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。
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）
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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、安定器內藏式螢光燈泡般，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
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）
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三、各類常見室內燈具種類 1.圓型嵌燈種類
就其使用燈源種類而言，市售產品主要可分為模組化晶片及 由球泡型 LED 燈泡組成兩大類，其中 LED 燈泡的燈座設計與傳 統螢光燈泡或白熾燈泡的接頭相同，以 E27 為主(E27 代表螺旋 狀接頭的直徑是 27mm)，其主要結構、特性與適用照明環境如下：
(1)本體：鍍鋅鋼板，面框：鋁壓鑄/白色烤漆。
(2)反射罩：高純度鋁板/鏡面陽極處理。
(3)燈罩：霧面玻璃或格柵，高純度鋁板/鏡面陽極處理。
(4)光源：模組化晶片/LED 燈泡/螢光燈泡/白熾燈泡。
(5)適用照明環境：住宅、會議室、大型賣場、地下停車場等。
圖 2-2.6 模組化 LED 晶片照片
圖 2-2.7 LED 燈泡嵌燈照片
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2.山型及中東型燈具
「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」，其主要結 構、特性與適用照明環境如下：
(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。
(5)適用照明環境：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。
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2-2.9 山型 LED 燈具圖面
（資料來源︰某照明廠商 104 年型錄）
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3.T-BAR 燈具
嵌入式(T-BAR)燈具，目前可分燈管型及平板型燈具，其主 要結構、特性與適用照明環境如下：
(1)本體：冷軋鋼板/白色烤漆。
(2)反射板：冷軋鋼板/白色烤漆。
(3)格柵：高純度鋁板/鏡面陽極處理 (4)光源：LED/T5/T8。
(5)安定器：T5/T8 需搭配匹配之安定器。
(6)適用照明環境：適用於吸頂式固定於天花板，目前仍常見於教 室、會議室、辦公室等場所，不適用於潮濕環境。
圖2-2.10 燈管型 T-BAR 燈具
（資料來源︰本研究拍攝）
圖 2-2.11 平板型 LED 燈具
（資料來源︰本研究拍攝）
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四、LED 應用範圍或場所
近年來囿於 LED 光效及品質提高，取代室內、戶外及景觀傳 統光源之照明技術不斷推出，目前 LED 應用範圍或場所如表 2-2.1 所示，近期亦有廠家專心致力於農漁業用的專用照明領域，
傳統漁民出海作業為吸引魚群聚集，多數使用水銀燈或複金屬 燈，此種類型燈源之耗電量頗大，在其耗電快速消耗同時，亦減 少了其作業時間，在分秒必爭的漁業特殊工作環境中，實屬可 惜；因此，專門為漁業需求量身訂製的漁業用 LED 燈源燈具便 孕育而生了。其特性有別於傳統燈源之耗電需求外(耗電量極 小)，更加強深海魚種所可視波長之特性(藍光尤佳)，尤其漁業用 LED 燈源其於水面下之穿透力更勝於傳統燈源，故在其使用上已 逐漸被一般漁業從業者所接受。此外，在農業用途上，LED 燈源 照明因其低耗電及搭配其可調整光波(尤其以紅光及藍光波長對 植物生長最為有益)、角度、明暗等需求而廣為歡迎，特別應用 於高單價之經濟作物最為常見；在溫室植栽上亦相當普遍。
表2-2.1 LED 照明產品應用範圍一覽表 戶外照明 如隧道燈、路燈、街燈等
消防照明 如緊急照明及出口指示燈等
娛樂用照明 如聚焦燈、舞台的天幕燈或LED 光條 機械影像/檢查 手術燈及醫療檢查用燈
家用照明 閱讀檯燈、神明燈及圓形燈 手持式照明 如手電筒及礦工燈
展示用照明 LED 冷凍/藏櫃光源
景觀照明 如庭園路燈、感應探照燈、階梯燈、陽台燈等 商業替代光源 如嵌燈、投射燈、珠寶燈、吊燈等
招牌字型燈 招牌及廣告看板
（資料來源：LED 照明節能應用技術手冊）
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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
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