白光LED與熒光粉之特性探討

　　白光led因具有節(jié)能與環(huán)保的雙重特性，一般認為會是取代熱熾燈與熒光燈的革命性光源；而熒光材料則是照明與顯示裝置的關(guān)鍵材料，尤其是自從高亮度LED蓬勃發(fā)展以來，再度又受到高度的重視。白光LED具有數(shù)種可行的制作方式，其中利用熒光粉所制作的白光LED，因具有制作簡單、驅(qū)動容易、成本低廉等多項優(yōu)點，未來于照明與顯示等各項應(yīng)用中，勢必將會扮演相當(dāng)重要的角色。

　　目前有三種較普遍的方法去制作白光LED，第一種是將紅光、綠光、藍光，三色做混光；第二種是利用紫外光 LED發(fā)光然后通過紅色、綠色、藍色的熒光粉，而混合出白光；第三種則是利用藍光打在黃色熒光粉上，混合出白光?，F(xiàn)今之高亮度LED多數(shù)系利用多元磷化物（如InGaAlP等）或氮化物（如InGaN等）等半導(dǎo)體材料制作而成，其發(fā)光顏色因受發(fā)光機制與材料能隙的限制，故皆屬于窄波寬的單色光。然就照明與顯示之應(yīng)用而言，則多數(shù)需要使用白色光源，倘若利用LED來制作白色光源，必需應(yīng)用光色組合的技術(shù)，始能達成獲得白光的目的。目前在白光LED之光色組合的各種可行技術(shù)當(dāng)中，利用單芯片LED（Single-chip LED）結(jié)合各類型熒光材料來進行光色轉(zhuǎn)變及混光作用，可謂是一種最便捷、最節(jié)省成本的方法，而其中應(yīng)用無機物熒光粉（Phosphor）所制作的白光LED，一般又稱為PC-White-LED（Phosphor- converted white-LED）。

　　LED（Blue-LED＋YELlow phosphor）而言，有文獻資料指出，目前此類白光LED之放射光譜中，藍光波段部份約占白光總光能的31％，而經(jīng)由熒光粉轉(zhuǎn)換的黃光則占有白光總光能的69％的比例。

　　另一方面，若以UV-LED結(jié)合熒光粉所制作的白光LED（UV-LED＋R/G/B phosphors等）而言，來自UV-LED的紫外線乃全部經(jīng)由熒光粉的轉(zhuǎn)換而形成可見光，故經(jīng)由熒光粉轉(zhuǎn)換的光能，幾乎接近白光總光能的100%。根據(jù)上述分析，可以清楚地了解熒光粉在單芯片白光LED所占有的重要性及地位。

　　 白光LED

　　白光LED最早乃是以藍光LED搭配“釔鋁石榴石”（YAG:Ce3+；Yttrium Aluminum Garnet dopedwith Ce3+ activator）之黃光熒光粉所制成，此類白光LED的推出引起全球的矚目，也肇始了LED應(yīng)用的新紀(jì)元。事實上，白光LED除了前述之藍光LED加上黃光熒光粉的制作方式之外，尚可以藍光LED加上綠／紅光或其它組合之熒光粉，抑或是以UV-LED加上藍／綠／紅光或其它組合之熒光粉而制成。

　　另外也可以直接應(yīng)用數(shù)個不同光色的LED芯片制作成單體（Single-chip）白光LED，或是直接應(yīng)用數(shù)個不同光色的LED組合而成白光LED模塊/數(shù)組（LED module or array），雖然其驅(qū)動回路較為復(fù)雜，相對成本也較高，然在顯示背光等方面的表現(xiàn)上，所能獲致的色彩飽和度或色域特性頗佳[7]，其與結(jié)合熒光粉所制作的白光LED，在應(yīng)用上具有不同的考慮因素。

　　熒光粉在LED的應(yīng)用，除了前述的白光LED之外，對于單一LED芯片所不能獲得的光色如紫紅光及“不飽和光”等色域范圍內(nèi)的光色，抑或單一LED芯片之發(fā)光效率較差的光色如綠、黃光部份（約520～590 nm波段之部份光色），皆具有應(yīng)用價值。至于結(jié)合熒光粉所制作的發(fā)光二極管，可能的應(yīng)用包括照明、背光源與指示/裝飾等各項特殊用途之上。至于白光LED在照明與顯示背光應(yīng)用所須考慮的重要特性，包括：發(fā)光效能、使用壽命、色溫、演色系數(shù)與色域/色彩飽和度等，國際上針對上述之重要特性，目前亦正積極地草擬或制定相關(guān)的規(guī)范與測試標(biāo)準(zhǔn)。至于白光LED之各項重要的特性及需求條件，分別說明如下。

　 1、 發(fā)光效率

　　發(fā)光效率乃是光源產(chǎn)品的最重要特性之一。白光LED或其燈具設(shè)備系統(tǒng)的效率，通常以發(fā)光效率（Luminous efficacy；Lumens per watt；LPW；lm/W）來說明。

　　根據(jù)美國于2007年9月所公布有關(guān)固態(tài)光源燈具設(shè)備的“能源之星（ENERGY STAR?）”規(guī)范，其中A類要求（Near-term applications）系根據(jù)不同的燈具設(shè)備及應(yīng)用（如室內(nèi)或戶外）所訂定，其發(fā)光效能介于20～35 lm∕W之間；而B類要求（Future performance targets）所訂定的發(fā)光效能則為≧70 lm/W。

　　2、使用壽命

　　目前LED多數(shù)以流明數(shù)衰減（Lumen depreciation）的程度來定義使用壽命，通常選擇流明數(shù)衰減至原來的50％或是70％的時間（分別以L50或L70代表之），來作為LED光源的壽命指標(biāo)。針對LED的模塊／數(shù)組（Module / Array）而言，目前美國能源之星規(guī)范訂定住家室內(nèi)應(yīng)用者之L70為25,000小時、住家戶外應(yīng)用者之L70為 ≧ 25,000小時，而所有商用應(yīng)用者之L70則為≧35,000小時。另外一項與壽命有關(guān)的特性為白光LED的顏色維持率（Color maintenance），美國能源之星目前規(guī)定在前述的使用壽命期間內(nèi)，所有固態(tài)光源燈具設(shè)備的CIE 1976色度坐標(biāo)值的變化必需小于0.007。

　　3、色溫

　　色溫之定義乃是依據(jù)黑體加熱，當(dāng)溫度升高至某一程度以上時，其發(fā)光顏色會開始逐漸改變，其中各種光色所對應(yīng)的溫度以絕對溫度K（Kelvin）來表示即為色溫，而此色溫曲線一般稱為蒲朗克曲線（Plankian locus）。

　　至于不在蒲朗克曲線上之色度坐標(biāo)者，通常選擇曲線上之最接近的色溫來代表，此稱為關(guān)聯(lián)色溫（Correlated color temperature；CCT），一般可以相關(guān)的iso-CCT lines（與蒲朗克曲線相交之各線段）來輔助判定，目前美國能源之星的規(guī)范針對所有固態(tài)光源之燈具設(shè)備（All luminaries），是將2,500K之7,000K的色溫范圍，在色度坐標(biāo)系統(tǒng)（如CIE 1931）內(nèi)沿著蒲朗克曲線，而區(qū)分成2,700K、3,000K、3,500K、4,000K、4,500K、5,000K、5,700K與6,500K等八項標(biāo)準(zhǔn)色溫（Nominal CCT）之八個四邊形區(qū)塊（Quadrangles）如圖4-3-4所示，對于每一個區(qū)塊頂點的坐標(biāo)亦有明確的定義，亦即如白光LED等固態(tài)光源之色度坐標(biāo)，皆需落在這八個四邊形區(qū)塊內(nèi)。另外一項與色溫有關(guān)的特性為顏色均允度（Color SpatialUniformity），其中不同視角所呈現(xiàn)的CIE 1976色度坐標(biāo)值的變化必需小于0.004。

　　4、演色系數(shù)

　　演色性（Color rendition）是照明光源能展現(xiàn)物體顏色之忠實程度的一種能力特性，通常以演色系數(shù)（Color rendering index；CRI）作為指標(biāo)，其測量標(biāo)準(zhǔn)是將標(biāo)準(zhǔn)光源（熱熾燈或D65標(biāo)準(zhǔn)光源）照射物體所呈現(xiàn)之顏色定義為100（即100%真實色彩），另外則以測試光源照射物體所呈現(xiàn)之顏色的真實程度的百分比數(shù)值（如75；即75%真實色彩），作為此測試光源的演色系數(shù)。演色系數(shù)的測量及計算[13]，乃是利用十四種標(biāo)準(zhǔn)顏色之樣品（14 selected Munsell samples；）求出每一種標(biāo)準(zhǔn)顏色之演色系數(shù)值。美國能源之星目前有關(guān)演色性的規(guī)定為對室內(nèi)使用的所有固態(tài)光源燈具設(shè)備之演色系數(shù)不得小于75（注：原文為CRI，判斷應(yīng)是指Ra值）。

　　5、色域/色彩飽和度

　　色域系指彩色顯示器等所能顯示顏色多寡（即如顯示器在CIE色度坐標(biāo)系統(tǒng)上所能顯示的顏色范圍或領(lǐng)域）的一種特性指標(biāo)，實用上亦有稱為色彩飽和度。

　　相對于演色性之于照明光源的重要性，色域特性則是顯示器展現(xiàn)其色彩能力的重要指標(biāo)。實質(zhì)上，單一白光LED是無法討論其色域性質(zhì)，因其單獨本身并不具有色域之這項特性指標(biāo)。

　　然而，當(dāng)白光LED應(yīng)用作為如TFT-LCD等顯示器之背光源時，經(jīng)由彩色濾光膜后會分解成紅/綠/藍（R/G/B）等三原色，各畫素再透過這三原色的光量控制而可以展現(xiàn)各項色彩，而其所應(yīng)用之白光LED背光源的特性，則會影響此顯示器之色彩展現(xiàn)能力。

　　目前顯示器的色域特性，常以NTSC（National Television System Committee）所制定的色域范圍作為比較標(biāo)準(zhǔn)，其所制定之三原色的CIE 1931色度坐標(biāo)（x,y）值分別為：R（0.674,0.326）、G（0.218,0.712）、B（0.140,0.080）。以目前液晶顯示器之最常用的冷陰極管背光源而言，其所能展現(xiàn)色彩的能力僅為NTSC之72％左右，至于應(yīng)用白光LED作為背光源的液晶顯示器，許多廠家號稱其顯色能力皆已超過100％的NTSC范圍。

熒光粉

　　各類型熒光材料之中，目前以“光致發(fā)光（Photoluminescence）”熒光材料的應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用于LED也是此類的材料，即所謂的光轉(zhuǎn)換材料。通常，無機熒光材料乃是由“主體材料（Host materials）”、“活化劑/發(fā)光中心（Activators/Luminescent centers）”及其它“摻雜物”（Dopants）等所組成，其中主體材料多數(shù)由硫化物、氧化物、硫氧化物、氮化物與氮氧化物等所構(gòu)成，而活化劑/發(fā)光中心則主要為過渡元素或稀土族元素的離子為主，至于目前常見可應(yīng)用于LED的熒光材料，
如前所述，單芯片型白光LED必需應(yīng)用熒光材料，始能獲得照明所需的白光，而熒光材料攸關(guān)單芯片白光LED的發(fā)光效率、安定性、演色性、色溫、使用壽命等項特性，可謂是單芯片白光LED系統(tǒng)中相當(dāng)重要的關(guān)鍵材料。

　　至于LED用熒光粉的重要特性需求包含：（1）適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光譜（2）適當(dāng)?shù)姆派涔庾V（3）高能量轉(zhuǎn)換效率 （4）高安定性等重要項目，而各項特性分別說明如下。

　　1、 激發(fā)（Excitation）特性

　　熒光材料在白光LED的應(yīng)用當(dāng)中，激發(fā)波段與發(fā)光顏色的匹配，是最重要的先決條件，目前應(yīng)用熒光材料所制作的白光LED，其LED之放射波長多屬于近紫外線或紫、藍光范圍，是故熒光材料之適用激發(fā)特性為在350～470 nm之波段范圍內(nèi)，可以被UV-LED or Blue-LED所激發(fā)者。

　　熒光材料之激發(fā)特性常以激發(fā)光譜（Photoluminescence-excitation spectrum；PLE）來判斷，通常也可以用熒光光譜儀（Photoluminescence analyzer）進行量測。由于目前LED之發(fā)光光譜之波形半高寬多介于10～30 nm之間，且其發(fā)光波峰有可能會受操作因素（如溫度、功率之影響）而有所遷移，故熒光材料所具有之激發(fā)波段通常越寬廣越佳。

　　2、發(fā)光（Emission）特性

　　熒光材料之發(fā)光特性可以其發(fā)光光譜（Photoluminescence Spectrum；PL）來判斷，其亦可利用熒光光譜儀量測獲得。除此之外，發(fā)光特性亦可應(yīng)用色度坐標(biāo)分析儀所量測之色度坐標(biāo)（CIE Chromaticitycoordinates）值，進行輔助判斷，如此更能完整了解熒光材料之發(fā)光特性。

　　熒光材料在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，是具有不同的需求特性，例如在照明方面的應(yīng)用，美國OIDA資料（8）指出610 nm （R）、540 nm （G）、460 nm （B）的三原色主波長，可能是一種理想的白光組合；另外在顯示背光方面的應(yīng)用，則有文獻認為625 nm （R）、535 nm （G）、450 nm （B）的三原色主波長，可以表現(xiàn)出極致的色彩。

　　3、能量轉(zhuǎn)換效率（Energy-conversion efficiency）

　　熒光材料在LED的應(yīng)用當(dāng)中，嚴格而言是必須同時考慮史托克轉(zhuǎn)換效率、量子效率與光散射轉(zhuǎn)換效率等諸項重要效率因素。

　　史托克轉(zhuǎn)換效率（Stokes conversion efficiency；SE；ηSS）乃是因熒光材料于光轉(zhuǎn)換的運作當(dāng)中，通常是遵循一對一的光子轉(zhuǎn)換程序，而由高能量的短波長光子轉(zhuǎn)變成低能量的長波長光子會產(chǎn)生能量損失，其所呈現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換效率即是所謂的史托克轉(zhuǎn)換效率。而應(yīng)用熒光粉制作之LED，熒光材料之激發(fā)與發(fā)光的波長差距不宜太大，否則會產(chǎn)生過多的史托克能量損失。

　　量子效率（Quantum Efficiency；QE；ηQE）則為熒光材料進行光轉(zhuǎn)換的實際效率指標(biāo)，其定義為：

QE =（No. of photons emitted）／（No. of photons absorbed）

　　亦即熒光材料的量子效率為其進行光轉(zhuǎn)換所放出光子數(shù)目與其所吸收光子數(shù)目的比值。熒光材料的量子效率通?？蓱?yīng)用熒光光譜儀結(jié)合積分球來測量，然由于熒光粉的來源、質(zhì)量、激發(fā)波長及量測方式等因素的不同，各文獻所報導(dǎo)之量子效率值常有明顯差異。

　　在此必需特別說明的是熒光材料的效率指標(biāo)，亦可以使用能量轉(zhuǎn)換效率（Energy efficiency；EE；ηEE）來表示，其定義為：

EE =（Output or emitted power）/（Input or emitted power） = QE×SE

　　此為熒光材料進行光轉(zhuǎn)換所釋放出光能（或功率）與其所吸收光能（或功率）的比值。光散射轉(zhuǎn)換效率（Scattering Efficiency）乃是熒光粉應(yīng)用于LED當(dāng)中，由于與封裝材料之折射系數(shù)的不同，而產(chǎn)生光散射損失后所呈現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換效率，另因在光轉(zhuǎn)換的過程中，扣除光散射損失能量，才是熒光粉的吸收能量，故光散射轉(zhuǎn)換效率亦有以吸收效率（Absorption Efficiency；AE；ηAE）表示之。光散射損失與相對折射率、粉體粒徑與光的波長等項因素相關(guān)，而熒光粉在LED的應(yīng)用當(dāng)中，其損失有可能高達10～20％的總能量比例。

　　4、安定性（Stability）

　　熒光材料應(yīng)用于LED的安定性，可分為環(huán)境安定性與溫度安定性等不同層面進行考慮。熒光材料的環(huán)境安定性，其與所具有的化學(xué)安定性密切相關(guān)，例如熒光材料必需對于水、氧甚或紫外線等必需具有高度的安定性，如此始會具有較長的使用壽命。一般而言，硫化物系列熒光材料的環(huán)境安定性較差，其較容易受水、氧及紫外線的影響而產(chǎn)生劣化現(xiàn)象，相對地氧化物及氮化物系列熒光材料的環(huán)境安定性則較為優(yōu)良。

　　另就溫度安定性而言，許多研究發(fā)現(xiàn)熒光材料于光轉(zhuǎn)換之運作時，常會因溫度的升高而導(dǎo)致發(fā)光效率的降低[15]，并有可能發(fā)生色漂移（Color shift）的現(xiàn)象。最近的相關(guān)研究[16]發(fā)現(xiàn)許多氮化物系列熒光材料的溫度安定性頗佳，這也是氮化物系列熒光粉在目前LED的應(yīng)用當(dāng)中，頗受矚目的主要原因之一。

　　5、 白光LED與熒光粉關(guān)聯(lián)性

　　熒光材料與單芯片白光LED之重要特性的關(guān)聯(lián)性，如圖4-3-6所示，由圖4-3-6可以了解在利用熒光粉制作的白光LED當(dāng)中，熒光粉的吸收效率或光散射轉(zhuǎn)換效率、量子效率、史托克轉(zhuǎn)換效率等多項因素，密切影響白光LED整體的發(fā)光效能。其中K（lm/Wo）值即是LER（Luminous efficacy of radiation）或是所謂的最高的理論效率值，是與發(fā)光光譜及人類眼睛之視效函數(shù)（Vision curve）有關(guān)，研究資料曾指出合理之白光光譜，其K值范圍約介于200～400lm/Wo之間，然與此白光光譜之色溫及演色性，具有密切關(guān)聯(lián)性。

　　一般而言，在固定的色溫狀況下，演色性愈高者，其K值愈低；另在固定的演色性狀況下，色溫愈高者，其K值也愈低。另外值得特別說明的是：白光LED的發(fā)光光譜與其所選用熒光粉的種類、熒光粉的用量及配方等息息相關(guān)，而這也是影響白光LED光源之色溫、演色性等光電特性的重要因素。

　　結(jié)語

　　白光LED為省能源與符合環(huán)保需求的“綠色”光源，近年來的發(fā)展結(jié)果顯示，白光LED作為照明與顯示等項光源的時代已經(jīng)來臨，而應(yīng)用熒光材料所制作的白光LED，因具有低成本及制作簡易的諸項優(yōu)點，勢必成為未來白光LED的主流產(chǎn)品之一。