2009年11月6日

省電的白光發光二極體照明

作者/劉如熹(任教台灣大學化學系)

鑑於《科學月刊》第477期成功大學林憲德教授闡述市售的白光發光二極體(light-emitting diode, LED)燈效率僅有15~45流明∕瓦(lm/W),比省電燈泡與日光燈管的效率還要差,於相同亮度下,日光燈管比省電燈泡省三成電力,而省電燈泡也比LED 燈省兩成電力。目前日光燈管不論於光效、演色性、價格、用途與使用壽命均優於LED燈,LED燈想要取代日光燈的普及率還有一段很長的路要走。本文乃就LED燈的最新發展論述,將其與日光燈管跟省電燈泡相比,說明它實具最佳省電照明特性的潛力。

自西元1810年代,煤油燈的出現取代了人類社會長達22個世紀以蠟燭與油燈為主的照明方式後,便開啟了第一世代光源的時代。1879年,愛迪生發明了白熱燈泡(incandescent lamp),又取代了煤油燈成為第二世代光源。1938年,螢光(日光)燈管(fluorescent lamp)的發明,成為了第三世代光源。至1996年,日本日亞(Nichia)公司發展白光發光二極體,正式宣告第四世代光源的來臨。有趣的是,從這些紀錄看來,約每隔一甲子的時間就會有一個新世代的光源被發明出來,或許再過50年,又會有第五世代光源誕生。

發光原理

白光LED乃採用單一發光單元發出較短波長的光,再用螢光粉將光線轉化成一或多種其他顏色的光(波長較長的光),當所有的光混合後,看起來就像白光。這種光波波長轉化作用稱為螢光化,原理為短波長的光子(如藍光或紫外光)被螢光物質(如螢光粉)中的電子吸收後,這些電子因此被激發至較高能量。之後電子在返回原位時,一部分能量散失為熱能,一部分以光子形式放出,由於放出的光子能量比之前的小,所以波長就會變得較長。

1996年,日亞公司開發了波長約460nm的藍光LED作為發光單元,激發摻雜鈰(Ce3 +)的釔–鋁–鎵石榴石(yttriumaluminum garnet, YAG)螢光粉。LED 發出的部分藍光便由這些螢光粉轉換為黃光,由於黃光能刺激人眼中的紅光和綠光受體,加上原有剩下的藍光刺激人眼中的藍光受體,混合起來看起來就像白色光。

發光效率

發光效能(luminou sefficiency,單位為流明∕瓦)為照明光源最重要的單位之一。白光LED的發光機制是將電能(單位為瓦)轉換為光能,其所發出的光能單位以流明表示,因此白光 LED 的效率,通常以「能」來表示電能與光能轉換效率的發光效能表示。

早期的LED 工作功率,都是設定於30~60毫瓦電能以下,於1999年開始引入可於1瓦電力輸入下連續使用的商業品級LED 。這些LED 都以特大的半導體晶片來處理高電能輸入問題,而半導體晶片均固定於散熱基座上。2002 年時,市場上開始有5瓦的LED出現 ,而其效率大約是每瓦18~22流明。2003年9月,美國LED大廠科銳(Cree)公司展示其新款的藍光LED ,於20毫安下達到35%的照明效率。他們也製造能夠達到65流明∕瓦的白光LED商品,此為當時市面上可看到最亮的白光LED。

2005年,科銳又展示了一款白光光LED原型,於350毫安的工作環境下,創下效率為70流明∕瓦的紀錄。日本日亞公司於2009年2月所發表的LED,於20毫安情況下發光效率提高至249流明∕瓦。不過在一般LED 產業常用於350 毫安電流情況下,發光效率反而降低到145流明∕瓦。日亞公司表示,此種增加電流產生發光效率下降,可能是製程方面有些問題。理論上白光LED的效率最高可達263流明∕瓦,但如果採用新的螢光粉技術,日亞公司可將此極限進一步提高至300流明∕瓦。【更詳細的內容,請參閱第479期科學月刊】

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