led燈設計 led照明設計
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產品知識  Product Knowledge

電子學的應用:發光二極體

發光二極體(Light Emitting Diode)簡稱「LED」;最早於1907年被觀察到電可發光現像,由於發出的黃光太暗且不穩定,並不適合實際應用而被摒棄,1936年,隨著電流的應用和廣泛的認識,終於出現「電場發光EL」這個術語。到了1955年代時,美國無線電公司(Radio Corporation of America)的Rubin Braunstein於實驗室發現到砷化鎵(GaAs)與其它半導體合金的紅外線放射作用;1962年美國通用電氣公司(General Electric,又稱奇異(GE)公司)的Nick Holonyak Jr開發出可見光的LED;1968年HP開始商業化量產,早期只有單調的暗紅色電子產品指示燈,1970到1990年間陸續開發出桔紅、橙、黃和綠光,最後則是藍光,所有顏色的LED依目前的標準來衡量其光效都很差。到了1992年,日本的日亞化學公司(Nichia)突破技術障礙開發出高亮度藍光技術,終於湊齊了色光三原色(請參考色度學頁面),LED才開始被重視,應用面也越來越廣,衍生出多重色彩,亮度也大幅提高,並且以顯示器(Display)、表面黏著型(SMD)等各種封裝型態深入生活中各個商品層面。

LED的核心部份是由P型半導體和N型半導體組成的晶片,在P型與N型接合面有一個過渡層,稱為「PN接面」,對兩極間施以正向電壓,P型半導體的電洞會向N型半導體流動,而N型半導體的電子會向P型半導體流動,當電子與電洞相遇時電子會跌落到較低的能階,同時以光的型式釋放出能量,而發出光的波長則由光導體材料的能階來決定。

LED可說是一種能夠直接將電能轉化為光能的半導體電子元件,依使用的材料不同,其能階高低讓光子能量產生不同波長的光,在照明應用上,取380nm~780nm間的波長來使用,這區間才是人眼所能感受到的各種顏色光;LED也有可發出此區間以外之波長的商品種類,可供照明以外的用途使用,比如紅外線感應裝置等。

如何發出白光

自然界的白光(太陽光)是包含我們人眼能分辨的所有顏色的總和,LED不可能達到如自然光的效果;LED發光的顏色是利用光的三原色「紅」、「綠」、「藍」加以混和而成,三原色互相獨立,其中任一顏色不能由其它兩色相混產生。此三原色依照不同的比例相加混色,可以得到我們所看到的所有顏色,而白色即由這三原色依相等比例混色所得出。光的三原色與色彩三原色(紅、黃、藍)不同。

LED只能發出藍綠黃紅四種顏色,如果要發出白光,需要用混色互補的原理來產生白光,在2002年之前,白光的製造專利(YGA黃色螢光粉)被日本日亞化工(Nichia)給箝制住,若要製造白光LED就要繳交權利金,所以白光價錢最高。

日亞化工(Nichia)專利為利用藍光LED照射黃色螢光粉,將螢光粉激發而發出白光,此方式會倍增原本的亮度,發出高亮度的白光。若要避開日亞化工之專利,則利用綠光照射紅色螢光粉或是紅光照射綠色螢光粉而發出白光,所得到的亮度遠低於日亞化工專利。也有廠商使用紅藍綠三種LED混色發出白光,但成本相對提高需多,市場接受度低。未來也有可能使用紫外光的LED(應用於驗鈔燈)來激發螢光粉得到白光,其原理與日光燈以高壓電極使汞蒸氣發出紫外光照射燈管壁的螢光粉再激發產生白光的原理相同,但目前此方式仍未普及。

Nichia在1993年11月成功量產GaN藍光LED,幾乎獨占整個藍光市場,但隨著Toyota-Gosei與Cree藍光LED品質提升,Nichia倍感威脅,1996年起市場掀起一連串專利訴訟紛爭,接著下來Nichia在訴訟案中屢嘗敗績,2002年中開始陸續與Osram(02/6)、Toyota-Gosei(02/9)、Lumileds(02/10)、Cree(02/11)達成和解,開始做專利權交叉授權並可使用雙方特定專利技術,結束長達六年的訴訟。其中2002年10月Osram又將白光LED製造技術授權給Rohm,而近年來Nichia並沒有因此而控告Osram及Rohm。

時至今日,LED照明領域間的多項專利已由早期訴訟方式達成合解,主要專利由世界前五大廠間,以相互授權方式共同使用。

LED的優點

LED不同於傳統光源的地方在於直接將電能轉成光能,轉換程序只有一個步驟,因此光電轉換效率絕對比傳統光源要來的高,所產生的廢熱也跟著低,壽命自然也就提高,再加上反應速度快,只要1uS(微秒)即可點亮,不須暖燈時間,工作環境溫度從-40℃~80℃皆能使用,更增加其商業應用領域。截至2014年底,商用規格每瓦電能最高可產生140 lm。

同時,LED產品內並不含有污染性重金屬成份,比如水銀、鎘、鉻等元素,更提高先進國家在兼顧環保法規條件下的使用意願;各先進國家也陸續列出傳統白熾燈禁用的時間表,台灣目前已進入禁止生產白熾燈的行程內,但尚未到禁止銷售的階段;台灣近幾年的政府機關單位,則是以節能為考量來採用LED相關燈具。

LED零件組合示意圖:

LED的問題

LED容易因為「熱」而影響發光性能,良好的LED燈具對散熱器的要求較高,因此,LED燈具有大部分成本皆落在散熱器身上。與傳統白熾燈相比,LED在色彩還原性能上(演色性CRI)較為不足;至2014年底,各廠商的LED之CRI值普遍維持在80,與白熾燈的99仍有一段距離;相信,隨著科技的進步,LED在演色性上絕對能有所突破。

部份消費者認為LED有容易傷眼的藍光成份,少量藍光會讓人有精神,這在白天是好事,但並不適合夜間使用;其實,螢光燈管也有不少藍光成份,卻沒有人去質疑螢光燈管傷眼。

美國能源局(Department of Energy,簡稱DOE)針對LED藍光問題表示,LED與傳統光源在同一色溫下,兩者的藍光含量其實相同。也就是說,LED 並沒有比傳統光源來得傷眼,加上LED無紅外線或紫外線等有害光源,對人體所造成的危害也相對較小。而且依照現行國際標準來看,白光LED並不具有藍光危害(Blue light hazard)的問題。

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