發光二極體：發光二極體的照明應用
98/03/04
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林川發｜
政齊科技
從西元前 3 世紀起，蠟燭和油燈照亮了人類社會長達 22 個世紀。西元 1810 年代，煤油燈的出現，正式進入第一世代光源的時代。從此，每約間隔 60 年就有一個新世代的光源出現。西元 1879 年愛迪生發明了第二世代光源–白熱燈，開啟了近代光源技術的演進。1938 年，第三世代光源–螢光燈的出現，引發一連串放電光源技術的開發。到了 1996 年，白光發光二極體（LED）的出現，正式宣告第四世代光源–LED的照明世代來了。
LED
發光二極體是一施以順向偏壓時可發光的二極體，是半導體材料製成的發光元件，材料大多使用元素周期表上的 III—V 族化學元素，如早期的磷化鎵、砷化鎵等，乃至目前高亮度 LED 的磷化鋁鎵銦、氮化鎵銦。發光原理是對化合物半導體施加電流，透過電子與電洞的結合，部分的能量以光的形式釋出，達到發光效果。
LED 因使用的材料不同，其內電子、電洞占的能階也有所不同，結合後釋出的光子能量不同，因而產生不同波長的光，也就是不同顏色的光，如紅、橙、黃、綠、藍或不可見光等。
不同於早期的光源，LED 屬於冷發光，具有低耗電量、壽命長、無須暖燈時間、反應快、體積小、耐震動、適合量產，以及容易配合應用上的需求製成極小或陣列式元件等優點。目前 LED 已普遍使用於資訊、通訊及消費性電子產品的指示器與顯示裝置上，成為日常生活中不可或缺的重要元件。
白光LED
白光 LED 是 1996 年前後發展出來的光源產品，其中最受矚目的是使用Ⅲ—Ⅴ族氮化物半導體材料製作藍光 LED，再搭配釔鋁石榴石的黃光螢光粉所製成。其中 LED 的藍光經由黃光螢光粉的部分光轉換及混光作用而獲得白光，這類白光 LED 的推出引起全球的矚目，也肇始了 LED 應用的新紀元。
事實上，白光 LED 除了上述的藍光 LED 加上黃光螢光粉的製作方式之外，還可以使用藍光 LED 加上紅／綠光或其他組合的螢光粉，或者是使用 UV-LED 加上紅／綠／藍光或其他組合的螢光粉而製成。此外，也可以直接應用數個不同光色的 LED 製成白光 LED。
白光 LED 在照明應用上，一般會考慮的因素及相關特性，包括發光效能、使用壽命、光輸出通量、輸入功率、流明成本、燈具成本、演色係數與色溫等，各項重要的特性及需求條件，分別詳細說明如下。
發光效能（luminous efficiency: lm/W） 發光效能是光源的最重要特性之一，白光 LED 的發光機制是把電能轉換為光能，所發出的光能以流明表示，因此白光 LED 的效率通常以發光效能來說明。
目前已有實驗室聲稱，其白光 LED 的產品發光效能可大於 150 lm/W。另外，國際上許多 LED大 廠也宣稱，即將量產發光效能大於 100 lm/W 的白光 LED 商品。雖然利用白光 LED 製造的燈具，會因系統組合而損失些許發光效能，但是上述發光效能數據都已遠高於 Energy Star 規範的 70 lm/W。單以發光效能而言，白光 LED 在未來的確有十足的應用潛力。
使用壽命 光源的使用壽命常因材料與發光機制的不同，而有不同的定義。以往 LED 曾用 mean-time-before-failure（MTBF）的觀念定義壽命，而目前通常是用流明數衰減（lumen depreciation）的程度來定義。通常選擇流明數衰減至原來 50％ 或 70％ 所需的時間（分別以 L50 或 L70 表示），做為LED 光源的壽命指標。
針對 LED 的模組／陣列而言，目前 Energy Star 規範訂定：住家室內應用產品的 L70 是 25,000 小時，住家戶外應用產品的 L70 是高於 25,000 小時，而所有商用應用產品的L70是高於35,000小時。
色溫 色溫的定義是依據黑體（例如鐵）加熱，當溫度升高至某一程度以上時，其發光顏色是深紅色，當溫度升高發光顏色逐漸改變為淺紅、橙黃、白、藍白、藍等各種光色。倘若以色度座標系統（如 CIE 1931）來觀察，其光色的色度座標變化會呈現出曲線的軌跡，而這色溫曲線一般稱為蒲朗克曲線。在實用上，做為照明光源的色度座標，都要求必須非常接近蒲朗克曲線，否則人類眼睛會有不舒服的感覺。
一般而言，色溫在 3,000K 以下時，光色有偏紅的現象，給人是一種溫暖的感覺，稱為暖色系。而色溫超過 5,000K 時顏色會偏向藍光，給人一種清冷的感覺，稱為冷色系。在不同的應用場所，使用照明光源會有不同的偏好，例如美國人一般在辦公室多喜歡使用 4,200K 的白光照明光源，在家庭則常用低於 3,000K 的光源。
演色係數（color rendering index, CRI） 演色性是照明光源能展現物體顏色忠實程度的一種特性，演色性高的光源對物體顏色的表現較為逼真，被照物體對人類眼睛所呈現的顏色也比較接近其自然的原色。
演色性通常以演色係數做為指標。測量標準是把標準參考光源照射物體所呈現的顏色定義為 100，並把由測試光源照射物體所呈現顏色的真實程度，以百分比表示（如 75 即 75％ 真實色彩），做為這測試光源的演色係數。
LED照明應用領域
LED 的技術日益成熟，應用的領域也越來越多。LED 在照明上的一些應用，包括住宅領域：壁燈、夜燈（這部分商品的亮度要求不高，因此是最早使用 LED 光源的領域）、輔助照明燈、庭園燈、閱讀燈；設施領域：緊急指示燈，醫院用病床燈；商店領域：聚光燈，崁燈，桶燈，燈條；戶外領域：建築外觀、太陽能燈；燈光表演。
照明市場一直被視為 LED 最大且最具發展潛力的市場，雖然目前由於成本與產品特性的限制，還無法推出主要照明產品。但不可諱言的，由於近年來 LED 技術的快速發展，在特殊照明市場（例如冷凍照明、航空燈、交通號誌燈等利基市場）已經取得一些市場占有率。而在一般照明市場上，包括桶燈、崁燈、投射燈及景觀照明燈產品也陸續推出，部分產品也已開始取代鹵素燈、白熾燈泡等傳統光源，讓廠商對 LED 照明的未來發展抱持高度樂觀的態度。
在 LED 功能／價格比快速地提升，以及能源價格與環保壓力持續上升的情況下，LED 照明市場規模將快速成長。而市場規模成長的關鍵在於：高亮度、高功率 LED 的應用普及化，壽命提升，改善演色性，提升發光效率，低價格化，以及 LED 照明規範的制定。
LED 面對新應用的十字路口，如何在新的應用領域做有效的開發，以及建立消費者對 LED 照明產品品質的信心，是打開新市場最重要的關鍵。
