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。