總述LED技術(shù)及應用
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LED元件在2005年的全球市場(chǎng)規模約為57.4億美元，其中50%在日本，20%在臺灣。除了各種應用照明、戶(hù)外建筑及手機背光源等應用外，業(yè)界正在積極找尋各種新應用。本文介紹了LED的基本原理、技術(shù)趨勢，以及市場(chǎng)動(dòng)態(tài)。
LED產(chǎn)業(yè)趨勢
發(fā)光二極管(LED是利用光輻射原理來(lái)發(fā)光的，其發(fā)光顏色與制作材料有很密切的關(guān)系。LED技術(shù)的開(kāi)發(fā)，從早期的紅光、綠光，一直到開(kāi)發(fā)成功藍光LED，才通過(guò)整合紅、藍、綠，或把藍光熒光粉與黃色熒光粉混合，成為白光LED。成功開(kāi)發(fā)出白光LED的最大好處，是可以應用於多波長(cháng)，讓運用領(lǐng)域變得廣泛而深遠。
1、LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
早在1907年開(kāi)始，人們就發(fā)現某些半導體材料制成的二極管在正向導通時(shí)有發(fā)光的物理現象，但生產(chǎn)出有一定發(fā)光效率的紅光LED已是1969年了。1994-1995年人們開(kāi)發(fā)成功了藍光LED，并在1998年實(shí)現了真正商品化。2000-2002年間，研發(fā)人員不斷追求成本效益，使LED成功打入手機背光源市場(chǎng)。到今天，LED已生產(chǎn)了30多年，各種類(lèi)型的LED、利用LED作二次
開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品及與LED配套的產(chǎn)品(如白光LED驅動(dòng)器)發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷上市，并已發(fā)展成為一種新型產(chǎn)業(yè)。LED技術(shù)研發(fā)之路，最為人津津樂(lè )道的故事，就是開(kāi)發(fā)藍光LED時(shí)，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩大門(mén)派之爭。這也是許多研發(fā)團隊辛勤投入開(kāi)發(fā)藍光LED元件時(shí)，必須痛苦抉擇的兩條截然不同的道路。之前，全球許多大公司皆投入SiC研發(fā)，結果日本一家專(zhuān)門(mén)做熒光粉業(yè)務(wù)的公司——日本日亞化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研發(fā)人員中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化鎵(GaN)研究方面獲得重大突破，并取得震驚全球的專(zhuān)利。這位研發(fā)人員的重大突破，引發(fā)了包括Sony及Toshiba等大廠(chǎng)的最高主管都出面為自己所做的錯誤決策導致技術(shù)落後而道歉。這位Nakamura的技術(shù)突破，讓氮化鎵(GaN)陣營(yíng)正式快速超越SiC。
原本做熒光粉業(yè)務(wù)的Nichia由於在藍光LED技術(shù)上的成功，使其年營(yíng)業(yè)額從約1億美元快速發(fā)展到2003年的9億美元。而原本該公司準備發(fā)給Nakamura的專(zhuān)利獎勵金是日幣200萬(wàn)元，經(jīng)過(guò)一場(chǎng)官司後，Nichia被判定應該給這位研究人員日幣2億元。
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歐斯朗公司LED封裝趨勢 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/352207.htm |
2、LED技術(shù)
LED是繼1950年代矽(Si)半導體技術(shù)後，由三五族(III-V族)化合物半導體發(fā)展的半導體器件。LED的發(fā)光原理是利用半導體中的電子和空穴結合而發(fā)出光子，不同於燈泡需要在3000度以上的高溫下操作，也不必像日光燈需使用高電壓激發(fā)電子束，LED和一般的電子元件相同，只需要2-4V的電壓，在常溫下就可以正常動(dòng)作，因此其壽命也比傳統光源來(lái)得更長(cháng)。
LED所發(fā)出的顏色，主要是取決於電子與空穴結合所釋放出來(lái)的能量高低，也就是由所用的半導體材料的能隙所決定。同一種材料的波長(cháng)都很接近，因此每一顆LED的光色都很純正，與傳統光源都混有多種顏色相比，LED可說(shuō)是一種數字化的光源。
LED晶片大小可以因用途而隨意切割，常用的大小為0.3-1.0mm左右，跟傳統的燈泡或日光燈相比，體積相對小得多。為了使用方便，LED通常都使用樹(shù)脂包裝，做成5mm左右的各種形狀，十分堅固耐震。
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LED的基本結構 |
值得注意的是，除了大家常見(jiàn)的可見(jiàn)光外，LED還有不可見(jiàn)光，如“紫外光”與“紅外光”等，例如電視遙控器就是一種紅外光應用，其波長(cháng)約為900nm，而紫外光則因為具有殺菌功能，所以被廣泛應用在醫療用途上。
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LED主要向大功率和小體積兩個(gè)方向發(fā)展 |
作為指示燈方面的應用，有幾個(gè)mcd的發(fā)光強度也可以了，但由LED組成的數碼管或字元管則顯得亮度不足，若要用於戶(hù)外作信號或標顯示，則其亮度太低，不能滿(mǎn)足使用的要求。所以L(fǎng)ED的主要發(fā)展方向是提高發(fā)光強度(也就是一般所指的提高亮度)。
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InGaAlP和nGaN LED晶片發(fā)光效率的演變。其中，a為InGaN藍光LED，b為InGaN綠光LED |
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表1 不同生產(chǎn)年份LED的發(fā)光強度比較 |
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以GaAs為襯底的LED結構 |
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表2不同生產(chǎn)年份LED的發(fā)光效率比較 |
由于XL7090WHT發(fā)光強度大、發(fā)光效率高，因此它適用於家庭、商業(yè)或公共場(chǎng)所明、DVD、筆記本電腦、電視機的彩色顯示屏的背光；廣告燈、路燈及標燈；汽車(chē)及運輸工具的內外照明及數碼相機的閃光燈等。
從表1和表2也可以看出，LED的發(fā)光強度及發(fā)光效率的提高主要取決於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)後，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(jìn)。
(2)提高LED功率
我們知道，LED的發(fā)光強度與正向電流IF幾乎成線(xiàn)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(gè)最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF為正向壓降)，若過(guò)大地增加IF而使PD超過(guò)最大值時(shí)，LED會(huì )過(guò)熱而損壞。為了要提高發(fā)光強度，開(kāi)發(fā)出中功率LED(一般為幾百mW)，其工作電流也提高到70mA。近年來(lái)，為進(jìn)一步提高發(fā)光強度，開(kāi)發(fā)出大功率LED，其功率一般為1-10W(有一些還大於10W)。它的工作電流一般為350-700mA，有些可達1A以上。
以American Opto Plus LED公司生產(chǎn)的5W的PU-5WXX系列為例，在700mA電流下，其結溫Tj為25℃，其典型發(fā)光強度如表3所示(大功率LED的發(fā)光強度用光通量表示)。
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表3 PU-5WXX系列LED的典型發(fā)光強度 |
早期生產(chǎn)的LED是小功率的(幾十至上百mW)，現在已能生產(chǎn)大於10W的大功率LED，在功率上增加了100倍以上。
雖然說(shuō)小功率LED與大功率LED的發(fā)光效率是差不多的，但LUMILEDS公司的研究表明，大功率白光LED比Φ5白光LED的壽命更長(cháng)。另外，采用很多小功率白光LED組成的燈泡可靠性也差一些，燈泡體積也較大。例如，用1W白光LED做成燈具，其尺寸為50.8×50.8×7.1mm，而采用Φ5白光LED來(lái)做，其體積則要大得多。但目前大功率LED投產(chǎn)時(shí)間不長(cháng)，價(jià)位較高，所以目前大部分LED燈泡仍是用小功率LED做的。
3、白光LED時(shí)代的來(lái)臨
白光LED是LED家族中最後一個(gè)問(wèn)世的，它的誕生是LED生產(chǎn)中一個(gè)重要的突破，它將成為新的照明光源。
白光是復合光，可以用紅、綠、藍(R、G、B)三基色LED混合成白光。1995年前後生產(chǎn)的一種集成LED白光燈(或稱(chēng)全色LED燈)由2個(gè)高亮度藍光LED、15個(gè)綠光LED及5個(gè)紅光LED組成。這種白光LED燈尺寸大、白光純度不高、發(fā)光效率也不高。但這種三基色燈用單片機來(lái)控制可發(fā)出七色光及白光的變色燈，可用於娛樂(lè )場(chǎng)所，增加節日氣氛。另外，采用RGB三種管芯組成的RGB LED常用於手機的變色背光。
在上世紀末，可能受熒光燈的啟發(fā)，人們在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉，用藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光的白光LED。采用不同的熒光粉，可發(fā)出冷白光(色溫為4500-10000K)及暖白光(色溫為2850-3800K)的白光LED。目前，白光LED的發(fā)光效率大都已超過(guò)30lm/W，某些產(chǎn)品已超過(guò)50lm/W的水準，它給用於照明的LED燈泡創(chuàng )造良好的條件。
在2005年，業(yè)界開(kāi)發(fā)成功了無(wú)熒光粉、Φ5透明樹(shù)脂封裝的白光LED。該白光LED采用藍寶石(Al2O3)為襯底，采用InGaN工藝技術(shù)制成。在IF為20mA時(shí)，發(fā)光強度為700-1200mcd，為L(cháng)ED的普及應用奠定了基礎。
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白光LED照明燈泡 |
目前，CCFL是大尺寸LCD產(chǎn)品中應用最廣泛的背光技術(shù)。雖然從技術(shù)上來(lái)說(shuō)CCFL已經(jīng)相當成熟，無(wú)論是性能還是穩定性都久經(jīng)考驗。但在NB產(chǎn)品、大尺寸LCD-TV產(chǎn)品日益強調輕薄短小、更高的色彩表現和更強的環(huán)保特性趨勢下，逐漸顯示出強大的應用前景。LED背光技術(shù)的優(yōu)勢主要表現在∶
A、使用壽命長(cháng)
在發(fā)光壽命方面，LED背光技術(shù)將CCFL遠遠拋在後面。普通的CCFL背光源一般的使用壽命在3萬(wàn)小時(shí)左右，一些頂級的CCFL背光的發(fā)光壽命也不過(guò)在6萬(wàn)小時(shí)左右。這樣的壽命對於頻繁使用的用戶(hù)來(lái)說(shuō)意味著(zhù)使用2-3年後LCD的亮度就將會(huì )明顯下降，許多LCD產(chǎn)品在使用幾年後螢幕就會(huì )發(fā)黃、亮度明顯變暗，而不得不更換LCD的CCFL背光模組。而LED
背光則完全沒(méi)有這樣的問(wèn)題，現階段白色LED背光的壽命已經(jīng)高達10萬(wàn)小時(shí)。每天連續使用10個(gè)小時(shí)，可以連續用上27年，即使24小時(shí)不間斷使用，這樣的壽命也足夠使用5年！而且還有再次提升的潛力。
B、豐富的色彩表現力
在色彩表現力方面，LED背光也遠勝於CCFL。原有的CCFL背光由於色純度等問(wèn)題，在色階方面表現不佳。這就導致了LCD在灰度和色彩過(guò)渡方面不如CRT。更重要的是，冷陰極熒光燈色域較為狹窄，會(huì )嚴重影響在LCD顯示器上顯示的色譜，導致幾乎所有的LCD顯示器都無(wú)法達到平面印刷的Adobe RGB色域標準。據測試，采用CCFL背光只能實(shí)現NTSC色彩區域的78%，近期少數面板廠(chǎng)商采用CCFL技術(shù)最高能夠達到92%NTSC，後續提升空間不大，而LED背光卻能輕松地獲得超過(guò)100%的NTSC色域表現。在色彩表現力和色階過(guò)渡方面，LED背光也有顯著(zhù)的優(yōu)勢，其色彩表現力強於CCFL背光源，色彩還原好，可對顯示色彩數量不足的液晶技術(shù)起到很好的彌補作用。
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LED與CCFL背光之效能比較 |
LED作為L(cháng)CD背光會(huì )帶來(lái)哪些好處呢？首先，采用LED背光的LCD的體積將進(jìn)一步縮小。LED背光源是由眾多柵格狀的半導體組成，每個(gè)“格子”中都擁有一個(gè)LED半導體，這樣LED背光就成功實(shí)現了光源的平面化。平面化的光源不僅有優(yōu)異的亮度均勻性，還不需要復雜的光路設計，這樣一來(lái)LCD的厚度就能做得更薄，同時(shí)還擁有更高的可靠性和穩定性。更薄的液晶顯示面板意味著(zhù)筆記本電腦擁有更佳的移動(dòng)性。例如，2005年10月SONY就推出了11.1英寸，使用白光LED的VAIO筆記型計算機TX系列，采用了厚度僅有4.5mm的LED背光液晶顯示屏，使NB重量下降到1.26公斤，且螢幕厚度也降到僅4.5mm，整體NB厚度更下降16%到21mm，亮度也增加30%，且由於使用白光LED也使電池續航力大幅提升。
對于背光模塊廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，LED背光模塊在結構上，主要的差異點(diǎn)在於LGP的改變。使用CCFL時(shí)，由於受限於CCFL管徑1.8mm，LGP入光側必須維持2.0mm左右，而成為一個(gè)楔形的板(斜式導光板，即導光板兩邊厚度不一)，這使得NB面板沒(méi)有辦法做得很薄。使用LED作背光源時(shí)，原來(lái)LGP之厚度限制已不存在，可以讓整個(gè)LGP厚度均勻且變薄，再加上玻璃的厚度約可從0.5mm降為0.3mm，因此可以滿(mǎn)足NB對於輕薄短小的追求。
開(kāi)發(fā)NB用LED背光源，面臨的最大瓶頸，仍在於如何讓導光板的厚度變薄。一般導光板厚度多在2mm以上，而Sony以0.6mm厚度的導光板使用為主，因此背光廠(chǎng)商正積極開(kāi)發(fā)更薄的導光板。
D、亮度和白平衡控制
實(shí)現LED功率控制很容易，不像CCFL的最低亮度存在一個(gè)門(mén)檻。因此，LED的亮度調整范圍大，無(wú)論在明亮的戶(hù)外還是全黑的室內，用戶(hù)都很容易把顯示設備的亮度調整到最?lèi)偰康臓顟B(tài)；LED背光可以調整白平衡，同時(shí)保證整體對比度。當用戶(hù)的視頻源在計算機和DVD機間切換時(shí)，可以輕松在9600K和6500K間調整白平衡，而且不會(huì )犧牲亮度和對比度。
E、均勻性
冷陰極熒光燈屬於管狀光源，要將所發(fā)出的光均勻散布到面板的每一個(gè)區域就需要相當復雜的輔助組件，螢幕的厚度也難以控制。而且隨著(zhù)面板的增大，必須使用多條光源，這就要求來(lái)自這些CCFL的光還必須匹配。同時(shí)，CCFL背光源的能量利用效率低下。在光能從背光到螢幕的傳輸過(guò)程中，光能量損耗情況非常嚴重，最終大約有6%的光能可被真正利用。為了實(shí)現更高的亮度和對比度，廠(chǎng)商必須提高光源的輸出功率或增加燈管數目，而這樣帶來(lái)的後果就是整機功耗上揚。這對於桌面型LCD顯示器或液晶電視不會(huì )有多大的影響，但對筆記本LCD螢幕影響很大。LED可以為大尺寸螢幕提供連續面陣光源。LED是一種平面狀光源，最基本的發(fā)光單元是3-5mm邊長(cháng)的正方形封裝後，所需的輔助光學(xué)組件可以做得非常簡(jiǎn)單，極容易組合在一起成為既定面積的面光源，具有很好的亮度均勻性。
另外，LED使用的是5-24V的低壓電源，十分安全，供電模塊的設計也頗為簡(jiǎn)單；LED光源沒(méi)有任何射線(xiàn)產(chǎn)生，也沒(méi)有水銀之類(lèi)的有毒物質(zhì)，可謂是綠色環(huán)保光源；平面狀結構讓LED擁有穩固的內部結構，抗震性能很出色。
LED背光技術(shù)就象許多新型技術(shù)一樣擁有許多誘人的優(yōu)點(diǎn)，但LED要想占據大尺寸LCD背光源的主流，目前還需要解決一些技術(shù)難點(diǎn)，如功耗、成本、一致性等。
A、發(fā)光效率
CCFL仍是發(fā)光效率最高的主流光源技術(shù)，與之相比，LED的發(fā)光效率較低。作為背光源的LED器件以白光類(lèi)型居多，而白光LED器件在開(kāi)始時(shí)發(fā)光效率不高，致使螢幕亮度普遍偏低。比如在當前的LED技術(shù)中，不論螢幕的制造商是誰(shuí)，LED組件的亮度都各不相同。目前CCFL冷陰極熒光燈的發(fā)光效率可達到50-100lm/W，而白光LED器件在剛起步時(shí)發(fā)光效率僅為20lm/W甚至更低。不過(guò)，現在全球有大量的企業(yè)從事相關(guān)研究，該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展非常迅速，白光LED的發(fā)光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前為止，白光LED器件的發(fā)光效率突破50lm/W，開(kāi)始達到實(shí)用化水準。而業(yè)界希望在2007年之前，將白光LED的發(fā)光效率提高到75lm/W的高水準。
B、一致性
用LED作為背光源存在白光的一致性問(wèn)題，這比起CCFL是個(gè)劣勢。RGB LED背光源時(shí)間一久會(huì )產(chǎn)生色移波長(cháng)會(huì )隨溫度變化，產(chǎn)生不同顏色。這一問(wèn)題導致了顏色偏移、不一致的色純度和質(zhì)量低劣的真“白色”，這就注定LED在開(kāi)始時(shí)并不適合作為L(cháng)CD顯示器的背光源。為了消除這一問(wèn)題，LED制造商們將晶片“分區”或分解成具有近似顏色和亮度的區塊。這種處理有一定的幫助，但仍有不足、亮度和顏色中仍然存在偏移。廠(chǎng)商最新又研發(fā)了彩色校正電路，通過(guò)對逐個(gè)圖元的控制，可以將顏色和亮度上的偏差控制在合理的范圍內。
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照明市場(chǎng)用高亮度發(fā)光LED市場(chǎng)規模 |
成本太高、價(jià)格昂貴，同等尺寸的背光源，LED是CCFL價(jià)格的4倍。對於目前價(jià)格競爭激烈的市場(chǎng)而言，讓廠(chǎng)家有些望而卻步。只有索尼為了圖像質(zhì)量不計成本。當然，隨著(zhù)工藝的成熟和生產(chǎn)規模的增加，LED背光的成本會(huì )逐步下降。
盡管LED優(yōu)點(diǎn)多多，但短時(shí)間內還難以普及，比如LED背光源系統的成本要高於冷陰極熒光管。目前LED背光模組零組件的價(jià)格為CCFL的5倍左右，螢幕尺寸越大，采用LED背光技術(shù)的成本就越高。東芝U100之所以采用這種顯示技術(shù)，完全在於它只是東芝筆記本20周年紀念品才被應用。
值得欣慰的是，LED產(chǎn)業(yè)也存在類(lèi)似微處理器產(chǎn)業(yè)中的“摩爾定律”——Haitz定律，以安捷倫（LED領(lǐng)域領(lǐng)導廠(chǎng)商）的前任技術(shù)科學(xué)家Roland Haitz命名。其內容是LED的價(jià)格每10年將為原來(lái)的1/10，性能則提高20倍。如果這個(gè)定律能夠不斷應驗，而隨著(zhù)產(chǎn)能的增加，LED背光源的成本將快速下滑。預計到未來(lái)一兩年LED背光的售價(jià)可降到CCFL背光的2倍左右，距離大規模普及僅有一步之遙。
(2)家用LED照明
目前家用照明燈主要是白熾燈、熒光燈(日光燈)及節能熒光燈。發(fā)光二極管與其他光源特性比較見(jiàn)表5。白光LED燈泡與熒光燈、節能熒光燈、白熾燈泡在發(fā)光效率及平均壽命上的比較如表6所示。
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表5 發(fā)光二極管與其他光源特性比較 |
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人類(lèi)照明技術(shù)的演變 |
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家用照明燈發(fā)光效率和平均壽命的比較 |
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三種照明燈在節電和經(jīng)濟上的比較 |
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LED作為城市交通信號燈及標燈 |
當然，由于白熾燈自發(fā)明以來(lái)已有150年歷史，白光LED燈泡生產(chǎn)才幾年。目前在市場(chǎng)上只有白光LED手電筒、白光LED礦燈等少數產(chǎn)品，家用白光LED燈泡目前還沒(méi)有上市，而且目前只能生產(chǎn)小功率的燈泡，在亮度方面還不如節能熒光燈亮，且價(jià)位還較高，普通家庭還難以接受。不過(guò)，若考慮使用壽命、省電效率及環(huán)保節能等要素，LED照明設備還是有其應用價(jià)值的。
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LED汽車(chē)尾燈 |
(3)閃光燈
數碼相機正逐漸替代用膠卷的相機，在數碼相機中采用超高亮度的白光LED替代了傳統的氙燈。采用超高亮度的白光LED作閃光燈不僅電路簡(jiǎn)單、尺寸小、耗電省，而且無(wú)須充電時(shí)間。例如，前面提到的1W白光LED XL7090WHT，它在用作閃光燈時(shí)，700mA的脈沖電流時(shí)其典型光通量為98lm。
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LED手電筒 |
LED元件在2005年的全球市場(chǎng)規模約為55億美元，其中50%在日本，20%在臺灣。目前LED大量應用在指示功能，而該領(lǐng)域也是LED最先進(jìn)入的市場(chǎng)，如戶(hù)外顯示板、交通號燈及平面照明等。隨著(zhù)高階手機采用LED當背光源後，LED又打開(kāi)了新的應用領(lǐng)域。未來(lái)，LED最被看好的應用是在7-40寸的平面顯示器市場(chǎng)，一旦LED能夠成功成為平面顯示器的背光源，其市場(chǎng)產(chǎn)值將會(huì )大幅成長(cháng)。
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