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人類未來照明的夢想

94/06/08 瀏覽次數 7124
囊螢夜讀

照明對於人類活動有重要的影響,古時候的人利用燒煤油、蠟燭等方式獲得燈光,甚至利用夜間可以發光的螢火蟲做為光源來念書。螢火蟲可以說是最早的天然照明系統呢!螢火蟲是夏天夜裡在野外可以常常看到的有趣昆蟲,它們尾部會發出閃亮的螢光,晚上看起來就好像一顆一顆的星星,優閒地飛來飛去。

1千7百年前中國的晉朝時期,有個名叫車胤的人,從小好學不倦,連夜晚的時間也不肯白白放過。但是由於家裡很窮,買不起點燈的油,所以每到夏天夜裡,就抓來許多螢火蟲,放在有小洞的囊內,利用螢火蟲的光來看書。 結果,苦學的車胤終於出人頭地,最後官拜吏部尚書。此外,古書《古今祕苑》曾經記載:「取羊膀胱吹脹曬乾,入螢百餘枚,係於罾足網底,群魚不拘大小,各奔其光,聚而不動,捕之必多。」

螢火蟲的身體尾部有一個發光器,包含三個部分:皮膚、發光細胞和反射層。由發光細胞所發射出來的光線,可以經由反射層的反射使得看起來更亮。發光細胞中的主要物質是蟲螢光素和螢光?。蟲螢光素是產生光能的來源,螢光?則是催化劑。當螢火蟲開始活動時,呼吸加快,體內吸進大量氧氣,氧氣透過小氣管進入發光細胞,蟲螢光素在螢光?的催化作用下,便開始產生氧化反應,導致腹下發出光亮來。又由於螢火蟲不同的呼吸節律,便形成時明時暗,看起來像一閃一閃的「小星星」。

此外,由於蟲螢光素轉換能量的效率很高,其中只有約2~10%能量浪費在熱能上,其餘能量都是用來發光,因此螢火蟲的發光可以稱為一種「冷光」,物理學家認為這是非常理想的燈光。

白熾燈泡

隨著文明的進步,人類嘗試各種方法以獲得光源。西元1800年左右,記載使用在兩根碳電極之間引發電弧或者電焰,做為最簡單的光源,但是尚未進入實用的階段。從此開始有越來越多的科學家嘗試使用許多不同的碳條或金屬,通過極大的電流讓電阻大的物體到達白熾的溫度,但是依舊沒有達到實用的階段。

一直到1879年10月21日,在美國新澤西州的一間灰塵厚積的實驗室裡,愛迪生把很細的碳化纖維絲封在一個玻璃泡裡面,利用真空幫浦把玻璃泡裡的空氣抽走,再穩定地供給電壓,使燈絲變成一個很穩定的明亮光源,電力照明的時代從此降臨。

雖然白熾燈泡的形式、形狀和顏色有數不清的種類,但是其組成都包括燈頭、燈絲、填充在燈泡內的氣體和隔絕外界的燈泡等部分。

燈頭是用來把燈泡連接到燈座上的裝置,燈絲是燈泡中真正用來發光的元件。一般而言,燈絲的工作溫度越高,所發射的能量位於可見光區域的部分就越大。燈絲最早是以碳來製作,但是後來就全都改用鎢絲,原因是鎢的熔點高,不容易損壞,且光譜特性較佳,具有抗熱抗冷的強度。填充的氣體通常使用惰性氣體,可以對燈絲施加壓力,防止燈絲的蒸發。燈泡則是用來與外界隔絕,如果沒有隔絕,燈絲就會很快地和空氣中的氧氣反應而燒毀。

當一個電阻很大的燈絲通過越來越大的電流時,燈絲開始發熱並且發光,一直達到白熾的光色。通常用瓦特數代表電燈的電功率,照明用的電燈通常在300瓦特以下。白熾燈泡後來經過改良以適應特殊需求,因此可再細分為普通用照明燈、高壓和低壓電燈、鹵素燈、紅外線燈等種類。但是大致而言,白熾燈泡若要做為大型房間或大範圍的空間照明器材,還無法滿足人類的需求。然而百餘年來,電燈的發明一直在人類科學史上占有很重要的地位。

日光燈

日光燈(或稱為螢光燈)可以說是室內照明非常重要的發明,現在全世界的夜間室內照明,絕大多數都是採用日光燈。日光燈管比起傳統的燈泡來,具有使用壽命長,發光效率較高,屬於一種線性光源,照光面積大,以及可調整成不同光色的燈管等幾項優點。

日光燈的構造,通常是一個長型的圓柱管,裡面包含極微量的汞及少量的惰性氣體(氬氣或氖氣)。通電後,燈管兩端的電極引發高壓放電,游離管中的惰性氣體產生電弧,激發汞蒸氣發射波長較短的紫外光。塗布在燈管內壁的螢光粉吸收紫外光,再轉換成可見光。若變更螢光粉的種類,便可以得到適合不同場合的燈光,如適合辦公室與工廠的冷白光,適合用在溫暖社交環境中的溫白光,以及一般家庭、學校等場合的日光燈。

日光燈的使用,滿足了人類絕大多數場合的需求,雖然各式各樣的電燈仍陸續在開發中,然而截至20世紀為止,依舊無法發展出比日光燈更符合人類需求的發明。日光燈雖然有許多的優點,但最大的一個缺點就是日光燈管非常消耗電力,絕大多數的電能都消耗在熱能上。此外,燈管中的汞,對於地球環境的污染一直被人所詬病,因此,尋求新的照明設備引起了科學家和企業界極大的興趣。

白光發光二極體

基於以上的原因,在20世紀後期開始發展的白光發光二極體(light emitting diode, LED),帶來未來照明的一線曙光。1996年,日本日亞化學(Nichia)公司在GaN藍光發光二極體的基礎上,開發出以藍光LED激發釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)螢光粉而產生黃色螢光,所產生的黃色螢光進而與藍光混合產生白光(藍光LED 配合 YAG螢光粉),開啟LED邁入照明市場的序幕。

白光發光二極體的主要構造,包含底部的二極體、塗布於二極體或燈罩上的螢光粉、以及隔絕外界的燈罩。當底部的二極體(通常是半導體材料)接受電能的激發後,產生電子與電洞對,當電子與電洞再結合的時候,二極體便發出第一發射光(紫外光或藍光)。這第一發射光可以被螢光粉吸收並轉換成第二發射光(可見光波長範圍),當沒有被螢光粉吸收的第一發射光和螢光粉所發射出來的第二發射光混合以後,便得到白光。

利用不同螢光粉的搭配,發光二極體也可如日光燈管般具有偏冷色系或暖色系的不同光色。此外,經過多年的研究與發展,發現利用高效率的紫外光發光二極體做為發射光源,是未來白光發光二極體成為照明裝置的不二選擇。因此如何發展高效率的紫外光發光二極體,以及適合於紫外光用的各色螢光粉,是現今大家所努力的目標。

白光發光二極體比起傳統的白熾電燈泡與日光燈管來有許多的優點,如體積小(多顆、多種組合)、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(可高頻操作)、環保(耐震、耐衝擊不易破、廢棄物可回收、無污染)、可平面封裝和易開發成輕薄短小的產品等優點,也沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染等缺點。

曾經有人統計,若把全臺灣的日光燈替換成白光發光二極體裝置,一年可能省下相當一座核能發電廠的電量,加上發光二極體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污染的問題,因此白光發光二極體可能是人類未來照明設備的最佳選擇,也是目前世界各先進國家所共同努力開發的目標。

隨著目前LED技術的進步,白光LED的應用也逐漸開展,包括指示燈、攜帶式手電筒、液晶螢幕背光板、汽車儀表及內裝燈等。而一般業界更相信,未來10年內,白光發光二極體將普遍應用在照明上,是21世紀人類的曙光!

延伸閱讀
  1. 陳宏步譯(民68)照明原理,機械月刊社,臺北。
  2. 劉如熹,王健源(民90)白光發光二極體製作技術,全華科技圖書股份有限公司,臺北。
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