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減碳科技:LED及OLED照明

102/03/15 瀏覽次數 21609
說到照明,大家都會想到各式各樣的發光體,諸如白熾電燈泡、日光燈、鹵素燈、發光二極體等。照明對於人類活動有重要的影響,古時候的人使用燒煤油或蠟燭等方式照明,甚至利用夜間可以發光的螢火蟲做為光源來念書。

螢火蟲可說是最早的天然照明系統,後來隨著日光燈的大量使用,滿足了人們許多場合的需求。雖然各式各樣的光源仍陸續開發中,但至上個世紀止,依舊無法發展出比日光燈更符合人類需求的新照明。日光燈雖然優點很多,但最大缺點是非常消耗電力,而絕大多數的電能都消耗在發熱上。此外,燈管中的水銀對地球環境的汙染也一直被人詬病,尋求新的照明設備就引起科學家和企業界很大的興趣。

另為了因應目前全球氣候變化與不斷高漲的能源價格,各國政府已開始把一些高耗能的產品列為首要的禁用對象,例如白熾燈泡的禁用已從歐盟與日本開始,2012年後大多數國家將逐步禁用白熾燈泡。以下介紹兩種新的照明設備供讀者參考。

LED照明

發光二極體(light emitting diode, LED)稱為第四代的照明光源或綠色光源,是一種固態的半導體發光元件。LED真正快速的發展始於1990年代白光LED的出現,其後應用層面越來越廣。LED是由半導體材料所構成,利用半導體內部電子與電洞結合後放出光子的機制來發光。

LED照明產業可分為元件、模組與照明應用3大部分。元件又可分為標準型、高功率、高電流、多晶粒封裝等;模組端包括散熱管理、光學模組及驅動模組3項;照明應用則由燈具、控制系統、外部結構等構成。

在20世紀後期發展的白光發光二極體,替未來照明帶來了一線曙光。1996年,日本日亞化學(Nichia)公司使用氮化鎵(GaN)材料研發出藍色光的LED晶粒,並用以激發釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)螢光粉(波長555奈米),由所產生的黃色螢光與藍光混合而生成白光(即藍光LED晶粒配合YAG螢光粉),從此開啟了LED進入照明市場的序幕。

人們又利用不同螢光粉的搭配,使得發光二極體也可像日光燈管般產生具有偏冷色系或暖色系的不同顏色的光。另經由多年的研發,科學家發現若使用高效率的紫外光(波長小於385奈米)LED做為發射光源,是未來白光發光二極體成為照明裝置的最佳選擇。因此如何發展出高效率的紫外光LED,以及適合紫外光用的各色螢光粉,也成為大家追求的目標。

白光LED較傳統的白熾電燈泡與日光燈管有更多的優點,例如體積小(可多色組合)、發熱量低(熱輻射少)、耗電量低(低電壓、低電流起動)、壽命長(10萬小時以上)、反應速度快(約1奈秒)、環保(耐震、耐衝擊不易破、廢棄物可回收、無汙染)、可平面封裝和易開發成輕薄短小的產品等優點,也沒有白熾燈泡耗電多、易碎及日光燈廢棄物含汞汙染等缺點。

LED又是如何製作的呢?如同蓋房子需要一塊地基一樣,首先需要一塊厚度約430微米的基板,而LED的基板目前都使用藍寶石,它又稱為三氧化二鋁(Al2O3)。藍寶石基板是由藍寶石晶棒切割而成,現以柴氏拉晶法(CZ)和凱氏長晶法(KY)為主流技術,最成熟也最為主流的是KY法。

因為藍寶石基板具絕緣性,所以需要一個更好的地基,如矽(silicon)、碳化矽(SiC)、氮化鎵等就是考慮的對象。其中矽與碳化矽基板可導電,因此LED的接觸電極可製作在二邊,尺寸可縮小,成本可降低,封裝製作也比較容易。

1993年,日本開發出以氮化鎵材料為主的藍光LED,再配合有機金屬氣相磊晶技術,製造出高亮度的藍光LED。也就是說,他們在地基上使用一種設備,把不同條件的材料以一層一層的方式「蓋」在基板上,如同完成一間房子的結構,但這些層全部的厚度僅約6微米左右,稱為磊晶片。接著再做細部的隔間與裝潢,其中包含許多步驟,例如完成黃光、微影、蝕刻、金屬蒸鍍等步驟,在半導體產業中稱為中段晶粒製程技術。

當晶粒長時間暴露在空氣中時,會受到水汽或環境中其他化學物質的影響而老化,使得特性衰退。因此須選用高透明度的環氧樹酯包覆發光二極體,這是一個有效隔絕大氣的方法。

目前主要用於LED的基座,有導線架、金屬基板、低溫共燒陶瓷基座等,其中以低溫共燒陶瓷基座的熱膨脹係數與半導體最為接近。LED封裝還需要有良好的散熱性及光萃取效率,尤其散熱問題更是值得重視。若未能適當地使熱散出,累積在元件中的熱會對元件的特性、壽命及可靠度產生不良的影響,尤其超過45密爾(mil)的照明用晶粒所需供應的電流在350至700毫安培,更需要良好的散熱。此外,光學設計也是封裝程序中重要的一環,如何更有效地把光導出,發光角度及方向都是設計上的重點。

臺灣LED產業由紅光發展至今日的白光已近30年,2001年下半年更藉由技術能力的提高,成功地跨入藍光LED市場,使得臺灣LED產業在全球占有一席之地。LED照明的應用,包括建築照明、景觀照明、室內與戶外照明等,其中以商業∕工業、戶外、住宅照明等應用市場的成長速度較快。

近來LED發光效率提高後雖使得產品售價大幅滑落,但這一轉機將加速全球LED照明燈具市場的形成,而使照明光電產業鏈更完整,因此光電廠商都看好LED未來的商機,如臺積電、友達等大型企業也競相投入。經統計,若把全臺灣的日光燈換成白光LED裝置,一年約可省下相當一座核能發電廠的電量,再加上LED使用固態的無機物質與無機的螢光粉體,更解決了以往電燈汞汙染的問題,因此白光LED是人類未來照明裝置的最佳選擇應無庸置疑。

OLED照明

除一般人較熟知的LED照明外,有機發光二極體(organic light-emitting diode, OLED)也是照明的新選擇。這兩者的差異是,前者使用無機半導體材料,如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN),後者則使用了有機分子,它與塑膠的材料類似,但具有導電特性。這兩者雖然有相同的二極體特性,發光的機制卻大為不同。

高效率的OLED元件自從1990年代開發出來後,大量的研究成果讓市場對於OLED在顯示器上的應用寄予高度的期待,因為OLED是一種自發光源顯示器,具有結構簡單、無視角問題、可軟性化等優點,當時被稱為是最完美的顯示器。但是OLED在量產技術與大型化技術上的發展遭遇到瓶頸,因此無法與技術穩定發展的液晶顯示器(liquid crystal display, LCD)在市場上競爭,使得大多數人只知道液晶螢幕或液晶電視,而不知道OLED顯示器。

一直到近幾年,中小尺寸全彩OLED的量產技術逐漸成熟,並導入目前流行的智慧型手機中,才勾起人們對於OLED這個名稱的記憶,有些人甚至是第一次接觸。在顯示器的發展過程中,白光有機發光二極體(WOLED)曾經被探討應用做為LCD背光源的可行性,但當時WOLED尚無法滿足背光源須具有高流明、大面積、長壽命等特性的要求,因此並未成功。然而這樣的嘗試也反應了WOLED確有照明的應用潛力。

十幾年來,綠色能源與環境保護成為全球共同的議題,照明的耗電問題一直是討論的主題。統計數字顯示照明消耗的能源占全世界總產電量的20~22%,這是個相當高的比率,因此如何開發出節能的照明技術,是討論綠色能源與環境保護議題中非常重要的一環。

雖然發展OLED照明在技術上是一大挑戰,但美國能源部在2008年宣布投入大量研發經費,支持OLED成為下一世代的商業照明產品,使得製造照明器件的廠商如OSRAM、 Philips、GE、Konica Minolta、Lumiotec、Panasonic出光等,都陸續展示室內OLED的照明燈具。根據日本富士經濟的推估,OLED照明市場在2020年將有3,450億日圓,相當於臺幣1,200億的規模,這些商業的發展會讓OLED照明繼LED照明之後,成為點亮地球的明日之星。

OLED照明元件的結構相當簡單,它是由厚度在1微米以內的薄膜所堆疊起來的,需要一對電極提供電子與電洞進入到有機發光材料層。

從半導體物理可知當電子與電洞相遇時會復合而釋放出能量,這能量稱為激子。激子可把能量轉移給有機發光材料的分子,這些有機分子的電子接受到激子的能量便會由低處(低能階)跳躍到高處(高能階)。處在高能階的電子是不穩定的,它會在很短的時間內掉落回到低能階,而其過程中會以光或熱的方式釋放能量。如果這樣的過程都能順利地以光的方式釋出,OLED就可以是一個很好的發光元件。

目前商業用OLED照明元件的發光效率已可達到50 lm∕W,與一般的螢光燈(60~80 lm∕W)或省電燈泡(60~70 lm∕W)相比已達到實用的階段。

而在學術領域的發展上,自從90年代日本山形大學的Kido教授在Science期刊上發表了當時效率只有0.83 lm∕W的白光OLED後,研究白光OLED的熱潮至今不曾間斷。在2006年,效率就達到64 lm∕W,2008年是102 lm∕W,2009年甚至已達124 lm∕W的水準。若能再解決高流明操作時的壽命,以及在軟性基板上製作高穩定性OLED元件等問題,OLED照明進入主流的商業市場指日可待。

OLED與目前已商品化的LED照明器相比,最大的優勢是它本身就是一個平面光源,光度柔和,可以軟性化與大面積製作,具有可調節光亮度與變化色彩的功能,而且能製作成透明、特殊造形。這是因為OLED照明元件是由薄膜所堆砌的結構,而且可以在低溫的環境下製作,這些特性使得OLED比LED更容易融入建築與行動載具(如汽車、飛機)的空間中。

室內空間的照明可以分為一般照明與區域照明,由於OLED照明的穩定效率還沒有達到室內空間照明的要求,一般認為它會先應用在區域照明的市場上,包括裝飾、階梯、天窗、汽車、醫療、廣告照明等。其中,室內生活空間的藝術照明是目前最具應用潛力的市場,其原因一方面是OLED的光線柔和,另外是我們每天在室內的時間占整體活動時間的60%以上,由於居家視覺的舒適性會影響人的心情與健康,就如同音樂會觸動或撫慰人的情緒一樣,良好的照明有助於營造一個健康的居家環境。

OLED的驅動電壓與耗電量低,與LED一樣可利用充電電池或直接利用太陽能點亮,使OLED照明能應用在室內的任何角落。它的平面化與軟性化,使OLED照明可以釘、夾、貼、嵌在各種建材與曲面上。而且將來會出現如膠卷狀的OLED照明片,能夠依照自己的想法裁剪出自己喜歡的形狀,就像海報一樣輕薄地張貼在空間的任何角落。因此臥室的天花板可以裝置成滿天星星,餐廳上方是一片太陽花海,而客廳是溫馨的玫瑰花園。

此外,經常使用的照明燈具如嵌燈、吸頂燈、吊燈、枱燈、壁燈等,雖然可以做成各式的藝術造形,但通常占據空間,如果使用OLED照明片,便可以讓狹窄的室內增加空間感。而停電時使用的自動照明燈具,總是讓人覺得笨拙冰冷,破壞居家的品味,如果能換上可以發光又有藝術圖案的OLED照明片,會使室內空間少一份突兀且多一份藝術美感。有這麼多的可能性,OLED照明將為未來室內空間照明,由傳統的點線照明帶來面的震撼,也會為空間的發展帶來無限創意。

臺灣的學術與研究機構過去十幾年投注相當多的人力與經費發展OLED技術,為順應世界的潮流,OLED技術的發展也紛紛由顯示器進入到OLED照明器件的研製。人類對於OLED照明技術發展的努力,相信可以為地球的永續生存盡一點心力,也可為人類生活創造新一代的空間生活藝術。
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