):
In the formulas,λ′1 toλ′2 is the excitation light’s band width.
3 Measurement Results and Analysis
We take two kinds of white LED phosphors as examples to give the measurement results and analysis.Controlling the excitation wavelength from 200 nm to 800 nm,at 5 nm intervals,the spectral power distribution of the phosphors emission light excited by each wavelength can be determined.Figure 3 shows the three-demission spectral power distributions of two different LED phosphors.
As we can see from figure 3,both phosphors have high excitation efficiency excited by wavelengths from440 nm to 480 nm;the extension of the emission spectrum is mainly from 500 nm to 650 nm.
According to the evaluation index advanced in the above paragraphs,the tested phosphors’luminous efficiencies,quantum efficiencies,energy efficiencies excited by each single wavelength can be expressed in figure 4.In the experiment,two LED phosphors No.1 and No.2 are used for comparison.
We can see from the figure 4:1)phosphors’efficiencies exist maxes;2)different phosphors’excitation efficiencies have different maxes,and they happen on different excitation wavelengths;3)different efficiencies’maxes of one phosphor happen on different excitation wavelengths.
Suppose blue LED chip’s spectral power distribution isΦLED(λex),phosphor’s emission spectral power distribution excited byλex wavelength isΦem(λem,λex),then phosphor’s emission spectral power distribution excited by blue LED chipΦem(λem)can be expressed in formula(11):
In the experiment,a blue LED chip with 460 nm peak wavelength is used,by spectrum translation,LED chips with different peak wavelengths but the same power can be achieved,figure 5.We use LED chips with 440nm,460 nm,480 nm peak wavelengths and No.1 phosphor as examples[7,8].Figure 6 shows that No.1 phosphor and 460 nm LED match better than others.
Phosphors’excitation efficiencies excited by blue LED chip can also be achieved according to the above results.Figure 7 shows the two phosphors’excitation efficiencies excited by LED chips with different peak wavelengths(420 nm to 510 nm,5 nm intervals).
We can see from the figure 7:1)phosphor’s efficiencies are different excited by LED chips with different peak wavelengths,and exist max.2)different phosphors’efficiencies have different max,and happened on different excitation conditions.3)different efficiencies of one phosphor achieve max at different excitation conditions,we can choose optimal matching according to our need.For example,considering luminous efficacy,No.1 phosphor and 455 nm LED,No.2 phosphor and 465 nm LED match better than others.
4 Conclusions
In this paper,we proposed luminous efficacy,quantum efficiency and energy efficiency to evaluate white LED phosphors.For the LED phosphors used in illumination,luminous efficacy can reflect luminosity characteristics of phosphors;for the phosphors used in medical or chemical use,energy efficiency can evaluate energy conversion efficiency objectively;quantum efficiency can truly figure out phosphors’quantum conversion ability.
Using double splitting fluorescence spectroradiometer brought forward in the paper,three-dimensional spectral power distribution was achieved.By fitting method,phosphor’s spectral power distributions excited by LED chip with different peak wavelengths but same power were acquired.Phosphor’s efficiencies excited by single wavelength and LED chips were analyzed,and the comparison between two different phosphors was made.Results show that the measurement system and analysis method advanced in this paper can characterize phosphor’s characteristics very well.
参考文献
[1]全利,郭文铭.城市照明开发中的管理及生态学研究[J].灯与照明,2007,31(2):30-33.QUAN Li,GUO Wen-ming.The Research of Management and Ecology in City Lighting Exploiture[J].Light&Lighting,2007,31(2):30-33.
[2]彭万华.我国超高亮度及白光LED产业的现状与发展[J].激光与红外,2005,35(4):223-227.PENG Wan-hua.Situation and Development of Ultra Bright and White LED Industry in China[J].Laser&Infrared,2005,35(4):223-227.
[3]Mueller-Mach R,Mueller G O.White light emitting diodes for illumination[J].Pro.of SPIE(S0277-786X),2000,3938:30-41.
[4]Isamu Niki.White LEDs for solid state lighting[J].Pro.of SPIE(S0277-786X),2004,5187:1-9.
[5]CIE063-1984,The Spectroradiometric Measurement of Light sources[S].Commission International de l'Eclairage,1984.
[6]Hajime Yamamoto,William M Yen.Phosphor Handbook[K].New Jersey,United States:CRC-Press,2006.
[7]CIE012-1997,Measurement of LEDs[S].Commission International de l'Eclairage,1997.
LED性能 篇6
以GaN为代表的III族氮化物半导体材料为直接带隙材料,具有更宽的禁带宽度,发射光谱能覆盖整个可见光范围,化学性质稳定,因而被广泛地应用于高亮度蓝绿光LED(发光二极管)[1]。相对于传统的照明产品,LED具有体积小、寿命长、效率高和清洁无污染等优点,被称为21世纪的绿色光源[2],并且已经成为国内外研究的热点。通常人们采用MOCVD(金属有机化学汽相沉积)方法在蓝宝石衬底上外延生长InGaN/GaN MQW(多量子阱)[3],但是自发极化效应和压电效应在界面会积聚电荷,这对LED的输出功率和内量子效率有很大影响。为了进一步提高器件性能,我们有必要针对极化电荷对LED的影响进行深入分析。然而到目前为止,国内对于这方面的研究报道还很少,因此本文将研究分析极化电荷对LED影响的原因,以期为改善LED的输出特性提供一定的理论依据。
1 LED表面极化电荷的计算
计算LED表面极化电荷时需要知道器件的禁带宽度、自发极化系数以及压电极化系数等参数。
AlxGa1-xN和InxGa1-xN的禁带宽度计算公式[4]如下:
式中,Eg,AlN 为AlN的禁带宽度,取值6.2 eV;Eg,InN 为InN的禁带宽度,取值0.77 eV;Eg,GaN 为GaN的禁带宽度,取值3.42 eV;b为修正系数,在式(1)中取b=3 eV, 在式(2)中取b=1.43 eV。
AlxGa1-xN和InxGa1-xN的自发极化系数的计算公式[4]如下:
AlxGa1-xN和InxGa1-xN的压电极化系数的相关公式[4,5]如下:
式中,PPZ为相应物质的压电极化系数;ε(x)为基底压力系数;asubs、a(x)为相应物质的晶格常数。
将自发极化电荷与压电极化电荷之和称为总极化电荷,以下简称极化电荷。根据相应的理论公式和器件的参数可以计算得到界面处的极化电荷数。
2 极化电荷对LED影响的仿真与分析
本文仿真中的InGaN/GaN MQW LED模型采用传统水平结构的蓝光LED芯片,大小取300 μm×300 μm。通过仿真绘制出I-V特性曲线、能带图和电子空穴浓度图形等来分析极化电荷对LED性能的影响,具体模型结构见图1。
为了简化计算,模型中电子与空穴的寿命均取1×10-7 s,电子与空穴的俄歇复合系数均取1×10-35。界面处自由电荷相对于极化电荷数值很小,可以忽略不计。根据结构模型,得到相应界面处的极化电荷密度如表1所示。
讨论各个界面极化电荷整体对LED的影响,设相应的理论界面电荷为Q0,取5组数据,相应的界面电荷为Q1(=Q0R),R值分别取为0.1、0.3、0.5、0.7和0.9。仿真得出的I-V特性曲线、LED输出功率曲线和内量子效率曲线分别如图2和图3所示。
图2(a)描述了不同LED模型的电学特性。由图可以看出,5个模型的开启电压等电学参数相近。图2(b)是图2(a)的局部放大图(圆圈部分),由图2(b)可知,极化电荷对LED的电学特性虽然影响较小,但是趋势很明显,即极化电荷的增加降低了电阻,改善了LED的电学特性。
由图3可以明显看出,极化电荷的增加会降低LED的输出功率和内量子效率,从而降低了LED的性能。
由图2和图3可知,所有界面极化电荷同比例改变时稍微提高了LED的电学特性,却显著地降低了LED的光输出功率和内量子效率。下面将从电子空穴浓度分布以及能带图分析其原因,其结果分别如图4和图5所示。
由图4可以看出,随着界面极化电荷的整体增加,电子浓度有所增大(图4(a)中虚线框内,最下面的曲线对应R=0.1,最上面的曲线对应R=0.9),空穴浓度却降低了(图4(b)中最上面的曲线对应R=0.1,最下面的曲线对应R=0.9)。而空穴浓度对LED性能的影响比电子浓度要大,所以随着界面极化电荷的整体同比例增加,LED光输出功率与内量子效率的降低主要是由于MQW处空穴浓度降低所致。
图5(a)所示为LED的能带图,它描述了费米能级以及导带和价带的能级分布。图5(b)是对图5(a)中的导带(b)部分的局部放大图,图5(c)是对图5(a)中的价带(c)部分的局部放大图。由图5(b)和图5(c)可以看出,随着界面极化电荷的整体同比例增加,MQW处的导带与价带能级差增大,这是由于界面极化电荷增大时,会导致能带底部更接近于费米能级。MQW处的导带与价带能级差增大,不利于P-GaN处空穴浓度的扩散,降低了辐射复合系数,从而降低了LED光输出功率与内量子效率。
3 结束语
LED各个界面极化电荷同比例增加会在一定程度上改善LED的电学特性,但效果不明显,然而却显著地降低了LED的内量子效率以及光输出功率,这主要是由于界面电荷改变了能带结构图,阻碍了空穴的扩散与漂移,降低了辐射复合系数。所以制备LED时应尽量减少界面的极化电荷数,从而提高LED性能。减少压电极化效应对LED的影响,可以从减少位错等方面入手,这也是下一步研究的重点。
参考文献
[1]Nakamura S.III-V nitride-based light-emitting diodes[J].Diamond and Related Materials,1996,5(3):496-500.
[2]刘诗文,郭霞.InGaN/GaN多量子阱蓝光LED电学特性研究[J].半导体光电,2006,27(3):240-243.
[3]Morkoc H.Nitride semiconductors and devices[M].Germany:Springer-Verlag Berlin Heidelberg,1999.99-112.
[4]Kuo Yen-Kuang,Yen Sheng-Horng,Tsai Miao-Chan,et al.Effect of spontaneous and piezoelectric polariza-tion on the optical characteristics of blue light-emittingdiodes[A].Seventh International Conference on SolidState Lighting 2007[C].San Diego,California,USA:SPIE,2007.6669:66691I-1-66691I-8.
LED性能 篇7
目前研制成功的主要有道康宁公司的硅树脂产品等[4,5,6], 其为双组份型, 固化后透明性好, 折射率高。然而其价钱昂贵, 专利保护等限制了其广泛应用。开发具有自主知识产权的LED封装用硅树脂和硅橡胶是我国重点支持的领域。
然而, 用于LED封装的硅橡胶和硅树脂中Na+和Cl-的含量须小于2ppm, 通过氯硅烷的水解缩合[7]来制备硅树脂很难符合要求, 采用硅氢加成的[8]方法则可以避免引入Na+和Cl-。加成型硅树脂通常包含四个组分:乙烯基硅树脂、含氢硅油、稀释剂和催化剂, 通过调控不同组分的分子结构, 实现制备性能不同的硅树脂或硅橡胶材料。本实验采用开环聚合的方法制备乙烯基硅油, 并与含氢硅油和催化剂固化生成硅橡胶, 通过改变环体和封端剂的种类和含量, 探讨乙烯基硅油的结构对硅橡胶力学等性能的影响, 制备可用于LED封装用的硅橡胶。
1 实验部分
1.1 主要原料及仪器设备
八甲基环四硅氧烷 (D4) 、乙烯基环体 (Dundefined) 、六甲基二硅氧烷 (MM) 、乙烯基双封头 (MMVi) :工业品, 上海建橙工贸有限公司;四甲基氢氧化铵:分析纯, 天津市大茂化学试剂厂;含氢硅油:含氢量0.8%, 上海建橙工贸有限公司;铂催化剂:SF-281, 广州硅峰化学有限公司。
旋转黏度计:NDJ-8S, 上海精密科学仪器有限公司;阿贝折射仪:2WA-J型, 上海光学仪器五厂;紫外光谱仪:UV-2300, 日立公司;红外光谱仪:Shimadzu IR Prestige-2, 岛津公司。
1.2 乙烯基硅油的合成
在500mL的三口瓶中加入一定比例的D4和Dundefined, 开动搅拌, 加热到90℃通N2反应1h。加入一定量的MM或MMVi搅拌均匀后, 加入适量催化剂四甲基氢氧化铵, 升温至110℃反应3h。再将体系加热到160℃, 反应1h使催化剂分解, 减压蒸除低沸物, 得到液体产物乙烯基硅油。
1.3 加成型硅橡胶的制备
将含氢硅油和乙烯基硅油按照1.2∶1 (Si-H/Si-Vi) 的摩尔比搅拌均匀, 加入1×10-6 mol/g的铂催化剂, 倒入硅橡胶模具中于110℃下固化30min, 得到的样条用于力学和透光性的测试。
1.4 结构与性能表征
硅油的化学结构采用红外光谱仪进行表征, 黏度用旋转黏度计测定, 折射率 (RI) 由阿贝折射仪测定, 固化后样条的透光率采用紫外-可见光谱仪测定, 拉伸强度, 按照GB/ T 528-1998测定。
2 结果与讨论
2.1 乙烯基硅油的结构
设计合成了一系列不同结构的乙烯基硅油, 如图1所示。其中, Vi-PMS-Vi为两端含有乙烯基的硅油, Me-PViMS-Me为分子链中含有乙烯基而端基不含乙烯基的硅油, Vi-PViMS-Vi为分子链中和两端均含有乙烯基的硅油。
不同结构乙烯基硅油的红外谱图如图2所示。可以看出, 三种硅油均在1600、1410、1010以及960cm-1处出现了Si-Vi键的特征吸收峰, 表明乙烯基已经成功引入了硅油中。3020cm-1处乙烯基的C-H伸缩振动吸收峰进一步证实得到了乙烯基硅油。由于三种硅油中乙烯基的含量均不同, 可以看出, 3020cm-1处乙烯基振动吸收峰的相对强度随乙烯基含量的增加而增大。
表1为不同结构乙烯基硅油的数据, 可以看出, 虽然环体的总摩尔数相同, 但环体和封端剂的种类对样品的黏度有较大影响。样品Me-PViMS-Me的黏度远大于其余两种结构的乙烯基硅油。封端剂六甲基二硅氧烷 (MM) 的沸点要低于二乙烯基四甲基二硅氧烷 (MMVi) , 反应过程中由于体系温度较高, 参与封端的MM比原料中的摩尔数低, 从而导致乙烯基硅油的黏度较高。对比样品Vi-PMS-Vi和Vi-PViMS-Vi可以看出, 固定封端剂的含量而改变乙烯基环体的含量时, 硅油分子量随乙烯基环体含量增加而降低, 可能与不同环体间的反应活性不同有关, 不含乙烯基的环体更容易形成分子量大的聚合物。
固定环体的摩尔数, 改变MMVi的摩尔数, 乙烯基硅油的黏度与封端剂的含量呈反比, 封端剂含量越低, 产物的黏度即分子量越大。而固定封端剂的含量, 改变不同环体的投料比, D4环体生成了分子量较大的硅油, 随着D4Vi环体含量的增加, 聚合物的黏度下降。说明两种单体的竞聚率不同, 其产物的分子量也不同。
由于环体中不含苯环结构, 因此硅油的折射率比较接近, 均为1.4左右。
a, “―”代表测不到力学性能数据
2.2 硅橡胶的力学性能
乙烯基硅油的结构不同, 其相应的力学性能也会有所变化, 如表1所示。可以看出, Vi-PMS-Vi硅油固化后的拉伸性能较好, 拉伸强度和断裂伸长率的数值均相对较高。Vi-PViMS-Vi硅油固化后的拉伸性能较差, 尽管Me-PViMS-Me的黏度较高, 但其最终的拉伸性能并不好。一般认为, 硅橡胶的力学性能与硅油的分子量和结构有关。在本文中, 尽管样品Me-PViMS-Me的黏度较高, 但其固化后的力学性能反而不如原料组成相似的样品Vi-PMS-Vi, 认为分子链中较多的乙烯基官能团导致固化后的交联点密度较高, 脆性变大, 拉伸强度和断裂伸长率下降。
进一步改变乙烯基封端剂的含量, 考察硅油的黏度对其力学性能的影响, 可以发现, 封端剂含量越少, 硅油的黏度越高, 而相应的拉伸强度和断裂伸长率越大。Vi-PViMS-Vi结构的硅油黏度较低, 固化后样条的力学性能较差, 很难直接测出其拉伸性能的数据。只含端乙烯基和黏度较大的硅油固化后获得的硅橡胶具有一定力学强度。
2.3 硅橡胶的透光性能
虽然硅油的黏度越大其力学性能越好, 但黏度太大不利于加工, 因此选择结构为Vi-PMS-Vi且黏度为11200mPa·S的硅油作为封装用的原料, 制备3mm厚的样条, 研究其透明性。从图3可以看出, 当光波波长小于400nm时, 样条的透光率大于90%, 说明样条的透明性较好, 可用于LED的封装。其余样品固化后, 透光率均较好。
3 结 论
(1) 不含乙烯基的环体更容易聚合生成分子量较大的硅油, 封端剂含量越高, 硅油的黏度越小, 导致分子量越小;
(2) 端基含乙烯基而分子链内不含乙烯基的硅油固化后力学性能优于分子链内含乙烯基的硅油, 且硅油的黏度越大, 固化后的力学性能更好;
(3) 光波波长小于400nm时, 样品的透光率均在90%以上, 可用于LED的封装。
参考文献
[1]王海鹏, 李广安.认识照明LED[J].中国照明电器, 2004 (2) :1-3.
[2]魏同波, 王军喜, 闫建昌, 李晋闽.AlGaN基UV-LED的研究与进展[J].功能材料与器件学报, 2007, 13 (1) :95-100.
[3]吴震, 钱可元, 韩彦军, 罗毅.高效率、高可靠性紫外LED封装技术研究[J].光电子激光, 2007, 18 (1) :1-4.
[4]ChevalierP M, Roson S, Dupont A, Qu D L, Lee YJ.Siliconeresins[P].US 20060057297, 2006-03-16.
[5]Tomoko K, Minuro I.Curable organopolysiloxane composi-tion, use of the cured product of the composition and semicon-ductor device[P].US 7271232, 2007-09-181.
[6]Crivello J V.Silicone encapsulant s for light emit ting diodes[P].US 0134440, 2006-06-221.
[7]Huang W, Huang Y, Yu Y Z.Condensation of ethyl polysili-cate and hexamethyldisiloxane[J].J Appl Polym Sci.1998, 70:1753-1757.