白光LED和荧光粉：谁是照明光源王道

　　引言

　　照明（Lighting）与显示（Display）是现今光电产业中两项极为重要的发展领域，而的化石能源日益枯竭，环境污染也日趋严重，能同时符合“节能”与“环保”双重特性的白光LED（Light emittingdiode），其在照明与显示装置的应用潜力，近年来的确受到高度的瞩目及重视。

　　白光LED因具有节能与环保的双重特性，一般认为会是取代热炽灯与荧光灯的革命性光源；而荧光材料则是照明与显示装置的关键材料，尤其是自从高亮度LED蓬勃发展以来，再度又受到高度的重视。白光LED具有数种可行的制作方式，其中利用荧光粉所制作的白光LED,因具有制作简单、驱动容易、成本低廉等多项优点，未来于照明与显示等各项应用中，势必将会扮演相当重要的角色。

　　目前有三种较普遍的方法去制作白光LED,种是将红光、绿光、蓝光，三色做混光；第二种是利用紫外光 LED发光然后通过红色、绿色、蓝色的荧光粉，而混合出白光；第三种则是利用蓝光打在黄色荧光粉上，混合出白光。现今之高亮度LED多数系利用多元磷化物（如InGaAlP等）或氮化物（如InGaN等）等半导体材料制作而成，其发光颜色因受发光机制与材料能隙的限制，故皆属于窄波宽的单色光。然就照明与显示之应用而言，则多数需要使用白色光源，倘若利用LED来制作白色光源，必需应用光色组合的技术，始能达成获得白光的目的。目前在白光LED之光色组合的各种可行技术当中，利用单芯片LED（Single-chip LED）结合各类型荧光材料来进行光色转变及混光作用，可谓是一种便捷、节省成本的方法，而其中应用无机物荧光粉（Phosphor）所制作的白光LED,一般又称为PC-White-LED（Phosphor- converted white-LED）。

　　LED（Blue-LED+Yellow phosphor）而言，有文献资料指出，目前此类白光LED之放射光谱中，蓝光波段部份约占白光总光能的31%,而经由荧光粉转换的黄光则占有白光总光能的69%的比例。

　　另一方面，若以UV-LED结合荧光粉所制作的白光LED（UV-LED+R/G/B phosphors等）而言，来自UV-LED的紫外线乃全部经由荧光粉的转换而形成可见光，故经由荧光粉转换的光能，几乎接近白光总光能的100%.根据上述分析，可以清楚地了解荧光粉在单芯片白光LED所占有的重要性及地位。

　　1  白光LED

　　白光LED早乃是以蓝光LED搭配“钇铝石榴石”（YAG:Ce3+;Yttrium Aluminum Garnet dopedwith Ce3+ activator）之黄光荧光粉所制成，此类白光LED的推出引起的瞩目，也肇始了LED应用的新纪元。事实上，白光LED除了前述之蓝光LED加上黄光荧光粉的制作方式之外，尚可以蓝光LED加上绿/红光或其它组合之荧光粉，抑或是以UV-LED加上蓝/绿/红光或其它组合之荧光粉而制成。

　　另外也可以直接应用数个不同光色的LED芯片制作成单体（Single-chip）白光LED,或是直接应用数个不同光色的LED组合而成白光LED模块/数组（LED module or array），虽然其驱动回路较为复杂，相对成本也较高，然在显示背光等方面的表现上，所能获致的色彩饱和度或色域特性颇佳[7],其与结合荧光粉所制作的白光LED,在应用上具有不同的考虑因素。

　　荧光粉在LED的应用，除了前述的白光LED之外，对于单一LED芯片所不能获得的光色如紫红光及“不饱和光”等色域范围内的光色，抑或单一LED芯片之发光效率较差的光色如绿、黄光部份（约520~590 nm波段之部份光色），皆具有应用价值。至于结合荧光粉所制作的发光二级管，可能的应用包括照明、背光源与指示/装饰等各项特殊用途之上。至于白光LED在照明与显示背光应用所须考虑的重要特性，包括：发光效能、使用寿命、色温、演色系数与色域/色彩饱和度等，国际上针对上述之重要特性，目前亦正积极地草拟或制定相关的规范与测试标准。至于白光LED之各项重要的特性及需求条件，分别说明如下。

　　1.1 发光效率

　　发光效率乃是光源产品的重要特性之一。白光LED或其灯具设备系统的效率，通常以发光效率（Luminous efficacy;Lumens per watt;LPW;lm/W）来说明。

　　根据美国于2007年9月所公布有关固态光源灯具设备的“能源之星（ENERGY STAR?）”规范，其中A类要求（Near-term applications）系根据不同的灯具设备及应用（如室内或户外）所订定，其发光效能介于20~35 lm∕W之间；而B类要求（Future performance targets）所订定的发光效能则为≧70 lm/W.

　　1.2 使用寿命

　　目前LED多数以流明数衰减（Lumen depreciation）的程度来定义使用寿命，通常选择流明数衰减至原来的50%或是70%的时间（分别以L50或L70代表之），来作为LED光源的寿命指标。针对LED的模块/数组（Module / Array）而言，目前美国能源之星规范订定住家室内应用者之L70为25,000小时、住家户外应用者之L70为 ≧ 25,000小时，而所有商用应用者之L70则为≧35,000小时。另外一项与寿命有关的特性为白光LED的颜色维持率（Color maintenance），美国能源之星目前规定在前述的使用寿命期间内，所有固态光源灯具设备的CIE 1976色度坐标值的变化必需小于0.007.

　　1.3 色温

　　色温之定义乃是依据黑体加热，当温度升高至某一程度以上时，其发光颜色会开始逐渐改变，其中各种光色所对应的温度以温度K（Kelvin）来表示即为色温，而此色温曲线一般称为蒲朗克曲线（Plankian locus）。 　　至于不在蒲朗克曲线上之色度坐标者，通常选择曲线上之接近的色温来代表，此称为关联色温（Correlated color temperature;CCT），一般可以相关的iso-CCT lines（与蒲朗克曲线相交之各线段）来辅助判定，目前美国能源之星的规范针对所有固态光源之灯具设备（All luminaries），是将2,500K之7,000K的色温范围，在色度坐标系统（如CIE 1931）内沿着蒲朗克曲线，而区分成2,700K、3,000K、3,500K、4,000K、4,500K、5,000K、5,700K与6,500K等八项标准色温（Nominal CCT）之八个四边形区块（Quadrangles）如图4-3-4所示，对于每一个区块顶点的坐标亦有明确的定义，亦即如白光LED等固态光源之色度坐标，皆需落在这八个四边形区块内。另外一项与色温有关的特性为颜色均允度（Color SpatialUniformity），其中不同视角所呈现的CIE 1976色度坐标值的变化必需小于0.004.

　　1.4 演色系数

　　演色性（Color rendition）是照明光源能展现物体颜色之忠实程度的一种能力特性，通常以演色系数（Color rendering index;CRI）作为指标，其测量标准是将标准光源（热炽灯或D65标准光源）照射物体所呈现之颜色定义为100（即100%真实色彩），另外则以测试光源照射物体所呈现之颜色的真实程度的百分比数值（如75;即75%真实色彩），作为此测试光源的演色系数。演色系数的测量及计算[13],乃是利用十四种标准颜色之样品（14 selected Munsell samples;）求出每一种标准颜色之演色系数值。美国能源之星目前有关演色性的规定为对室内使用的所有固态光源灯具设备之演色系数不得小于75（注：原文为CRI,判断应是指Ra值）。

　　1.5 色域/色彩饱和度

　　色域系指彩色显示器等所能显示颜色多寡（即如显示器在CIE色度坐标系统上所能显示的颜色范围或领域）的一种特性指标，实用上亦有称为色彩饱和度。

　　相对于演色性之于照明光源的重要性，色域特性则是显示器展现其色彩能力的重要指标。实质上，单一白光LED是无法讨论其色域性质，因其单独本身并不具有色域之这项特性指标。

　　然而，当白光LED应用作为如TFT-LCD等显示器之背光源时，经由彩色滤光膜后会分解成红/绿/蓝（R/G/B）等三原色，各画素再透过这三原色的光量控制而可以展现各项色彩，而其所应用之白光LED光源的特性，则会影响此显示器之色彩展现能力。

　　目前显示器的色域特性，常以NTSC（National Television System Committee）所制定的色域范围作为比较标准，其所制定之三原色的CIE 1931色度坐标（x,y）值分别为：R（0.674,0.326）、G（0.218,0.712）、B（0.140,0.080）。以目前液晶显示器之常用的冷阴极管背光源而言，其所能展现色彩的能力仅为NTSC之72%左右，至于应用白光LED作为背光源的液晶显示器，许多厂家号称其显色能力皆已超过100%的NTSC范围。

　　2  荧光粉

　　各类型荧光材料之中，目前以“光致发光（Photoluminescence）”荧光材料的应用为广泛，应用于LED也是此类的材料，即所谓的光转换材料。通常，无机荧光材料乃是由“主体材料（Host materials）”、“活化剂/发光中心（Activators/Luminescent centers）”及其它“掺杂物”（Dopants）等所组成，其中主体材料多数由硫化物、氧化物、硫氧化物、氮化物与氮氧化物等所构成，而活化剂/发光中心则主要为过渡元素或稀土族元素的离子为主，至于目前常见可应用于LED的荧光材料。

　　如前所述，单芯片型白光LED必需应用荧光材料，始能获得照明所需的白光，而荧光材料攸关单芯片白光LED的发光效率、安定性、演色性、色温、使用寿命等项特性，可谓是单芯片白光LED系统中相当重要的关键材料。

　　至于LED用荧光粉的重要特性需求包含：（1）适当的激发光谱（2）适当的放射光谱（3）高能量转换效率 （4）高安定性等重要项目，而各项特性分别说明如下。

　　2.1 激发（Excitation）特性

　　荧光材料在白光LED的应用当中，激发波段与发光颜色的匹配，是重要的先决条件，目前应用荧光材料所制作的白光LED,其LED之放射波长多属于近紫外线或紫、蓝光范围，是故荧光材料之适用激发特性为在350~470 nm之波段范围内，可以被UV-LED or Blue-LED所激发者。

　　荧光材料之激发特性常以激发光谱（Photoluminescence-excitation spectrum;PLE）来判断，通常也可以用荧光光谱仪（Photoluminescence analyzer）进行量测。由于目前LED之发光光谱之波形半高宽多介于10~30 nm之间，且其发光波峰有可能会受操作因素（如温度、功率之影响）而有所迁移，故荧光材料所具有之激发波段通常越宽广越佳。

　　2.2 发光（Emission）特性

　　荧光材料之发光特性可以其发光光谱（Photoluminescence Spectrum;PL）来判断，其亦可利用荧光光谱仪量测获得。除此之外，发光特性亦可应用色度坐标分析仪所量测之色度坐标（CIE Chromaticitycoordinates）值，进行辅助判断，如此更能完整了解荧光材料之发光特性。

　　荧光材料在不同的应用领域，是具有不同的需求特性，例如在照明方面的应用，美国OIDA资料（8）指出610 nm （R）、540 nm （G）、460 nm （B）的三原色主波长，可能是一种理想的白光组合；另外在显示背光方面的应用，则有文献认为625 nm （R）、535 nm （G）、450 nm （B）的三原色主波长，可以表现出的色彩。

　　2.3 能量转换效率（Energy-conversion efficiency）

　　荧光材料在LED的应用当中，严格而言是必须同时考虑史托克转换效率、量子效率与光散射转换效率等诸项重要效率因素。

　　史托克转换效率（Stokes conversion efficiency;SE;ηSS）乃是因荧光材料于光转换的运作当中，通常是遵循一对一的光子转换程序，而由高能量的短波长光子转变成低能量的长波长光子会产生能量损失，其所呈现的能量转换效率即是所谓的史托克转换效率。而应用荧光粉制作之LED,荧光材料之激发与发光的波长差距不宜太大，否则会产生过多的史托克能量损失。

　　量子效率（Quantum Efficiency;QE;ηQE）则为荧光材料进行光转换的实际效率指标，其定义为：

　　QE =（No. of photons emitted）/（No. of photons absorbed）

　　亦即荧光材料的量子效率为其进行光转换所放出光子数目与其所吸收光子数目的比值。荧光材料的量子效率通常可应用荧光光谱仪结合积分球来测量，然由于荧光粉的来源、质量、激发波长及量测方式等因素的不同，各文献所报导之量子效率值常有明显差异。

　　在此必需特别说明的是荧光材料的效率指标，亦可以使用能量转换效率（Energy efficiency;EE;ηEE）来表示，其定义为：

　　EE =（Output or emitted power）/（Input or emitted power） = QE×SE

　　此为荧光材料进行光转换所释放出光能（或功率）与其所吸收光能（或功率）的比值。光散射转换效率（Scattering Efficiency）乃是荧光粉应用于LED当中，由于与封装材料之折射系数的不同，而产生光散射损失后所呈现的能量转换效率，另因在光转换的过程中，扣除光散射损失能量，才是荧光粉的吸收能量，故光散射转换效率亦有以吸收效率（Absorption Efficiency;AE;ηAE）表示之。光散射损失与相对折射率、粉体粒径与光的波长等项因素相关，而荧光粉在LED的应用当中，其损失有可能高达10~20%的总能量比例。

　　2.4 安定性（Stability）

　　荧光材料应用于LED的安定性，可分为环境安定性与温度安定性等不同层面进行考虑。荧光材料的环境安定性，其与所具有的化学安定性密切相关，例如荧光材料必需对于水、氧甚或紫外线等必需具有高度的安定性，如此始会具有较长的使用寿命。一般而言，硫化物系列荧光材料的环境安定性较差，其较容易受水、氧及紫外线的影响而产生劣化现象，相对地氧化物及氮化物系列荧光材料的环境安定性则较为优良。 　　另就温度安定性而言，许多研究发现荧光材料于光转换之运作时，常会因温度的升高而导致发光效率的降低[15],并有可能发生色漂移（Color shift）的现象。近的相关研究[16]发现许多氮化物系列荧光材料的温度安定性颇佳，这也是氮化物系列荧光粉在目前LED的应用当中，颇受瞩目的主要原因之一。

　　2.5 白光LED与荧光粉关联性

　　荧光材料与单芯片白光LED之重要特性的关联性，如图4-3-6所示，由图4-3-6可以了解在利用荧光粉制作的白光LED当中，荧光粉的吸收效率或光散射转换效率、量子效率、史托克转换效率等多项因素，密切影响白光LED整体的发光效能。其中K（lm/Wo）值即是LER（Luminous efficacy of radiation）或是所谓的的理论效率值，是与发光光谱及人类眼睛之视效函数（Vision curve）有关，研究资料曾指出合理之白光光谱，其K值范围约介于200~400lm/Wo之间，然与此白光光谱之色温及演色性，具有密切关联性。

　　一般而言，在固定的色温状况下，演色性愈高者，其K值愈低；另在固定的演色性状况下，色温愈高者，其K值也愈低。另外值得特别说明的是：白光LED的发光光谱与其所选用荧光粉的种类、荧光粉的用量及配方等息息相关，而这也是影响白光LED光源之色温、演色性等光电特性的重要因素。

　　3  结语

　　白光LED为省能源与符合环保需求的“绿色”光源，近年来的发展结果显示，白光LED作为照明与显示等项光源的时代已经来临，而应用荧光材料所制作的白光LED,因具有低成本及制作简易的诸项优点，势必成为未来白光LED的主流产品之一。