LED用螢光材料技術之現況及發展趨勢(上)

刊登日期:2015/3/5
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白光發光二極體
發光二極體(Light Emitting Diode; LED)乃是一種固態的半導體元件,其係利用各種化合物半導體材料所製造而成,並將電流順向導入此元件,進而造成電子與電洞的結合而發光。發光二極體的發展源自於1907年,由Henry J. Round所發表碳化矽晶體在高電壓下產生發光的現象。1955年,美國無線電公司(Radio Corporation of America)的Rubin Braunstein首度發現了砷化鎵(GaAs)及其他半導體合金的紅外線放射作用。1962年,通用電氣公司的Nick Holonyak Jr.開發出第一種實際應用的可見光發光二極體,自此紅光LED發明之後,其他顏色的LED也相繼出現。直到1990年初期,藍光LED才被製造出來,其後LED的全彩化才得以實現。初期的LED多使用於指示燈、顯示板等方面的應用;而現今LED的應用範圍則相當廣泛,從照明、背光、廣告招牌、交通號誌、紅綠燈、手電筒、相機閃光燈、裝飾燈等,皆可看到LED的應用蹤跡。美國能源部相關資料預測LED光源於未來幾年將會逐漸主宰照明市場,在2020年左右將有近50%的市場比例(圖一)。


圖一、各種不同光源燈具系統的年銷售量預測說明圖

現今白光LED的主要製作方式分別是1.三原色(藍/綠/紅)LED混成白光;2.藍光LED+黃光螢光粉;3.藍光LED+綠/紅光螢光粉;4.紫外線LED+藍/綠/紅光三原色螢光粉,如圖四所示。其中,1是應用數個不同光色LED所製成的白光LED,屬於多晶型白光LED(Multi-chip White-LED);而2~4是單一LED晶片加上螢光粉所製成的單晶型白光LED(Single-chip White-LED),因其應用螢光材料進行光色轉換及混光,故又稱為PC-LED(Phosphor-converted LED)。


圖四、白光LED的主要製作方式

LED用螢光材料技術之現況
螢光性物質應用在照明與顯示元件來進行光轉換功能,並非從LED才開始,所應用的螢光性物質也不是只有無機螢光材料。Bell Labs於1972年的美國專利US 3691482中,曾提出利用雷射光源掃瞄含有螢光粉的螢幕,進而組合成白光或其他所需的色彩;日亞化學則於1993年的日本專利申請中(Kokei 5-152609;此專利申請已取消),提出過氮化鎵系列LED結合有機螢光色素(Organic Fluorescent Dyes/Pigments)的應用範例。其後,螢光性物質應用在LED的相關專利,如雨後春筍般不斷推出(圖六)。

一般而言,LED用螢光材料的特性需求包含(1).適當的激發(Excitation)光譜;(2).適當的放射(Emission)光譜;(3).適當的Stokes Shift;(4).高量子效率(Quantum Efficiency);(5).優良的熱淬滅(Thermal Quenching)特性;(6).化學安定性(Stability)佳;(7).抗飽和(Saturation)特性佳等重要項目。表二為目前已開發之各色系重要LED螢光粉。由圖六及表二可知目前重要的LED用螢光材料中,氧化物LED螢光粉之發光顏色涵蓋藍光至黃光之間、硫化物螢光粉之發光顏色涵蓋綠光至紅光之間、氮化物/氮氧化物LED螢光粉之發光顏色亦是涵蓋綠光至紅光之間,鹵化物螢光粉之發光顏色主要為紅光。其中,硫化物及鹵化物螢光粉因其化學安定性較差,較不具實際應用價值;而氧化物及氮化物/氮氧化物LED螢光粉化學安定性較佳,為目前白光LED實際常使用的螢光材料。

圖六及表二亦清楚指出,現今各項重要LED螢光粉多以Eu2+ 、Ce 3+(4f→5d電子遷移之離子)或 Mn4+等金屬離子為活化劑,其主體材料則由硫化物、氧化物、硫氧化物,逐漸朝往鹵化物、氮化物/氮氧化物等方面發展。目前可用於藍光或紫外線LED激發,而放射可見光的螢光粉種類相當豐富,現今市面上的LED螢光粉以氧化物中之鋁酸鹽(Aluminates)、矽酸鹽(Silicates)類螢光材料,以及氮化物/氮氧化物系列螢光材料等較為常見,分別說明如下……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

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作者:葉耀宗、黃健豪、張學明/工研院材化所
★完整內容請見下方檔案。


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