2014年3月27日

節能照明技術—淺談發光二極體

作者/許世杰(任教淡江大學化學工程與材料工程學系)

LED 具有節能省電、環保低污染、壽命長、體積小、演色性高等優點,已是新世代節能照明技術的新寵,本文帶你一窺此重要技術之堂奧。

自從人類懂得用火,利用黑體輻射原理之熱輻射發光,成為幾十萬年以來人類所賴以維生的照明技術。熱輻射發光技術一直到1876 年愛迪生發明白熾燈泡(incandescent lamp)之後達到頂峰,幾乎統治了所有人類的照明系統。不過因物體可加熱溫度的先天限制(目前常用的燈絲材料鎢其熔點約在3422℃,操作溫度約在2200~2600℃之間),故其有演色性不佳和使用壽命低的缺點;又因大部分的能量都以熱輻射型式呈現,所以它的發光效率極低( 目前白熾燈泡之發光效率大多在10 lm/W 以下),電光轉換效率也不高,造成能源的浪費,是一非常不環保的照明技術,唯一的優點大概就只有便宜而已。而後科學家們雖嘗試在燈絲中添加鹵素物質來做改良,但也僅能稍稍提高操作溫度(約可提高到3200℃)以及使用壽命,對於發光效率並無法改善。
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名詞註解
1. 演色性(Ra值)是指物體在光源下的感受與在正常太陽光下的感受之真實度百分比。其值介於0~100之間,數值越高代表越接近自然光源下的物體原色。

2. 流明∕瓦(lm/W)為常用的光源發光效率單位,一般有電轉光和光轉光兩種計算方式,較常見的為電轉光,即發出的總流明數∕輸入的總電功率,數值越高發光效率越好。


照明技術發展
西元1938 年左右,利用氣體放電的新照明技術被提出來,也就是我們所熟知的日光燈或稱為螢光燈(fluorescent lamp)。日光燈之發光原理乃是在一燈管內充填惰性氣體及少許的汞或鈉蒸氣,再利用高壓電通過氣體時,氣體會離子化產生電漿態的特性來發光。一般汞燈會放出紫外光,而鈉燈則會發出黃光。汞燈的紫外光再激發我們塗布在燈管上的螢光粉(phosphor),就可以發出照明用的白光。所以日光燈的重點在於螢光粉,隨著三色螢光粉的開發,也使得日光燈的演色性越來越佳(Ra 值可達80~85),用五色螢光粉的日光燈其演色性甚至可達90 以上。日光燈的發光效率約可達60~80 lm/W,電光轉換效率則有50%左右。而因其利用氣體放電的原理來發光,減少了燈絲加熱的損耗,故溫度穩定性極佳,且壽命較白熾燈泡要長的多(正常使用下約可達8000~10000 小時)。但要注意的是,日光燈仍然有約一半以上的能量會轉換成熱而損失掉,故以節能環保的觀點來看,雖然它較白熾燈泡優秀的多,但仍是一個不合格的產品,且日光燈中含有些許的汞蒸氣,對人體和環境有害,也是它的缺點之一。為了某些特殊的應用,日光燈有許多的兄弟姊妹產品,如緊湊型日光燈(compact fluorescent lamp, CFL)、鈉燈(sodium lamp)、高壓汞燈(high pressure mercury vapor)、金屬鹵化物燈(metal halide)等,這些都同樣是利用氣體放電原理的照明設備。

數十萬年來,人類的文明發展離不開照明,而又一直在照明上浪費了許多的能源,這情況一直到被譽為人類文明史上的第三次光源革命——發光二極體(light emitting diode, LED)的發明,終於露出新的一線曙光。LED 是一種建基於半導體技術的光源,利用電子與電洞兩種載子,在複合時會以光子的形式輻射之特性,來將電能轉化為光能,其發光的原理跟黑體輻射和氣體放電相當不同,又因為LED 多半使用固態的半導體材料,故LED 又被稱為固態照明技術。
圖一:近代照明技術及其發光效率的發展。

最早發現半導體具有發光特性的人,要追溯到1907年英國的朗德(Henry Joseph Round),他在無意間發現對碳化矽通以10 V 的電,居然可以發出微弱的黃光,這是人類第一次利用電子電洞對複合來製造光源,但因為發出的光實在太微弱,當時根本不知道有什麼應用性。這樣偉大的發現居然就被棄置達五十多年之久,直到1962 年的尼克•何倫亞克(Nick Holonyak Jr)成功製作出第一顆可利用的紅光LED,才正式揭開這場到現在仍未停歇的照明革命!

LED 的原理
LED 是一種可以將電能轉化為光能的半導體零件,具備二極體的特性,同時也有點光源與固態光源的特性。發光半導體材料因材料缺陷對光子的逃逸會有不利的影響,故通常利用磊晶法(epitaxy growth)在某些特定的基材(substrate)上,製造低缺陷密度的單晶材料,再將其製作成LED 的晶粒(chip)。最簡單的LED 結構具有一P型半導體層、一N 型半導體層及一主動層(active layer)或又稱載子複合區,載子複合區通常被製作成多層量子井(multiple quantum wells, MQWs)結構。我們在N 型半導體的一端施以電子,P 型半導體的一端施以電洞,當電流通過LED 內部時,電子與電洞會在載子複合區相結合,當電子從高能階的傳導掉落至低能階的價帶時,能量便以光的形式釋放出來,這就是LED 固態照明的基礎發光原理(圖二)。
圖二:LED 發光原理示意圖。

LED最特別的地方在於它是利用電流發光,而非電壓控制,且只有從負極通入電子流才會發光。故給予直流電時,LED 會穩定地發光,但如果接上交流電,在沒有外接調頻設備的情況下,LED 會呈現閃爍的型態,頻率則依據輸入交流電的頻率而定,這是因為其發光原理乃是利用外加電流來誘導其電子電洞對複合所致。而依其所使用的半導體材料不同,造成不同的能階高低,使光子產生時能有不同波長的光,可以涵蓋紫外光到紅外光的波長範圍。若以發光波長來分類,可大致區分成兩大類,一為可見光LED,另一為不可見光LED,都有其應用性。目前全球產業所發展出的不同種類LED,能夠發出從紅外線到藍紫外光之間不同波長的光線,已經是一種全方位的發光產品。尤其近年來LED 最吸引人的發展是利用藍光或紫光LED 配合黃色的螢光粉,將其轉化成發白光的LED 產品。此種LED 被廣泛地應用在照明領域上,並預期可以在不久的將來完全取代目前的照明系統,所以被稱為世紀新光源。

而LED 的應用性可以這麼廣,主要是因為它具有相當多的優點。首先,每一顆LED 的光色都很純正,相較於傳統光源都混有多種顏色相比,LED 的頻譜分布較窄,可說是一種數位化的光源。此外,LED 發光效率相當的高,隨著製程的進步,目前商業化的照明產品都可達到8 0 ~ 1 2 0lm/W 的水準,再配合其單一均勻的色彩,電光轉換效率比傳統的照明光源都要高上許多。表一為目前相當先進的COB(Chip on Board) 封裝技術之整理表, 每一個COB 裡面可以封裝數顆至數十顆的LED 晶粒,上面方形或圓形區塊內為黃色螢光粉,內部的藍紫光可激發黃色螢光粉發出白光,可供高瓦數的照明之用,其發光效率都可在120 lm/W 左右。而且根據不同材料摻雜、不同工作電流和螢光粉的調配比例,LED也可輕易的調變其色溫,以符合不同場所和需求。
表一:LED 之COB 封裝技術

綜合上述,LED 具有節能省電、環保、壽命長、體積小、反應快、抗震動性好、演色性高及可調變性高等優點,故可以廣泛地用於各種指示、情境裝飾、汽車頭燈、液晶面板背光源及一般照明等,而就節能照明技術來說,LED 已是目前取代傳統燈泡的最佳首選。......【更詳細的內容,請參閱第532期科學月刊】
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延伸閱讀
1. 郭浩中、賴芳儀、郭守義,《LED 原理與應用》,五南出版社,2012 年。
2. 楊明俊,〈臺灣LED 照明市場現況分析〉,《經濟日報》,2011 年。
3. 李書齊、蔡智賢,《在黑暗中發光:臺灣LED 三十年成功的故事》,天下遠見出版股份有限公司,2010 年。
4. 游如淵,〈LED產業市場發展現況〉,2009年。
5. 林志勳,《LED照明市場趨勢》,工業技術研究院,產業經濟與趨勢研究中心,2009年。
6. 〈LED照明產業應用趨勢分析〉,工業技術研究院,IEK,2007年。
7. 蘇炎坤、林俊良,〈白光LED之照明應用〉,《電機月刊》,2005年。
8. 《臺灣 LED產業發展現況》,經濟部投資業務處。

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