關于LED技術，他們都在研究什么？

    關于LED，技術團隊都在關注什么？除了紫外UV LED、Micro LED等，LED還有哪些*新技術進展。

    研究發現加入硼可解決LED發光效率下降現象

    密西根研究團隊11月發表*新研究，發現將化學元素硼（Boron）加入氮化銦鎵 （INGan） 材料可以讓LED半導體的中間層（middle layer）厚度變大，解決發光效率隨著注入電流的提高而下降的現象。這項研究已經刊登于應用物理學快報（Applied Physics Letters）。

    發光二極管（Light-emitting diode）半導體由帶有正電性質的P型半導體和帶有電子的N型半導體組合，通電后具有正電性質的電洞（hole） 會和電子（electron）結合并產生光，在中間層的所使用的材質將決定波長長短。

    電子和電洞移動到中間層時，有太多的電子同時被擠壓到中間層，會使其相互碰撞、無法有效的和電洞結合，降低發光效率，而這種情形又稱之為歐格再結合（Auger recombination）。

    而要解決這項問題的辦法是增加中間層的厚度，好讓電子和電洞有足夠的空間；然而要增加中間層的厚度卻沒有想象中容易。

    因為LED半導體是晶體狀，原子間有其固定排列規則，而該特定間距又稱為晶體參數（lattice parameter）。當晶體材料相互層疊生長時，它們的晶格參數必須相似，原子排列規則與材料連接處才能匹配，否則材料會變形。

    研究者Williams和Kioupakis透過預測模型發現，將硼加入氮化銦鎵，可以增加中間層的厚度，以利電子和電洞結合。BInGaN材料發出的光的波長也非常接近于氮化銦鎵的波長，可以調整出不同的顏色。

    這項研究是否能實際在實驗室產出還是未知數，而究竟要摻入多少的的硼元素也是一項挑戰，但是密西根研究團隊的發現對新型LED的研發是一大貢獻。

    LED在顯微技術中的應用

    基于其高亮度、高可控性及寬光譜輸出的特點，LED近期發展出了一些不為大家所熟知的專業照明應用。

    熒光顯微技術在生命科學中運用廣泛，常常被用來研究生物樣本，包括單細胞到整個組織的樣本。這個過程涉及到利用光學顯微鏡使用特定波長的光束來刺激樣品。由于斯托克斯（Stokes）位移——物質被光激發后，產生的電子躍遷（熒光）中，其吸收譜和發射譜峰值間的波長差或頻率差，光束重新發射的熒光波長大于原激發光的波長。而把熒光顯微技術中傳統使用的燈泡換成LED光源，這一改變為該領域帶來的效益遠不止大大降低運行成本。

熒光顯微鏡的基本構造

    作用一：滿足光譜需求

    有些研究需要使用活細胞成像，另一些需要使用被化學試劑固定于某一特定生命時期的細胞。不論何種情況，用于照明樣本的光源類型和設計對顯微鏡所需的硬件以及所記錄圖像的質量和有效性都有極大的影響。

    早期使用LED系統的一個重要原因在于使用者及實驗管理的便利性。最常見的燈泡，例如100 W高壓汞燈，其壽命很短，約為300小時。使用者通常會在記事本上記錄打開燈泡的時間，因為如果使用燈泡的時間過長，會增加爆炸的風險。然而，LED產品的使用壽命長達數萬小時。

    燈泡需要預熱與冷卻，而且一整天都要這樣。而LED光源可以在需要的時候以電子方式打開或關閉，即在觀察樣本或成像期間打開光源，不使用的時候關閉。盡管用LED光源替代燈泡的賣點很多，但同時存在高亮度及光譜范圍這兩個主要問題，LED光源最初并未被廣泛應用。

    LED光源發出的光不是寬光譜而是半峰寬約10 nm至40 nm的類高斯光譜。因此光源設計人員要使用多個LED來滿足研究人員的光譜需求，這就帶來了光源設計過程中新的光電和機械復雜性，而這些問題對于傳統光源來說是不存在的。捕捉和校準LED芯片的朗伯發射，然后使用雙色鏡組合出多種顏色，這已經成為了標準方法。朗伯定律表明，從漫反射表面觀察到的發光強度與入射光和表面法線之間夾角θ的余弦值成正比。這種復雜性和損耗導致大多數LED光源最多能包含6種不同波長的光。

    一種新穎且已獲得專利的方法采用了波長組概念，即具有相近光譜的LED光波長成為一個用戶可選擇的通道，根據對高速應用的需求，可以把四組光譜分離的LED組合在一起。但關鍵是，某些波長接近的分組，在相同的樣本中很少會同時用到。如今，研究人員可以使用包含16種波長的LED光源，使用這種方法能夠提高LED的亮度、譜段范圍，也能降低成本。

    長期以來，燈泡光譜的綠光區域是最弱的，這部分區域在固態照明中被稱為“綠色缺口”，也是LED光譜中極其微弱的區域。一種解決方法是使用由一系列明亮藍色LED激發的熒光棒。與單芯片LED相比，在常見的熒光顯微鏡上使用這種方法會增加成本且使用不方便。對藍色LED芯片功率的*新研究提出了更為簡單的解決方案，即在LED上直接放置熒光劑，且只選擇能夠提供最大綠色光譜區域的熒光劑。下圖中展現了由明亮綠色LED通過斯托克斯位移激發的紅色光。

使用熒光標記的牛肺動脈內皮細胞。藍色區域為細胞核，綠色區域為微管蛋白，紅色區域為肌動蛋白。

    作用二：成像增強

    顯微技術的最終目標是獲取優質圖像。LED由于其固態特性可作為顯微鏡附件直接使用，無需重新校準。采用科勒照明（一種現代科學光學顯微鏡下的樣品照明技術），光源中的光學器件可將LED成像到顯微鏡物鏡的后孔徑上。這種反向工作的物鏡能夠在樣品的完整視場內均勻地分散光線，然而一些LED系統仍使用導光板，以減輕顯微鏡的重量和振動。

    具有良好的阻擋和傳輸區域的濾光片能夠改善圖像的信噪比。在用于DAPI（6-二脒基-2-苯基吲哚）熒光團成像的典型激發濾光片和發射濾光片中，激發濾光片要擋住汞（Hg）光譜中藍色區域的高能量光線。

激發和發射濾光片系統中，385 nm LED光和Hg光譜與DAPI的吸收和發射光譜重疊情況。

    相比之下，用于激發DAPI的LED在相應的激發帶上產生了極低的能量，包括在樣品成像相對較弱的藍色區域。對比結果為，使用LED作為光源能夠獲得更好的圖像信噪比，因為它減少了樣品的背景色階。愛丁堡大學的Sandrine Prost及其同事們的研究表明采用波長可控的獨立LED光源，其信噪比的提高超過了燈泡系統，甚至超過了一些白色寬頻譜LED光源。

    同時，樣品觀測結果也會受觀察過程的影響，因為細胞不適合暴露在高強度光線下。不當光照的負面作用包括光漂白和光毒性，隨著時間推移，光照將導致信號減弱、活細胞死亡或行為異常。減少樣品的照明時間對降低這些負面效應至關重要。傳統燈泡光源通過機械快門來控制曝光，有時會造成長時間的延遲，導致樣品在相機的曝光時間內被不必要地照亮。    

    使用自動控制的LED光源則可以解決這個問題。LED的直接邏輯電路（TTL)控制達到了微秒量級的開/關時間，優于USB通信方式。許多高端相機在曝光時有TTL信號輸出，該信號可以直接反饋至LED光源，控制光源開/關，與相機曝光時間精確匹配。由于連續成像兩至三個熒光團很常見，所以*新的LED光源將波長序列編程到光源內，相機按順序依次進行曝光。這種電路連接方式減少了樣品不必要的曝光，而機械控制的快門或者電腦控制方法都沒有實時操作系統。

    最近，高效節能的340 nm LED光源已經進入市場，可以進行鈣熒光指示劑（Fura-2）的成像。這項應用可以捕捉到神經網絡的活動以便對阿爾茨海默病和其它類似病癥進行研究。英國Strathclyde大學的Peter Tinning及其同事們的研究表明，使用340nm或380nm的強LED系統，可使細胞中Fura-2濃度比標準細胞制備方案低25%。該研究不僅為實驗研究節省了資金，更重要的是，能夠降低熒光標記可能導致的細胞毒性效應，以觀測到生物樣品更為典型的自然行為。

    企業研發進展

    LG研發全球首個100毫瓦殺菌紫外線UVC-LED

    LG Innotek研發出全球首個殺菌紫外線UV（Ultraviolet rays，紫外線）-C LED，輸出功率可高達100毫瓦（mW）。相較2020年才有可能開發的行業預計，提前2年完成。

    UV-C LED是發射波長較短的 200~280 納米（nm）紫外線產品，也被稱為深紫外線（Deep UV）。LG Innotek本次開發的LED以278nm的波長破壞細菌DNA，并與特殊物質產生化學反應，作用于殺菌或硬化裝置等。

    UV-C LED可以打造光輸出越高殺菌力越強的殺菌裝置，但由于發熱等問題，難以確保品質穩定。一直以來引領市場的日本企業也計劃在 2020年推出100mW UV-C LED。

    LG Innotek應用光輸出最大化的外延結構及垂直芯片技術，打破了技術限制。提高紫外線輸出，有效排放熱，確保了穩定的品質可行性。100mW1個LED可以放射強力殺菌紫外線達1萬小時以上。

    此次LG Innotek憑借開發光輸出100mW產品，可以更加快速地擴大 UV-C LED 應用領域。對于流動的水或空氣也可以快速殺菌，不僅可以用于凈水器、空氣凈化器等生活家電，還可用于大廈與汽車的空調系統、水處理裝置等。

    原有UV-C LED大部分光輸出為1~2mW 級，主要用于便攜式殺菌器或小型家電。這是因為UV-C輸出較弱而難以擴大應用。

    LG Innotek常年與多家全球企業討論應用UV-C LED開發的多種產品，一直以來市場都渴望推出高輸出LED，因此預計對100mW UV-C LED的需要將快速增長。

    LG Innotek將加快步伐確保UV LED市場主導權。尤其在殺菌、硬化性能卓越的UV-C領域擁有獨家技術，有信心占領市場。

    先于日本推出凈水器水龍頭殺菌用LED模塊、電梯扶手用UV LED殺菌器等創新產品，品質競爭力也獲得了認可。

    LG Innotek相關人士稱，“我們將繼續拉大與競爭公司的技術差距，不斷推出滿足顧客需要的創新產品，引領市場發展。”

    京東方：Micro LED技術研究已取得進展

    11月29日，京東方A(000725)在互動平臺回復投資者提問稱，目前公司已開展對微發光二極體顯示器（Micro LED）的技術研究 ，并取得一定進展。Micro LED為新一代的顯示技術，結構是微型化LED陣列承繼了LED的特性，Micro LED優點包括低功耗、高亮度、反應速度快等等。但因為目前技術尚未成熟，還需要一段時間的發展。

    三星：明年CES或展出150英寸Micro LED電視

    蘋果積極布局Micro LED熒幕、日前還傳出正在跟臺積電解決瓶頸問題，而三星電子也不落人后，傳出打算在明2018年1月的美國拉斯維加斯消費性電子展CES上，發表一款Micro LED電視。

    據ZDNet韓國24日報道，三星的Micro LED電視，熒幕將達到150英寸，會在明年稍晚正式上市，瞄準的是家庭劇院市場。

    想要制造縮小版的LED，難度相當高。Micro LED熒幕使用的LED，尺寸不到100微米，每顆LED芯片可做為一個畫素，優點是耗電量低，也不會有OLED的殘影(burn-in)問題。若采用塑膠制基板，則會具有可撓性。智能型手機需要更加微小的LED芯片，因此應用上還得再等一陣子。

    三星發言人不愿對此做出評論。Sony曾在2012年搶先展示了一款55英寸的Micro LED電視和多款原型機，但至今還無法商業化。

    集邦咨詢LED研究中心報告指出，自Sony推出Crystal Micro LED顯示屏，受到市場大幅關注。其產品之優勢包含視角更廣、對比度更高、畫質更好，透過無縫拼接可應用在汽車展廳、博物館、電影院等利基型市場。根據LEDinside調查，現階段許多傳統顯示屏廠、LCD廠等正積極投入Mini/Micro LED顯示屏的開發。相信在未來的3~5年，隨著技術去瓶頸化，將有助于Mini/Micro LED顯示屏切入高端利基市場。

    鴻海轉投資的夏普5月22日宣布，為了加快Micro LED面板的研發、商品化腳步，將攜手CyberNet Venture Capital(鴻海間接持股100%)、群創、榮創等3家泛鴻海集團公司于今年10月收購研發Micro LED面板的美國新創公司eLux。

    據夏普指出，在完成收購手續后，夏普、CyberNet、群創和榮創對eLux的出資比重分別為31.82%、45.45%、13.64%和9.09%。

    德豪潤達開發出全倒裝RGB COB顯示模塊

    自2016年以來，小間距顯示屏一直為國內外顯示企業的主要研發目標，COB技術雖成功引領了新一代高清LED顯示的開發革命，但由于工藝技術的限制，正裝COB的發光角度與打線距離，從技術路線上就局限了產品的性能發展。

    德豪潤達通過旗下的事業部資源整合，在器件、顯示兩大事業部的聯合研發下，成功量產出全倒裝RGB封裝的COB顯示模塊，極小間距的P0.95mm搭配上180°的大角度出光震撼體驗，成功跨越了現行正裝COB顯屏的技術難題。

    目前德豪潤達已量產的單顯示屏模塊為171*76mm，可藉由無縫拼接完成27.5寸的全倒裝RGB COB顯示屏，在像素點間距達到P0.95的同時，更提供了高亮度的1200nits完美規格。并藉著單像素尺寸微小至0.025mm2，顯屏的黑光學占比大幅提高為98%。

    在研發階段的全倒裝RGB COB實驗進展，已成功的完成P0.5的超密集顯屏模塊樣板。相信在不久的將來，德豪潤達將給顯示屏帶來無限可能。

責編：鄧蕊玲