白光LED固態照明:光源與照明設計之間

 

刊登日期:2022/8/5
  • 字級

孫慶成 / 中央大學光電科學與工程系
 
白光LED已經展現其多方位的優勢,因而廣泛地使用於一般照明與特殊照明。然而白光LED仍存在幾項嚴肅的課題,因此在一些高端的應用上仍受限制。本文針對上述的議題,對於白光LED視效效率有一番探討,並說明了其主要的瓶頸是在於光密度的限制,而其原因不只在LED晶粒上的問題,在封裝上的挑戰也不少。本文特別舉出我們在車頭燈與超遠距投射燈上的設計與發展,以之來探討光源與照明設計之間的有趣課題。
 
【內文精選】
白光LED發光效率
LED的發光層是複數個量子井,基本上我們可以將之簡化成一個活性層。這個活性層可以讓從兩端送進來的電子電洞對進行有效的結合,結合的能量可以轉為光子。成功轉為光子的比率與LED磊晶的品質、LED的溫度與其他的因素相關。被輻射的光子由於是在光學的重介質(折射率值高)中發生,因此很容易因為內部全反射而被鎖在LED腔體內,最後導致光子被吸收而無法離開LED的晶體。輻射的光子能溢出LED晶粒的比例已可達到70%或更高,此種以溢出的光子對於電子電洞對的比例稱為外部量子效率(EQE)。一個LED晶片的效率優異與否與EQE有絕對的關係,但是別忘記了,LED晶粒必須承載在支架或是特殊設計的基板上,方能將外部的電路導引其上,並讓溢出的光子通過螢光粉的波長轉換形成白光,這個結構或做法就是所謂的白光LED封裝(Package)。
 
過去在探討白光LED的發光效率上,並不是以光子數對於電子電洞對的比例來看,這是因為經過螢光粉的轉換後,其光子的波長已涵蓋整個可見光區。為了瞭解最接近實際情況的封裝效率,本研究團隊定義了封裝效率,為「封裝後的白光光子功率與封裝時不加螢光粉時的藍光在溢出藍光晶粒之光子功率的比例」。
 
以實驗獲得封裝效率並不簡單,本團隊花了不少功夫以實驗與計算獲得這個被增強EQE的藍光光子功率,也因此,以七種封裝方式去計算封裝效率。更複雜的問題是,白光LED的發光隨著螢光粉的粒徑大小,以及在封裝體中的濃度與位置,還和封裝體的支架、碗杯或是基板的反射率息息相關。而這些不但影響最後的效率,還影響白光的色溫(CCT),上述的研究需要相當精確的螢光粉模型來進行精準的模擬。圖四就是在螢光粉粒徑、螢光粉的吸收與腔體的反射率上分析所得的封裝損失。實驗所得之量測趨勢與模擬分析相似,代表理論的模擬分析具有相當的準確度,但是模擬仍較實驗更為理想化,因此,其數值只能當作高標參考值。依照圖四的分析結果,當CCT在6,500 K ± 100 K時,最低的封裝損失達到23%,因此,原來EQE可達到70%的藍光晶粒,經過封裝後,其最終的效率最高也難以超越55%。而損失的45%或更多的能量,則以熱能分布於LED晶粒與螢光粉所在的腔體中。
 
圖四、以數種參數進行封裝之能量損失的計算,以第七種封裝形式具有較低的能量損失;模擬計算時是以CCT為6,500 K ± 100 K為比較標準,此模擬相當複雜,須以中央大學所發展之超精確螢光粉模型進行精確模擬,其中α為螢光粉粒徑,R為腔體表面之反射率
圖四、以數種參數進行封裝之能量損失的計算,以第七種封裝形式具有較低的能量損失;模擬計算時是以CCT為6,500 K ± 100 K為比較標準,此模擬相當複雜,須以中央大學所發展之超精確螢光粉模型進行精確模擬,其中α為螢光粉粒徑,R為腔體表面之反射率
 
車頭燈
車頭燈(Vehicle Headlamp)是車輛中最重要的燈具,包括遠光燈、近光燈、霧燈與白晝燈。其中近光燈與霧燈是具有防眩的照明燈具;遠光燈的使用是在特殊環境下,當前方無任何車輛或行人時方可使用,因此無防眩的考量;白晝燈則非照明燈具,而是在白天用來增加車輛可視性的訊號燈,因為是向路上的車輛或行人直接投射,因此,其光強度需控制在一定值以下,猶如車後燈般,即可達到使用的目的。
 
因為我們的目標是體積小的自行車頭燈,因此,我們使用單一反射杯來進行投射的設計。為達到光形規定,我們設計了一個多區段的反射杯,如圖七所示。在圖七的反射杯中,我們在反射杯上劃分了26個段面,然後以每個段面為接受體去計算光源投射過來的光展量,光展量較小的區段會被用來塑造截止線,亦即其投射的光通量將落於A點附近。量測結果顯示不但符合法規,其對比度甚至超過50。本實驗室過去的設計中,最佳的量測對比度超過150,該自行車車頭燈的光學表現已達機動車的水準,卻仍保有輕量、體積小與低價的特性---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖七、(a)多區段的反射杯;(b)製作完成的反射杯與白光LED光源一起進行量測實驗
圖七、(a)多區段的反射杯;(b)製作完成的反射杯與白光LED光源一起進行量測實驗
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》428期,更多資料請見下方附檔。

分享