Come si è sviluppata la tecnologia LED?

1910s: Luminescenza dei materiali semiconduttori

Se si vogliono rintracciare le origini dei LED, bisogna risalire agli inizi del XX secolo. Nel 1907, lo scienziato H. J. Round osservò che quando una corrente passava attraverso un diodo SiC, veniva emessa una debole luce giallo-verde. Questo è il primo fenomeno registrato basato sui principi dei LED.

Negli anni '20, lo scienziato russo Oleg Losev scoprì che i diodi SiC e ZnO potevano emettere una luce più evidente. All'epoca, tuttavia, la purezza del materiale era estremamente bassa e la tecnologia esistente non poteva supportarne l'uso come sorgente luminosa.

Anni '50: il primo lotto di LED a infrarossi

Nel 1947 è stata inventata la giunzione p-n, fornendo le basi tecnologiche per la tecnologia dei diodi a emissione luminosa (LED). Negli anni '50 sono stati sviluppati semiconduttori monocristallini di elevata purezza, come il carburo di silicio (SiC) e l'ossido di zinco (ZnO), e contemporaneamente sono iniziati a maturare i processi di fabbricazione degli elettrodi metallici.

Fino al 1962, lo scienziato Nick Holonyak Jr. realizzò il primo LED rosso visibile utilizzando il fosfuro di arseniuro di gallio (GaAsP). Questo risultato è ampiamente considerato come il punto di partenza dei moderni LED. Tecnologia LED. Tuttavia, i LED sviluppati in questo periodo presentavano una luminosità e un'efficienza luminosa estremamente basse, avevano una durata di vita limitata ed erano molto costosi.

1970s: I LED iniziano a essere adottati formalmente

Negli anni '70 i LED sono diventati dispositivi elettronici adatti alla produzione di massa. Il processo di produzione dei LED rossi a base di GaAsP era gradualmente maturato e anche i LED verdi e gialli basati sul fosfuro di gallio (GaP) iniziarono a entrare in produzione. Allo stesso tempo, i LED hanno iniziato ad adottare il confezionamento DIP (Dual In-line Package) a fori passanti, che ha prolungato la durata di vita dei LED e ridotto i costi in una certa misura.

Tuttavia, in questo periodo i LED stavano solo iniziando a essere utilizzati per l'illuminazione e non avevano ancora raggiunto una vera e propria commercializzazione. Questo perché la tecnologia LED non aveva ancora raggiunto la maturità, i livelli di luminosità rimanevano bassi e i costi unitari erano ancora relativamente alti.

Anni '90: inventato il LED blu ad alta luminosità

L'invenzione del LED blu

Nel 1990, i LED erano maturati nei colori rosso e verde, ma mancavano ancora i LED blu. Ciò rendeva impossibile sintetizzare la luce bianca e, di conseguenza, impediva ai LED di entrare veramente nel mercato dell'illuminazione. Finalmente, nel 1993, Shuji Nakamura raggiunse una svolta tecnologica utilizzando il nitruro di gallio (GaN) e produsse un LED blu ad alta luminosità.

L'emergere del LED bianco

Dopo l'avvento dei LED blu, è stato risolto anche il problema della luce bianca. Nel 1996-1997 sono stati sviluppati i LED bianchi. Questo risultato si ottiene rivestendo un chip LED blu con fosforo YAG: Ce, che converte una parte della luce blu in gialla. La combinazione di luce blu e gialla viene percepita dall'occhio umano come luce bianca.

In questa fase, i LED bianchi avevano già superato le lampade a incandescenza in termini di luminosità, con un'efficienza luminosa che raggiungeva i 20-40 lm/W e una durata di vita superiore alle decine di migliaia di ore, anche se il costo di utilizzo rimaneva elevato.

L'espansione in altre aree di applicazione

Con l'avvento dei LED blu e bianchi, hanno iniziato a essere applicati in un'ampia gamma di settori, tra cui le spie luminose degli elettrodomestici, i display digitali come le calcolatrici e gli orologi, nonché la retroilluminazione dei primi display LCD.

2000s: Ampiamente utilizzato per l'illuminazione a LED

Chip ad alta potenza

All'inizio del XXI secolo, la tecnologia dei LED blu è gradualmente maturata e le prestazioni dei LED sono migliorate sotto tutti gli aspetti. L'efficienza luminosa dei LED bianchi ha raggiunto i 70 lm/W, garantendo una maggiore luminosità, un minore consumo energetico e prestazioni di gran lunga superiori a quelle delle tradizionali lampade a incandescenza e alogene.

Metriche di valutazione accurate e durata di vita più lunga

Anche il metodo di misurazione della durata dei LED ha fatto progressi. Invece di calcolare semplicemente il tempo fino al guasto del dispositivo, la durata è stata definita come il tempo necessario affinché il flusso luminoso scenda a 70% o 80% del suo valore iniziale, indicato come L70 o L80. Da allora si utilizza questa metrica di valutazione della durata, che consente di valutare con maggiore precisione la durata dei prodotti LED.

A quel tempo, la durata di vita dei LED era stata notevolmente prolungata, raggiungendo le 50.000 ore secondo lo standard L70.

Tecnologia di dissipazione del calore

I chip LED sono molto sensibili alle alte temperature. Per le lampade LED, le temperature elevate accelerano il deprezzamento dei lumen, accorciano la durata del chip e riducono l'efficienza della corrente, mentre un'efficace dissipazione del calore può prolungare la durata di vita del LED, mantenendone le prestazioni anche dopo un uso prolungato.

I primi package DIP e SMD non garantivano un'adeguata dissipazione del calore. Negli anni 2000, i LED hanno gradualmente adottato progetti di gestione termica più efficienti, tra cui substrati ceramici e metallici ad alta conduttività, dissipatori di calore in alluminio, raffreddamento a ventola e design a coppa del riflettore. Allo stesso tempo, è stato sviluppato un packaging COB più efficiente. Queste misure hanno prolungato in modo significativo la durata di vita dei LED.

Il LED sostituisce le sorgenti luminose tradizionali

Le lampade a incandescenza e fluorescenti sono di grandi dimensioni, hanno una bassa efficienza luminosa e una breve durata di vita; inoltre, le lampade fluorescenti contengono sostanze come il mercurio che possono essere dannose per l'uomo. I LED non solo hanno una lunga durata di vita, un migliore indice di resa cromatica (CRI), costi di sostituzione inferiori, ma offrono anche una maggiore efficienza luminosa.

Inoltre, cosa ancora più importante, i chip LED sono di dimensioni ridotte e il packaging è flessibile, il che consente di realizzarne di diversi tipi, come lampadine, downlight, luci a pannello e moduli di retroilluminazione.

2010s: Grande sviluppo della tecnologia dei display a LED

Ulteriore miglioramento delle prestazioni

I LED hanno continuato a svilupparsi rapidamente nel 21° secolo. Intorno al 2015, i LED ad alta efficienza hanno raggiunto efficienze luminose di circa 150-220 lm/W, durate L70 di quasi 100.000 ore e indici di resa cromatica (CRI) di 90 o superiori, soddisfacendo i requisiti della maggior parte delle applicazioni di fascia alta.

LED a passo di pixel piccolo

In generale, un pixel pitch più piccolo rende lo schermo LED più chiaro. A partire dal 2009, i display LED per interni hanno iniziato a utilizzare LED confezionati in SMD, che consentono passi dei pixel di essere ridotto a P2-P3 mm, ottenendo una risoluzione più elevata. Nel 2012, il pixel pitches ha raggiunto i P1,5-P2 mm ed è stato utilizzato in molti display per interni di fascia alta.

L'ascesa dei mini LED

Negli anni 2010 è emersa una tecnologia Mini LED più avanzata. I mini LED sono una tecnologia di regolazione avanzata utilizzata nei display LCD, con decine di migliaia di LED di retroilluminazione dietro lo schermo, ciascuno con un diametro inferiore a 200 micron. Questi LED sono suddivisi in migliaia di zone, ognuna delle quali può essere regolata individualmente, migliorando notevolmente le prestazioni cromatiche del display.

Ancora oggi, il Mini LED è relativamente costoso, ma è una scelta eccellente se si vuole acquistare un display LCD.

Rapida crescita del mercato globale dei LED

Nel corso degli anni 2010, il mercato globale dei LED si è espanso rapidamente. Nel 2010, il mercato globale dei LED è stato valutato in circa 15 miliardi di dollari, con una crescita fino a 38 miliardi di dollari entro il 2015. Alla fine del decennio, i LED si sono gradualmente diffusi nell'illuminazione, nei display e nell'illuminazione automobilistica, mentre è aumentata la domanda di LCD retroilluminati, laptop e TV. TV con retroilluminazione a LED hanno quasi completamente sostituito le CCFL tradizionali.

Allo stesso tempo, regioni e Paesi, tra cui Europa, Cina e Stati Uniti, hanno introdotto standard di risparmio energetico e di riduzione delle emissioni, eliminando gradualmente le lampade a incandescenza e fluorescenti. Queste politiche significano che in futuro si vedranno sempre più prodotti che incorporano la tecnologia LED.

2020s: Tecnologia dei display di fascia alta

Un mercato in grande espansione

Rispetto agli anni 2010, i LED hanno conquistato una quota maggiore del mercato negli anni 2020. Inoltre, i LED stanno diventando sempre più comuni e sono penetrati in diversi settori. Secondo i rapporti di mercato di fonti autorevoli come Fortune Business Insights e Grand View Research, il mercato globale dei LED è stato valutato a circa 55 miliardi di dollari nel 2020 e si prevede che supererà i 70 miliardi di dollari entro il 2025.

Micro LED: Una nuova scoperta

Rispetto ai display LED tradizionali, i Micro LED sono caratterizzati da chip LED molto più piccoli, da un pixel pitch più fine e da un numero di LED significativamente più elevato. Un display con risoluzione 8K possono contenere circa 100 milioni di pixel.

Tuttavia, la commercializzazione dei micro LED da parte dei produttori è ancora in fase iniziale. La tecnologia Micro LED richiede processi di produzione estremamente complessi e le sfide, come i bassi tassi di rendimento e gli alti costi di riparazione, restano difficili da superare. Inoltre, il Micro LED è la tecnologia di display LED più avanzata che si possa acquistare. Attualmente, solo produttori leader come Samsung hanno commercializzato la tecnologia Micro LED.

La combinazione di LED e AI

Negli anni 2020, le tecnologie AI sono gradualmente maturate e sono state adottate in diversi settori. Allo stesso tempo, le industrie dell'IA e dei LED hanno iniziato a intersecarsi in una fase iniziale.

Per i display a LED, l'intelligenza artificiale può essere incorporata negli algoritmi di visualizzazione dello schermo a LED, consentendo il miglioramento automatico dell'immagine, compreso l'upscaling della risoluzione, la riduzione del rumore e l'ottimizzazione del rumore. oscuramento locale.

Per quanto riguarda l'illuminazione a LED, l'intelligenza artificiale è in grado di regolare la luminosità e la temperatura del colore in base ai diversi ambienti, di seguire i ritmi naturali della luce diurna e persino di migliorare l'efficienza energetica, offrendo un'esperienza di illuminazione migliore.

Le prospettive della tecnologia LED

A metà degli anni '20, la tecnologia dei LED era diventata molto matura. Indipendentemente dal settore, i LED erano tra i migliori in termini di efficienza luminosa, consumo energetico e costo.

In futuro, grazie ai progressi tecnologici nei settori correlati, l'efficienza luminosa e i processi di produzione dei LED potranno essere ulteriormente migliorati, le tecnologie di visualizzazione dei LED diventeranno più mature e i prezzi più accessibili. Allo stesso tempo, i LED si integreranno con prodotti intelligenti più avanzati, come i display AR/VR, l'illuminazione intelligente e le applicazioni terapeutiche dei LED.

Tecnologia di illuminazione tradizionale

Lampada a incandescenza

La lampada a incandescenza è la fonte di luce elettrica più tradizionale. Quando una corrente elettrica attraversa il filamento di tungsteno, questo resiste alla corrente, si riscalda e produce luce visibile. Sebbene le lampade a incandescenza possano fornire un'illuminazione ad alta luminosità, hanno una durata di vita breve e una bassa efficienza luminosa, e sono state ampiamente sostituite da LED e lampade fluorescenti.

Lampada alogena

La lampada alogena è una versione migliorata della lampada a incandescenza, che aggiunge gas alogeni come lo iodio o il bromo all'interno del bulbo, migliorando l'efficienza luminosa e la durata di vita rispetto alle tradizionali lampade a incandescenza. Tuttavia, il suo consumo energetico rimane elevato e viene gradualmente sostituito dai LED.

Lampada fluorescente compatta (CFL)

Il lampada fluorescente compatta (CFL) è un tipo di lampada fluorescente. È di dimensioni ridotte, efficiente dal punto di vista energetico e con una durata di vita più lunga rispetto alle lampade a incandescenza, ed è ampiamente utilizzata per l'illuminazione di abitazioni e uffici. Tuttavia, poiché contiene mercurio, il suo smaltimento improprio può danneggiare l'ambiente e la salute umana, per cui è stata gradualmente eliminata.

Lampada allo xeno

La lampada allo xeno è una sorgente luminosa a scarica di gas ad alta intensità, costituita da due elettrodi di tungsteno ad alta temperatura, un tubo di vetro al quarzo e riempita di gas xenon ad alta pressione. Il gas xenon viene ionizzato da una scarica ad alta tensione, formando un arco elettrico che produce una luce bianca ad alta luminosità.

Nel campo dell'illuminazione, le lampade allo xeno sono state ampiamente sostituite dai LED. Tuttavia, in applicazioni come la simulazione ottica e i grandi proiettori, dove i LED non possono soddisfare i requisiti di altissima luminosità e di spettro continuo, le lampade allo xeno rimangono per il momento insostituibili.

Domande frequenti

Gli schermi LED possono essere resi sensibili al tocco?

Sì. Sebbene gli schermi a LED siano intrinsecamente dispositivi di visualizzazione a emissione luminosa, è possibile aggiungere uno strato di rilevamento del tocco per abilitare la funzionalità touch. Esistono due metodi principali: il tocco a infrarossi e il tocco capacitivo. Il concetto di base del touch capacitivo è stato proposto già negli anni '60 e negli anni 2000 la tecnologia touch è stata ampiamente applicata negli smartphone e nei display touch.

Come fanno gli schermi di grandi dimensioni a ottenere l'uniformità del colore e della luminosità?

Per i display LED di grandi dimensioni, per ottenere colori e luminosità uniformi è necessario garantire un'elevata qualità sia a livello di hardware che di calibrazione del colore. Per quanto riguarda l'hardware, ciò include la qualità dei chip LED, la progettazione ottica e la precisione delle saldature. Per quanto riguarda la calibrazione del colore, si utilizzano tecniche come il local dimming e la calibrazione di fabbrica per mantenere prestazioni di alta qualità.

In che modo i display LED diventano sempre più sottili?

I display a LED stanno diventando sempre più sottili, soprattutto grazie alle dimensioni ridotte dei chip LED, alla riduzione dello spessore dei circuiti stampati, ai metodi di imballaggio più avanzati e alla progettazione più razionale dei moduli. Allo stesso tempo, i materiali di imballaggio sono migliorati: leghe di alluminio o fibra di carbonio sostituiscono spesso le cornici in acciaio, rendendo i display LED più leggeri e sottili.

IvanLED: Produttore professionale di display a LED

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