LED的新用途，你了解多少？

导读

除了照明与装饰之外，LED还有许多新用途，例如改善人体健康、帮助植物生长、检测食品、可见光通信、杀虫、净水等。

背景

LED 是“Light Emitting Diode”的缩写，中文译为“发光二极管”，是一种可以将电能转化为光能的半导体器件。

各种形状和尺寸的LED（图片来源：维基百科）

LED的发光原理是什么？

LED的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片。在p型半导体和n型半导体之间存在一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子结合时，会将多余的能量以光子的形式释放出来，从而将电能直接转换为光能。

向PN结施加反向电压时，少数载流子难以注入，所以不发光；向PN结施加正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就会发出不同颜色的光线，光的强度与电流有关。

不同材料的芯片可以发出红、橙、黄、绿、蓝、紫等不同颜色的光，“发光二极管”也因此得名。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。

红、绿、蓝三种颜色的LED（图片来源：维基百科）

LED灯发热少，将电能尽可能地转化成了光能。相比而言，传统的照明方式（白炽灯）发热多，许多电能被转化成热能，白白浪费掉了。所以，LED 的节能优势明显，是目前世界上先进的照明技术，被业界认为是人类继爱迪生发明白炽灯泡后伟大的发明之一。

如今，LED已广泛应用于室内外照明、显示屏、交通信号灯、汽车用灯、背光源、灯饰等领域。

地面安装的LED交通灯(图片来源：奥格斯堡城市交通事业)

电路板上的LED指示灯（图片来源：维基百科）

矿工用的LED灯（图片来源：维基百科）

大桥上的蓝色LED灯（图片来源：维基百科）

LED服装（图片来源：维基百科）

看到这里，或许有人会“草率”地认为：LED只不过是传统电灯的高效升级版本，其用途基本上是照明与装饰。

创新

针对这一观点，美国桑迪亚国家实验室的研究人员 Jeff Tsao 以及来自其他研究机构的同事们于去年11月发表在《自然》期刊上的“观点”文章中表示，这种想法太局限。

（图片来源：Randy Montoya）

论文作者写道：“LED照明设备仍处于婴儿期。我们正站在所谓‘人工设计光线’的新起点上。”

技术

人为控制光线的时间、空间和光谱，不仅将带来照明效果更佳的光学器件，而且也会引发各种荷尔蒙反应，帮助人们调节身体健康和工作效率。

人眼与大脑之间的两种光感受器途径（图片来源：参考资料【3】）

此外，这篇论文的作者还认为，对于植物来说，定制的波长和强度将有效刺激其生长，改变其形状，增加其营养价值，为室内种植开辟全新的科技可能性。

光线对于植物产生的直接与间接影响（图片来源：参考资料【3】）

LED灯照射下的植物（图片来源：维基百科）

此外，Tsao 还表示：“这并不是忽视LED与物联网的结合。LED已经开始与电子器件、传感器与通信结合到一起。”

LED技术已经逐渐与物联网全面地融合到一起。在这里，特别值得一提的是，笔者曾介绍过一项技术：采用LED实现可见光通信。在可见光通信技术中，LED在提供照明功能的同时，也能实现数据传输。在物联网与通信领域中，可见光通信是LED技术一项极具潜力的应用。

(图片来源：IMDEA Networks)

当有恒定电流流过时，LED灯会发出连续的光子流。这样，我们就会观察到可见光。假设电流变化是缓慢的，输出的光线就会忽明忽暗。然而，LED灯属于半导体器件，电流输出的光线，可通过极高速的方式调制。光电探测器会检测到这种信号，并转化为电流的形式。这种高速的光电调制是人眼无法察觉的。

如下图所示：LED灯利用信号处理技术，将数据嵌入到光束中，并超高速地发送给光电探测器。然后，这种细微的光线变化会被转化为电信号，再转回数据流的形式，发送给计算机或者移动设备。

（图片来源：pureLiFi）

LED的新用途还不止上述这些。接下来，笔者再为大家补充介绍三个值得关注的应用。

（一）食品检测：欧司朗光电半导体推出的新款宽带红外LED，可以配合智能手机对一日三餐进行分析。这款可发射650nm至1050nm波长范围宽带红外光的LED，可用于测量食品的热量、新鲜度或营养成分。

（二）杀虫：日本东北大学的研究显示，蓝光LED处于正确发射频率时，会演变成一种有效便捷、天然无害的全新杀虫剂。研究人员首次发现，光谱蓝色区域上的可见光是杀死蚊子及果蝇等害虫的致命武器。

（三）净水：深紫外光LED将改变人类杀菌技术应用，带来全新的清净环境。深紫外光被列举出的最有效用途，就是取代以氯或臭氧等化学方式的净水技术。

价值

总结一下，LED未来在人类生活中更广泛应用，已经是不可阻挡的趋势。然而，LED的作用并不局限于提供节能的照明方式，而是可以扩展到我们生活的许多方面，特别是健康、农业、食品、通信等领域。

关键字

LED、健康、半导体

参考资料

【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