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奈米光子晶體–從蝴蝶的翅膀到LED環保燈泡的誕生

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黃承揚｜英商牛津儀器

在水電齊漲的生活環境下，節能題材發酵LED燈泡成為消費者詢問度很高的明星商品，進而讓台灣LED照明燈泡市場在2012年成長2.7倍，英國取代40瓦的LED燈泡在2012年7月首次跌破10美元，在在顯示技術的突破與市場到位，直接拉抬LED燈泡銷售。

最近常常會看到吳念真代言LED省電燈泡的廣告，在各個平面與媒體強力播放，內容這樣說的：「這盞燈不只特別光，而且有學問……省電80％、壽命5萬小時、8瓦就可以和60瓦鎢絲燈泡一樣亮……男人只會講數字……」大家看完廣告都會會心一笑後面的台詞，但是其實數字的背後卻是很多科學家的辛苦研究成果。如何讓LED的效率提升，達到環保節能的功效(8W取代60W燈泡)？如何讓它不會引來飛蚊，不會過熱燙傷人？這讓奈米科技應用於LED燈泡上扮演重要角色。

還記得小時候抓蝴蝶時，總是看樹林中哪裡有陽光反射的地方？哪裡有花香？那就是蝴蝶出沒的地方。為什麼陽光打到蝴蝶翅膀會有漂亮的色彩與反射光呢？科學家利用掃描式電子顯微鏡對蝴蝶的翅膀作進一步分析，發現蝴蝶翅膀在奈米尺度裡是一種周期排列分布的結構。因為特殊的周期性排列，所以可以反射特定波長的光。這便說明了蝴蝶的翅膀在太陽下看起來五彩繽紛閃閃耀人的原因。此一研究讓科學家們振奮不已，試想奈米性周期結構對光吸收與反射有顯著的影響，若將此概念應用在LED內，將可解決LED發光效率差與散熱效不佳的問題。

在LED發光晶片正上方製作周期性奈米結構提升出光亮度，另外，在LED背面製作多層膜堆疊的奈米結構，讓背後的光線回收利用朝正面出射，此奈米結構即是光子晶體(photoic crystals)，而有無奈米光子晶體導引，是LED光線能否出射出晶片的關鍵設計。若無奈米結構的加持，原本通電發出的光線全都局限在晶片內部無法對外利用，這將造成LED亮度與效能不佳，同時多次內部反彈的光線又直接轉成廢熱，是LED過熱失效最主要的原因。如LED晶片上下有奈米光子晶體的設計，讓光線順利出射於空氣當中，同時背部可反彈光線，較能解決LED晶片本身蓄熱問題。這些設計正是拉升LED從低亮度的指示用訊號燈，達到高亮度照明應用的要角技術。

其實各位應該都知道LED在日常生活中已經存在半個世紀之久，從小時候看到的指示燈、聖誕燈，到近年普及大街小巷的LED交通紅綠燈，LED是越做越亮。讓LED能夠成功變身成環保節能的照明推手，其演進的關鍵即是將奈米科技成功應用在LED燈泡上，讓出光效率提升1.5倍，同時廢熱問題得以有效解決。讓LED燈泡效能追過省電燈泡與日光燈管，達到照明的等級。效法自然界的力量，將蝴蝶翅膀的奧祕應用在LED燈泡內，正是奈米科技的最佳應用典範。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）

責任編輯：楊谷洋｜國立交通大學電機工程學系

尺度(2) 掃描式顯微鏡(6) 科發月刊(5210)

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