以光子晶體提高白光發光二極體發光效率

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

以光子晶體提高白光發光二極體發光效率 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-124-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電子工程系

計 畫 主 持 人 ： 蘇忠傑

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：陳文彥、陳仙瑋

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中 華 民 國 96 年 10 月 19 日

國科 國 科會 會專 專題 題研 研究 究計 計畫 畫成 成果 果報 報告 告

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ▉

□期中進度報告

以光子晶體提高白光發光二極體發光效率

計畫類別：▊ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2221－E－011－124

執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日

計畫主持人： 蘇 忠 傑 共同主持人：

計畫參與人員： 陳仙瑋、陳文彥

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：▊精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

▊涉及專利或其他智慧財產權，▊一年□二年後可公開查詢 執行單位：國立臺灣科技大學電子系

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目錄

一、 前言………3

二、 研究目的………3

三、 文獻探討………3

四、 研究方法………4

五、 結論與建議………5

六、 計畫成果自評………5

七、 參考文獻………6

八、 附圖………7

一、 前言

近來，發光二極體(light-emitting diode, LED)已成為熱門的研究主題。相較於傳統光 源，LED 擁有較高之可靠性、較短的反應時間、無污染以及壽命長等優點。並且可應用在 許多方面，例如手機與顯示器之背光源、交通號誌燈、固態照明。其中白光LED 更是現今 熱門探討的照明光源，根據其製造方式可大略分為，使用RGB 三原色的 LEDs，調整所通 電流量，並由透鏡混合形成白光；利用藍光 LED 激發黃色螢光粉來產生白光；或是使用 UV LED 激發 RGB 三色螢光粉以產生白光等。然而上述各種方法卻可能面臨著專利限制、

發光效率不佳、紫外漏光、演色性不佳等問題。有鑑於此，在本文中我們提出一方法，此 方法結合全方位反射器之特性，用以提升紫外激發白光LED 的發光效率，並且可透過 RGB 螢光粉的調配控制色度座標、色溫及演色性等特性參數、實驗結果顯示發光效率之提升可 達到40%以上。

二、 研究目的

白光發光二極體因螢光粉特性與封裝不易之限制使得白光轉換效率、色溫或 CRI (color rendition index)與發光均勻度皆有相當困難。因為全方位反射器本質上為一維光子晶 體，可將0 ° 至近 90 ° 入射之禁帶光譜反射[1]。所以我們利用全方位反射器(omni-directional reflector)僅反射特定(紫外光/藍光)波長原理可以控制光束的行程，因全方位反射層膜會全 反射紫外光/藍光波長使紫外光/藍光波長光子被拘束在螢光粉層間反覆多方向反射與穿過 螢光粉層形成共振腔結構，使紫外光/藍光被充份利用於產生可見之二次螢光；因此可增加 白光發光二極體三原色(RGB)亮度。同時全方位反射層膜並不會反射所產生之可見光源，

使得可見光會充份穿出基板，特定螢光之可見光波長在設計下可被控制透出基板的量，達 到控制白光發光二極體三原色(RGB)顏色度與亮度的目地。

三、 文獻探討

國內外就技術而言高亮度、發光均勻度與色溫控制為研發重點。高亮度需要增加透光 度與從晶粒導出或汲取出更多可用發光量，因此已有如切割晶粒形狀與LED 表面粗慥度化 等方式進行。發光均勻度與白光轉換效率及封裝散熱有密切關係。色溫則可以螢光粉成份 來調整。但目前國外已有多項專利以不同封裝技術來提昇LED 透光率與均勻度。另一方面，

因白光轉換效率不易控制而著墨甚少，多以螢光粉成份來提昇效率與改善色溫。至於光光 子晶體多用於LED 結構來改進量子效率及增加 LED 發光量。雖然國外發展奈米光子晶體 有多年歷史但製作方式尚未成熟。以一維光子晶體而言，因為它的光學薄膜結構形式且利 用相同製作方式，所以在國內外已有相當基礎，製作容易且成本低。至於國內白光LED 研 發則剛起步，尚無顯著研發成果。本計畫則結合LED 封裝結構技術一維光子晶體來改進白 光轉換效率同時兼具發光均勻度與色溫控制等附加效益，為國內外尚無此種作法。

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filter)作封裝，以增加可見光的穿透率。

四、 研究方法

本計畫研究內容與方法如 Fig.1 所示，為利用全方位反射器之白光 LED 的剖面圖。其 結構包含金屬反射器、UV LED 晶粒、螢光膠層與全方位反射器。其工作原理為 UV LED 晶 粒發出紫外光激發 RGB 螢光粉層作用以產生出白光，其中存在部分未耗盡之紫外光。利用 全方位反射器之特性，當白光與部分未耗盡之紫外光入射全方位反射器時，大部分之白光 將直接穿透，並且紫外光會被反射，於是可再次激發螢光粉層產生白光出射，因此可有效 提升白光 LED 的發光效率。並且在此設計架構下，若適當調整 RGB 螢光粉之比例，將可對 色度座標、色溫及演色性進行調控及提升。同樣，根據相似的原理，當激發光源為藍光 LED 時，亦可適當地設計全方位反射器之穿透光譜，以及調整黃色螢光粉之比例，進而提升並 改善白光 LED 的發光效能。為驗證本方法之可行，使用波長384nm 的 UV LED 作為激發光 源，以適當比例RGB 螢光粉混合光學膠，進行封裝作業。並在定電壓/定電流(3.5V/20mA) 下點亮LED，利用 LED 量測系統(LCS-100-5W, SphereOptics)來量測並且觀察其所得到之光 譜分布圖、色度座標及色溫等特性參數。為了驗證其效果，LED 分別在只有 UV LED chip(即 裸晶)、加入光學膠封裝及加上全方位反射器此三種情況下被點亮。

Fig.2(a)及(b)分別為裸晶與加入螢光粉之光學膠封裝後及加上全方位反射器前後的光 譜比較圖。在Fig.2(a)中可發現原本裸晶能量總和為 78.47 µW/nm，其中紫外光(360~420nm) 佔73.97 µW/nm，可見光(420~780nm)佔 1.93 µW/nm。當加入螢光粉後，其總和為 75 µW/nm，

未耗盡之紫外光減少變為47.48 µW/nm，可見光增加變為 25.44 µW/nm，因此紫外光部分減 少，而可見光部分則有所增加。其CIE 色度座標(CIE chromaticity coordinates)、色溫(color temperature, CT)及演色性指數 R_a(color rendering index, CRI)分別為 x = 0.3373，y = 0.2986、

CT=5182 及 CRI R_a=55.13。Fig.2(b)中總能量為 64.12 µW/nm，在紫外光部分因加入全方位 反射器將其降低，由原本的47.48 µW/nm 減少變為 17.06 µW/nm，而可見光區域則明顯地從 25.44 µW/nm 增加變成 45.69 µW/nm。在 Fig.2(b)中之插圖為可見光部分的局部放大圖，跟未 加全方位反射器時相比，其可見光之發光效率提升將近40%。而加上全方位反射器後之 CIE 色度座標、色溫及演色性指數R_a分別為 x = 0.3320，y = 0.3016、CT=5507 及 CRI R_a=56.94。

在此，所製作之白光 LED 的色度座標在加上全方位反射器前後並無太大之差異(x：

0.3373→0.3320；y：0.2986→0.3016) 。色溫方面則是有小幅度提昇(5182→5507K)。雖然 演色性指數表現不佳(R_a：55.13→56.94)，其主要原因為演色性指數 R_a是由物質飽和色所 決定[2]，跟所使用之螢光粉有關，因此改進的方法必須從使用之螢光粉著手。另外在發光 效率方面，從實驗結果上可看出有相當良好的轉換效率，與其它在LED chip 結構上做改進 之方法相比[3,4]，本實驗步驟與構造簡單，不需用到複雜製造過程，且適當調制螢光粉可 控制色度座標、色溫、演色性指數等參數，並且若全方位反射器鍍有抗反射膜或結合擴散 片(diffuser)，將可更進一步提升發光效率。在實驗中，總能量會逐漸減少，其原因之ㄧ為 部分能量轉換成熱被吸收掉所致。

五、 結論與建議

在此篇中，提出一新穎的白光LED 設計來提升其發光效率。利用一維光子晶體結構之 全方位反射器結合紫外激發 RGB 螢光粉白光 LED，將未激發之紫外光經過多次全反射，

並再次激發螢光粉，使其可見光發光效率提升約 40%以上。在色度座標(x = 0.3320，y = 0.3016)及色溫(CT=5507)方面有著良好之表現特性，但是在演色性指數 R_a( CRI R_a=56.94) 之表現則仍須透過螢光粉改進。雖然可以有效提升可見光產生效率達約40%以上， 但進一 步如何提升紫外光LED 的抽出效率(extraction efficiency)更是下一步需走方向。未來將以受 抑全反射(frustrated total internal reflection)方式與奈米鍍膜手段來提升紫外光發光效率配合 一維光子晶體之全方位反射器，從激發光效率與螢光粉轉換效率，兩方面雙管齊下共同提 昇白光LED 的發光效率。

六、 計畫成果自評

在本計畫中預期目標已有部份達成，此一新穎的白光LED 封裝結構設計可以用來提升 其發光效率已被證實有效果且已申請中華民國專利獲證 [5]。但近一步改良此利用一維光子 晶體之白光LED，將以激發光效率與螢光粉轉換效率，兩方面雙管齊下共同提昇白光 LED 的發光效率。而改進此一新白光 LED 封裝結構設計方式有兩種:一為改善全方位反射器設 計方式 [6]，一為增加一空氣隙在螢光粉層與全方位反射器間如此可增加出光效率[7]，但 此一改善方式尚待近一步實驗驗證。而提升紫外光LED 的抽出效率(extraction efficiency)是 下一步需走方向，本延續計畫將以受抑全反射(frustrated total internal reflection)方式[8]與奈 米鍍膜手段來提升紫外光LED 發光效率。因此倘若一但綜合以上本計畫的各方式構想經實 驗驗證可行將可為白光發光二極體在光學設計方面取得重大進展。

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七、 參考文獻

[1] D. N. Chigrin, A. V. Lavrinenko, D. A. Yarotsky, and S. V. Gaponenko, "Observation of total omnidirectional reflection from a one-dimensional dielectric lattice, " Appl. Phys. A: Master.

Sci. Process, 68, pp. 25-28, 1999.

[2] Y. Ohno, "Spectral design considerations for white LED color rendering, " Opt. Eng., 44, 111302, 2005.

[3] C. Huh, K. S. Lee, E. J. Kang, and S. J. Park, "Improved light-output and electrical performance of InGaN-based light-emitting diode by microroughtening of the p-GaN surface, "

Journal of Applied Physics, 93, pp. 9383-9385, 2003.

[4] Ali M. Adawi, Liam G. Connolly, David M. Whittaker, David G. Lidzey, Euan Smith, Matthew Roberts, Faisal Qureshi, Clare Foden, and Nicky Athanassopoulou, "Improving the light extraction efficiency of red-emitting conjugated polymer light emitting diodes, " Journal of Applied Physics, 99, 054505, 2006.

[5] 蘇忠傑,羅俊仁,祁錦雲 ”應用全方位反射片之白光發光二極體” 中華民國發明專利 第569479號。

[6] 蘇忠傑,朱正煒 ”具準全方位反射器之發光二極體” 中華民國發明專利第239671號。

[7] 蘇忠傑,陳敬恆 ”具全方位反射器之發光裝置” 中華民國發明專利第287307號。

[8] 蘇忠傑, ”高汲取效率發光裝置” 中華民國發明專利第271883號。

八、附圖

Fig.1

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 0

1 2 3 4

µW/nm

Wavelength (nm)

without phosphors with phosphors

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

450 500 550 600 650 700 750

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

µW/nm

Wavelength (nm)

µW/nm

Wavelength (nm)

without ODR with ODR

Omni-directional reflector Phosphor

Visible light

UV light

LED chip Reflector

Gold wire bond