2018-08-08 3:26:57

文／王艷玲
責編/劉霞

全球能源短缺始終是人類的憂患，節約能源是我們面對的一項重要課題。在照明領域，半導體照明（LED）發光產品的充分應用吸引著世人的目光。LED作為一種高效節能型的綠色光源產品，將讓人類社會更高效利用能源。LED所代表的是新型照明光源時代。

照明和光是世界上幾乎所有生物賴以生存的前提，LED對人類社會起到的作用，除了看見和被看見的功用以外，還可以對健康醫療、交通運輸、節約能源、保護環境以及食品農業和信息社會等方面發揮不可或缺的作用。

LED即發光二極管，是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料，在 半導體中通過載流子發生輻射復合，釋放過剩的能量，而發射出光子，可以直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、 紫等各色的光。光是由半導體材料內帶電粒子，即電子和空穴相結合時產生。LED半導體材料內的電子和空穴包含在能帶內，分隔的能帶（能帶隙）確定了LED發射的光子（光粒子）的能量。光子能量決定了發射光的波長，因而決定了它的顏色。不同半導體材料具有不同的能帶隙， 進而產生不同顏色的光，精確的波長(色)可以用改變光發射材料組成比例調諧。LED燈是具有可控制性的數字化照明技術。其基本組成是LED器件、電源轉換驅動器、控制光變暗和混色效應的控制器、光學元件及燈具。這是LED光源系統各單元的配置。

電能是經濟可持續發展的重要因素，大多數國家用于照明的耗能，約占其整體電能的20%。而照明燈又僅有30%的電能用來發光，其余作為熱白白耗費。所以，研發使用新型高效節能的固態光源十分必要。固態光源是1879年愛迪生發明鎢絲燈泡以來，一項關鍵的新興電光源技術，也是光工業的一場革命。

所謂固態光源指向一個事實，即LED發光是從固體——一塊半導體發射出，而不是像有玻璃泡的白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈那樣從真空管或充氣管中發射出，它發光時不發熱。固態光源具有許多優點:壽命長，維護價格低、能耗低、高質量的光輸出、僅有最小的紫外光和紅外光輻射、工作電壓低而比較安全，以及沒有燈絲會斷裂因而耐久。

LED除了對人類的社會和生活有很多具體而直接的貢獻以外，本身在國際上也是非常大的產業，有著上千億的經濟規模。因此，發展LED產業、推進LED的照明應用進程，將較大幅度地降低能源消耗和有利保護環境，對我國的可持續發展具有重大戰略意義。

LED的創新與應用

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領域。根據使用功能的不同，可以將其劃分為信息顯示、信號燈、車用燈具、液晶屏背光源、通用照明五大類。

LED顯示屏具有亮度高、視角大、可視距離遠、造型靈活多變、色彩豐富等優點，目前主要應用于廣告傳媒、體育場館、舞臺背景、市政工程等戶外領域。

近年隨著LED芯片材料技術進步和控制技術的不斷提升，LED顯示屏綜合性價比優勢日益突出，使用范圍不斷擴大，增長速度明顯快于傳統的單雙色顯示屏。隨著LED成本和價格的不斷降低，LED顯示屏的市場潛力被進一步發掘，未來小間距LED顯示屏將逐步從戶外擴展至室內，很可能全面替代現有電視、筆記本電腦、平板電腦的LCD拼接屏、DLP拼接屏技術。2010年我國LED顯示屏應用市場產值約為150 億元，2016 年我國LED顯示屏應用市場產值已達到約548億元，此期間年復合增長率達24．10％，近年發展增速均保持在30％左右， 是LED行業未來發展的重要方向之一。

液晶顯示屏需使用背光模組作為驅動光源。在色彩顯示上， LED 背光可以提供前所未有的色彩還原性，還可以利用 LED 瞬間啟動的優勢消除普通液晶屏在顯示快速移動物體時出現的拖尾模糊現象，畫面質量將顯著提升；在生產成本上，利用 LED 背光中不同單色燈的瞬間切換，實現場序顯色，可以替代液晶顯示器中占成本 30％左右的彩色濾光片；在外觀上，LED背光可以使液晶屏幕變得更為輕薄；在使用壽命上，LED 背光具有節能省電的優點，以筆記本電腦為例，通過使用LED背光源，電池使用時間可延長40％以上。LED背光源具有不可比擬的優勢，因而近年來在液晶屏背光源領域得到了廣泛應用。目前，LED 在以手機、平板電腦、筆記本電腦等為主的中小尺寸背光源市場，和以液晶電視為主的大尺寸背光源市場滲透率均已達 100％。

LED照明較普通照明具備了節能、響應時間短、使用時間長、綠色環保、色彩可調等優勢，決定了它是目前最理想的光源。LED照明應用市場主要可分為戶外通用照明、建筑物外觀照明、景觀照明、交通信號照明、室內空間展示照明、娛樂場所及舞臺照明、車輛指示燈照明等。LED照明市場被認為是未來LED 最重要且最具發展前景的應用之一。

另外，制造商利用LED色彩變化豐富的特點，研制出以色彩氣氛傳遞感情或是表達情緒的LED 產品，讓人們對居室生存環境更加重視，也是未來 LED 應用于室內照明的主要發展方向。還有，世界各國都在發展推進LED 的新應用。例如水的過濾消毒、交互式游戲與情境光源的市場都可見 LED商機所在，未來 LED 應用勢必激發出更多新創意。

近年間全球LED技術不斷創新。新納米鍍膜材料的亮相，使得LED 亮度大幅提升。有關研究人員成功開發一種幾乎不反光的納米鍍膜材料，其反光率只有目前應用于電子設備的鍍膜材料的幾分之一。該材料有望為制造更高效的LED和太陽能電池等創造條件。新的納米鍍膜材料是通過在氮化鋁 (AIN) 基板上沉積二氧化硅或者二氧化鈦蒸氣得到的。研究人員使二氧化硅或二氧化鈦在氮化鋁上形成毛毯似的納米棒陣列，每根納米棒約 50 nm 寬, 并以一定的角度斜翹著。研究人員表示, 該材料的低折射率源于它的多孔性。通過將5 層納米棒陣列排列起來，實現了鍍膜材料不同的折射率，從底部的2.03到頂部的1.05，總的反射度可降0.1%。這種新材料的另一優質性能就是適用多種于不同波長和入射角度的光。這是抗反射效果最好的納米鍍膜材料之一，它可將 LED 的亮度提高 5%——10%。

LED在醫學領域的作用

LED的另一個重要功能是在醫療和健康方面。我們知道，光能夠通過眼睛和皮膚對人的健康產生影響。1903年，丹麥醫師與科學家尼爾斯·呂貝里·芬森以在光線放射治療皮膚病癥，開啟新的醫學方法的貢獻，獲得諾貝爾生理學與醫學獎。今天有了LED技術，可以在醫療健康方面進行更廣泛的應用，如睡覺控制問題，視覺轉換問題和肌肉損傷治理等。

迄今為止，LED在醫療領域有廣泛應用。LED醫療設備可分為診斷設備、治療設備及其他輔助設備，不同的設備對光源有不同的要求與規范。

醫療用光源應該具有定點、定向照明、高強度照明、光色純正以及均勻、無影照明、低光譜傷害、結構密封消毒、結構透氣、調光控制、高可靠性等特殊需求。而傳統的鹵素燈、金鹵燈都是光線向四面八方全空間發散的典型發散光源，這樣高熱輻射、全光譜、發散的光源，對達到醫療用光源的上述特殊技術要求有很大局限，因此必須采用一系列特種技術。而與傳統醫療照明產品相比，LED在實現定點、定向照明、高強度照明、調光控制、實現高顯色性、低光譜傷害等方面具有先天優勢，可以有力克服常規醫療照明的不足。比如，LED 是定點光源、定向照明光源，只需通過合理的芯片與封裝設計， 并稍微結合二次配光，就可以實現理想的定向照明，其光學系統簡單，配光效果理想。

LED又為冷光源，不產生任何紅外和紫外輻射。配光方便，可以有效地將光線投射到需要照明的區域，亮度容易調節。醫生在手術中，可根據不同組織對亮度的不同要求、環境的照明情況、眼睛的疲勞程度，方便于調節亮度，避免長時間在強光下手術，造成視覺疲勞。LED 的發射光譜全部在可見光區域，沒有紫外、紅外等有害光譜成分，可以杜絕紫外光對人體組織的傷害以及紅外光造成的體液揮發及組織灼傷等。還可做成不同的色溫，使燈光呈現更純正的白光，可以瞬間啟動，達到最大亮度，低壓直流驅動。并且使用蓄電池作為備用電源，實現系統的無故障運行。燈具壽命也大有延長，在使用過程中，無需頻繁的更換燈泡，這樣既降低成本，減少醫護人員工作強度，而且使手術更加安全。

LED在醫學領域應用較普遍。例如牙科光纖手機，LED很好地解決了傳統鹵素燈泡發熱量大，導致口腔內熱量過高，影響治療效果的問題。LED 手術無影燈在照明過程中對光線的控制可以更加精細，能夠覆蓋更廣的面積，給醫護人員提供極佳的手術視野。另外，胃腸道的癌癥，尤其是小腸部位的癌癥用傳統胃鏡觀察不到，而 LED極其適合在膠囊胃鏡上使用。它可以在病人體內連續使用，發熱量低，是其它光源不能相比的。目前 LED 在醫用頭燈、光固化機、冷光源及眼內照明設備中的應用日益增多。

光學理療設備是LED發展的另一重要區域。常用的光療法有紅光、藍光、藍紫光及多光譜療法。可通過改變 LED的半導體材料，得到治療所需波段的光，而無需擔心雜光造成的影響。另外，可以將兩個或者多個LED芯片組合封裝，滿足不同光療的需求。LED為光療儀器的多功能化開辟了道路。目前，已有紅光、藍光及黃光治療儀問世，主要用于毛細血管擴張、色斑等問題的治療。嬰兒藍光治療儀，采用藍光 LED 作為光源，用于治療新生兒黃疸。隨著技術的發展，紅外和紫外LED會更多地應用在光療設備中。

LED 在醫療中研究的熱點皮膚相關醫學的測量有著重要的意義。通過對皮膚進行多光譜成像，將不同光譜下采集的圖像綜合起來進行診斷分析是目前發展的一個重要方向。采用多光譜 LED 光源可以提供穩定的圖像獲取環境，從而能夠測量皮膚粗糙度、鱗屑度、皺紋度和平整度等幾何特性，能夠建立基于色刺激值的皮膚表面顏色定量表征系統，構建專家系統對獲取的多信息綜合處理，實現對皮膚斑痕、日光損傷、血液流變和痤瘡等病變定量評估。

激光作為光源在光學動力治療中已經很普遍，但是激光本身存在的一些不可克服的缺點限制了它的應用，因此用LED代替用于光動力治療的激光光源有著重要的意義。

LED關于植物和養殖的研究

1990年，LED首次被用于植物的研究，并被證明是一種比傳統光源更為有效的替代光源。由于其具備低功耗、窄光譜和低發熱等優點，2000年后，LED作為一種更高效的光源被迅速引入植物工廠。通過調節LED光譜的分布來控制植物開花和葉片形態形成的方法不僅簡單, 而且還可促進植物中功能性化學物質濃度的增加。

在各種環境因素中,光是影響植物生長發育和功能性化學物質積累的最重要因素之一。植物的生長發育和生理指標都受到光的重要影響。

從歷史上看,LED對植物影響的研究最初是從植物形態學上開始的, 國內研究人員在此方面也做了很多有價值的工作。近年來，國內外的科研人員開始將研究目標轉向LED對植物體內功能性化學物質積累的影響, 并在多個領域取得了較大的進展。該方面的研究對于在人工光源的照射下生產出具有可控輸出的各種功能性和藥用性植物都具有非常重要的意義。

至今，有關LED對植物生長發育作用的研究已進行多年，但人們以前多從植物形態學角度進行研究。近年該項研究已逐步轉向LED 照明對植物體內功能性化學物質積累的影響這一領域。在農業和食品方面，光是所有植物生長的最基本的前提。根據所用半導體材料的不同，LED發出光的波長可從紫外線到紅外線廣泛的區間范圍, 并且每個LED發出光的波長范圍可以很窄。因而, 它是一種真正具有頻譜控制能力的且非常有效的植物照明光源。LED的這些優勢, 尤其是其光譜的可調控性、技術的不斷創新和成熟以及使用量的日益增加，使其成為植物照明光源的首選。LED能夠將合適的光波范圍匹配到植物的光接收器, 并影響植物的形態和組成成分。對于在受控環境下培養的植物，LED的優越性也使之成為首選光源。在植物組織培養方面，LED的使用已取得了卓越的成就。例如LED照明使一家植物工廠每平方米面積最多可生長二十層植物，足夠一人的蔬菜年需量。光不僅可以用于花卉植物生長，而且對現代農業和養殖業也有直接的幫助。

在家禽養殖方面，LED照明對雞、豬等的生長也發揮顯著作用。在肉雞方面，通過 LED 的光色、光照度與光周期等因子的調控，可影響小腸黏膜結構來提高營養吸收和促進生長， 通過影響衛星細胞增殖及肌肉纖維發育提高屠宰性能與雞肉品質，同時影響行為和健康，增強免疫力，降低死亡率和疾病發生率等。在蛋雞和種雞方面，通過對光環境進行調控，可影響其飼料消耗，并促進促黃體素和促卵泡素等激素的釋放來影響性成熟、產蛋率等，同時提高種雞的受精孵化率，改善雞蛋品質情況，有效降低啄癖現象。

隨著畜禽養殖業的機械化、規模化、集約化程度越來越高，可控的人工光源已成為禽舍內光照的主要來源。LED作為一種新型光源， 越來越受到國內外業界的關注。隨著近年來LED在農業生產中的應用顯著增加，LED 光源也已成為家禽規模養殖人工照明最具潛力的新光源。

編輯：楊文博