光電產業是國內目前發展相當蓬勃的產業，也將是我國繼半導體產業之後，有可能會再次創造經濟奇蹟的主要產業之一。而在光電產業當之中，「照明(Lighting)」與「顯示(Display)」是現今兩項極為重要的發展領域，然因全球的化石能源日益枯竭，環境污染也日趨嚴重，能同時符合「節能」與「環保」雙重特性的白光LED(Light emitting diode)，其在「照明」與「顯示」裝置的應用潛力，近年來的確受到高度的矚目及重視。
自從高亮度發光二極體(High brightness LED)成功發展以來，其中白光LED由於發光效率高、壽命長且環保特性優良，一直被視為在下世代照明光源中，將扮演最重要的角色，另外因為白光LED之體積小、驅動容易且光色特性佳，在顯示器之背光源的應用中，應用白光LED被認為是替代目前液晶顯示器之冷陰極管（Cold cathode fluorescent lamp；CCFL）背光源（Backlight）之相當可行的方案，而白光LED也被視為是最具有潛力的背光源產品。
雖然白光LED具有數種可行的製作方式，其中利用螢光粉所製作的白光LED，因具有製作簡單、驅動容易、成本低廉等多項優點，未來於照明與顯示等各項應用中，勢必將會扮演相當重要的角色。本文乃針對白光LED的各項特性進行廣泛的探討。
白光發光二極體特性探討
白光LED係於1996年代左右所發展出來的光源產品，其中最受矚目者乃是以Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體材料製作的「藍光發光二極體」（Blue-LED；發光波長為460 nm左右的藍光），再搭配「釔鋁石榴石」(YAG:Ce3+；Yttrium Aluminum Garnet doped with Ce3+ activator)之黃光螢光粉(螢光主波長為550 nm左右的黃光)所製成(6)，其中發光二極體的藍光經由黃光螢光粉之部份光轉換及混光作用而獲得白光，此類白光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除了前述之藍光LED加上黃光螢光粉的製作方式之外，尚可以藍光LED加上綠/紅光或其他組合之螢光粉，抑或是以UV-LED加上藍/綠/紅光或其他組合之螢光粉而製成；另外也可以直接應用數個不同光色的LED晶片製作成單體白光LED(R/G/B single-package white-LED)，或是直接應用數個不同光色的LED組合而成白光LED模組/陣列(R/G/B white-LED module or array)。
至於螢光材料在LED的應用，除了前述的白光LED之外，對於單一LED晶片所不能獲得的光色如紫紅光部份，抑或單一LED晶片之發光效率較差的光色如綠、黃光部份（約520 ~ 590 nm波段之Yellow-green gap部份光色），以及其他單一LED晶片所不能獲得的「不飽和光」（Unsaturated colors）等色域範圍內的光色，螢光材料亦極具有應用價值。結合螢光粉所製作的發光二極體(Phosphor-converted LED)，可能的應用包括照明、背光源與指示/裝飾等各項特殊用途之上，可參考圖一之說明。
圖一、結合螢光粉所製作之發光二極體的應用說明圖
白光LED在一般照明應用上，根據國外的評估資料可以瞭解重要的考慮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；另外白光LED在一般顯示背光的應用上，相關評估資料則指出重要的考慮因素及相關特性包括：發光效能、使用壽命、成本、光色均勻度與色域/色彩飽和度等。白光LED之各項重要的特性項目及其需求條件，分別詳細說明如下：
1. 發光效能(Luminous efficacy；lm/W)：
發光效能乃是光源產品的最重要特性之一，通常在光源的應用上，倘若輸入與輸出之物理量的單位不同，一般以Efficacy來說明其效率，至於輸入與輸出之物理量的單位相同者之效率指標，則多以無單位的Efficiency來說明(例如以%描述)。白光LED的發光機制乃是將電能(Electrical power；We)轉換為光能(Optical power；Wo)，另因不同波長可見光對於人類眼睛具有相異敏感度的發光效率值，於考慮此項視效函數(Eye-sensitivity function；Vision curve)影響的狀況下，白光LED所發出的光能乃以流明來表示，是故白光LED或其燈具設備系統的效率，通常以發光效能來說明。
目前已有白光LED的實驗室產品，聲稱其發光效能可大於150 lm/W；另許多國際上的LED大廠亦已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所製造的燈具設備，會因系統組合而損失些許發光效能，然上述發光效能數據皆已遠高於能源之星規範之70 lm/W值，單以此項發光效能之因素而言，足見白光LED在未來的確具有十足的應用潛力。
2. 使用壽命(Lifetime；hr or khr)：
光源產品的使用壽命常因材料與發光機制的相異，而具有不同的定義，以熱熾燈泡(Incandescent light bulb)而言，常是以50%數量損壞的時間來定義其使用壽命(Lifetime)；至於LED以往曾以MTBF(Mean-time-before-failure)的觀念方式來定義壽命，而目前則是常以流明數衰減(Lumen depreciation)的程度來定義，其通常選擇流明數衰減至原來的50%或是70%的時間(分別以L50或L70代表之)，來作為LED光源的壽命指標。
針對LED的模組/陣列(Module/Array)而言，目前美國能源之星規範訂定：住家室內(Residential indoor)應用者之L70為25,000小時、住家戶外(Residential outdoor)應用者之L70為≧25,000小時，而所有商用(All commercial)應用者之L70為≧35,000小時。參照美國OIDA Technology Roadmap Update 2002所預測白光LED於2020年之100,000小時的使用壽命，可知美國能源之星所訂定的壽命指標，也應是最基本的要求。倘若根據能源之星規範之35,000小時的使用壽命而言，其約為LED光源產品全時間點亮之接近的4年壽命，倘若以一般辦公場所平均每週使用60小時，一年50個工作週的方式估算，則35,000小時約為11年半的使用時間。另必需特別說明是當白光LED等固態光源到達L70的壽命時間時，祇是產出之流明數降低，實質上仍未完全損壞，故白光LED在使用上之壽命特性，遠優於目前所應用的熱熾燈及日光燈。
3. 色溫(Color temperature；K)：
色溫之定義乃是依據黑體(Blackbody；例如鐵)加熱，當溫度昇高至某一程度以上時，其發光顏色會開始由深紅色(如800K)，經由溫度的升高逐漸改變為淺紅、橙黃、白、藍白、藍(如60,000K)等各種光色，倘若以色度座標系統(如CIE 1931)來觀察，其光色之色度座標變化會呈現出曲線的軌跡，而此色溫曲線一般稱為蒲朗克曲線(Plankian locus；Black body locus；BBL)，可以參考圖二之說明。在實用上，作為照明光源之色度座標，都被要求必需非常接近蒲朗克曲線，否則人類眼睛則會呈現不舒服的感覺。
圖二、光源之色溫曲線說明圖
一般而言，色溫度在3000K以下時，光色有偏紅的現象，給人是一種溫暖的感覺，可稱為暖色系(Warm colors)；而色溫度超過5000 K時顏色則偏向藍光，給人是一種清冷的感覺，可稱為冷色系(Cool colors)。曾有報導指出通常亞熱帶地區的人較喜歡清冷4000K以上的色溫感覺，而寒帶地區的人則較喜歡4000K以下的色溫環境；亦有文獻指出一般美國家庭主要使用2800K至3000K的暖色系白光光源，至於於日本則主要使用5000K的白光光源，甚至有其他國家使用7500K的冷色系白光光源。另外，在不同的應用場所，人類應用照明光源亦存在著不同的偏好，例如美國人在一般辦公室則頗多喜歡使用4200K的白光照明光源，其與家庭常用之低於3000K者有所不同。
4. 演色係數(Color rendering index；CRI)：
演色性(Color rendition)是照明光源能展現物體顏色之忠實程度的一種能力特性，演色性高的光源對物體顏色的表現較為逼真，被照明物體在人類眼睛所呈現的物體顏色也比較接近其自然的原色。演色性通常以演色係數(Color rendering index；CRI)作為指標，其測量標準是將標準參考光源照射物體所呈現之顏色定義為100(即100%真實色彩)，另外則以測試光源照射物體所呈現之顏色的真實程度的百分比數值(如75；即75%真實色彩)，作為此測試光源的演色係數。其中標準參考光源的選擇與色溫有關，在色溫小於5000K(CCT＜5000K)時，通常選擇黑體輻射光源(Black body radiator；如熱熾燈)，而於色溫高於5000K(CCT≧5000K)時，則選擇D65(Illuminant D65；色溫6504K)作為標準光源。
5. 色域/色彩飽和度(Color gamut/Color saturation)：
色域係指彩色顯示器等所能顯示顏色多寡(即如顯示器在CIE色度座標系統上所能顯示的顏色範圍或領域)的一種特性指標，實用上亦有稱為色彩飽和度。相對於演色性之於照明光源的重要性，色域特性則是顯示器展現其色彩能力的重要指標。實質上，單一白光LED是無法討論其色域性質，因其單獨本身並不具有色域之這項特性指標。然而，當白光LED應用作為如TFT-LCD等顯示器之背光源時，經由彩色濾光膜後會分解成紅/綠/藍(R/G/B)等三原色(3 primary colors)，各畫素(Pixel)再透過這三原色的光量控制而可以展現各項色彩，而其所應用之白光LED背光源的特性，則會影響此顯示器之色彩展現能力。
彩色顯示器的色域特性，通常與紅/綠/藍等三原色光之主波長(Dominant wavelength)及其色純度(Color purity)息息相關(亦即與三原色光之色度座標位置相關)，在適當的主波長狀況下，高色純度的三原色光可以獲得較寬廣的色域。由於當顯示器以白光LED作為背光源時，其紅/綠/藍之三原色的主波長及色純度等光色特性則與白光LED本身之光譜有關，是故色域/色彩飽和度也列為本項白光LED特性的探討項目之一。
作者：葉耀宗、董建岳、劉偉仁、張學明、陳政民/ 工研院材化所
★本文節錄自工業材料雜誌257期，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6893