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纳米技术及LED的发展概述周泽仁10101530229【摘要】自九十年代初开始兴起的纳米技术,可以带来信息、能源、交通、医药、食品、纺织、环保等诸多领域的新变革,大大提升我们的生活质量纳米科技的发展包括纳米生物学、纳米机械学、纳米电子学、纳米化学、纳米制造等领域本文将介绍纳米技术的提出及大致发展和纳米光电子学LED的应用及发展我国的发展现状及应对措施【关键词】纳米技术应用光电子学LED发展现状措施
一、概念及提出什么是纳米?纳米又称皇微米,符号位nm或mu是1毫米的千分之一纳米是人类肉眼所不能分辨的目前定义的纳米尺度,泛指
0.Inm到lOOnm纳米这一尺度最早是由著名物理学家、诺贝尔奖获得者查理德-费曼提出来的早在1955年,他在题为《在底部还有大量余地》的演讲中,就提出了这样的一个设想人类能够用宏观机器知道比其体积小的机器,而这较小额机器可以制作更小的机器,这样•步步达到分子的线度,即逐级的缩小生产装置,以至最后直接按意愿排列原子,制造产品1959年,他在美国物理学会的年会上乂做了一个富有远见性的报告,并做了很多美妙的设想I960年的《科学与工程》杂志上发表了这篇预言性的文章在这篇报告中他设想了在原子和分子水平生操纵和控制物质,包括以下几点如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么小的地方计算机微型化重新排列原子微观世界里的原子在这种尺度上的原子在体块材料中原子的行为表现不同在原子水平上,会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇百怪的效应对物理学家来说,一个原子一个原子的构建并不违背物理学规律但由于当时科学技术水平的限制,费曼设想并没有引起科学家的注意直到70年代,科学家才从不同角度提出许多有关纳米科技的构想,但都未形成体系1977年,美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出,可以从模拟活细胞中的生物分子的人工类似物——分子装置开始研究,并称之为纳米技术他曾在《纳米科技新纪元》一书中评价道纳米科技给人类带来的变化将会像产业革命、抗菌素以及核武器给人类带来的变化那样
(1)1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举行,《纳米科技》和《纳米生物学》两种国际性专业期刊也在同年相继问世一门崭新的科学技术一纳米科学技术,经过三十年的曲折道路,终于问世有些30年前还是幻想的东西在当今都已实现纳米科技对于科学研究来说有着诱人的前景,因为在纳米尺度上物质表现出新颖的现象、奇特的效应、特异的性质纳米更具有直接的使用目的,作为一门技术,能为人类提供新颖的、特定功能的装置;纳米科技的另•重要方面是微型化,如制作体积更小、价格更便宜、速度更快的微电子元件等等目前,纳米科技主要包括纳米生物学,纳米机械学、纳米电子学、纳米化学以及原子、分子操纵和纳米制造等领域下面就介绍一下纳米电子学中的LED的中发展与应用
二、LED灯的介绍我们走在大街上随处可见的广告在不断地变化,有些高楼在闪烁着不同的光泽以及我国额水立方都是因为LED灯在作怪°LED的应用从传统的传感和设备状态显示领域,迅速扩展到交通控制、汽车、条形码系统、广电传导系统和医疗器械、室外显示等领域它在这么多的方面发挥着及其重要的作用那何为LEDo所谓的LED就是发光二极管它是在普通二极管的基础上运用纳米技术发展起来的,有着与二极管类似的结构和特性
(3)o它是由芯片、支架(底座)、电极引线、封装胶体等构成其最核心的部分就是芯片了LED发光及其其他二极管的功能特性都是在芯片里完成的,所以说芯片是LED的心脏LED和我们常用的白炽灯钙丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,而是选用了电场发光LED的中间部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片在P型半导体和N型半导体之间得过渡层,就是我们常说的P-N结当P型半导体和N型半导体连系时,由于交界面处存在的载流子浓度差,所以电子和空穴城市从高浓度区域向低浓度区域松懈我们知道,电子与空穴都是带电的,其松懈的效果就引起了P区和N区正本的电中性被损坏这样,P区一侧失掉空穴剩下不能移动的负离了,N区一侧失掉电了而留卜•不能移动的正离了这些不能移动的带电粒子就是空间电荷在空间电荷会合在P区和N区交界面附近,构成了一很薄的空间电荷区,就是P-N结
(3)在P区一侧为负电荷,N区为正电荷,所以空间电荷区,便出现了由N到P的电场这个电场是载流了松懈运动构成的,而不是外加电压构成的,这就是内电场由于内电场的存在,使得P-N结处于动态平衡情况当我们给P-N结一个正向电压,便改动了P-N结的动态平衡写入的少数载流子(少子)与大都载流子(多子)复合时,便将剩下的能量以光的办法释放出来,然后把电能直接转换为光能假若给PN结加反向电压,少数载流了(少了)难以写入,故不发光运用写入式电发光原理制作的二极管就是我们常说得发光二极管,即LEDo在LED得两端加上正向电压,电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就宣告从紫外到红外失常颜色的光线调度电流,便可以调度光的强度可以始末改动电流可以变色,这样可以始末调整材料的能带方案和带隙,便可以多色发光那它的发展历程又是怎样的?
三、LED的发展历程LED初期是由单色光为主,虽然功率小,价格高,但其可靠性高,控制性强,体积小,所以最先兴起的市场是电子器件指示灯随着LED照明灯具的逐步发展,在亮化工程辅助照明等公共场合,LED照明灯具渐渐替代了-•些传统光源产品2009年,LED灯具开始在发达国家进入主照明普及市场对LED灯具产品有了一定的认可和接受LED灯具的环保,体积小,高可靠性等其他特性逐渐凸显出来随着LED照明灯具的逐步发展,在亮化工程辅助照明等公共场合,LED渐渐替代了一些传统光源产品2009年,LED开始在发达国家进入主照明普及在电费较高,使用时间较长的商业应用场所,LED灯具迅速成为市场的新宠LED照明灯具的不断发展,StrategiesUnlimited公司光电子事业部负责人BobSteELe在“光战略(StrategiesinLight)”会议上发表演讲并对高亮度(HB:high-brightness)LED元件市场作了预测在2011年,确切地说,在未来五年,背光领域市场前景可观,并且越来越多的普通灯具领域在整个预测中表现出强劲的增长势头
(2)该预测主要针对封装的LED市场总的来说,BobSteele曾预测在2010年,LED市场份额将猛增53%达到82亿美元到2014年,LED市场的复合年均增长率(CAGR)将增至
30.6%达到202亿美元基于LED灯具的全寿命周期的成本分析,LED照明灯具与同等效能的传统灯具相比,已经有LED球泡灯、LED射灯、LED筒灯的全周期成本都明显低于传统照明,已经具备明显的竞争优势而LED直管灯的全寿命周期成本与传统照明基本持平,预计在2012年将显现出较为明显的成本优势,实现替代使用的推广在户外照明灯具中,用于替代250W高压钠灯的LED灯具中,LED路灯和隧道灯的成本都要低于传统照明成本,成本差距约在30%左右,LED路灯和隧道等竞争优势己经显现根据LED照明灯具价格不断降低、性能不断提升的发展趋势,预计在2013年前,绝大多数LED灯具的全寿命周期的综合成本将明显低于传统灯具,成为主流的照明光源.为照明领域的后起之秀,LED灯的前景十分光明除了以万隆汇洋为代表的灯具卖场和诸多LED商家鼎力推广外,政府相关部门也在大力推动LED产业的发展2009年,国家科技部推出名为“十城万盏”的半导体照明应用示范城市方案,计划第一阶段在21个发达城市推广LED灯,第二阶段在50个城市安装200万盏LED灯,实现年省电10亿度的目标
(2)
四、LED的几个生活应用信息显示电子仪器、设备、家用电器等的信息显示、数码显示和各种显示器以及LED显示屏信息显示、广告、记分牌等交通信号灯城市交通、高速公路、铁路、机场、航海和江河航运用的信号灯等汽车用灯汽车内外灯、转向灯、刹车灯、雾灯、前照灯、车内仪表显示及照明等LED背光源小尺寸背光源小于10英寸,主要用于手机、MP
3、MP
4、PDA、数码相机、摄像机和健身器材等;中等尺寸背光源10英寸至20英寸之间,主要用于手提电脑、计算机显示器和各种监视器;大尺寸背光源大于20英寸,主要用于彩色电视的显示屏
五、我国的发展现状近年来,我国的LED产业在政策、资金、市场的推动下飞速发展,无论是产值规模还是产业链建设都取得了较好的成绩
(5)2006-2010年,我国LED产业年均复合增长率达
18.7%2010年LED产业呈现飞跃式发展,全年产业总产值突破1260亿元,同比增长50%成为世界LED产业发展最快的国家
(4)但是,从全球视野看,我国的LED产业仍处于幼小阶段,尤其是产业技术水平低,与LED发达国家的差距较大因此,充分认识我国LED产业在全球的位置,全面分析LED产业的发展态势,对于进一步把握发展方向、制定针对性的促进政策具有重要的作用
(5)
六、措施
(1)加强自主研发,重视专利的重要作用北京奥运会、上海世博会等重大赛事活动对LED照明的集中展示让人们对其有了全新的认识,有力推动了中国LED产业的发展但对国内企业而言,加强自主研发、壮大规模、提高产品质量与技术水平是现阶段的首要任务加强企业与研究机构的产学研合作也是促进我国LED产业快速发展的有效途径毛金生表示,国内有些研究机构具有一定的研发能力,而有些企业则具有较强的加工制造能力,企业之间、企业与科研机构之间要强化合作意识,促进科研机构的创新成果向企业转移,努力培育一•批具有自主知识产权的创新型“龙头”企业
(2)政策持续支持在国家科学发展理念与节能减排发展战略的引导下,在低碳经济成为主题的今后,作为下一代绿色光源的首选产品,国家对LED产业的发展将会持续扶持通过加强宏观战略研究与整体规划等工作,引导地方以市场为导向,注重科学规划,鼓励有基础、有优势的企业及科研机构参与国家计划,引导区域特色产业的形成和良性发展
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(3)加大LED产业的基础研究投入,加强核心技术美国、日本在LED产业发展中采取的是典型的技术领先战略,在产业发展的初期就十分重视LED技术的基础研究,因此目前已经牢牢占据LED技术的全球领先地位韩国以及我国台湾地区在LED产业发展初期采取的策略是下游切入,先以应用带动发展,在引进技术消化吸收再创新的基础上,引导并鼓励产业界领头企业实施技术研发突破目前,我国LED产业的中下游已经在国际上占据一定地位,下一步应该在产业的核心技术研发方面加大投入,一方面突破国外的技术封锁,同时实施核心技术追赶
(4)重视培养和引进人才人才是高技术产业LED产业发展中最核心的要素因此,美国和日本都把人才的培养放在重要位置,同时还积极引进其他国家的高科技人才我国必须抓好以高层次人才为重点的专业技术人才队伍建设,一方面要加大各类高层次专业技术人才(特别是领军人才)的引进工作力度,努力壮大高层次专业技术人才队伍,另一方面要抓紧培养一批高技能人才,采取引进和培养两手抓的战略,不断地优化LED产业的人才队伍结构
(7)参考文献
(1)白春礼《纳米科技与技术》云南科技出版社
1995.1(第1版)
(2)朱荣杰《LED灯具发展历程和前景展望》瓷库中国2012-8-20
(3)余德友《七彩霓裳新光源LED与现代生活》广东科技出版社
2011.5912131
(4)王雪宇《我国LED照明产业发展浅析》北京新材料发展中心
2012.1
(5)李胜会黄华茂王洪《我国LED产业发展现状分析与政策措施》期刊2011第9期
(6)李朴民《关于加快培育战略性新兴产业的思考》2010年第8期
(7)张端骷史建生《培育战略性新兴产业的政策评述》2010年第52期。