新世代節能環保照明

新世代節能環保照明—白光 LED

*孫培真、**黃建晃 *高雄師範大學資教所副教授、**高雄師範大學資教所研究生 壹、緒論 照明對於人類活動有重要的影響，古時候的人利用燒煤油、蠟燭等方式獲得 燈光，甚至利用夜間發光的螢火蟲做為光源來念書。但隨著科技的進步，人類嘗 試各種方法以獲得光源，並有如下的演進歷程： 一、白熾燈泡 西元1879年10月21日，在美國新澤西州的一間灰塵厚積的實驗室裡， 愛迪生把很細的碳化纖維絲封在一個玻璃泡裡面，利用真空幫浦把玻璃泡 裡的空氣抽走，再穩定地供給電壓，使燈絲變成一個很穩定的明亮光源， 電力照明的時代從此降臨。但是大致而言，白熾燈泡若要做為大型房間或 大範圍的空間照明器材，還無法滿足人類的需求。然而百餘年來，電燈的 發明一直在人類科學史上占有很重要的地位（劉如熹、林益山，2005）。 二、日光燈 日光燈（或稱為螢光燈）可以說是室內照明非常重要的發明，現在全 世界的夜間室內照明，絕大多數都是採用日光燈。日光燈管比起傳統的白 熾燈泡來，具有使用壽命長，發光效率較高，具有照光面積大及可調整成 不同光色的燈管等幾項優點。 日光燈的構造，通常是一個長型的圓柱管，裡面包含極微量的汞及少 量的惰性氣體（氬氣或氖氣）。通電後，燈管兩端的電極引發高壓放電， 游離管中的惰性氣體產生電弧，激發汞蒸氣發射波長較短的紫外光。塗布 在燈管內壁的螢光粉吸收紫外光，再轉換成可見光。若變更螢光粉的種類， 便可以得到適合不同場合的燈光，如適合辦公室與工廠的冷白光，適合用 在溫暖社交環境中的溫白光，以及一般家庭、學校等場合的日光燈。 日光燈的使用，滿足了人類絕大多數場合的需求，雖然各式各樣的電 燈仍陸續在開發中，然而截至20世紀為止，依舊無法發展出比日光燈更符 合人類需求的發明。日光燈雖然有許多的優點，但最大的一個缺點就是日

105 光燈管非常消耗電力，且絕大多數的電能都消耗在熱能上。此外，燈管中 的汞，對於地球環境的污染也一直為人所詬病。 照明對於現代生活是不可或缺的，儘管世界各國隨著現代化層次和生活品質 的需求不同，對照明燈具的需求程度亦不同。然而全球花在照明的總平均用電 量，約為全球總用電量的百分之四十，是非常可觀的。因石油危機使人類對物質 的看法有了新轉變，因此，尋求兼具省電和環保概念的新照明光源引起了科學家 和企業界極大的興趣。基於上述原因，在20世紀後期各先進國家積極發展的白光

發光二極體（Light Emitting Diode，LED），可望為未來的新照明光源帶來一線 曙光。 貳、什麼是白光 LED？ 您知道半導體不僅能製造成積體電路（Intergrated Circuit，IC），也能做為 照明用途嗎？以半導體技術製造的「白光LED」是一種冷光源(如圖一)，這種燈 泡不含汞、體積小、省電、使用壽命長，可望在二十一世紀取代白熾燈泡和日光 燈，成為兼具省電和環保概念的新照明光源。西元2004年1月8日啟用，位於台北 市和平東路二段的行政院國科會科技大樓一樓大廳照明，即完全採用白光LED照 明，是全球第一個全部以白光LED照明光源實際運用於大面積照明之實例（石大 成，2004）。 白光LED係於西元1996 年，由日本日亞化學（Nichia）公司第一個將其商品 化。日本日亞化學公司在氮化鎵系列（GaN）藍光LED的基礎上，開發出以藍光

LED激發釔鋁石榴石（yttrium aluminum garnet，YAG）螢光粉而產生黃色螢光， 所產生的黃色螢光進而與藍光混合產生白光（藍光LED配合YAG螢光粉），從此

開啟LED邁入照明市場的序幕（劉如熹、林益山，2005）。目前其發光效率已達

23流明 瓦，預計未來可達50流明 瓦（工研院光電所*，2002；楊明仁，2002）。 圖一 白光 LED

參、發光二極體的簡介、作動原理與應用 一、 發光二極體的簡介 莊賦祥（2002）指出發光二極體係利用各種化合物半導體材料及元 件結構之變化，設計出紅、橙、黃、綠、藍、紫等各顏色，以及紅外、紫 外等不可見光LED，其硬體結構如圖二。其中適合製作 1000mcd 以上之 高亮度LED 的材料，由長波長而短波長觀之，分別為砷化鎵鋁（AlGaAs）、 磷化銦鎵鋁（AlGaInP）和氮化銦鎵（GaInN）。

AlGaAs 適合於製作高亮度紅光及紅外光 LED，商業上以 LPE 磊晶 法進行量產，元件使用雙異質接面構造（DH）為主。AlGaInP 適合於高 亮度紅、橘、黃及黃綠光LED，商業上以 MOVPE 磊晶法進行量產。由 於AlGaInP 紅光 LED 在高溫與高溼環境下，其壽命試驗結果優於 AlGaAs LED，未來有逐漸取代 AlGaAs 紅光 LED 的趨勢。

日本日亞化學公司（Nichia）於 1995 年 10 月宣稱成功研製藍光及綠 光具有高亮度之GaInN 發光二極體（如圖三），1998 年底又宣布成功研製 可連續操作且壽命長達一萬小時的藍光雷射二極體，這在全球光電產業界 造成很大的震撼，不論官方、學術界、研究單位或產業界都因而積極投入 經費與人力研究發展。 圖二 LED 硬體結構圖。 資料來源 http://www.lightemittingdiodes.org/

107 為什麼產、官、學界，皆積極研製藍光發光二極體？其答案主要有 三：可做全彩顯示器、交通號誌燈及白光照明燈源。 目前市面上已銷售多年的各種不同顏色的發光二極體，包括紅光、 綠光、橙光及黃光。但是藍光及綠光之發光體，欲達到顯示器實用程度之 高效率且高亮度，則仍處於研發階段。若以氮化銦鎵 氮化鎵 鋁氮化鎵 為基礎材料，來研製高亮度的藍光及綠光發光體，配合原來已發展成熟的 紅光發光二極體，則可達成全彩顯示器之研製目標（如圖四）（莊賦祥， 2002）。 另外，目前所使用的燈泡型交通號誌，因燈泡裝置較耗電、壽命短， 且有「疑似點燈」之狀況（當太陽直射燈泡時），易造成交通事故，若能 以高亮度紅藍綠光發光二極體取代傳統的燈泡，將可大大提高交通號誌燈 之鮮明度（如圖五）。 藍光發光二極體晶片加上釔鋁石榴石黃色螢光粉，利用藍光激發黃 圖四 由LED 組成的全彩顯示牆，位於高雄市中區資源回收廠。 圖五 LED 應用於路口交通號誌。

色螢光粉產生黃光，同時也有部分藍光放射出來，藍黃混合之後可形成白 光（如圖六）。白光發光二極體的優點相當多：壽命長、省電、低壓驅動、 安全又具環保效果，效果因而已被歐美科學家視為二十一世紀的照明光源 （工研院光電所，2002）。 二、發光二極體的作動原理 一般人或許很好奇，到底 LED 和平常我們所熟悉的光源有何不同？ 這必須從LED 的發光原理說起。一般而言，材料依其導電性可分為：導 體、半導體及絕緣體三種。在半導體中加入少量的三價原子，即為P 型半 導體；在半導體中加入少量的五價原子，即為N 型半導體。將 P 型半導 體與N 型半導體接合形成 PN 接面，再對其施以順向電壓後，將使 P 區的 電洞往N 區移動，同時 N 區的電子也向 P 區移動，電子與電洞在接面之 空乏層（Depletion Layer）可進行直接互相結合，在電子與電洞結合的過 程中，能量以光的形式釋出而放出足夠的光子出來，這就是LED 的發光 原理。另外，有些LED 之發光原理則是藉由電子加速後之撞擊、游離化 過程釋出能量而發光（石大成，2004）。 三、發光二極體的應用 LED的應用與我們日常生活越來越來緊密，例如，您手機上藍光或 白光的背光源、攜帶式手電筒、馬路上十字路口的人行穿越倒數燈及新款 的紅綠燈、戶外大型的影像顯示看板、汽車的煞車燈及車內照明、建築物 裝飾輔助照明…等等（如圖四、圖五），都是拜近幾年LED發光效率與亮 度的提昇所賜（羅會祥，2004）。 莊慶安（2004）指出，目前除了白光LED之外，其他色系的LED技 圖六 (a)紅、綠、藍三原色混合概念圖。(b)LEDs 混色圖。 資料來源http://www.lightemittingdiodes.org/

109 術皆已相當成熟，與傳統燈泡相較，LED不論在發光效率、產品壽命、價 格上都有競爭力，因此，國內許多交通號誌燈(如紅綠燈、十字路口號誌 讀秒燈)皆已改用LED，如此可更省電、更安全，不易故障，並且節省許 多維修成本。 肆、白光 LED 的製作材料、主要結構與作動原理 一、白光LED的製作材料： 由於氮化鋁鎵銦材料的開發成功，使得發光二極體得以產生白光，產 生白光的方式有下列三種： (一)、利用紅、綠、藍三種發光二極體調整其各別亮度來達到白光， 而為了獲得白光，紅、綠、藍的亮度比3：6：1。或只利用紅、 綠或藍黃兩顆LED 調整其各別亮度來發出白光。但缺點是價格 較貴，難以推展。 (二)、利用藍光 GaInN 的 LED 去激發黃色的螢光粉或利用綠光的 GaInN 去激發紅色的螢光粉。日亞化學公司於 1996 年推出的白 光LED 即是屬於此類，這種方式也是目前白光 LED 的主要作 法（石大成，2004）。 (三)、利用紫外光的 GaN 的 LED 去激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生 白光。 二、白光LED的主要結構： 白光LED的主要構造，包含底部的GaInN藍光LED晶片、塗布於LED 晶片YAG黃色螢光粉、以及隔絕外界的環氧樹脂封裝，如圖七(a)。

三、白光LED的作動原理： 當底部的GaInN藍光晶片接受電能的激發後，產生電子與電洞對，當 電子與電洞再結合的時候，LED便發出第一發射光（藍光）。這第一發射 光可以被螢光粉吸收並轉換成第二發射光（黃光），再利用透鏡原理將互 補的第一發射光與第二發射光予以混合以後，便得到白光，如圖七(b)（劉 如熹、林益山，2005）。 伍、白光 LED 的特色與其他照明燈具的比較 一、白光LED 的特色 自從出現發光二極體LED 以來，人們一直在努力追求實現固體光源， 隨著發光二極體LED 製造技術的不斷進步和新型材料（氮化物晶體和螢光 粉）的開發及應用，使發白色光的LED 半導體固體光源性能持續完善並進 入實用階段。白光LED 的出現，使高亮度 LED 應用領域跨足至高效率照 明光源市場。曾有人指出，高亮度LED 將是人類繼愛迪生發明白熾燈泡之 後，最偉大的發明之一。 因為發光二極體是一種半導體元件，其壽命長；由電轉換為光的效率 高，耗電量少；同時發光二極體元件是一種極小的發光源，所以可配合各 種應用設備的小型化。白色發光二極體與一般照明比較，除了省電外（用 電量是一般燈泡的八分之一至十分之一，日光燈的二分之一），還有壽命 長（可達十萬小時以上）、發熱量低（熱輻射少）、反應速度快（可高頻 操作），對於廢棄物的處理既安全又環保（無汞污染）。由於白色發光二 極體燈泡具有上述多項優點，可望在二十一世紀取代鎢絲燈和水銀燈，成 為兼具省電和環保概念的新照明光源，也因此被喻為「綠色照明光源」的 圖七 (a) 白光 LED 的主要結構是由 GaInN 藍光晶片及螢光粉封裝組成。(b)LED 發出的螢光與藍

111 明日之星。 二、白光LED 與其他照明燈具的比較 因照明對於人類的活動非常重要，所以在照明方面的用電量也因而相 當驚人，以民國85年為例，台灣家庭照明用電量約200億度，若所有照明改 採用白光發光二極體燈泡，則每年至少省下120 億度的用電量，相當於一 座核能發電廠一年的發電量。在日本，依照官方的報導，使用白光發光二 極體照明，每年可節省相當於五座核能發電廠的發電量。由此可知，白光 LED光源的省電效能遠比其他照明燈具來的好（莊賦祥，2002），其詳細 比較如表一。 陸、白光 LED 的未來發展 由於白光LED 照明科技符合省電、環保且安全，目前在世界各國對節約能 源以及防止地球溫暖化的共識之下，全球已有三個國家型白光LED 照明整合計 畫在進行，分別是：美國政策白皮書宣示於西元2000~2010 年投資 5 億美元發展 白光LED 照明，其中 NGL(Next Generation Lighting)規劃在西元 2012 年將 LED 發光效率提昇至150 lm/w；日本通商產業省「高效率電光化合物半導體」開發計 畫，又稱21 世紀光計劃，希望在西元 2010 年將 LED 發光效率達到 120 lm/w； 南韓的產業資源部「GaN 光半導體」開發計畫，預期在西元 2010 年 LED 發光效 率達成100 lm/w 的目標（石大成，2004；楊明仁，2002）。 而在國內也有多項政府與民間的推動措施正在進行，如國家科學委員會光 電小組、工程處、自然處、應科小組等共同補助長庚大學、成功大學、中正大學、 虎尾科技大學等大專院校的「半導體照明科技整合型計畫」，還有經濟能源委員 會委託工業技術研究院(ITRI)所屬之光電工業研究所與能源資源研究所共同執行 的「高效率照明技術開發四年計畫」，都分別針對LED 照明應用實例推動與技術 光源種類 發光效率(lm/w) 經濟壽命(hrs) 白熾燈(Incandescent) 8~15 1,000 鹵素燈(Halogen) 12 3,000 日光燈(Fluorescent) 80 5,000~10,000 白光LED 40 >100,000 表一 白光 LED 與其他燈具之比較。

研發等相關課題著手進行（李季達，2004）。 從上述先進國家的開發計劃觀察，若進行十分順利的話，再過個5~7年LED 燈的發光效率將可達目前日光燈以上的水準，屆時LED大量取代一般性傳統照明 燈具的目標將是指日可待。 柒、結論 國科會光電小組執行秘書石大成（2004）指出，若把全台灣的傳統照明設備 替換成白光LED 裝置，一年可能省下相當一座發電廠的發電量，加上 LED 使用 固態的無機物質與無機的螢光粉體，更解決了以往電燈汞污染的問題，因此在日 常生活中我們確實可以感受到LED 未來在照明應用上莫大的潛力。 石大成（2004）認為省電、環保且安全的白光 LED 照明，由於目前價格比 傳統照明器具高出十至五十倍，還無法真正普及，但預估未來三到五年後，在各 國廠商的積極投入之下可以大幅降低成本，價格下降，並為大多數家庭所採用。 半導體照明科技是廿一世紀照明的新希望，不久的未來在人類的照明科技史 上，必定將掀起一場革命，更高效率、壽命更長、更環保的照明設備就將出現在 我們日常生活中。 參考文獻

工研院光電所（2002）。藍色發光二極體（Blue GaN LED）。2005 年 9 月 30 日， 取自http://www.oes.itri.org.tw/coretech/semicon/sem_led_und_001.html。 工研院光電所*（2002）。白光 LED。2005 年 8 月 30 日，取自 http://www.oes.itri.org.tw/coretech/semicon/sem_led_adv_001.html。 石大成（2004）。新世紀照明啟用─半導體 LED 節能照明發展暨應用。能源報導， 2004 年 4 月， 8。 李季達（2004）。我國 LED 產業發展現況。光訊，107， 18-19。 劉如熹、林益山（2005）。人類未來照明的夢想。科學發展，390， 57-59。 楊明仁（2002）。LED 照明發展趨勢。2005 年 8 月 30 日，取自 http://www.ibt.com.tw/money/911224.pdf。 莊賦祥（2002）。藍綠光發光二極體。科學發展，349， 47-53。

113

莊慶安（2004）。「國科會半導體 LED 節能照明—新世紀照明啟用典禮」紀要及 其後續效應。光訊，108， 19-22。

羅會祥（2004）。新型照明燈能亮 10 萬小時（生活中的科技）。2005 年 9 月 30 日，取自http://www.people.com.cn/BIG5/paper68/11189/1012029.html。