總述LED技術(shù)及應(yīng)用
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LED元件在2005年的全球市場規(guī)模約為57.4億美元，其中50%在日本，20%在臺灣。除了各種應(yīng)用照明、戶外建筑及手機(jī)背光源等應(yīng)用外，業(yè)界正在積極找尋各種新應(yīng)用。本文介紹了LED的基本原理、技術(shù)趨勢，以及市場動態(tài)。
LED產(chǎn)業(yè)趨勢
發(fā)光二極管(LED是利用光輻射原理來發(fā)光的，其發(fā)光顏色與制作材料有很密切的關(guān)系。LED技術(shù)的開發(fā)，從早期的紅光、綠光，一直到開發(fā)成功藍(lán)光LED，才通過整合紅、藍(lán)、綠，或把藍(lán)光熒光粉與黃色熒光粉混合，成為白光LED。成功開發(fā)出白光LED的最大好處，是可以應(yīng)用於多波長，讓運(yùn)用領(lǐng)域變得廣泛而深遠(yuǎn)。
1、LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
早在1907年開始，人們就發(fā)現(xiàn)某些半導(dǎo)體材料制成的二極管在正向?qū)〞r有發(fā)光的物理現(xiàn)象，但生產(chǎn)出有一定發(fā)光效率的紅光LED已是1969年了。1994-1995年人們開發(fā)成功了藍(lán)光LED，并在1998年實(shí)現(xiàn)了真正商品化。2000-2002年間，研發(fā)人員不斷追求成本效益，使LED成功打入手機(jī)背光源市場。到今天，LED已生產(chǎn)了30多年，各種類型的LED、利用LED作二次
開發(fā)的產(chǎn)品及與LED配套的產(chǎn)品(如白光LED驅(qū)動器)發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷上市，并已發(fā)展成為一種新型產(chǎn)業(yè)。LED技術(shù)研發(fā)之路，最為人津津樂道的故事，就是開發(fā)藍(lán)光LED時，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩大門派之爭。這也是許多研發(fā)團(tuán)隊辛勤投入開發(fā)藍(lán)光LED元件時，必須痛苦抉擇的兩條截然不同的道路。之前，全球許多大公司皆投入SiC研發(fā)，結(jié)果日本一家專門做熒光粉業(yè)務(wù)的公司——日本日亞化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研發(fā)人員中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化鎵(GaN)研究方面獲得重大突破，并取得震驚全球的專利。這位研發(fā)人員的重大突破，引發(fā)了包括Sony及Toshiba等大廠的最高主管都出面為自己所做的錯誤決策導(dǎo)致技術(shù)落後而道歉。這位Nakamura的技術(shù)突破，讓氮化鎵(GaN)陣營正式快速超越SiC。
原本做熒光粉業(yè)務(wù)的Nichia由於在藍(lán)光LED技術(shù)上的成功，使其年營業(yè)額從約1億美元快速發(fā)展到2003年的9億美元。而原本該公司準(zhǔn)備發(fā)給Nakamura的專利獎勵金是日幣200萬元，經(jīng)過一場官司後，Nichia被判定應(yīng)該給這位研究人員日幣2億元。
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歐斯朗公司LED封裝趨勢 本文引用地址：http://2s4d.com/article/201706/352207.htm |
2、LED技術(shù)
LED是繼1950年代矽(Si)半導(dǎo)體技術(shù)後，由三五族(III-V族)化合物半導(dǎo)體發(fā)展的半導(dǎo)體器件。LED的發(fā)光原理是利用半導(dǎo)體中的電子和空穴結(jié)合而發(fā)出光子，不同於燈泡需要在3000度以上的高溫下操作，也不必像日光燈需使用高電壓激發(fā)電子束，LED和一般的電子元件相同，只需要2-4V的電壓，在常溫下就可以正常動作，因此其壽命也比傳統(tǒng)光源來得更長。
LED所發(fā)出的顏色，主要是取決於電子與空穴結(jié)合所釋放出來的能量高低，也就是由所用的半導(dǎo)體材料的能隙所決定。同一種材料的波長都很接近，因此每一顆LED的光色都很純正，與傳統(tǒng)光源都混有多種顏色相比，LED可說是一種數(shù)字化的光源。
LED晶片大小可以因用途而隨意切割，常用的大小為0.3-1.0mm左右，跟傳統(tǒng)的燈泡或日光燈相比，體積相對小得多。為了使用方便，LED通常都使用樹脂包裝，做成5mm左右的各種形狀，十分堅固耐震。
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LED的基本結(jié)構(gòu) |
值得注意的是，除了大家常見的可見光外，LED還有不可見光，如“紫外光”與“紅外光”等，例如電視遙控器就是一種紅外光應(yīng)用，其波長約為900nm，而紫外光則因?yàn)榫哂袣⒕δ?，所以被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療用途上。
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LED主要向大功率和小體積兩個方向發(fā)展 |
作為指示燈方面的應(yīng)用，有幾個mcd的發(fā)光強(qiáng)度也可以了，但由LED組成的數(shù)碼管或字元管則顯得亮度不足，若要用於戶外作信號或標(biāo)顯示，則其亮度太低，不能滿足使用的要求。所以LED的主要發(fā)展方向是提高發(fā)光強(qiáng)度(也就是一般所指的提高亮度)。
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InGaAlP和nGaN LED晶片發(fā)光效率的演變。其中，a為InGaN藍(lán)光LED，b為InGaN綠光LED |
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表1 不同生產(chǎn)年份LED的發(fā)光強(qiáng)度比較 |
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以GaAs為襯底的LED結(jié)構(gòu) |
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表2不同生產(chǎn)年份LED的發(fā)光效率比較 |
由于XL7090WHT發(fā)光強(qiáng)度大、發(fā)光效率高，因此它適用於家庭、商業(yè)或公共場所明、DVD、筆記本電腦、電視機(jī)的彩色顯示屏的背光；廣告燈、路燈及標(biāo)燈；汽車及運(yùn)輸工具的內(nèi)外照明及數(shù)碼相機(jī)的閃光燈等。
從表1和表2也可以看出，LED的發(fā)光強(qiáng)度及發(fā)光效率的提高主要取決於采用的半導(dǎo)體材料及其工藝技術(shù)的發(fā)展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導(dǎo)體材料)和GaAsP(三元素半導(dǎo)體材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半導(dǎo)體材料)後，其發(fā)光強(qiáng)度及發(fā)光效率有很大的提高。另外，在工藝技術(shù)上采用在GaAs襯底上用AlInGaP材料生產(chǎn)的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN材料生產(chǎn)的綠光、藍(lán)光LED，在發(fā)光強(qiáng)度及發(fā)光效率上有較大的改進(jìn)。
(2)提高LED功率
我們知道，LED的發(fā)光強(qiáng)度與正向電流IF幾乎成線性關(guān)系，即增加正向電流IF可增加發(fā)光強(qiáng)度。但LED有一個最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF為正向壓降)，若過大地增加IF而使PD超過最大值時，LED會過熱而損壞。為了要提高發(fā)光強(qiáng)度，開發(fā)出中功率LED(一般為幾百mW)，其工作電流也提高到70mA。近年來，為進(jìn)一步提高發(fā)光強(qiáng)度，開發(fā)出大功率LED，其功率一般為1-10W(有一些還大於10W)。它的工作電流一般為350-700mA，有些可達(dá)1A以上。
以American Opto Plus LED公司生產(chǎn)的5W的PU-5WXX系列為例，在700mA電流下，其結(jié)溫Tj為25℃，其典型發(fā)光強(qiáng)度如表3所示(大功率LED的發(fā)光強(qiáng)度用光通量表示)。
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表3 PU-5WXX系列LED的典型發(fā)光強(qiáng)度 |
早期生產(chǎn)的LED是小功率的(幾十至上百mW)，現(xiàn)在已能生產(chǎn)大於10W的大功率LED，在功率上增加了100倍以上。
雖然說小功率LED與大功率LED的發(fā)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的壽命更長。另外，采用很多小功率白光LED組成的燈泡可靠性也差一些，燈泡體積也較大。例如，用1W白光LED做成燈具，其尺寸為50.8×50.8×7.1mm，而采用Φ5白光LED來做，其體積則要大得多。但目前大功率LED投產(chǎn)時間不長，價位較高，所以目前大部分LED燈泡仍是用小功率LED做的。
3、白光LED時代的來臨
白光LED是LED家族中最後一個問世的，它的誕生是LED生產(chǎn)中一個重要的突破，它將成為新的照明光源。
白光是復(fù)合光，可以用紅、綠、藍(lán)(R、G、B)三基色LED混合成白光。1995年前後生產(chǎn)的一種集成LED白光燈(或稱全色LED燈)由2個高亮度藍(lán)光LED、15個綠光LED及5個紅光LED組成。這種白光LED燈尺寸大、白光純度不高、發(fā)光效率也不高。但這種三基色燈用單片機(jī)來控制可發(fā)出七色光及白光的變色燈，可用於娛樂場所，增加節(jié)日氣氛。另外，采用RGB三種管芯組成的RGB LED常用於手機(jī)的變色背光。
在上世紀(jì)末，可能受熒光燈的啟發(fā)，人們在高亮度藍(lán)光LED管芯上加一層熒光粉，用藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光的白光LED。采用不同的熒光粉，可發(fā)出冷白光(色溫為4500-10000K)及暖白光(色溫為2850-3800K)的白光LED。目前，白光LED的發(fā)光效率大都已超過30lm/W，某些產(chǎn)品已超過50lm/W的水準(zhǔn)，它給用於照明的LED燈泡創(chuàng)造良好的條件。
在2005年，業(yè)界開發(fā)成功了無熒光粉、Φ5透明樹脂封裝的白光LED。該白光LED采用藍(lán)寶石(Al2O3)為襯底，采用InGaN工藝技術(shù)制成。在IF為20mA時，發(fā)光強(qiáng)度為700-1200mcd，為LED的普及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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白光LED照明燈泡 |
目前，CCFL是大尺寸LCD產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的背光技術(shù)。雖然從技術(shù)上來說CCFL已經(jīng)相當(dāng)成熟，無論是性能還是穩(wěn)定性都久經(jīng)考驗(yàn)。但在NB產(chǎn)品、大尺寸LCD-TV產(chǎn)品日益強(qiáng)調(diào)輕薄短小、更高的色彩表現(xiàn)和更強(qiáng)的環(huán)保特性趨勢下，逐漸顯示出強(qiáng)大的應(yīng)用前景。LED背光技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在∶
A、使用壽命長
在發(fā)光壽命方面，LED背光技術(shù)將CCFL遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在後面。普通的CCFL背光源一般的使用壽命在3萬小時左右，一些頂級的CCFL背光的發(fā)光壽命也不過在6萬小時左右。這樣的壽命對於頻繁使用的用戶來說意味著使用2-3年後LCD的亮度就將會明顯下降，許多LCD產(chǎn)品在使用幾年後螢?zāi)痪蜁l(fā)黃、亮度明顯變暗，而不得不更換LCD的CCFL背光模組。而LED
背光則完全沒有這樣的問題，現(xiàn)階段白色LED背光的壽命已經(jīng)高達(dá)10萬小時。每天連續(xù)使用10個小時，可以連續(xù)用上27年，即使24小時不間斷使用，這樣的壽命也足夠使用5年！而且還有再次提升的潛力。
B、豐富的色彩表現(xiàn)力
在色彩表現(xiàn)力方面，LED背光也遠(yuǎn)勝於CCFL。原有的CCFL背光由於色純度等問題，在色階方面表現(xiàn)不佳。這就導(dǎo)致了LCD在灰度和色彩過渡方面不如CRT。更重要的是，冷陰極熒光燈色域較為狹窄，會嚴(yán)重影響在LCD顯示器上顯示的色譜，導(dǎo)致幾乎所有的LCD顯示器都無法達(dá)到平面印刷的Adobe RGB色域標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)測試，采用CCFL背光只能實(shí)現(xiàn)NTSC色彩區(qū)域的78%，近期少數(shù)面板廠商采用CCFL技術(shù)最高能夠達(dá)到92%NTSC，後續(xù)提升空間不大，而LED背光卻能輕松地獲得超過100%的NTSC色域表現(xiàn)。在色彩表現(xiàn)力和色階過渡方面，LED背光也有顯著的優(yōu)勢，其色彩表現(xiàn)力強(qiáng)於CCFL背光源，色彩還原好，可對顯示色彩數(shù)量不足的液晶技術(shù)起到很好的彌補(bǔ)作用。
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LED與CCFL背光之效能比較 |
LED作為LCD背光會帶來哪些好處呢？首先，采用LED背光的LCD的體積將進(jìn)一步縮小。LED背光源是由眾多柵格狀的半導(dǎo)體組成，每個“格子”中都擁有一個LED半導(dǎo)體，這樣LED背光就成功實(shí)現(xiàn)了光源的平面化。平面化的光源不僅有優(yōu)異的亮度均勻性，還不需要復(fù)雜的光路設(shè)計，這樣一來LCD的厚度就能做得更薄，同時還擁有更高的可靠性和穩(wěn)定性。更薄的液晶顯示面板意味著筆記本電腦擁有更佳的移動性。例如，2005年10月SONY就推出了11.1英寸，使用白光LED的VAIO筆記型計算機(jī)TX系列，采用了厚度僅有4.5mm的LED背光液晶顯示屏，使NB重量下降到1.26公斤，且螢?zāi)缓穸纫步档絻H4.5mm，整體NB厚度更下降16%到21mm，亮度也增加30%，且由於使用白光LED也使電池續(xù)航力大幅提升。
對于背光模塊廠來說，LED背光模塊在結(jié)構(gòu)上，主要的差異點(diǎn)在於LGP的改變。使用CCFL時，由於受限於CCFL管徑1.8mm，LGP入光側(cè)必須維持2.0mm左右，而成為一個楔形的板(斜式導(dǎo)光板，即導(dǎo)光板兩邊厚度不一)，這使得NB面板沒有辦法做得很薄。使用LED作背光源時，原來LGP之厚度限制已不存在，可以讓整個LGP厚度均勻且變薄，再加上玻璃的厚度約可從0.5mm降為0.3mm，因此可以滿足NB對於輕薄短小的追求。
開發(fā)NB用LED背光源，面臨的最大瓶頸，仍在於如何讓導(dǎo)光板的厚度變薄。一般導(dǎo)光板厚度多在2mm以上，而Sony以0.6mm厚度的導(dǎo)光板使用為主，因此背光廠商正積極開發(fā)更薄的導(dǎo)光板。
D、亮度和白平衡控制
實(shí)現(xiàn)LED功率控制很容易，不像CCFL的最低亮度存在一個門檻。因此，LED的亮度調(diào)整范圍大，無論在明亮的戶外還是全黑的室內(nèi)，用戶都很容易把顯示設(shè)備的亮度調(diào)整到最悅目的狀態(tài)；LED背光可以調(diào)整白平衡，同時保證整體對比度。當(dāng)用戶的視頻源在計算機(jī)和DVD機(jī)間切換時，可以輕松在9600K和6500K間調(diào)整白平衡，而且不會犧牲亮度和對比度。
E、均勻性
冷陰極熒光燈屬於管狀光源，要將所發(fā)出的光均勻散布到面板的每一個區(qū)域就需要相當(dāng)復(fù)雜的輔助組件，螢?zāi)坏暮穸纫搽y以控制。而且隨著面板的增大，必須使用多條光源，這就要求來自這些CCFL的光還必須匹配。同時，CCFL背光源的能量利用效率低下。在光能從背光到螢?zāi)坏膫鬏斶^程中，光能量損耗情況非常嚴(yán)重，最終大約有6%的光能可被真正利用。為了實(shí)現(xiàn)更高的亮度和對比度，廠商必須提高光源的輸出功率或增加燈管數(shù)目，而這樣帶來的後果就是整機(jī)功耗上揚(yáng)。這對於桌面型LCD顯示器或液晶電視不會有多大的影響，但對筆記本LCD螢?zāi)挥绊懞艽?。LED可以為大尺寸螢?zāi)惶峁┻B續(xù)面陣光源。LED是一種平面狀光源，最基本的發(fā)光單元是3-5mm邊長的正方形封裝後，所需的輔助光學(xué)組件可以做得非常簡單，極容易組合在一起成為既定面積的面光源，具有很好的亮度均勻性。
另外，LED使用的是5-24V的低壓電源，十分安全，供電模塊的設(shè)計也頗為簡單；LED光源沒有任何射線產(chǎn)生，也沒有水銀之類的有毒物質(zhì)，可謂是綠色環(huán)保光源；平面狀結(jié)構(gòu)讓LED擁有穩(wěn)固的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，抗震性能很出色。
LED背光技術(shù)就象許多新型技術(shù)一樣擁有許多誘人的優(yōu)點(diǎn)，但LED要想占據(jù)大尺寸LCD背光源的主流，目前還需要解決一些技術(shù)難點(diǎn)，如功耗、成本、一致性等。
A、發(fā)光效率
CCFL仍是發(fā)光效率最高的主流光源技術(shù)，與之相比，LED的發(fā)光效率較低。作為背光源的LED器件以白光類型居多，而白光LED器件在開始時發(fā)光效率不高，致使螢?zāi)涣炼绕毡槠?。比如在?dāng)前的LED技術(shù)中，不論螢?zāi)坏闹圃焐淌钦l，LED組件的亮度都各不相同。目前CCFL冷陰極熒光燈的發(fā)光效率可達(dá)到50-100lm/W，而白光LED器件在剛起步時發(fā)光效率僅為20lm/W甚至更低。不過，現(xiàn)在全球有大量的企業(yè)從事相關(guān)研究，該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展非常迅速，白光LED的發(fā)光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前為止，白光LED器件的發(fā)光效率突破50lm/W，開始達(dá)到實(shí)用化水準(zhǔn)。而業(yè)界希望在2007年之前，將白光LED的發(fā)光效率提高到75lm/W的高水準(zhǔn)。
B、一致性
用LED作為背光源存在白光的一致性問題，這比起CCFL是個劣勢。RGB LED背光源時間一久會產(chǎn)生色移波長會隨溫度變化，產(chǎn)生不同顏色。這一問題導(dǎo)致了顏色偏移、不一致的色純度和質(zhì)量低劣的真“白色”，這就注定LED在開始時并不適合作為LCD顯示器的背光源。為了消除這一問題，LED制造商們將晶片“分區(qū)”或分解成具有近似顏色和亮度的區(qū)塊。這種處理有一定的幫助，但仍有不足、亮度和顏色中仍然存在偏移。廠商最新又研發(fā)了彩色校正電路，通過對逐個圖元的控制，可以將顏色和亮度上的偏差控制在合理的范圍內(nèi)。
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照明市場用高亮度發(fā)光LED市場規(guī)模 |
成本太高、價格昂貴，同等尺寸的背光源，LED是CCFL價格的4倍。對於目前價格競爭激烈的市場而言，讓廠家有些望而卻步。只有索尼為了圖像質(zhì)量不計成本。當(dāng)然，隨著工藝的成熟和生產(chǎn)規(guī)模的增加，LED背光的成本會逐步下降。
盡管LED優(yōu)點(diǎn)多多，但短時間內(nèi)還難以普及，比如LED背光源系統(tǒng)的成本要高於冷陰極熒光管。目前LED背光模組零組件的價格為CCFL的5倍左右，螢?zāi)怀叽缭酱?，采用LED背光技術(shù)的成本就越高。東芝U100之所以采用這種顯示技術(shù)，完全在於它只是東芝筆記本20周年紀(jì)念品才被應(yīng)用。
值得欣慰的是，LED產(chǎn)業(yè)也存在類似微處理器產(chǎn)業(yè)中的“摩爾定律”——Haitz定律，以安捷倫（LED領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)廠商）的前任技術(shù)科學(xué)家Roland Haitz命名。其內(nèi)容是LED的價格每10年將為原來的1/10，性能則提高20倍。如果這個定律能夠不斷應(yīng)驗(yàn)，而隨著產(chǎn)能的增加，LED背光源的成本將快速下滑。預(yù)計到未來一兩年LED背光的售價可降到CCFL背光的2倍左右，距離大規(guī)模普及僅有一步之遙。
(2)家用LED照明
目前家用照明燈主要是白熾燈、熒光燈(日光燈)及節(jié)能熒光燈。發(fā)光二極管與其他光源特性比較見表5。白光LED燈泡與熒光燈、節(jié)能熒光燈、白熾燈泡在發(fā)光效率及平均壽命上的比較如表6所示。
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表5 發(fā)光二極管與其他光源特性比較 |
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人類照明技術(shù)的演變 |
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家用照明燈發(fā)光效率和平均壽命的比較 |
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三種照明燈在節(jié)電和經(jīng)濟(jì)上的比較 |
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LED作為城市交通信號燈及標(biāo)燈 |
當(dāng)然，由于白熾燈自發(fā)明以來已有150年歷史，白光LED燈泡生產(chǎn)才幾年。目前在市場上只有白光LED手電筒、白光LED礦燈等少數(shù)產(chǎn)品，家用白光LED燈泡目前還沒有上市，而且目前只能生產(chǎn)小功率的燈泡，在亮度方面還不如節(jié)能熒光燈亮，且價位還較高，普通家庭還難以接受。不過，若考慮使用壽命、省電效率及環(huán)保節(jié)能等要素，LED照明設(shè)備還是有其應(yīng)用價值的。
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LED汽車尾燈 |
(3)閃光燈
數(shù)碼相機(jī)正逐漸替代用膠卷的相機(jī)，在數(shù)碼相機(jī)中采用超高亮度的白光LED替代了傳統(tǒng)的氙燈。采用超高亮度的白光LED作閃光燈不僅電路簡單、尺寸小、耗電省，而且無須充電時間。例如，前面提到的1W白光LED XL7090WHT，它在用作閃光燈時，700mA的脈沖電流時其典型光通量為98lm。
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LED手電筒 |
LED元件在2005年的全球市場規(guī)模約為55億美元，其中50%在日本，20%在臺灣。目前LED大量應(yīng)用在指示功能，而該領(lǐng)域也是LED最先進(jìn)入的市場，如戶外顯示板、交通號燈及平面照明等。隨著高階手機(jī)采用LED當(dāng)背光源後，LED又打開了新的應(yīng)用領(lǐng)域。未來，LED最被看好的應(yīng)用是在7-40寸的平面顯示器市場，一旦LED能夠成功成為平面顯示器的背光源，其市場產(chǎn)值將會大幅成長。
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