[分享]LED技术及应用分析 [复制链接]

编者按：LED元件在2005年的全球市场规模约为57.4亿美元，其中50%在日本，20%在台湾。除了各种应用照明、户外建筑及手机背光源等应用外，业界正在积极找寻各种新应用；本文介绍了LED的基本原理、技术趋势，以及市场动态。 __\Tv>Y  
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LED技术研发之路，最为人津津乐道的故事，就是开发蓝光LED时，碳化矽(SiC)与氮化镓(GaN)两大门派之争。这也是许多研发团队辛勤投入开发蓝光LED元件时，必须痛苦抉择的两条截然不同的道路。 d^"<Tz!  
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之前，全球许多大公司皆投入SiC研发，结果日本一家专门做荧光粉业务的公司——日本日亚化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研发人员中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破，并取得震惊全球的专利。这位研发人员的重大突破，引发了包括Sony及Toshiba等大厂的最高主管都出面为自己所做的错误决策导致技术落後而道歉。这位Nakamura的技术突破，让氮化镓(GaN)阵营正式快速超越SiC。 z\Vu`Yz  
原本做荧光粉业务的Nichia由於在蓝光LED技术上的成功，使其年营业额从约1亿美元快速发展到2003年的9亿美元。而原本该公司准备发给Nakamura的专利奖励金是日币200万元，经过一场官司後，Nichia被判定应该给这位研究人员日币2亿元。  rmj?jBKQU  
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                                      欧斯朗公司LED封装趋势
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继蓝光LED技术突破後，白光LED正式启动了广泛的LED应用风潮，从显示、指示及手机光源，到正在酝酿中的LCD-TV背光源，各种新机会的大门不断被创意敲开。 -,NiSh}A  
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2、LED技术 kYwk'\s  
LED是继1950年代矽(Si)半导体技术後，由三五族(III-V族)化合物半导体发展的半导体器件。LED的发光原理是利用半导体中的电子和空穴结合而发出光子，不同於灯泡需要在3000度以上的高温下操作，也不必像日光灯需使用高电压激发电子束，LED和一般的电子元件相同，只需要2-4V的电压，在常温下就可以正常动作，因此其寿命也比传统光源来得更长。 md_9bq/w  
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LED所发出的颜色，主要是取决於电子与空穴结合所释放出来的能量高低，也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。同一种材料的波长都很接近，因此每一颗LED的光色都很纯正，与传统光源都混有多种颜色相比，LED可说是一种数字化的光源。 iX0s4  
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LED晶片大小可以因用途而随意切割，常用的大小为0.3-1.0mm左右，跟传统的灯泡或日光灯相比，体积相对小得多。为了使用方便，LED通常都使用树脂包装，做成5mm左右的各种形状，十分坚固耐震。 N5u.V\F!z\  
                                          LED的基本结构 H
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LED的制作过程与制作矽晶圆IC很相似，首先使用化学周期表中超高纯度的III族元素——铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)为材料，在高温下反应成为化合物，经过单晶生长技术，制成单晶棒，经过切割、研磨、抛光成为晶片，再将其作为基板(substrate)，使用磊晶技术将发光材料生长在基板上，制成的磊晶片经过半导体镀金和蚀刻工艺後，通过细切加工成LED晶粒。 wykk</eQ.i  
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值得注意的是，除了大家常见的可见光外，LED还有不可见光，如“紫外光”与“红外光”等，例如电视遥控器就是一种红外光应用，其波长约为900nm，而紫外光则因为具有杀菌功能，所以被广泛应用在医疗用途上。 M#II,z>q  
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                  LED主要向大功率和小体积两个方向发展 GQXN1R   
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(1)提高发光强度及发光效率 2x-67_BHY=  
作为指示灯方面的应用，有几个mcd的发光强度也可以了，但由LED组成的数码管或字元管则显得亮度不足，若要用於户外作信号或标?显示，则其亮度太低，不能满足使用的要求。所以LED的主要发展方向是提高发光强度(也就是一般所指的提高亮度)。 j8*fa  
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InGaAlP和nGaN LED晶片发光效率的演变。其中，a为InGaN蓝光LED，b为InGaN绿光LED ]r;-Lx{F  
随著半导体材料及半导体工艺技术、设备的发展，LED的亮度不断提高，开发出高亮度及超高亮度LED，并且不断创造新记录。以Φ5标准封装、发红光、视角差别不大的LED为例，不同生产年份LED的发光强度如表1所示。 O-r,&W  
表1 不同生产年份LED的发光强度比较 5/<?Y&x  
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从表1可以看出，近30年LED的发光强度提高了8000倍左右。1969-1987年LED的发光强度是很低的，发展很慢，但1994-2005年LED的亮度有很大的发展。表1列出的并非发光强度最高的。例如，在GaAs的衬底上采用AlInGaP工艺技术制成的Φ5、红光LED，在小视角4°、50mA工作电流时，其典型发光强度为20000mcd。 zoYw[YP9  
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                                以GaAs为衬底的LED结构 |IL..C   
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LED另一个重要性能指标是发光效率η，用lm/W来表达。各年份生产的LED发光效率如表2所示。从表2可以看出，这30多年来，LED的发光效率提高了250倍以上。1970-1990年LED发光效率提高较慢，1990-2005年则提高较快。例如，Cree公司生产的1W白光LED XL7090WHT，其发光效率可达60lm/W。 (rV#EA+6[`  
表2不同生产年份LED的发光效率比较 .du FMJl  
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XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封装的白光LED。XL7090WHT的发光强度大，电流350mA时的典型光通量为60lm，在瞬态脉冲电流700mA时典型光通量可达98lm，而目前一般1W白光LED的光通量为30-45lm)；XL7090WHT的发光效率高达60lm/W，视角宽达100°；封装尺寸仅为9×74.3mm；工作温度范围是-20-+80℃。 ^nn3;  
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由於XL7090WHT发光强度大、发光效率高，因此它适用於家庭、商业或公共场所明、DVD、笔记本电脑、电视机的彩色显示屏的背光；广告灯、路灯及标?灯；汽车及运输工具的内外照明及数码相机的闪光灯等。 0`:B#ten  
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从表1和表2也可以看出，LED的发光强度及发光效率的提高主要取决於采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半导体材料)後，其发光强度及发光效率有很大的提高。另外，在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AlInGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED，在发光强度及发光效率上有较大的改进。 1PLxc)LsG  
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(2)提高LED功率 2aiZ  
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我们知道，LED的发光强度与正向电流IF几乎成线性关系，即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF为正向压降)，若过大地增加IF而使PD超过最大值时，LED会过热而损坏。为了要提高发光强度，开发出中功率LED(一般为几百mW)，其工作电流也提高到70mA。近年来，为进一步提高发光强度，开发出大功率LED，其功率一般为1-10W(有一些还大於10W)。它的工作电流一般为350-700mA，有些可达1A以上。 o.-rdP0P>  
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以American Opto Plus LED公司生产的5W的PU-5WXX系列为例，在700mA电流下，其结温Tj为25℃，其典型发光强度如表3所示(大功率LED的发光强度用光通量表示)。 |V#h "s  
表3 PU-5WXX系列LED的典型发光强度 O?|st$g  
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从表3可以看出，除蓝光LED的发光强度及发光效率较低外，其他发光颜色的发光强度及发光效率都相当高。
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早期生产的LED是小功率的(几十至上百mW)，现在已能生产大於10W的大功率LED，在功率上增加了100倍以上。 :_F$e  
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虽然说小功率LED与大功率LED的发光效率是差不多的，但LUMILEDS公司的研究表明，大功率白光LED比Φ5白光LED的寿命更长。另外，采用很多小功率白光LED组成的灯泡可靠性也差一些，灯泡体积也较大。例如，用1W白光LED做成灯具，其尺寸为50.8×50.8×7.1mm，而采用Φ5白光LED来做，其体积则要大得多。但目前大功率LED投产时间不长，价位较高，所以目前大部分LED灯泡仍是用小功率LED做的。 NsYeg&>`  
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3、白光LED时代的来临 )r_zM~jI  
白光LED是LED家族中最後一个问世的，它的诞生是LED生产中一个重要的突破，它将成为新的照明光源。 wIT0A-Por4  
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白光是复合光，可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光。1995年前後生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。这种白光LED灯尺寸大、白光纯度不高、发光效率也不高。但这种三基色灯用单片机来控制可发出七色光及白光的变色灯，可用於娱乐场所，增加节日气氛。另外，采用RGB三种管芯组成的RGB LED常用於手机的变色背光。 C]{:>= K  
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在上世纪末，可能受荧光灯的启发，人们在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉，用蓝光激发荧光粉发出白光的白光LED。采用不同的荧光粉，可发出冷白光(色温为4500-10000K)及暖白光(色温为2850-3800K)的白光LED。目前，白光LED的发光效率大都已超过30lm/W，某些产品已超过50lm/W的水准，它给用於照明的LED灯泡创造良好的条件。 .0$$H"t  
在2005年，业界开发成功了无荧光粉、Φ5透明树脂封装的白光LED。该白光LED采用蓝宝石(Al2O3)为衬底，采用InGaN工艺技术制成。在IF为20mA时，发光强度为700-1200mcd，为LED的普及应用奠定了基础。 S0+nQM%  
      白光LED照明灯泡 Dk&@AjJga  
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(1)TFT-LCD背光照明 Z
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目前，CCFL是大尺寸LCD产品中应用最广泛的背光技术。虽然从技术上来说CCFL已经相当成熟，无论是性能还是稳定性都久经考验。但在NB产品、大尺寸LCD-TV产品日益强调轻薄短小、更高的色彩表现和更强的环保特性趋势下，逐渐显示出强大的应用前景。LED背光技术的优势主要表现在∶ e-vwve  
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（A）使用寿命长 v{7Jzjd  
在发光寿命方面，LED背光技术将CCFL远远抛在後面。普通的CCFL背光源一般的使用寿命在3万小时左右，一些顶级的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。这样的寿命对於频繁使用的用户来说意味著使用2-3年後LCD的亮度就将会明显下降，许多LCD产品在使用几年後萤幕就会发黄、亮度明显变暗，而不得不更换LCD的CCFL背光模组。而LED背光则完全没有这样的问题，现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时。每天连续使用10个小时，可以连续用上27年，即使24小时不间断使用，这样的寿命也足够使用5年！而且还有再次提升的潜力。 Cf#[E~24  
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B、丰富的色彩表现力 J)R;NYl  
在色彩表现力方面，LED背光也远胜於CCFL。原有的CCFL背光由於色纯度等问题，在色阶方面表现不佳。这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。更重要的是，冷阴极荧光灯色域较为狭窄，会严重影响在LCD显示器上显示的色谱，导致几乎所有的LCD显示器都无法达到平面印刷的Adobe RGB色域标准。据测试，采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的78%，近期少数面板厂商采用CCFL技术最高能够达到92%NTSC，後续提升空间不大，而LED背光却能轻松地获得超过100%的NTSC色域表现。在色彩表现力和色阶过渡方面，LED背光也有显著的优势，其色彩表现力强於CCFL背光源，色彩还原好，可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用。 >gNVL (  
LED与CCFL背光之效能比较 0. _)X  
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C、体积缩小 Zi$v-b*<  
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LED作为LCD背光会带来哪些好处呢？首先，采用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成，每个“格子”中都拥有一个LED半导体，这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性，还不需要复杂的光路设计，这样一来LCD的厚度就能做得更薄，同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味著笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如，2005年10月SONY就推出了11.1英寸，使用白光LED的VAIO笔记型计算机TX系列，采用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显示屏，使NB重量下降到1.26公斤，且萤幕厚度也降到仅4.5mm，整体NB厚度更下降16%到21mm，亮度也增加30%，且由於使用白光LED也使电池续航力大幅提升。 uH'n.d"WG  
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对於背光模块厂来说，LED背光模块在结构上，主要的差异点在於LGP的改变。使用CCFL时，由於受限於CCFL管径1.8mm，LGP入光侧必须维持2.0mm左右，而成为一个楔形的板(斜式导光板，即导光板两边厚度不一)，这使得NB面板没有办法做得很薄。使用LED作背光源时，原来LGP之厚度限制已不存在，可以让整个LGP厚度均匀且变薄，再加上玻璃的厚度约可从0.5mm降为0.3mm，因此可以满足NB对於轻薄短小的追求。 XI#1)  
开发NB用LED背光源，面临的最大瓶颈，仍在於如何让导光板的厚度变薄。一般导光板厚度多在2mm以上，而Sony以0.6mm厚度的导光板使用为主，因此背光厂商正积极开发更薄的导光板。 O=c^Ak   
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D、亮度和白平衡控制 Nrp0z:  
实现LED功率控制很容易，不像CCFL的最低亮度存在一个门槛。因此，LED的亮度调整范围大，无论在明亮的户外还是全黑的室内，用户都很容易把显示设备的亮度调整到最悦目的状态；LED背光可以调整白平衡，同时保证整体对比度。当用户的视频源在计算机和DVD机间切换时，可以轻松在9600K和6500K间调整白平衡，而且不会牺牲亮度和对比度。 
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E、均匀性 dq$H^BB+>  
冷阴极荧光灯属於管状光源，要将所发出的光均匀散布到面板的每一个区域就需要相当复杂的辅助组件，萤幕的厚度也难以控制。而且随著面板的增大，必须使用多条光源，这就要求来自这些CCFL的光还必须匹配。同时，CCFL背光源的能量利用效率低下。在光能从背光到萤幕的传输过程中，光能量损耗情况非常严重，最终大约有6%的光能可被真正利用。为了实现更高的亮度和对比度，厂商必须提高光源的输出功率或增加灯管数目，而这样带来的後果就是整机功耗上扬。这对於桌面型LCD显示器或液晶电视不会有多大的影响，但对笔记本LCD萤幕影响很大。LED可以为大尺寸萤幕提供连续面阵光源。LED是一种平面状光源，最基本的发光单元是3-5mm边长的正方形封装後，所需的辅助光学组件可以做得非常简单，极容易组合在一起成为既定面积的面光源，具有很好的亮度均匀性。 oZ%rzLH  
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另外，LED使用的是5-24V的低压电源，十分安全，供电模块的设计也颇为简单；LED光源没有任何射线产生，也没有水银之类的有毒物质，可谓是绿色环保光源；平面状结构让LED拥有稳固的内部结构，抗震性能很出色。 {ir8n731p  
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LED背光技术就象许多新型技术一样拥有许多诱人的优点，但LED要想占据大尺寸LCD背光源的主流，目前还需要解决一些技术难点，如功耗、成本、一致性等。 34lt?6%j  
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A、发光效率 @SH%l]  
CCFL仍是发光效率最高的主流光源技术，与之相比，LED的发光效率较低。作为背光源的LED器件以白光类型居多，而白光LED器件在开始时发光效率不高，致使萤幕亮度普遍偏低。比如在当前的LED技术中，不论萤幕的制造商是谁，LED组件的亮度都各不相同。目前CCFL冷阴极荧光灯的发光效 P{qi>FJqe  
率可达到50-100lm/W，而白光LED器件在刚起步时发光效率仅为20lm/W甚至更低。不过，现在全球有大量的企业从事相关研究，该领域的技术进展非常迅速，白光LED的发光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前为止，白光LED器件的发光效率突破50lm/W，开始达到实用化水准。而业界希望在2007年之前，将白光LED的发光效率提高到75lm/W的高水准。

B、一致性 . e' vc  
用LED作为背光源存在白光的一致性问题，这比起CCFL是个劣势。RGB LED背光源时间一久会产生色移波长会随温度变化，产生不同颜色。这一问题导致了颜色偏移、不一致的色纯度和质量低劣的真“白色”，这就注定LED在开始时并不适合作为LCD显示器的背光源。为了消除这一问题，LED制造商们将晶片“分区”或分解成具有近似颜色和亮度的区块。这种处理有一定的帮助，但仍有不足、亮度和颜色中仍然存在偏移。厂商最新又研发了彩色校正电路，通过对逐个图元的控制，可以将颜色和亮度上的偏差控制在合理的范围内。 {<XPE:1>Y  
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                      照明市场用高亮度发光LED市场规模 ~/0t<^  
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C、成本高 JWHKa=-H  
成本太高、价格昂贵，同等尺寸的背光源，LED是CCFL价格的4倍。对於目前价格竞争激烈的市场而言，让厂家有些望而却步。只有索尼为了图像质量不计成本。当然，随著工艺的成熟和生产规模的增加，LED背光的成本会逐步下降。 ~V,~'W  
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尽管LED优点多多，但短时间内还难以普及，比如LED背光源系统的成本要高於冷阴极荧光管。目前LED背光模组零组件的价格为CCFL的5倍左右，萤幕尺寸越大，采用LED背光技术的成本就越高。东芝U100之所以采用这种显示技术，完全在於它只是东芝笔记本20周年纪念品才被应用。 W-9?|ei
  
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值得欣慰的是，LED产业也存在类似微处理器产业中的“摩尔定律”——Haitz定律，以安捷伦（LED领域领导厂商）的前任技术科学家Roland Haitz命名。其内容是LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20倍。如果这个定律能够不断应验，而随著产能的增加，LED背光源的成本将快速下滑。预计到未来一两年LED背光的售价可降到CCFL背光的2倍左右，距离大规模普及仅有一步之遥。 }*4K{<02  
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(2)家用LED照明 Uj5%06  
目前家用照明灯主要是白炽灯、荧光灯(日光灯)及节能荧光灯。发光二极管与其他光源特性比较见表5。白光LED灯泡与荧光灯、节能荧光灯、白炽灯泡在发光效率及平均寿命上的比较如表6所示。 l(;~9u0sa  
表5 发光二极管与其他光源特性比较 g]B! 29M  
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                      人类照明技术的演变 [v7)xV@c  
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从表6可知，白光LED灯泡的发光效率高於白炽灯泡，但低於荧光灯及节能荧光灯。白光LED的平均寿命最长的，比节能荧光灯高8倍，比白炽灯高33倍多。 Y](kMNUSg  
家用照明灯发光效率和平均寿命的比较 zd1X(e<|{  
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三种照明灯在节电和经济上的比较 e!_+Ty
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目前国内已能生产1-3W由Φ5白光LED组成的白光LED灯泡(外形与白炽灯泡相同，球形外壳用透明塑胶做成，直径约60mm，灯头用E27螺纹灯头)，其发光效率η超过35lm/W。2-3W的白光LED灯泡亮度与25W白炽灯泡差不多。另外，目前也能够生产出12W白光LED的日光灯管，其光通量超过500lm，发光效率超过40lm/W。这两种白光LED做成的灯寿命都超过50000h。这两种灯都是用超高亮度Φ5小功率白光LED做成，目前售价较高，且尚未上市。 w}*2Hz&Q!  
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                    LED作为城市交通信号灯及标灯 tqdw y.  
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白光LED做成的照明灯节能、长寿命。在使用中的节电及经济性方面，3W的白光LED灯泡、5W的节能荧光灯和25W白炽灯泡的结果比较见表7。可见，从节电方面比较，同样使用了50000h，白炽灯要用1250度电，而3W的白光LED灯只要250度电，相差1000度电。如果全国有1亿苹3W白光LED灯替代了25W白炽灯泡，则在50000h的使用时间中可节省1000亿度电。另外，从经济方面来比较，用1个3W白光LED灯点了50000h，总的花费是209元，若用25W白炽灯泡需花费688.4元，相差479.4元。 (8bo"{zI  
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当然，由於白炽灯自发明以来已有150年历史，白光LED灯泡生产才几年。目前在市场上只有白光LED手电筒、白光LED矿灯等少数产品，家用白光LED灯泡目前还没有上市，而且目前只能生产小功率的灯泡，在亮度方面还不如节能荧光灯亮，且价位还较高，普通家庭还难以接受。不过，若考虑使用寿命、省电效率及环保节能等要素，LED照明设备还是有其应用价值的。 2D,EWk/4  
    
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                            LED汽车尾灯 x8L$T(^  
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随著半导体材料及工艺技术的进步，生产量的增加，LED照明灯的性能会进一步地提高，价格也会不断地下降，并可能在3-5年後逐步地进入千家万户，成为大家节电、明亮的新选择。 Bismd21F6=  
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(3)闪光灯 `t
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数码相机正逐渐替代用胶卷的相机，在数码相机中采用超高亮度的白光LED替代了传统的氙灯。采用超高亮度的白光LED作闪光灯不仅电路简单、尺寸小、耗电省，而且无须充电时间。例如，前面提到的1W白光LED XL7090WHT，它在用作闪光灯时，700mA的脉冲电流时其典型光通量为98lm。 6pyLb3[e  
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        LED手电筒 nJEm&"AI  
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5、结束语 0FL PZaRP  
LED元件在2005年的全球市场规模约为55亿美元，其中50%在日本，20%在台湾。目前LED大量应用在指示功能，而该领域也是LED最先进入的市场，如户外显示板、交通号?灯及平面照明等。随著高阶手机采用LED当背光源後，LED又打开了新的应用领域。未来，LED最被看好的应用是在7-40寸的平面显示器市场，一旦LED能够成功成为平面显示器的背光源，其市场产值将会大幅成长。