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。

LED技術發展現況
雖然LED擁有許多的優點,而且也已經廣泛地應用在我們的日常生活中,但不是每一種半導體材料都可以大量發光。一般來說半導體材料分為直接能隙和間接能隙兩種,只有直接能隙半導體材料內部的電子電洞對複合時,才有較大的機率可以放出光子。而能放出光子的半導體材料,其發光波長也隨著材料本身的能隙大小不同而變化(表二)。以較常見的砷化鎵(GaAs)來說,其能隙值約為1.424 eV,換算出來其發光主波長會落在870 nm左右,故我們知道砷化鎵材料主要發紅光至紅外光。為了要符合照明所需,可見光波段的LED開發就至為重要,是以能隙值約為3.4 eV的氮化鎵(GaN)材料,因其可發出365~405 nm波長的藍紫光,配合黃色螢光粉後可製作出白光LED,在近二十年來成為最熱門的發光二極體材料。


目前幾種常見的發光二極體材料幾乎都是化合物半導體,為了特殊需求,甚至有三元、四元的化合物半導體被持續研發與使用。這些發光材料通常是利用有機金屬化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)或是分子束磊晶法(molecular beam epitaxy, MBE)來把半導體材料磊晶成長在一個基材上面,通常選用同樣物質的基材來達到較高的磊晶品質和較低的缺陷密度,稱為同質磊晶法。不過以常見的氮化鎵材料來說,因為氮化鎵的基板相當昂貴,故我們退而求其次採用異質磊晶法,可在藍寶石基板(sapphire)或是碳化矽基板(SiC)上進行磊晶成長,也可有不錯的磊晶品質。甚至最近許多科學家開始嘗試在矽(Si)基板上磊晶成長氮化鎵材料,已可成功至八吋的規模,更可大幅降低生產成本。

可見光LED又可依亮度區分為一般亮度及高亮度。一般亮度的可見光LED主要有紅、橙、黃光等產品,通常應用於消費性電子產品或資訊電子產品,主要由鋁砷化鎵(AlGaAs)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)等材料製成。而高亮度LED有紅、橙、黃、綠、藍及白光等,主要由四元化合物的鋁鎵磷化銦(AlGaInP)及氮化鎵系列等材料製成,其應用範圍為戶外看板和照明,包括交通號誌、背光源、戶外全彩看板、車用照明等。不可見光則可分為短波長紅外光(850~950 nm)、長波長紅外光(1300~1500 nm)以及紫外光(200~380 nm) LED。短波長紅外光LED主要由砷化鎵及鋁砷化鎵等材料製程,常應用於紅外線無線通訊,如自動門、遙控器等;長波長紅外光LED主要由鋁砷化鎵、磷化銦(InP)等材料製成,主要應用在光通訊用光源,如條碼讀取頭等;紫外光LED則是新興開發的研究領域,目前多利用於殺菌燈、驗鈔設備等(圖三)。


目前全球LED市場最大的應用是手機按鍵的背光源、各種電子產品的指示燈、廣告看板的大型LED螢幕,還有應用在液晶螢幕的背光源,包括LED電視、智慧型手機、平板電腦以及筆記型電腦螢幕(圖四)。但無論是什麼樣的應用,LED發展的最終夢想和目的,還是在於利用其節能環保的特性來取代既有的照明光源。

目前LED應用於照明上有兩種主要的作法,一種是利用三色或四色的LED(紅綠藍三色,有時候會加上黃色)去調光來達到白光的目的,此種方法的好處是演色性極高,但製程難度也較高,且不同光色的LED控制晶片常有損壞的問題。較為常見的是第二種作法,直接利用藍紫光的LED去激發黃色螢光粉來發出白光,技術門檻較低且製程簡便。為了達到高亮度照明的目標,近年來高功率的LED發展正如火如荼地展開,LED發光效率更是呈現大幅度的成長。目前白光 LED 光源應用在照明上,除了亮度與效率問題外,光場分布不均勻、周邊元件容易損壞、單價過高等,都是下一步急需解決的。但我們相信隨著產業界和科學家們的持續努力開發和改良,LED照明的滲透率一定會越來越高,以臺灣最熱銷的車款TOYOTA的Corolla Altis,剛剛公布的最新2014款的車型來說,其頂級尊爵車款配備目前國產房車中唯一的LED投射式頭燈組,相較於以前LED只能用在第三煞車燈、後尾燈等處,這無疑是技術上的一大突破和進步!

LED發展史
先前提過,LED的歷史起源於1907年,朗德在一塊碳化矽的微晶結構觀察到電致發光的現象,隨即公開發表在《電子世界》期刊(Electronics World),這是人類第一顆有紀錄發光的LED。文章中指出LED是一種蕭基特二極體(Schottky barrier diode),並非現在所熟知的PN接面二極體,在10 V偏壓下可發出微弱的黃光。1920年代晚期,古登(Bernhard Gudden)和維夏德(Robert Wichard)在德國嘗試使用從硫化鋅(ZnS)與銅(Cu)中提煉的黄磷來發光,但因為發光暗淡而停止。

1936年,法國德斯特里奧(George Destriau)觀察到注入電流可以讓硫化鋅粉末微微發光,因而在一份報告中公開發表硫化鋅為Ⅱ–Ⅵ  族半導體材料的LED。之後隨著電流的應用和廣泛的認識,最終出現了「電致發光」(electroluminescent)這個術語,即為LED發光原理的基本描述。1952~1953年期間,韋爾克(Heinrich Welker)使用Ⅲ–Ⅴ 族半導體做為發光材料,引起廣泛地注意,之後相繼被應用在波長870~980 nm的紅外光LED及做為雷射的材料。1962年,在國際期刊《應用物理學快報》(Applied Physics Letter)中,美國通用電氣公司(Geberal Electric)的何倫亞克和比瓦卡(S. F. Bevacqua)發表了使用磷砷化鎵為發光材料的紅光LED,這是第一顆可見光LED。而何倫亞克在通用電氣公司期間,還發明了第一個發出紅光的半導體雷射(laser diode),因此被譽為可見光LED及LD之父。1969年,紐斯(Nuese)發現在基板上磊晶一定厚度的磷砷化鎵緩衝層,可以提升磷砷化鎵∕砷化鎵系統的發光效率,因而改善不匹配材料所造成的缺失,對於材料不匹配的系統相當有益,其觀念一直延用至今。

1980年,雙異質結構被應用在LED磊晶上,因此提升了電子電洞對複合放光的機率,例如鋁砷化鎵∕砷化鎵LED能以10 lm/W的高發光效率發出紅光。這一技術使LED能夠應用於室外信息發布,以及汽車高位剎車燈(CHMSL)等設備。1985年,日本研究使用鋁鎵磷化銦的四元系統做為可見光波雷射的材料。發光層為鋁鎵磷化銦∕鎵磷化銦的雙異質結構,藉鋁鎵磷化銦之間原材料比例的調配,成功做出625、610、590 nm紅橘黃波段的LED,並取代磷砷化鎵成為紅光主要使用的材料。

1989年,使用二茂基鎂(CP2Mg)摻雜源,成功的在低溫緩衝層上磊晶出p-GaN薄膜。赤崎勇(Isamu Akasaki)研究團隊利用低能量電子束照射氮化鎵薄膜可獲得低電阻特性,同時成功地製作出具有PN接面的藍光氮化鎵LED。1990年初,美國惠普公司的郭姓研究員(C. P., Kuo)與日本東芝公司的菅源(H. Sugawara)等人使用鋁鎵磷化銦發展高亮度紅光與琥珀色的LED,並使用晶片接合技術成功地將紅光LED建立在透光基板磷化鎵上,更將LED裸晶製成特定形狀,提升光萃取效率,大幅增加整體發光效率。這比當時標準的磷砷化鎵性能要高出10倍,紅光LED發展已漸趨成熟穩定。

早期的LED並沒有想過要應用在照明上面,故多半發展特殊用途的紅光或黃光LED,直到人們意識到LED節能照明時代終將來臨,全光譜的LED研究才開始被重視,而要達到照明的目的,三原色的光缺一不可。1960年後,半導體製程有所突破,LED研究轉為積極,紅光與綠光LED相繼被發明且效率不斷提升,唯獨藍光LED一直無法突破瓶頸。研發藍光LED所面臨最大的難題是在材料選擇方面,目前已知的物質只有碳化矽、硒化鋅(ZnSe)、氮化鎵三個系統。早期大部份的研究聚焦於硒化鋅,而硬度直逼鑽石的氮化鎵,因其熔點超過2500℃,產學界普遍認為「無法做出氮化鎵結晶」、「氮化鎵藍光LED沒有前景」、「不可能製備出LED需要的PN性質」,當時只有日本名城大學赤崎勇教授慧眼獨具地選擇穩定性佳,但製作上相當困難的氮化鎵。

赤崎勇教授於1964年開始投入藍光LED的研究,1968年砷與鎵的單結晶製程論文發表為其團隊注入了一劑強心針。但即便如此,重大的突破仍遲至1985年才於低溫的鋁基板上現身,成功堆積出漂亮的氮化鎵結晶。1989年時成功在結晶中加入鎂,才真正做出P型的氮化鎵結晶。除此之外,提到藍光LED的普及則不能不提日亞化學工業(Nichia)的中村修二(Shuji Nukamura)博士。當堆疊氮化鎵結晶時,由於基板溫度增加會產生上升氣流,阻礙氮化鎵結晶的生成。1991年中村修二獨創「雙流法」(Two Flow Method),將原料以雙橫向方式吹向基板,壓制了上升氣流,成功地做出完美的氮化鎵結晶,大幅提高生產性,將量產變成可能。1993年,中村博士展示出第一顆使用氮化銦鎵∕氮化鎵(InGaN/GaN)材料系統的藍光LED,將效率提升了至少一百倍。由於中村教授製作出第一顆藍光LED與藍光LD,因而被譽為藍光LED與LD之父。不久之後日亞化學工業即開始了全球首次的藍光LED銷售。

20世紀90年代後期在研製出高亮度氮化鎵藍光與綠光LED之後,進一步研製出通過藍光激發YAG螢光粉產生白光的LED燈,但色澤不均勻,使用壽命短,價格高。不過隨著技術的不斷進步,21世紀白光 LED的發展更為迅速,材料技術、晶片尺寸和外形工藝的進一步發展,使商用化LED燈的光通量提高了幾十倍,在歷史的洪流中曾經微弱發光的LED,現在正閃爍著耀眼的光芒,預示著LED燈新時代的來臨。

總結
2011年3月11日下午,日本東北地方一陣天翻地覆,宛如人間煉獄。此次近海的大地震伴隨而來的海嘯,引發了福島核電廠核能外洩的災變,也震出了人類永續發展的能源問題,致使全球開始正視非核家園和節能環保,而節能照明的應用即為非常重要的發展方向。

身為節能照明的要角,LED的發展歷史已有超過百年,實際上的應用開發也有接近50年。在完備了光的三原色之後,步入白光時代的LED市場應用扶搖直上,尤其是在照明方面。根據日本富士經濟的調查,在311日本大地震衝擊核電政策,讓人們更正視節能照明後,2012年光日本LED燈泡市場規模就已經達到377億日幣。而根據臺灣光電工業科技協進會(PIDA)的統計資料也指出,2012年後LED將從背光源市場正式攻入照明主流市場,全球規模將成長至114億美元。

數十年來,由於赤崎勇教授、中村修二教授等先進堅毅不拔的研發精神,LED的量產已化不可能為可能。目前的LED儘管看似已步入坦途,實則於磊晶、封裝、配線、散熱、出光等方面,仍有大量工程瓶頸等待突破。哲人日已遠,典型在夙昔,希冀大家能夠認識此一重要的節能照明技術,而LED的進一步研發將期待有志之士的持續接棒與投入!
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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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