第二章 資料蒐集與文獻分析
第二節 白光 LED 發光原理及燈具介紹
發光二極體的英文名稱為Light Emitting Diodes，簡稱為 LEDs，
主要是由Ⅲ-Ⅴ半導體材料或是Ⅱ-Ⅵ材料製成的 P-N 二極體，而 PN 接面產生的電位能使導電帶（conduction band）和價電帶（valance band）
彎曲，阻止電子和電洞流動；若將順向偏壓的正電壓接於 P 型半導 體，負電壓接於N 型半導體，讓半導體內部的費米能階（Fermi level）
不再對齊，使PN 接面能階障礙降低，大量的電子和電洞會受到電場 的 驅 動 在 半 導 體 材 料 中 流 動 到 PN 接 面 空 乏 區 進 行 復 合 (recombination)而產生自發光(spontaneous emission)，如圖 2-2.1，可將 電能轉換成光能的高效率冷光發光元件。
圖 2-2.1 LED 發光機制圖
（資料來源︰本研究整理）
LED 依使用材料的不同，其電子和電洞在傳導帶和價電帶中所 佔的能階也會不同，電子跟電洞之間的能階差高低會影響結合成光子 的能量，故LED 發出的波長主要會受材料能隙（energy bandgap）的 影響，可以利用能量守恆原理，以下式簡易計算發光的波長。
λ=1240/Eg(nm) (2-2.1 式) 其中，Eg 為半導體的能隙，單位為 ev。
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一、白光LED 發光原理
目前LED 發出的光色是單一的，需靠一些混光方式，才能 得到所要的白光，故現階段的高功率白光LEDs 製程可分為下面 幾種：
1.藍光LED＋黃色螢光粉
自日本 Nichia(日亞)公司成功開發氮化銦鎵(InGaN)藍光 LED 後，藍光發光二極體加上黃色螢光粉已成為白光 LED 製作 方式的主流，其發光原理主要利用藍光二極體發出 460nm 波長 的藍光，激發黃色螢光粉體吸收藍光轉換成 555nm 的黃光，再 與未被吸收的藍光相互混合，得到混色的白光，目前最常見的黃 色螢光粉係由釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)所製成 的，其化學式為Y3Al5O12。
目前此方法所生產製白光 LEDs 之光通量會比其他技術要 高，且價格較便宜，廣為業界採用。然該方法也有部分缺點，例 如若螢光粉之效率未達到完全能量轉換，會使許多能量轉換成熱 能釋放，造成LED 整體溫度升高，使光轉換效率變差及產生波 長飄移現象，造成 LED 光源色溫會隨著垂直角之變化，而有所 不同的色偏現象。
圖2-2.2 藍光 LED＋黃色螢光粉光譜圖
（資料來源︰高功率白光LED 照明之光學設計，2009）
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2.UV LED＋RGB螢光粉
UV 發光二極體搭配 RGB 螢光粉方法的原理，跟目前家用 的日光燈發光原理是一樣的，利用 UV 二極體發出紫外線波段的 光，去激發塗佈在 UV 二極體外圍的 RGB 三色螢光粉，完全吸 收紫外光轉換成 RGB 三原色，得到白光，由於它是利用 RGB 三種顏色混合變成白光，所以色再現性很高。但目前由於UV 二 極體的發光效率不高，且所使用的螢光粉並非針對紫外光作激發，
使光轉換效率較低，及考量紫外光會使封裝樹脂與螢光粉劣化，
需額外開發抗紫外光材料等因素，目前業界較少應用產品。
3.一體化 RGB 白光 LED
將 RGB LED 二極體直接封裝在一起，調整 RGB 二極體發 出的光通量比例，直接配成白光，此方法是最早被用於製造白光 的方式，因為是由二極體發光直接混成白光，不需經過螢光粉轉 換，會有較佳的發光效率，而且可利用電路控制，達到全彩的效 果。但一體化RGB 的混光目前存在一些問題須克服：
(1) 受限於施加的電流量受到限制，不易獲得高輸出效果。
(2)RGB 二極體為個別獨立個體，故需給一段的混光距離才能得 均勻白光，否則易見 RGB 三光色。
(3) RGB 二極體因時間的衰減量不一，混出的白光會隨時間變化 而改變，需配合感測器適時的調整片電流量，維持穩定的光 色。
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圖2-2.3 一體化 RGB 白光 LEDs 光譜圖
（資料來源︰高功率白光LED 照明之光學設計，2009）
二、LED 照明系統架構
LED 照明系統由 LED 光源、LED 驅動電路、控制系統、反 射罩或透鏡等二次光學機構、散熱機構所構成。LED 光源如同 螢光燈、複金屬燈、省電燈泡般，是負責提供光線輸出的光源體；
LED 驅動電路，是將市電或其他來源提供的電力，轉換成適合 驅動LED 的電壓或電流，提供 LED 適當的電力。控制系統主要 控制 LED 光源的亮度、顏色等功能；二次光學機構則是透過折 射或反射的原理，將 LED 光源所發出的光線投射到適當的照明 空間，或者變成特殊的光線輸出角度，達到聚光或散光等功能。
散熱機構則是藉由導熱機構及散熱機構，將 LED 光源所發出的 熱傳導至外界環境。
圖2-2.4 單顆 LED 封裝後示意圖
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圖 2-2.5 LED 照明系統模組照片
（資料來源：內政部建築研究所，2013）
三、直管型 LED 燈管種類與應用
囿於長久以來，消費者使用習慣對螢光燈管較為熟悉，故 LED 應用也以採燈管模式，俾讓使用者具有一定程度的熟悉感。
一般傳統螢光燈(T8/T5)為 360°全周發光，而 LED 燈管係將小體 積之點光源由點而線組合，成為一種線光源，大都為 120°單向朗 伯特(Lambertian)出光，且大多數廠商為了降低生產成本皆將自 家公司 LED 燈管搭配既有傳統螢光燈具上市，或建議直接用 LED 燈管汰換舊有螢光燈管。就其結構與電氣特性而言，市售產 品主要可分為以下兩類，其特點如表 2-2.1 所示，目前主要應用 於嵌入式(T-BAR) LED 燈具、山型及中東型 LED 燈具：
(1) 內置驅動電路(Driver Inside)：燈管結構包含驅動電路，可沿 用既有燈具本體，小幅修改線路，即可直接替換T8 螢光燈管，
發光效率略差，便利性高、初期安裝成本低；但其經濟壽命 略短。
(2) 外加驅動電路(Driver Outside)：燈管需外接驅動電路點燈，通 常搭載全新燈具呈現，燈具內含燈管專用電氣迴路，燈具整 體電氣特性與發光效率較佳，使用壽命相對較長，但初期投 資成本較高。
表2-2.1 LED 燈管特性比較表
形式一 形式二
驅動電路 內置型 外加型
燈具本體 沿用既有燈具 新燈具
電氣迴路 小幅修改 新配置
發光效率 略差 較佳
初期成本 較低 較高
經濟壽命 略短 較長
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（資料來源︰財團法人台灣綠色生產力基金會，2012）
圖 2-2.6 LED 燈管
（資料來源︰本研究拍攝）
(3) 直管型 LED 燈管使用準則 a. 關閉燈具所有電源。
b. 除去舊有日光燈的安定器(Ballast)和起動器(Starter) c. 連接一條線導線(負載)到LED 燈管插口裝置的一端。
d. 連接另一條線導線(中性)到LED 燈管插口裝置的另一端。
e. 不要再連接其他設備到同一個插口。
f. 插入LED 燈管，開啟電源即安裝完成。
圖2-2.7 LED 燈管安裝示意圖
（資料來源︰http://led.seawlth.com/）
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四、山型及中東型LED 燈具
「山型」及「中東型」LED 燈具，其用語係為照明業界俗稱，
主要「山型」燈具其外型像日本富士山，外銷時，暱稱為「山型」
燈具，後來一直沿用，而「中東型」燈具，主要以前該型燈具外 銷地點為中東國家，因此業界習慣稱之為「中東型」。
這二種燈具適用於吸頂式或吊桿式固定於天花板，目前仍常 見於住宅、教室、大型賣場、地下停車場、機房等場所，不適用 於潮濕環境，其主要結構與特性如下：
(1) 本體：冷軋鋼板/白色烤漆。
(2) 反射板：冷軋鋼板/白色烤漆。
(3) 光源：LED/T5/T8。
(4) 安定器：T5/T8 需搭配匹配之安定器。
圖2-2.8 中東型 LED 燈具圖面
（資料來源︰某照明廠商 104 年型錄）
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圖2-2.8 山型 LED 燈具圖面
（資料來源︰某照明廠商104 年型錄）
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Recessed LED luminaires for T-bar ceiling systems
103/09/29
15630 C4532
一般照明用安定器內藏式LED 燈泡 (供 應電壓大於50 V)－性能要求
Self-ballasted LED lamps for general lighting services with supply voltages > 50 V – Performance requirements
101/11/29