【文章內(nèi)容簡介】 集中在磷光體的使用上(交叉約定簽訂之前，Nichia上訴Osram公司侵權(quán)使用一份日本專利而遭到拒絕，拒絕理由就是Osram并沒有使用石榴石磷光體)。因此，之后的專利就開始擴展保護范圍，以至于保護的內(nèi)容越來越廣但同時也越來越不清晰。2005年以來，半導體照明產(chǎn)品開發(fā)和應用范圍不斷擴大，更多公司擁有了相關(guān)專利，特別是隨著半導體照明應用產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠商越來越多、市場規(guī)模急劇擴大，專利關(guān)系也越來越復雜。在這種形勢下，怎樣保證一個公司的產(chǎn)品不會侵犯其他公司的專利權(quán)就是一個迫切需要解決的問題。從法律角度來看，單純聽信賣家的承諾顯然不夠，極有可能要冒侵權(quán)的風險；聘請專利律師進行調(diào)查可以解決這個問題，但要花費大量的時間和資金，并不是每個企業(yè)都有能力采用。2006年5月美國固態(tài)照明公司Intematix及BridgeLux提出了一個解決方法：組成知識產(chǎn)權(quán)安全照明業(yè)聯(lián)盟(IPSLA)。IPSLA為半導體照明的零配件供應商提供了一個網(wǎng)絡平臺，聯(lián)盟成員的產(chǎn)品及工藝都經(jīng)由資格專利律師檢查證明其在任何方面都不侵權(quán)，以保證成員之間購買的零配件不會有違權(quán)行為。預計此類的知識產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟會在全球范圍內(nèi)得到發(fā)展，以保證半導體照明穩(wěn)步發(fā)展成為一個成熟的行業(yè)，并促進其在各個相關(guān)領域的應用。相信全球白光LED的市場與生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，將會從2010年出現(xiàn)重大改變，因為從1990年開始所提出的LED相關(guān)專利，到2010年時預計20年的有效專利期限將逐漸到期，因此伴隨著產(chǎn)業(yè)專利結(jié)構(gòu)被打破，緊接而來的是邁入混戰(zhàn)時期的高亮度LED產(chǎn)業(yè)。Nichia是在1996年首先將白光LED推向商業(yè)化，而白光LED的歷史可以說是十分復雜。美國巨大的市場一直是商家必爭之地，在美國，主要專利如下：貝爾實驗室將單個或多個磷光體用于熒光屏的發(fā)光，得到了美國專利(3691482)的保護，同時也建立起了光的波長轉(zhuǎn)換原理，該專利受理時間是1970年1月17日；Nichia于1991年11月25日為“熒 光粉使用在樹脂中并用來模塑成型”這一方法申請一項日本專利，該技術(shù)已于1993年6月18日公布，但是申請于1998年6月23日被拒絕，于1999年12月2日，Nichia收回此項申請；Cree擁有一項專利6600175所有權(quán)(該專利最初被授權(quán)給AMTI)，受理日期是1996年3月26日，授權(quán)日期是2003年7月29日。該專利聲稱保護一項“由單顆LED通過降頻變換的磷光體產(chǎn)生白光的設備”，并且該專利試圖保護所有與之相關(guān)的技術(shù)和工藝。但是該專利提到的僅僅是白光之外的光源對磷光體的激勵，似乎沒有涵蓋通常的藍光LED對黃色磷光體的激勵，Nichia在專利中提到了藍光LED對黃色磷光體的激勵，但是沒有對之進行論述，也沒有對基于石榴石的磷光體技術(shù)進行論述；Osram的專利6245259在美國專利受理是在2000年8月29日，授權(quán)日期是在2001年6月12日，但在此之前的1997年6月26日，其已經(jīng)獲得國際專利的保護。從那時起，就開始存在專利重疊問題了。最初的專利說明了藍、綠和紫外線LED與摻鈰、鋱或硫代石榴石的磷光體，這一點在之前的Nichia白光LED和Nichia日本專利申請中都沒有提到。這項技術(shù)保護的重點似乎在磷光體尺寸規(guī)格上(尺寸要在5微米之下)。HP(Agilent)專利5847507受理日期是1997年7月14日，授權(quán)日期是1998年12月8日，該專利的描述涉及到已經(jīng)存在的Nichia產(chǎn)品并且保護的重點是磷光體的發(fā)光原理(方式)，這就涵蓋了較大范圍的各種式樣的磷光體。在白光LED應用方面的第一個Nichia專利5998925在美國被授 權(quán)是在1999年12月7日，它的受理日期是1997年7月29日，它被整合到后來Nichia專利6069440和6614179中。此專利涉及到基于石榴石的GaN LED磷光體——描述了Nichia商業(yè)白光LED；Toyoda Gosei擁有專利6809347保護摻入銪的堿土正硅酸鹽磷光體和藍色或紫外線LED配合使用，此專利具有2000年12月28日的優(yōu)先權(quán)日期，授權(quán)時間是2004年10月26日，它把保護重點集中在一種特別的磷光體設計上，它不象其它專利一樣措詞含糊，它的保護內(nèi)容清楚明朗?！坠怏w眾多專利的最大不同之處在于：磷光體的選擇，主要磷光體有下面一些：摻入鈰元素的釔鋁石榴石(YAG)，此種化合材料在460納悶米光波的照射下處于受激狀態(tài)，能發(fā)出寬范圍內(nèi)的550納米的光波；Osram公司授權(quán)給少數(shù)生產(chǎn)商的鋱鋁石榴石(TAG)；硫化物構(gòu)成的磷光體，如摻入銪元素的硫代鍶酸鹽，此種化合材料在460納悶米光波的照射下處于受激狀態(tài)，并能夠發(fā)出波長為550鈉米的綠光；或者摻入銪元素的鍶的硫化物，在該條件下能產(chǎn)生紅光；含硅酸鹽基的磷光體，該用法已被Toyoda Gosei和Tridonic還有Intematix申請專利保護；有機磷光體或者染料(粉)，熒光渲色是否包括了第一二項的做法，暫時還沒有資料明確說明；毫微粒子磷光體，是其它專利使用最多的方 法，但該方法(工藝)在以上幾條中均沒有提到。在可預見未來，專利仍將是LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵議題，且專利訴訟的對象將不僅局限在LED廠商，范圍也將擴大至應用產(chǎn)品上。第三章、LED技術(shù)發(fā)展 LED發(fā)展歷程1907年Henry Joseph Round第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象，由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應用，更難處在于碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應，研究被摒棄了。20世紀20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光，再一次因發(fā)光暗淡而停止。1936年,George Destiau出版了一個關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告，隨著電流的應用和廣泛的認識，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個術(shù)語。20世紀50年代，英國科學家在電致發(fā)光的實驗中使用半導體砷 化鎵發(fā)明了第一個具有現(xiàn)代意義的LED，并于60年代面世。第一個商用LED僅僅只能發(fā)出不可視的紅外光，但迅速應用于感應與光電領域。60年代初，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED，磷化鎵的改變使得LED更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產(chǎn)生出橙色的光。當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光(λp=650nm)，在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明。到70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光(λp=555nm)，黃光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm)，光效也提高到1流明/瓦；就在此時，俄國科學家利用金剛砂制造出發(fā)出黃光的LED，盡管它不如歐洲的LED高效；但在70年代末，它能發(fā)出純綠色的光。80年代早期到中期對砷化鎵磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED的誕生，先是紅色，其LED的光效達到10流明/瓦接著就是黃色，最后為綠色。到20世紀90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。在很長的一段時間內(nèi)都無法提供發(fā)射藍光的LED，設計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色，早期的“藍光” 器件并不是真正的藍光LED，而是包圍有藍色散射材料的白熾燈。第一個有歷史意義的藍光LED也出現(xiàn)在90年代早期(日亞公司1993宣布，中村修二博士發(fā)明)，再一次利用金鋼砂—早期的半導體光源的障礙物。依當今的技術(shù)標準去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣光源暗淡。90年代中期，出現(xiàn)了超亮度的氮化鎵LED，當前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)，發(fā)射波長的范圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產(chǎn)生五倍于氮化鎵LED的光強。超亮度藍光芯片是白光LED的核心，在這個發(fā)光芯片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自芯片上的藍色光源再轉(zhuǎn)化為白光，利用這種技術(shù)可制造出任何可見顏色的光，今天在LED市場上就能看到生產(chǎn)出來的新奇顏色，如淺綠色和粉紅色。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)(λp=615nm)的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域(λp=530nm)的光效可以達到50流明/瓦。近期開發(fā)的LED不僅能發(fā)射出純紫外光而且能發(fā)射出真實的“黑色”紫外光，LED發(fā)展史到底能走多遠還不得而知，也許某天就能開發(fā)出能發(fā)X射線的LED。然而，LED的發(fā)展不單純是它的顏色還有它的亮度，像計算機一樣，遵守摩爾定律的發(fā)展，即每隔18個月它的 亮度就會增加一倍，曾經(jīng)暗淡的發(fā)光二極管現(xiàn)在真正預示著LED新時代的來臨。白光LED基本上有兩種方式，一種是多晶片型，一種是單晶片型。前者是將紅綠藍三種LED封裝在一起，同時使其發(fā)光而產(chǎn)生白光，后者是把藍光或者紫光、紫外光的LED作為光源，在配合使用熒光粉發(fā)出白光。前者的方式，必須將各種LED的特性組合起來，驅(qū)動電路比較復雜，后者單晶片型的話，LED只有1種，電路設計比較容易。單晶片型進一步分成兩類，一類是發(fā)光源使用藍光LED，以460nm波長的藍光晶粒涂上一層YAG螢光物質(zhì)，利用藍光LED照射此一螢光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合，便可得出所需的白光(日亞專利)，生產(chǎn)較容易，其效率較高，成本較低，目前大部分白光LED采用此方法；另一類是使用近紫外和紫外光，豐田合成(Toyoda Gosei)與東芝所共同開發(fā)的白光LED，是采用紫外光LED與螢光體組合的方式，與一般藍光LED與螢光體組合的方式做區(qū)隔。藍光LED與螢光體的組合方式，當照在紅色物體的時候，其紅色的色澤效果比較不理想，紫外光LED與螢光體組合可以彌補這個缺點，但是，其發(fā)光效率卻仍低于藍光LED與螢光體組合的方式，至于價格與產(chǎn)品壽命，兩者差距不大。在過去，只有藍光LED使用GaN做為基板材料，但是現(xiàn)在從綠光領域到近紫外光領用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著白光LED應用的擴大，市場對其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來看，高效率的追求一直都是被市場與業(yè)者所期待的。但是另一方面，演色也將會是一個重要的性能指標，如果只是做為顯示用途的話，發(fā)光色為白色可能就已經(jīng)足夠了，但是從照明的用途來說，為了達到更高效率，如何實現(xiàn)與自然光接近的顏色就顯得非常必要了。 LED發(fā)光效率影響因素LED的發(fā)光強度及發(fā)光效率的提高主要取決于采用的半導體材料及其工藝技術(shù)的發(fā)展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導體材料)和GaAsP(三元素半導體材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半導體材料)后，其發(fā)光強度及發(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、藍光LED，在發(fā)光強度及發(fā)光效率上有較大的改進。LED的發(fā)光強度與正向電流IF幾乎成線性關(guān)系，即增加正向電 流IF可增加發(fā)光強度。但LED有一個最大功耗PD值的限制，PD=VFIF(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。為進一步提高發(fā)光強度，業(yè)者開發(fā)出了大功率LED，其功率一般為1～10W(有一些還大于10W)，它的工作電流一般為350～700mA，有些可達1A以上。市場希望只需一顆就可達到相當亮度的LED，在這一方面的技術(shù)落在如何讓LED能夠支援更大的電流。通常30u㎡的LED最大可以驅(qū)動30mA的電流，但是這樣的結(jié)果遠遠無法滿足市場的期望，所以目標是需要將10倍以上的電流，導通到LED元件中。因此當LED的面積尺寸可以擴充到1m㎡時，那么緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達到350~500mA，因為驅(qū)動電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進1m㎡的晶片面積。而在發(fā)光演色的方面，雖然有這么大的功率輸入到GaN LED中，但是所投入電力的四分之三都無法轉(zhuǎn)換成光而形成熱量，因此LED就會出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，這也會直接影響到LED的演色結(jié)果。因為LED元件的基本特性是，如果溫度上升，發(fā)光效率就會下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產(chǎn)生熱量的放熱技術(shù)成為了關(guān)鍵，因此將LED裝在熱傳導率大、熱容量大的材料上就成了相當重要的問題，目前大多是使用有價金屬或者陶瓷。在現(xiàn)有的發(fā)光效率下，如果需要一定程度高輝度，期望因為增加電流量來產(chǎn)生較大亮度的話，這就必須考量如何增加LED的面積來滿足所增加的電流，或者利用將數(shù)顆小型LED封裝在同一個模組之中，來實現(xiàn)封裝模組對電流量容許值的提高。在目前的發(fā)光效率下，熱效應也會成比例的上升，另外，大面積LED比小面積LED的電阻來得要高，使得大面積LED本身的效應也比較大，如果單純以現(xiàn)有LED為基礎來提高輝度的話，將會陷入一個因LED本身價格，和散熱材料的成本過高而產(chǎn)生的惡性循環(huán)之中，這和以低成本化為基礎的市場特性是背道而馳的，而且熱效應量的上升會引起封裝材料的熱劣化，對其使用壽命也有很大的影響。由于上述理由，為了擴大未來的白光LED市場，業(yè)者就必須提高LED的外部量子效率，如果實現(xiàn)了LED高外部量子效率來提高發(fā)光效率的話，所出現(xiàn)的連鎖反應就會下降，例如因為減少電流透過而使得熱效應比率降低，實現(xiàn)成本的下降和長壽命化。關(guān)于這一方面，目前因為透過局部制程的改變、使用不同的化合物半導體材料、各種白色發(fā)光方法的開發(fā)，以及新一代熒光粉的開發(fā)，已經(jīng)使得LED的發(fā)光效率可以達到100lm/W。但現(xiàn)在使用白光LED的發(fā)光效率，除了一部分的制品之外，產(chǎn)業(yè)化的大多都在30~50lm/W左右。如果要代替節(jié)能燈就需要將亮度提升到80~100lm/W，如果要代替使用在汽車頭燈上的HID的話，就更需要提高到120lm/W以上的發(fā)光效率。就技術(shù)上，如 果藍光LED芯片的光輸出效率如果達到360mW，配合高階技術(shù)的封裝能力，獲得100lm/W的白光輸出并不困難，包括Cree、日亞等的業(yè)者在2006年已開發(fā)出高亮度的藍光LED芯片，緊接著之后的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗者封裝業(yè)者的能力，如必須設法減少熱阻抗、改善散熱等等問題，目前的做法包括了：降低芯片的熱阻抗、控制模塊和印刷電路板的熱阻抗、提高芯片的散熱性等等。為了擴大LED特別是白光LED的用途，如何提高發(fā)光的效率、相應的輝度、延長使用壽命、降低熱效應，以及降低每單位照明的成本等條件，這需要業(yè)界做出持續(xù)不斷的努力