LED的新用途，你了解多少？

導讀

除了照明與裝飾之外，LED還有許多新用途，例如改善人體健康、幫助植物生長、檢測食品、可見光通信、殺蟲、凈水等。

背景

LED 是「Light Emitting Diode」的縮寫，中文譯為「發光二極體」，是一種可以將電能轉化為光能的半導體器件。

各種形狀和尺寸的LED（圖片來源：維基百科）

LED的發光原理是什麼？

LED的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶元。在p型半導體和n型半導體之間存在一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子結合時，會將多餘的能量以光子的形式釋放出來，從而將電能直接轉換為光能。

向PN結施加反向電壓時，少數載流子難以注入，所以不發光；向PN結施加正向電壓，電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就會發出不同顏色的光線，光的強度與電流有關。

不同材料的晶元可以發出紅、橙、黃、綠、藍、紫等不同顏色的光，「發光二極體」也因此得名。砷化鎵二極體發紅光，磷化鎵二極體發綠光，碳化硅二極體發黃光，氮化鎵二極體發藍光。

紅、綠、藍三種顏色的LED（圖片來源：維基百科）

LED燈發熱少，將電能儘可能地轉化成了光能。相比而言，傳統的照明方式（白熾燈）發熱多，許多電能被轉化成熱能，白白浪費掉了。所以，LED 的節能優勢明顯，是目前世界上先進的照明技術，被業界認為是人類繼愛迪生髮明白熾燈泡後偉大的發明之一。

如今，LED已廣泛應用於室內外照明、顯示屏、交通信號燈、汽車用燈、背光源、燈飾等領域。

地面安裝的LED交通燈(圖片來源：奧格斯堡城市交通事業)

電路板上的LED指示燈（圖片來源：維基百科）

礦工用的LED燈（圖片來源：維基百科）

大橋上的藍色LED燈（圖片來源：維基百科）

LED服裝（圖片來源：維基百科）

看到這裡，或許有人會「草率」地認為：LED只不過是傳統電燈的高效升級版本，其用途基本上是照明與裝飾。

創新

針對這一觀點，美國桑迪亞國家實驗室的研究人員 Jeff Tsao 以及來自其他研究機構的同事們於去年11月發表在《自然》期刊上的「觀點」文章中表示，這種想法太局限。

（圖片來源：Randy Montoya）

論文作者寫道：「LED照明設備仍處於嬰兒期。我們正站在所謂『人工設計光線』的新起點上。」

技術

人為控制光線的時間、空間和光譜，不僅將帶來照明效果更佳的光學器件，而且也會引發各種荷爾蒙反應，幫助人們調節身體健康和工作效率。

人眼與大腦之間的兩種光感受器途徑（圖片來源：參考資料【3】）

此外，這篇論文的作者還認為，對於植物來說，定製的波長和強度將有效刺激其生長，改變其形狀，增加其營養價值，為室內種植開闢全新的科技可能性。

光線對於植物產生的直接與間接影響（圖片來源：參考資料【3】）

LED燈照射下的植物（圖片來源：維基百科）

此外，Tsao 還表示：「這並不是忽視LED與物聯網的結合。LED已經開始與電子器件、感測器與通信結合到一起。」

LED技術已經逐漸與物聯網全面地融合到一起。在這裡，特別值得一提的是，筆者曾介紹過一項技術：採用LED實現可見光通信。在可見光通信技術中，LED在提供照明功能的同時，也能實現數據傳輸。在物聯網與通信領域中，可見光通信是LED技術一項極具潛力的應用。

(圖片來源：IMDEA Networks)

當有恆定電流流過時，LED燈會發出連續的光子流。這樣，我們就會觀察到可見光。假設電流變化是緩慢的，輸出的光線就會忽明忽暗。然而，LED燈屬於半導體器件，電流輸出的光線，可通過極高速的方式調製。光電探測器會檢測到這種信號，並轉化為電流的形式。這種高速的光電調製是人眼無法察覺的。

如下圖所示：LED燈利用信號處理技術，將數據嵌入到光束中，並超高速地發送給光電探測器。然後，這種細微的光線變化會被轉化為電信號，再轉回數據流的形式，發送給計算機或者移動設備。

（圖片來源：pureLiFi）

LED的新用途還不止上述這些。接下來，筆者再為大家補充介紹三個值得關注的應用。

（一）食品檢測：歐司朗光電半導體推出的新款寬頻紅外LED，可以配合智能手機對一日三餐進行分析。這款可發射650nm至1050nm波長範圍寬頻紅外光的LED，可用於測量食品的熱量、新鮮度或營養成分。

（二）殺蟲：日本東北大學的研究顯示，藍光LED處於正確發射頻率時，會演變成一種有效便捷、天然無害的全新殺蟲劑。研究人員首次發現，光譜藍色區域上的可見光是殺死蚊子及果蠅等害蟲的致命武器。

（三）凈水：深紫外光LED將改變人類殺菌技術應用，帶來全新的清凈環境。深紫外光被列舉出的最有效用途，就是取代以氯或臭氧等化學方式的凈水技術。

價值

總結一下，LED未來在人類生活中更廣泛應用，已經是不可阻擋的趨勢。然而，LED的作用並不局限於提供節能的照明方式，而是可以擴展到我們生活的許多方面，特別是健康、農業、食品、通信等領域。

關鍵字

LED、健康、半導體

參考資料

【1】https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

【2】https://share-ng.sandia.gov/news/resources/news_releases/engineered_light/

【3】https://www.nature.com/articles/s41586-018-0706-x

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！