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LED 照明簡介
先前技術
自從愛迪生發明燈泡後，為人類的生活型態產生巨大的改變。人們一直持續 發展出更實用、更美觀更有效率的光源。而發光二極體(Light Emitting Diode, LED)與傳統照明相較下具有相當優勢，例如體積小、發光效率佳、壽命長、操作 反應時間快、低電壓低電流驅動、可靠度高、不易破裂、可製成體積小、可陣列 式元件，且無熱輻射與無水銀等有毒物質的汙染的優點。加上環保意識的抬頭，
使得節能減碳為全民目標的運動，讓 LED 儼然成為綠能產業的主軸。目前許多國 家已經積極投入 LED 的研發與量產，如歐美日等國政府也已經擴大 LED 光源採用 的計畫與步驟，而中國各個政府也正積極發展 LED 路燈的設置，並希望能夠進一 步用 LED 全面取代傳統的照明設備，使得照明的應用發展相當迅速。
LED 為利用半導體製程技術來實現以二極體為發光主體的光學元件，其所發 光之波長涵蓋紅外光、可見光及紫外光。但長久以來，LED 受限於三原色中的藍 色發光波段其發光亮度不佳，無法達成全彩影像與白光照明。1991 年日本日亞 化學(Nichia Chemical)公司的中村修二(Nakamura)先生解決氮化鎵磊晶層品 質，並獲得低電阻值的氮化鎵磊晶層。而如下圖 LED 的發展歷史所示：
LED 發展史
氮化鎵系列 LED 的藍光亮度近十幾年發展迅速。相對藍光 LED 而衍伸出的白 光 LED，目前其發光亮度已能超越白熾燈泡每瓦 15 流明的條件，到 2007 年日本 日亞化學公司已發表每瓦可達 163 流明的亮度，被認為是二十一世紀的新光源，
可應用於日常的照明。
LED 為一種兩端點的半導體光學元件，主要由化學元素週期表上 IIIA 族與
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VA 族，或由 IIA 族與 VIA 族元素混合形成之半導體化合物。LED 的基本架構如下 圖所示：
LED 的基本原理。紅色圓表電子，藍色空心圓表電洞，
當電子自高能階掉至低能階時，便會自發放射出光
將主動發光層夾於具有 p 側與 n 側摻雜層之間。當有外加偏壓時，電洞與電 子受電場驅動下，分別由 p 側與 n 側的摻雜層注入主動層中，於其內經由電子電 洞對複合後，以自發性放射出光來釋放能量。而 LED 放射光譜係屬於單色光，如 下圖的理論計算所示：
由理論所計算出來的 LED 發光強度對能量圖
因放射光譜的半高寬能量差為 1.8KT，若以砷化鎵(GaAs)LED 作為例子，其 對應光譜半高寬的波長差為 28.15 奈米，非常狹窄，所以單一發光波長的 LED 無法由其主動層產生白光(白光為光學三原色的混成光線，故要形成白光，其頻 譜必須橫跨紅、綠、藍三個波段的光，即波長必須橫跨將近 300 奈米左右(400nm~
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700nm))。
一般運用 LED 來實現白光照明的方法，大致上可以分成兩大類，第一種方式 為組合來自不同波長的 LED。基本架構如下兩圖所示：
白光光源的混成模式
我們可以藉由紅色((AlxGa1-x)0.5In0.5P)、綠色(GaxIn1-x N)及藍色(GaxIn1-x N) LED 的組合，或是由藍光(GaxIn1-x N)與黃綠光(GaP：N) LED 的組合，分別控制通 過個別 LED 的電流，再經由光擴散薄膜層將個別發出的光加以混合產生白光。
此種方法的缺點在於需要使用多種不同顏色的 LED，增加了總成本與複雜 性。並且，這些同時使用的不同顏色 LED 若其中之一發生故障，則將無法得到正 常的白光。此外，不同顏色的 LED，需要不同的材料系統來製造。以至於每一個 獨立的 LED 可能具有不同的電性條件(例如，正向偏壓各不相同)且可能於各種運 作條件(例如，溫度、電流或時間)下會有不同的表現。所以組合不同顏色的 LED 來產生白光需要昂貴的製造技術以及複雜的控制電路。
另一種方法則是利用可轉換波長之材料，如半導體、螢光粉或染劑搭配單色 LED。運用半導體來轉換波長的技術，如 E. Schubert 研究團隊在 1999 年提出一 種光子回收式白光 LED，其示意圖於下：
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光子回收式白光 LED 之架構
將採用藍寶石基板的藍色(GaxIn1-x N) LED 和使用砷化鎵基板的黃色
((AlxGa1-x)0.5In0.5P) LED，利用晶片貼合技術黏貼在一起，再使用濕式蝕刻法移除 砷化鎵基板。元件操作時，黃色((AlxGa1-x)0.5In0.5P)的主動發光層會吸收部分的藍 光而發出黃光，經由混合可觀察到白光。
另一方面，日本佳友電工(Sumitomo Electric Industries, Ltd)也提出類 似的架構，主要是在 ZnSe 基板上成長藍色(GaxIn1-x N)LED 結構，如下圖所示：
日本佳友電工所提出的光子回收式白光 LED 之架構
元件操作時，因藍色(GaxIn1-x N)LED 放出的部份藍光會射入 ZnSe 基板，此 ZnSe 材料會吸收高能量的藍光而發出黃光，經由光色混合，亦可以觀察出白光。
半導體轉換波長的技術，因發光效率非常的低，實施價格昂貴。而且目前技術層 面並不純熟，對於色溫的控制也有一定的問題產生，故量產面仍然乏人問津。
而 1996 年日本日亞化學公司(Nichia Chemical)發展出以藍色(GaxIn1-xN) LED 配合發黃光之釔鋁石榴石型(yttrium aluminum garnet；YAG)螢光粉亦可成 為一白光光源，如下圖所示：
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日本日亞化學公司所提出之白光 LED 架構
黃色螢光粉材料經由吸收藍色(GaxIn1-x N)LED 放出的部份藍光後，發出長波 長的黃光，此過程稱為＂降頻轉換＂，最後再把兩種光色經由混合形成白光。這 種方式因只需要一組相同顏色的 LED 晶片，能大幅地降低製造成本。每次降頻轉 換的過程係利用較高能量(例如，藍光)的光子轉換成較低能量(例如，黃光)的光 子時，光能會因史托克(Stokes)損耗轉變成熱能，使得整體白光發光效率變差。
此白光發光效率的減少量會因光轉換波長之間的差距增加而增大。另外，一種常 用的螢光粉為鋱鋁石榴石型(terbium aluminum garnet；TAG)螢光粉，其發光效 率較 YAG 差，但相對演色性會較佳。TAG 螢光粉的專利主要是由德國大廠歐司朗 (Osram)公司所擁有，用於避開日本日亞化學公司的 YAG 螢光粉專利。
白光 LED 亦可以使用染劑的方式完成，但因為染劑屬於有機分子材料，所以 壽命不長，穩定度不高。故不能將染劑作為轉換波長材料的主體，但可以搭配其 他材料衍伸其應用價值。
¨ 藍光 LED+黃色螢光粉 YAG 的缺點
就上述係利用可轉換波長之材料搭配單色 LED 已完成白光光源的方法，
目前市面上販售的主流仍以藍色(GaxIn1-x N) LED 搭配黃色 YAG 或 TAG 螢光 粉。但為何目前市場上，此系列的白光光源仍然無法完全取代傳統照明，主 要的原因大致上可分為應用層面以及成本的考量。首先，對於應用層面而言，
現在市場上的 LED 燈具產品，其缺乏可精準連續調色溫與光強度的條件，並 且良好的演色性也是提升此照明產品價值的重要因素，我們將分續討論如下。
在調控光強度的方面，傳統的鎢絲燈泡或是飯店內常見的杯燈燈具，均 能夠利用一般簡易調光器(即固定電壓，改變電阻以調變通過電流)來精準連 續調變光源的強弱。而 LED 本身為一種二極體，其電流對電壓的特性曲線為 指數函數增加，所以無法使用傳統的調光器來任意控制變換光強度。目前市 面上 LED 燈泡，大都是階段性的調變光強度，如八段式變換強度等，此種方 式需要額外的控制模組取代簡易的調光器，成本大幅增加。若有連續調變功 能的 LED 燈泡，其在低發光強度下，LED 燈泡會一直閃爍不定，會造成此 LED 燈泡壽命的減少以及傷害到人的感官，這是消費者所不預期購買的商品。
而在色溫的控制方面，對於一個白光照明燈具來說，不同色溫就有不同 的運用範圍，如色溫在絕對溫度 3300K 以下，稱為暖色光，其與白熾燈相近 且紅光成分較多，能給人以溫暖，健康，舒適的感受。此暖色光適用與家庭，
住宅，宿舍，賓館等場所或溫度比較低的地方。而色溫在絕對溫度 3300K 到 絕對溫度 5300K 之間，稱為冷色白光，由於光線柔和，使人有愉快，舒適，
安詳的感受。此冷色白光適用於商店，醫院，辦公室，飯店，餐廳，候車室 等場所。色溫在絕對溫度 5300K 以上，稱為冷色光，其光源接近自然光，有 明亮的感覺，使人精力集中。此冷色光適用於辦公室，會議室，教室，繪圖
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室，設計室，圖書館的閱覽室，展覽櫥窗等場所。故一個好的白光照明設備 是要能夠完成色溫上的調變，才能將其應用層面的價值大幅增加。然而，螢 光粉搭配 LED 的方式完成的白色光源若希望達到某個精確的色溫條件，依目 前量產的技術仍會有絕對溫度正負 200K 以上的誤差。此誤差在於螢光粉的調 配比例、螢光粉分布的均勻度、量產時點膠的時間以及對應不同特性的 LED 所造成。而人眼對於一個光源的色溫，若有絕對溫度正負 100K 以上的變動 量，便會產生感覺，以至於室內照明中若有一顆燈泡毀損，就需要更換所有 燈泡以達所有光源色溫的一致性。再者，每批白光光源的特定色溫需由調配 一定的螢光粉比例完成，封裝後便無法再自行改變此比例。此方法並無法隨 意調變白光光源色溫，使得此照明設備的應用價值大幅下降。
以黃色螢光粉搭配藍色 LED 此種利用互補色原理以產生白光，其光譜波 長分布之連續性不如真實的太陽光，主要的原因是缺乏三原色中的紅光源，
使得色光混和後會在可見光光譜間出現空隙，導致光源演色性低。為了提升 因缺乏紅光源造成演色性不高的白光，亦發展出利用紫外光的 LED 激發紅、
綠、藍三色磷光粉，實現高演色性白光光源。但此方式存在的問題就是總發 光效率不佳，一者原因為紫外光的 LED 效率本身沒有藍光 LED 高，另一者為 紅、綠、藍三色磷光粉混合後總體激發效率沒有單一黃色磷光粉高。此外，
高能量的紫外光會使許多材料快速地進入老化現象，也是對封裝材料選擇的 一大挑戰。而高單價與低效率的紅色磷光粉也是許多量產型廠商不願投資的 對象。
目前市售白熾燈泡(消耗功率 40W)、省電燈泡(消耗功率 15W)以及 LED 燈泡(消耗功率 5W)三者之圖示。目前本實驗室已研發成功可解決上述困難之 產品，可望將 LED 產業推向室內照明。目前全世界每年燈泡之銷售量均超過 500 億顆，市場規模相當驚人。
