白光LED与荧光粉之特性探讨

白光LED与荧光粉之特性探讨

照明（Lighting）与显示（Display）是现今光电产业中两项极为重要的发展领域，而全球的化石能源日益枯竭，环境污染也日趋严重，能同时符合“节能”与“环保”双重特性的白光LED（Light emittingdiode），其在照明与显示装置的应用潜力，近年来的确受到高度的瞩目及重视。

白光LED因具有节能与环保的双重特性，一般认为会是取代热炽灯与荧光灯的革命性光源；而荧光材料则是照明与显示装置的关键材料，尤其是自从高亮度LED蓬勃发展以来，再度又受到高度的重视。白光LED具有数种可行的制作方式，其中利用荧光粉所制作的白光LED，因具有制作简单、驱动容易、成本低廉等多项优点，未来于照明与显示等各项应用中，势必将会扮演相当重要的角色。

目前有三种较普遍的方法去制作白光LED，第一种是将红光、绿光、蓝光，三色做混光；第二种是利用紫外光 LED发光然后通过红色、绿色、蓝色的荧光粉，而混合出白光；第三种则是利用蓝光打在黄色荧光粉上，混合出白光。现今之高亮度LED多数系利用多元磷化物（如InGaAlP等）或氮化物（如InGaN等）等半导体材料制作而成，其发光颜色因受发光机制与材料能隙的限制，故皆属于窄波宽的单色光。然就照明与显示之应用而言，则多数需要使用白色光源，倘若利用LED来制作白色光源，必需应用光色组合的技术，始能达成获得白

光的目的。目前在白光LED之光色组合的各种可行技术当中，利用单芯片LED（Single-chip LED）结合各类型荧光材料来进行光色转变及混光作用，可谓是一种最便捷、最节省成本的方法，而其中应用无机物荧光粉（Phosphor）所制作的白光LED，一般又称为PC-White-LED （Phosphor- converted white-LED）。

LED（Blue-LED＋Yellow phosphor）而言，有文献资料指出，目前此类白光LED之放射光谱中，蓝光波段部份约占白光总光能的31％，而经由荧光粉转换的黄光则占有白光总光能的69％的比例。

另一方面，若以UV-LED结合荧光粉所制作的白光LED（UV-LED ＋R/G/B phosphors等）而言，来自UV-LED的紫外线乃全部经由荧光粉的转换而形成可见光，故经由荧光粉转换的光能，几乎接近白光总光能的100%。根据上述分析，可以清楚地了解荧光粉在单芯片白光LED所占有的重要性及地位。

白光LED

白光LED最早乃是以蓝光LED搭配“钇铝石榴石”（YAG:Ce3+；Yttrium Aluminum Garnet dopedwith Ce3+ activator）之黄光荧光粉所制成，此类白光LED的推出引起全球的瞩目，也肇始了LED应用的新纪元。事实上，白光LED除了前述之蓝光LED加上黄光荧光粉的制作方式之外，尚可以蓝光LED加上绿／红光或其它组合之荧光粉，抑或是以UV-LED加上蓝／绿／红光或其它组合之荧光粉而制成。

另外也可以直接应用数个不同光色的LED芯片制作成单体（Single-chip）白光LED，或是直接应用数个不同光色的LED组合而成白光LED模块/数组（LED module or array），虽然其驱动回路较为复杂，相对成本也较高，然在显示背光等方面的表现上，所能获致的色彩饱和度或色域特性颇佳[7]，其与结合荧光粉所制作的白光LED，在应用上具有不同的考虑因素。

荧光粉在LED的应用，除了前述的白光LED之外，对于单一LED 芯片所不能获得的光色如紫红光及“不饱和光”等色域范围内的光色，抑或单一LED芯片之发光效率较差的光色如绿、黄光部份（约520～590 nm波段之部份光色），皆具有应用价值。至于结合荧光粉所制作的发光二极管，可能的应用包括照明、背光源与指示/装饰等各项特殊用途之上。至于白光LED在照明与显示背光应用所须考虑的重要特性，包括：发光效能、使用寿命、色温、演色系数与色域/色彩饱和度等，国际上针对上述之重要特性，目前亦正积极地草拟或制定相关的规范与测试标准。至于白光LED之各项重要的特性及需求条件，分别说明如下。

1、发光效率

发光效率乃是光源产品的最重要特性之一。白光LED或其灯具设备系统的效率，通常以发光效率（Luminous efficacy；Lumens per watt；LPW；lm/W）来说明。

根据美国于2007年9月所公布有关固态光源灯具设备的“能源之星（ENERGY STAR?）”规范，其中A类要求（Near-term applications）系根据不同的灯具设备及应用（如室内或户外）所订定，其发光效能介于20～35 lm∕W之间；而B类要求（Future performance targets）所订定的发光效能则为≧70 lm/W。

2、使用寿命

目前LED多数以流明数衰减（Lumen depreciation）的程度来定义使用寿命，通常选择流明数衰减至原来的50％或是70％的时间（分别以L50或L70代表之），来作为LED光源的寿命指标。针对LED的模块／数组（Module / Array）而言，目前美国能源之星规范订定住家室内应用者之L70为25,000小时、住家户外应用者之L70为≧25,000小时，而所有商用应用者之L70则为≧35,000小时。另外一项与寿命有关的特性为白光LED的颜色维持率（Color maintenance），美国能源之星目前规定在前述的使用寿命期间内，所有固态光源灯具设备的CIE 1976色度坐标值的变化必需小于0.007。

3、色温

色温之定义乃是依据黑体加热，当温度升高至某一程度以上时，其发光颜色会开始逐渐改变，其中各种光色所对应的温度以绝对温度K（Kelvin）来表示即为色温，而此色温曲线一般称为蒲朗克曲线（Plankian locus）。

至于不在蒲朗克曲线上之色度坐标者，通常选择曲线上之最接近的色温来代表，此称为关联色温（Correlated color temperature；CCT），一般可以相关的iso-CCT lines（与蒲朗克曲线相交之各线段）来辅助判定，目前美国能源之星的规范针对所有固态光源之灯具设备（All luminaries），是将2,500K之7,000K的色温范围，在色度坐标系统（如CIE 1931）内沿着蒲朗克曲线，而区分成2,700K、3,000K、3,500K、4,000K、4,500K、5,000K、5,700K与6,500K等八项标准色温（Nominal CCT）之八个四边形区块（Quadrangles）如图4-3-4所示，对于每一个区块顶点的坐标亦有明确的定义，亦即如白光LED等固态光源之色度坐标，皆需落在这八个四边形区块内。另外一项与色温有关的特性为颜色均允度（Color SpatialUniformity），其中不同视角所呈现的CIE 1976色度坐标值的变化必需小于0.004。

4、演色系数

演色性（Color rendition）是照明光源能展现物体颜色之忠实程度的一种能力特性，通常以演色系数（Color rendering index；CRI）作为指标，其测量标准是将标准光源（热炽灯或D65标准光源）照射物体所呈现之颜色定义为100（即100%真实色彩），另外则以测试光源照射物体所呈现之颜色的真实程度的百分比数值（如75；即75%真实色彩），作为此测试光源的演色系数。演色系数的测量及计算[13]，乃是利用十四种标准颜色之样品（14 selected Munsell samples；）求出每一种标准颜色之演色系数值。美国能源之星目前