傳統藍光晶片(氮化銦鎵，InGaN)搭配黃光系列之釔鋁石榴石(Y3Al5O12:Ce3+，YAG:Ce3+)螢光粉是產生白光發光二極體(LED; Light Emitting Diode)的主要方法之一。但是於過去數年間因為白光光譜的均勻性與涵蓋性不夠完整，而導致演色性欠佳，同時在螢光粉的專利上未能取得先機，使LED固態照明的相關產業在發展上受到極大阻礙，但往後隨著螢光粉的多元化與專利陸續解套，勢必發展以螢光粉為基礎的白光LED仍是通往照明主要選擇。
目前市面上常見用以發出白光之發光模組中的發光二極體，由於其具有下列特性：(1)體積小：可用於陣列封裝之照明使用，且可視其應用條件做不同顏色種類的搭配組合；(2)壽命長：其發光壽命可達1萬小時以上，比一般傳統鎢絲燈泡高出50倍以上；(3)耐用：由於發光二極體是以透明光學樹脂作為其封裝，因此可耐震與耐衝擊；(4)環保：由於其內部結構不含水銀，因此沒有污染及廢棄物處理問題；(5)省能源與低耗電量：白光發光二極體為「綠色照明光源」的明日之星，因其耗電量約是一般鎢絲燈泡的1/3~1/5。根據上列眾多優點的LED與傳統照明設備的特性比較如表一所示。
表一、各種照明設備的特性比較
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比較
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白光LED
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日光燈
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白熾燈泡
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反應時間
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< 1秒
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< 60秒
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< 150秒
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發光現象
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晶粒冷發光
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汞氣體發光
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加熱發光
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發光方向
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可依需要設計
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發散
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發散
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壽命
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約> 10,000小時
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約< 6,000小時
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約1,000小時
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耗電量
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10%
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50%
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100%
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耐震動性
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強 (固體)
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弱 (氣體加液體)
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弱 (易碎)
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缺點
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價格高、亮度不足、技術未成熟
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汞汙染、易碎
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高耗電、壽命短、易碎
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所謂「白光」通常係指一種多顏色的混合光，以人眼所見之白色光至少包括二種以上波長之色光所形成，例如：藍光搭配黃光可得到二波長之白光，藍光、綠光、紅光混合後可得到三波長之白光。白光LED發展至今，其製作方法大致上可分為四類，如圖一所示。一開始乃以多晶片型，使用紅、綠與藍三晶片之發光二極體，藉由透鏡混合此三種光，進而產生我們人眼所見之白光。其優點於調整所需之光色、具有高發光效率、高演色性；但同時也因混合後將於光譜間出現空隙，使得色彩不飽和。雖此種方法產生之發光效率可達至20 lm/W，但因每個LED之正向電壓、驅動電流、溫度與光衰減率均不相同，因而造成設計之困難與成本增加且混光不易。
圖一、製作白光發光二極體之四種方法
目前白光LED是以紫外光(UV)或藍光晶片與螢光粉搭配而成的，其共同缺點為發光亮度不足與均勻度控制不易。目前工業界以增加透光度與從晶粒導出或汲取出更多可用發光量來解決發光二極體亮度不足之問題。例如使用透明導電材料以增加晶粒的出光量、改變晶粒磊晶或電極結構設計以利汲取出更多可用發光量。另外當使用紫外光LED作激發白光之光源時，因紫外光的波長越短時對人眼的傷害愈大，須將紫外光阻絕於白光LED結構內。如要改善以上問題則一方面必須提昇螢光粉的白光轉換效率與阻絕紫外光外漏，一方面是希望改進螢光發光量的同時亦可改善發光均勻度。
演色性 (Color rendering)
因光源之種類不同，所看到對象之顏色亦有差異。影響色視度之光源性質稱為演色性。一般而言，演色性佳之燈色視度好，而演色性差之燈色視度差。一般認為人造光源應使人眼正確地感知色彩，即如同於太陽光下看東西相同。當然這需視應用場合與目的而有不同之要求程度。此依據即為光源之演色特性，稱之為"平均演色性指數(general color rendering index；Ra)。平均演色性指數為物件於某光源照射下顯示之顏色與其於參照光源照射下之顏色兩者之相對差異。其數值之評定法為分別以參照光源與待測光源照於DIN 6169所規定之八個色樣上逐一做比較並量化其差異性；差異性越小，即代表待測光源之演色性越佳，平均演色性指數Ra為100之光源可使各種顏色呈現出如同被參照光源所照射之顏色。Ra值越低，所呈現之顏色越失真。於某種光源照明下見到之各種色彩與用標準照明完全相同時，將此燈之平均演色評價指數(Ra)定為100，如下表二所示。
Ra為表示色彩再現保真度之指數，而並不表示色彩之優劣。故有時即使Ra低，產生色差，亦能見到很好之色彩。但如人的臉，有時即使有一點點之色差，亦將感到不自然，給人不健康之感覺。平均演色評價指數Ra低，並不能說此種燈之實用價值低。一般若平均演色評價指數Ra達80以上，即基本上可滿足色彩視度要求較高之照明。
表二、平均演色評價指數(Ra之數值)
高演色性之螢光材料
在單一螢光粉系統中，乃利用藍光發光二極體搭配釔鋁石榴石螢光粉(YAG:Ce3+)所製成單晶粒白光發光二極體(white LED)，由於在形成白光的過程中，部分藍光必須參與混色以得到白光，因此會有色溫(Color Temperature)偏高的問題，特別在高電流操作時，色溫升高的問題會更嚴重。另外，其白光發光光譜內幾乎不含紅色成份，因此其演色性(Color Rendering Index)約只有60~80，作為一般照明用光源時會有演色性不足的困擾。
為解決上述單一螢光粉系統所衍生白光發光二極體演色性偏低的問題，Jang和Jeon研發新穎黃光螢光粉Sr3SiO5:Ce3+,Li+，由圖二中得知，其激發範圍為UV至藍光，且放光範圍寬於YAG:Ce光譜至紅光波段。因此，利用不同波長之晶片搭配YAG:Ce與Sr3SiO5:Ce3+,Li+之光譜圖中(如圖三)，可清楚地得知此新穎螢光粉之發光效率與演色性均高於傳統460 nm藍光晶片激發YAG:Ce。
圖二、Sr3SiO5:Ce3+,Li+之光激發與放光光譜圖
圖三、不同波長LED晶片(a)460 nm (b)405 nm (c)380 nm搭配YAG:Ce與Sr3SiO5:Ce3+,Li+之光譜圖
以目前的應用現況，白光LED有相當多的比例是應用在LCD的背光光源上，但是由於期望達到高演色性(CRI值)的目標，目前大多的CRI值都只能達到7∼80左右，如果希望達到90以上，大多都會在封裝時添加紅色螢光粉。此外，廠商發展利用藍光發光二極體搭配紅光及綠光螢光粉產生白光之雙螢光粉系統。美國Lumileds公司在其專利提到可以將紅光螢光粉搭配YAG (Yttrium Aluminum Garnet;Y3Al5O12)螢光粉使用，即可改善白光LED的演色性。
總而言之，LED已普遍用於資訊、通訊與消費性電子產品的指示燈與顯示裝置，並成為日常生活常用到的電子元件。但是目前全球LED發展趨勢以高演色性與高亮度白光LED為主要發展方向，勢必發展以螢光粉為基礎的白光LED仍是通往照明主要選擇，因此若能取代現有照明光源技術將可為全球能源產業帶來新一波產業革命和文明發展。現階段無論從光學、材料、機械與電子各方面探討白光發光二極體都是可以發揮的領域，其未來發展影響深遠值得產官學研各界共同努力。
作者：劉如熹、林群哲 / 台灣大學化學系
★本文節錄自「工業材料雜誌258期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6954