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光的新視界–LED照明與應用

隨著地球資源日益貧乏,以及環保、節能的意識抬頭,發光二極體成為近年來最重要的環保光源,應用更是五花八門,在照明、廣告、指示燈、藝術等領域中,都占有一席之地。
 
 
 
發光二極體的發展

自從19世紀白熾燈泡問世以來,照明改變了人類現代文明的生活型態。到了21世紀,綠色照明逐漸受到重視,以追求地球生生不息的永續發展。隨著白熾燈泡逐漸走入歷史,發光二極體(light-emitting diode,簡稱LED)成為最被看好的照明「接班人」,並且為照明產業的應用領域開創新的契機。

LED屬於固態照明的一種,它有體積小、無汞、壽命長、高發光效率、耐震、反應快速等優點。LED的核心結構是由p型半導體和n型半導體所組成的晶片,當施加順向電壓在pn接面上,以提供能量克服材料接面的能隙,會使電子電洞復合。復合過程可以分為輻射復合及非輻射復合兩種。在復合過程中,會以光和熱的形式把能量釋放輸出,這是LED的發光原理。

常見的色彩大多由兩種以上的顏色光所合成的,光的三原色是紅光(R)、綠光(G)及藍光(B),透過三原光的混色可以得到白光和其他顏色的光。早期的LED由於發光效率過低,而且缺乏藍光LED,因此應用範圍有限。

直到1990年代中期,任職於日本日亞化學公司的科學家中村修二(Shuji Nakamura)博士在藍寶石基板上成長氮化銦鎵(InGaN)材料,因而研製出第一個高亮度藍光LED。藍光LED的發明促使白光LED得以透過混色的方式產生,因此,世人尊稱中村博士是「藍光LED之父」。由於白光LED的問世,帶動了LED產業的迅速發展,使得LED成為光電產業中最具競爭力的產品之一。

在2012年4月,美國大廠Cree公司宣布他們的高功率白光LED再度刷新紀錄,在350mA驅動電流下,發光效率達到254 lm/W。這個發光效率已超越現今的其他光源,因此LED將成為新世代的照明光源,極具取代傳統光源的潛力。

LED與人眼視覺

照明建立在人眼的感知上,因此為了開發LED光源的應用,必須先了解人眼的基本結構及對光源的反應。人類的視網膜由許多感光細胞所構成,依照形狀,感光細胞可以分為桿狀細胞及錐狀細胞。當光線進入眼睛後,透過桿狀細胞及錐狀細胞分別把亮度及顏色傳至大腦,以建構出影像。

錐狀細胞與明視覺 錐狀細胞的主要功能在感受顏色,在白晝時,錐狀細胞具有較高的感受度。它又可以分為L、M、S錐狀細胞,其中,L錐狀細胞主要感受紅色,峰值波長約在564~580 nm左右;M錐狀細胞主要感受綠色,峰值波長約在534~545 nm左右;S錐狀細胞主要感受藍色,峰值波長約在420~440 nm左右。

由於在不同光強度下,不同細胞的敏感度也不相同,因此國際照明委員會(International Commission on Illumination, CIE)訂定了標準的視覺函數曲線。如果一個人先天缺少L、M或S錐狀細胞,便是所謂的先天性色盲。這是性聯遺傳疾病之一,以男性居多。他們看不見特定的色彩,視力也通常不好。

桿狀細胞與暗視覺 桿狀細胞僅接收光量,無法辨明顏色。它所感受的是黑白影像,主要在夜晚等光度較差的情況下運作。在極低的光強度下,人眼主要依賴桿狀細胞,因此又稱為暗視覺。在微弱的亮光下,眼睛對於光線非常敏感,對於光的感受度更強。

LED的相關參數

在LED產品中,一項重要的規格參數就是光通量,LED所發出的光通量以流明(lumen, lm)表示。光源的光通量與它所消耗的功率的比值,代表光源的發光效率(lm∕W),發光效率越高代表這個光源相較於其他光源更加節能。另一項重要的參數是色溫,這關係到LED照明產品所顯示的顏色特性。

色溫的定義是指把黑體加溫到出現與光源相同光色時的溫度,單位通常以絕對溫度(K)表示。在不同色溫時,視覺感受也不大相同,像是當色溫在3,000K以下時,光色有偏紅的現象,給人一種溫暖、親密的感覺;當色溫超過5,000K時,顏色偏向藍光,給人冷清、安靜的感覺。光源色溫的高低變化會影響室內氣氛,例如白熾燈泡色溫是2,700K,正適合室內照明。光源的色溫也會影響被照物所呈現的特性,因此,一般市面上的照明產品會標示色溫,以提供消費者不同的需求。

除了色溫外,照度也是一項重要的規格參數。照度的定義是指光線在一定的距離時,散布在單位面積上的光通量,單位以勒克斯(lux)表示。人體的感覺與色溫及照度之間呈現微妙的關係。例如,在低色溫高照度時,人體會感覺悶熱;在低色溫低照度時,人體會感覺溫暖。最常見的照度應用場合是LED車燈、投射燈、探照燈等。

輝度(luminance,別名亮度)的定義,則是面光源在某方向上的投影面積所放射的通光量。輝度的應用範圍相當廣泛,例如LED廣告看板、手機面板、紅綠燈、汽車尾燈等。

LED特性與驅動電路

LED做為一種新的光源,它的驅動電路與傳統螢光燈的安定器大不相同。LED驅動電路的主要功能是把交流電壓轉換為直流電壓,同時完成與LED的電壓和電流的匹配。因此,LED燈具通常包含驅動電路和光源兩個部分。在介紹LED驅動電路時,最好先了解LED的電氣特性。

LED的電壓—電流特性曲線呈現非線性變化。當LED上的跨壓大於導通電壓時,導通電流會大幅度上升。從這個特性可以發現,當LED導通後,微小的電壓變動會導致流過LED的電流急遽變化。從LED電流—光輸出特性曲線圖,可以發現LED的光輸出與電流呈現近似線性的正比關係。根據以上的負載特性,一般的LED驅動電路大多以定電流控制為主,以確保LED能夠在適當的工作條件下準確操作。

LED相關規範

目前全球的LED照明產業都在飛速發展,隨著LED照明燈具日益普及,全球各國的規範也逐漸拍板定案。能源之星(Energy star)是針對節約能源的消費產品的國際標準及計畫,涵蓋的範圍包含大型器具、辦公設備、照明、家庭電子等。LED照明產品的測試包含了環境溫度測試、壽命測試、積分球量測、配光曲線等。此外,對於LED燈具的重要參數都有所規範,例如演色性、功率因數、色溫、光效等。市面上的LED產品良莠不齊,消費者可以透過認證標章確保LED照明產品的品質與保障。

LED的應用

LED技術的發展突飛猛進,應用的領域更是五花八門。最常見的莫過於住宅照明、商業照明或工業照明,包括壁燈、夜燈、閱讀燈、聚光燈、燈條、嵌燈、緊急指示燈等。

LED照明也可以和藝術、建築結合。對於科技藝術領域來說,以「光」為主題的創作幾乎沒有缺席過。對於藝術創作者來說,LED冷光源的特性,相較於其他傳統光源,為創作開啟了新的可能性。

除了上述的應用領域之外,LED植物生長燈為農業生產者帶來了福音,適合的人工光譜為植物創造了良好的環境和條件。植物燈通常採用的紅光及藍光,十分接近植物光合作用所需要的效率曲線,正是植物生長的最佳光源。如果能使LED的應用更加創新,建立消費者對LED產品品質的信心,相信LED必能在照明市場大放異彩!

在全球能源逐漸耗竭的環境下,使用高效率的照明正是最佳節能方法之一,因為在一般的用電結構中,照明用電量占總用電量的比率可以高達19%。LED高發光效率的特點使得它極具潛力來取代傳統光源,正是照明節能的選擇之一。另外,LED的應用可以由點光源拓展至線,延伸到面,因此帶來了照明的創新應用,也帶來照明的新革命。照明不再是照亮我們的環境,更可把照明與藝術、創意、娛樂、醫療、生技結合,帶給視覺與生活更多的變化與感受,使我們的生活進入嶄新的新視界。
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