多晶片 LED 混光發光機制

表 1- 2 利用多晶片 LED 混成白光 LED 的先前文獻

第二種白光 LED 機制為多晶片混光，表 1-2 列出使用這種技術的相關文獻 參考。將兩顆以上不同顏色的 LED 調整之間的光強度比例，形成白光，做法也可 以有很多種，而用此種多晶片的混光方式優點在於不會因為 LED 內部 Stokes Shift Loss 而造成它在出光前的能量損失，不過缺點是每個波長的 LED 發光功率不一 樣，尤其在綠光 570 nm 附近有較低的發光效率，是目前製程上一大困難，此外 單波長 LED 光強度也易受電流還有溫度的影響。在另一方面，考慮強度比例的混 合白光的問題，目前也有科學家們利用優化頻譜來達到最高效率和演色性的 LED 波長與強度組合。Neil Holger White Eklund 在 2002 年時使用 genetic algorithm (GA) 在特定色點(CCT)的情況下的優化 lumi- nance efficacy 與 CRI 值[7]。他們也提出了 Target Objective Genetic Algorithm (TOGA)的方法，利用頻譜優化找尋最佳的發光 效率。Harald Ries 等人在 2004 年也發表用四種 LED 色光混出色溫值在 1800 K 到 200000 K 之間的色點，並且對 CRI 與發光功率的進行討論與比較，而四種 LED 的

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混光系統因為只有一個維度，模擬上比較容易進行[8]。若是對於四種以上的 LED 混光，Arturas Zukauskas 等人發表一系列有關多晶片混成白光 LED 的論文研究。

他們以簡單的目標函數表示多晶片混成白光 LED，主要是圍繞在目標函數的優化 上[9-12]，亦為本論文主要的研究課題。

在他們的研究中對於目標函數的優化上[10-12]，給與目標函數的定義如下:

(Eq.1.1)

其中 為控制 luminous efficacy(文章中都以 K 為代表)與 CRI 值間的比重參數(下 一章節會針對 luminous efficacy 以及演色性的相關參數做介紹)；而 分別代表 使用的 LED 的波長以及強度；n 為 LED 的編號，優化的重點著重在藉著改變不同 權重 值，試著找尋整個目標函數的極值(global maxima)。而他們的研究中共使 用兩至五種光源(primary sources)來處理色溫 4870 K 的白光問題，先將問題簡化 成兩色 Dichromatic LED(假設半高寬 FWHM 為 ±15 nm)的狀況，以 1 nm 為單位，

根據每種可以合成 4870 K 色溫的波長組合，計算出 CRI 值與輻射光視效能，並且 將之記錄繪製成 K 與 Ra 的關係圖(圖 1-5a)，圖中右上方邊緣處可以看到在白色

的圓圈是最佳解的部分，代表這些波長組合的 LED 是擁有最佳的 CRI 以及 K 值。接著他們繼續優化了三顆 LED 的波長組合中得出的 K 與 CRI 關係圖(圖 1-5b)。

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(a) (b)

圖 1- 5 CRI 與 Efficacy 之關係 (a) 兩色光組成白光 (b) 三色光組成白光[9]

圖 1- 6 比較兩到五種不同 LED 組成 4870 K 白光的 CRI 與 Efficacy 關係[9]

並指出三顆 LED 混合的最佳點為 450 nm、540 nm、610 nm 的組合，用三顆 LED 混光也會比兩色的 LED 混光在同樣演色性下，Efficacy 增加 20%，他們同時也建 議最好避開 500 nm 以及 580 nm 的光源(因為發光效率太低)。在圖中可以發現邊 緣處的白色圓圈串連起的一條線，跟兩顆的結果一樣，這條線也代表著目標函數 的最佳組合的波長值，沿著這條線不難發現 Efficacy 與 CRI 確實存在一種 Trade-off 的關係。A. Zukauskas 等人將優化的二到五個光源最佳的組合的結果繪在圖 1-6 中，十字處是代表每種情況目標函數合理(考慮 Efficacy)下的最高 CRI 值。

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多晶片的混光 LED 必頇要注意一點是光源易受電流以及溫度的影響而導致 顏色錯誤(color error)，在應用方面，多晶片混光 LED 比螢光粉加晶片的 LED 更具 活用的空間，它可以根據不同的要求調整強度比例，改變混合出光的頻譜已達到 想要的效果。最常被引用的例子就是在治療 SAD (Seasonal Affective Disorder)的疾 病上，不同的視網膜對於感光的靈敏度與波長也不同，紅光以及琥珀色對 L-型圓 料被發掘，許多研究相繼投入。直到 1990 年，Nakamura 等研究團隊，發現用 AlGaInN 材料可以做成高效率的藍光 LED，使的白光 LED 的夢想終於被實現，而 用半導體材料做成白光 LED 被稱為固態照明(Solid State Lighting)。白光 LED 的發 展為未來的照明光源帶來了一束生機，但由於用螢光粉發光的白光 LED 價格昂貴，