高發光效率白光發光二極體

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

高發光效率白光發光二極體(第 3 年) 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-011-050-MY3

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 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-兼任助理人員：陳仙瑋 碩士班研究生-兼任助理人員：宋曉芳 碩士班研究生-兼任助理人員：陳文彥 碩士班研究生-兼任助理人員：呂俊霖 碩士班研究生-兼任助理人員：許哲瑋 碩士班研究生-兼任助理人員：徐才峻 碩士班研究生-兼任助理人員：陳冠廷

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 09 月 20 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 █ 成 果 報 告

□期中進度報告 高發光效率白光發光二極體

計畫類別： █ 個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC 96－2221－E－011－050-MY3 執行期間： 97 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日

執行機構及系所：國立臺灣科技大學電子系/光電所 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、呂俊霖、宋曉芳、許哲瑋、徐才峻、陳冠廷

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

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除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

中 華 民 國 99 年 9 月 20 日

目錄

一、前言………1

二、研究目的………1

三、文獻探討………2

四、研究方法………3

五、結果與討論………9

六、結論與建議………10

七、計畫成果自評………11

八、參考文獻………12

九、附圖………14

一、 前言

白光發光二極體(LED)種類的應用範圍隨著亮度與功能的提升越來越廣泛，從最初的儀器指 示燈，到目前最廣泛使用的交通號誌燈，路燈或最近極熱門的液晶背光光源。主要因為白光發 光二極體的亮度與顏色品皆有大幅度提升，以目前最被看好例如 PDA 智慧手機、GPS 導航機、

液晶電視等的液晶影幕的白光背光源照明上，由於應用面積大幅提升也要求照射範圍均勻度的 提升。顯示應用例如白光 LED 被應用於大尺寸 LCD 電視的背光源照明與中小尺寸的 LCD 投影 系統所使用光源。至於顯示產業上應用則要求可呈現顏色多也就是所謂的廣色域(Wide Color Gamut)。而用於傳統室內外照明應用上，將白光 LED 用於照明時則要求演色性(Color Rendering) 要好、色溫要低甚至可調控顏色與色溫，因此對所發出的白光顏色特性要求甚高。所謂演色性 是將使我們所見之被顯示物與被太陽光照射後被顯示物呈現原始色彩差異程度。因此具優異之 發光顏色特性之白光 LED 將是我們所追求的目標，傳統上以太陽光為追求目標。

因白光係包含多種顏色之混光，其產生原理係至少包含兩種以上波長之混合。目前市場上 以藍光 LED 激發不同色螢光粉之作法，因為長時間點亮時 LED 產生熱能，持續累積增溫導致 LED 溫度快速上升，產生藍光 LED 峰值波長產生位移現象，使與黃光相混合時顏色偏差而偏離 原有之色光。而以紫外光 LED 激發之白光 LED 效率始終不太高且有紫外光外漏問題，除提升 其發光效率外應從光學設計其外部封裝結構以提升其應用之範疇，可更容易實現用於照明或顯 示產業。就技術而言，高亮度、發光均勻度、對溫度穩定或可靠性與發光顏色調控性為國內外 研發重點。

二、 研究目的

就演色性而言，使用不同顏色光的 LED 來搭配混合成為白光，在已發表的文獻中最少可以使 用兩種顏色之 LED，藍色與琥珀色即能混合成為白光，但因其演色性太低不太可能應用於實際面 上。如果將所使用之 LED 光顏色數目提高至三種不同顏色之色光藍、綠、紅三色，依照適當的電 流量比例將可使演色性提升至 80 以上。為了提高演色性勢必要將白光光譜盡可能的調配均勻(如 缺少某波段之波長)，當使用之顏色 LED 提高至四色或五色時，因所有波段越接近於日照光之連 續波長光源，故其演色性可高至 98、99 左右，如此即可將之應用於更多對光源品質要求極高之 範圍。雖然不同色光 LED 可混合出高演色性之白光光源，但因每種色光之 LED 效率各有所不同，

點亮之後每種 LED 之老化程度也有所差異。即使挑選出相同效率之每種色光拿來放在同一範圍使 用，當要混成白光時因每種顏色之 LED 所需供給之電流電壓不同。當光源點亮時 LED 由於電流 影響使 LED 本身發熱，如果散熱技術處理欠佳，會因為溫度升高導致 LED 發射波長有所偏移，

而使的本來已混色之白光顏色偏差，此即不同色 LED 混光所需克服之難題^1-2。

本計畫以藍、紫、紫外光激發不同色之螢光粉搭配調製白光，使其發光顏色特性比傳統照明 光源更好，並以高演色性為主要目標之一，藉由全方位反射器(光子晶體)的應用來將紫外光循環 利用再次激發螢光粉提昇發光效率，並改善漏光情況與提升發光均勻度。同時根據上述過去研究 時所遭遇問題與缺點，在本實驗中我們結合田口式工程品質法與不同白光 LED 製程優點，使用不 同激發波長的晶粒共同封裝，並利用各色螢光粉對激發波長的高選擇性，藉由調整其驅動電流大 小，改變各晶粒發出的光通量來控制混光比例，以達到具有即時性色溫可調之白光發光二極體。

傳統的 RGB 三色混光之白光發光二極體，由於三種晶粒的材料皆不相同，各別驅動電壓電流也 不相同，導致材料衰退程度不一與驅動電路複雜等問題，因此本計畫中晶粒選擇著重於選用 InGaN 為主要材料的藍光與紫外光晶粒做為激發光源，其波峰分別為 372 nm、410 nm 與 465 nm。另外 由於紫外光晶粒的選用，此激發光源會外漏而對人眼造成傷害，因此使用結合全方位反射器的封

裝結構所以不會造成影響。同時也針對偏極化白光發光二極體設計與製作與配合次波長光柵(偏光 器)來滿足未來液晶顯示器的需求。

三、 文獻探討

A. 不同色光 LEDs 混光

不同顏色的 LED 搭配封裝混合出白光，在 A. Zukauskas 等人的論文裡提出使用 481 nm 與 580 nm 至少 2 種晶粒混合即可產生白光(藍色與琥珀色混合)，但其演色性太低約 20³，並無法實際 做任何應用。如果將所使用之 LED 光顏色數目提高至三種不同顏色之色光藍、綠、紅三色，依 照適當的電流量比例將可使演色性提升至 80 以上。因此提高演色性勢必要將白光光譜盡可能的 調配均勻，Yoshi Ohno 的論文裡則是使用四種波長(461 / 527 / 586 / 637 nm)的晶粒混光，其頻譜 更為連續無缺陷，演色性高達 97⁴。此因所有波段越接近於日照光之連續波長光源，如此即可 將之應用於更多對光源品質要求極高之範圍。為達到實際應用性的演色指數，較常見的是使用 三種 LED 進行混光，Nadarajah Narendran 等人的論文中使用 RGB 三色 LED 混合出白光，波長 分別為 615 nm、525 nm 與 465 nm，演色性可達到 93⁵，雖然演色性較為提昇，但仍不適用於對 光源品質要求較高的應用範圍。不同顏色的 LED 混合產生白光雖然擁有高發光效率、高演色性 與色彩飽和度佳等優點，但因多顆晶粒封裝於同一導線架內，容易導致熱能的累積，造成晶粒 發射波長位移且導致元件老化。各晶粒的製作材料不同每種色光之 LED 效率各有所不同，因此 衰退速度不一。

B. 藍光 LED 激發有色螢光粉

使用藍光 LED 激發黃色 YAG:Ce 螢光粉⁶，利用互補色原理得到白光。在 R. Mueller-Mach 等人論文中依照黃色螢光粉的比例不同⁷，可調配出色溫介於 3500~5200K 左右之色光，此作法 之優點與不同色 LED 混合相比，只要兩種色光混合其演色性就達到 80 左右，如果想要將演色 性指數更加提升至 90 以上，加入除了黃色螢光粉外再加入紅色螢光粉。以藍光 LED 激發不同 色螢光粉之作法，雖然可以得到較高之演色性，目前市面上也有很多以此方法做成之商品，但 因為長時間點亮時 LED 電流轉換不完全使得光源產生熱能，持續累積的結果，導致 LED 溫度 上升，碰到與多色 LED 混光相同的問題，就是藍光 LED 峰值波長產生位移現象⁸，使得與所激 發出之黃光相混合時色座標偏離原有之預設值，而偏離原有峰值之藍光 LED 所激發出來的其他 色光也會與原有之色光有所出入或強度改變。我們希望的光源是可以長時間點亮也不會改變色 座標或是改變的範圍是人眼所無法辨識的可接受範圍之內。

C. 紫外光 LED 激發有色螢光粉

為了克服上述兩種方法因溫度上升導致 LED 峰值波長改變之影響，發展出了第三種配色方 法。如果我們使用的是不影響色座標的紫外光為激發光源，用它來激發不同色螢光粉，如此一 來所混合出之白光之色座標就不會因為溫度上升使得 LED 波長產生位移而有所變化。在 Toshio Nishida 等人的文章中使用紅、綠、藍三色螢光粉以一定的比例⁹，使用 350 nm 的 UV-LED 激發 產生色座標介於(0.411~0.416, 0.397~0.401)的白光，其演色性介於 86~89。為了增加其演色性 Yukio Narukawa 等人也有作法是使用藍、綠、黃、紅的螢光粉，加入黃色螢光粉以補足原本缺 少的些許波段，在色座標為(0.33, 0.35)的情況下其演色性可高於 90 以上。此種白光 LED 乃是利 用紫外光晶粒激發螢光粉，螢光粉所激發出的光組合成白光¹⁰。其主要的優點在於螢光粉的發 光光譜較寬，只要調配的比例適當，所組合出的白光無論在色座標、演色性或色溫上都有很好 的效果。此外，晶粒所發出的光為不可見光，白光都是由螢光粉發出的光所組成，當晶粒的光 譜峰值位移時，對白光的特性完全沒有影響。其主要的缺點在於，UV 晶粒的發光效率太低，及

吸收光譜為 UV 光的螢光粉轉換效率不佳，而造成整體白光 LED 的發光效率不高。而且螢光粉 不能完全的吸收 UV 光，剩餘的 UV 光外洩後會對人眼會造成傷害，是此類白光 LED 最嚴重的 缺點。因此要想提升其發光效率除了晶粒本身的改變外，也可從螢光粉之轉換效率著手，外部 封裝時的光學設計相互搭配，亮度提升之後其應用之範疇也將增加，並更容易實現用於室內或 室外照明。另外以紫外光 LED 激發之白光在輸入電流 20 mA 時，發光效率為 20 lm/W¹¹，但藍 光 LED 激發黃色螢光粉之白光，在輸入電流 20 mA 下發光效率為 138 lm/W 相較之下高甚多。

D. 色溫可調式白光 LED

若白光發光二極體擁有即時性色溫或是顏色可調的特性，相信其應用範疇則會更加廣泛。

即時性色溫可調之白光發光二極體能藉由幾個方式達成，使用多晶粒封裝是較為普遍的方式：

可使用暖白光(warm white, WW)與冷白光(cool white, CW)的 LED 混光來達成，可藉由各別驅動 來調整混光比例，達到色溫可調的效果，但也因為所選用的 LED 較少，可調整的色溫為兩 LED 在 CIE 色座標上的連線範圍內，且會偏離正確的白光，此問題類似於藍光晶粒與黃色螢光粉的 搭配，若選擇不當則會產生非標準白光¹²。而較為常見的是使用紅色(R)/綠色(G)/藍色(B)三色晶 粒共同封裝，藉由光與熱的回授電路控制同樣能達到效果，可調出顏色飽和度較高的單色，但 由於晶粒發射頻寬較窄，造成整¹²體白光演色性較低，且每顆晶粒對於熱效應的衰減速度不同，

造成驅動電路複雜等缺點¹³。針對上述演色性不足的缺點，也有提出使用四色晶粒 R/G/B/amber 混合出白光，將紅色與綠色之間的發射光譜補足，由於所使用的琥珀色(amber)晶粒其材料 AlInGaP 易受到熱效應影響，在接面溫度為 90°時其光通量只有 25°時的 30%²，且使用晶粒數更 多其後續電路問題更為嚴重。而使用 WW/G/B LED 的組合不僅能達成連續光譜且具有較佳演色 性，再藉由綠色與藍色晶粒的配合，可調出高色溫的白光，但暖白光的 LED 發光效率相較綠色 與藍色晶粒較差，在熱累積之下仍有色座標偏移與光強度衰減的問題¹⁴。換個角度來看，也能 使用 R/G/B/CW LEDs 來達到色溫可調之白光，擁有與 WW/G/B LED 同樣高演色性、高發光效 率等優點，但仍因所使用的材料複雜，難以避免材料衰減程度不一、發光均勻性不佳或混光不 易等問題¹⁵。

上述提到使用不同色光的 LED 與不同色溫之白光 LED 混光方式，一方面能產生白光，另一 方面也能達到即時性顏色可調的效果，除了這些方法外，Sedat Nizamoglu 等人的論文裡，提出 於藍光 LED 上方成長 CdSe/ ZnS/ CdSe 的異質晶體，類似於外殼包覆核心的結構，中心的 CdSe 核心，在藍光 LED 激發之下會產生橘黃色的光，而外殼的 CdSe，被激發後則會發出青綠色的 光，藉由調整此二種 CdSe 的含量，即可改變產生不同發光品質的白光，色溫可從 4192 K 到 27413 K¹⁶。在 Natalie N. Fellows 等人的論文裡，為了將 574 nm 較長波長的的黃光晶粒同樣成長於 GaN 為主的 LED 上，因此選用不同於一般 c-plane 結晶面進行成長，由於 GaN 在不同結晶面出光時 會有無偏極性或半偏極性的效果，如此不僅具有較佳的成長品質，且能獲得具有半偏極性的光。

再將此半偏極性的 574 nm 黃光晶粒與無偏極性的 467 nm 藍光晶粒一起封裝，混合產生白光。

其應用於光纖上，在光導入光纖前置一偏振片，藉由偏振片的旋轉，即可調整混光量的比例達 到不同品質的白光¹⁷。雖然各有方式能達到具有可調性之白光發光二極體，但仍易於回到材料 不同衰退程度不一、發光均勻性不佳或混光不易等問題，需要待解決。

四、 研究方法

本計畫研究內容與方法使用藍、紫、紫外光 LED 晶粒激發白光 LED，在封裝矽膠中混入螢光 粉將藍、紫、紫外激發光轉為有色光再混合成白光。故螢光粉的混合濃度會影響白光 LED 的發

光效率。螢光粉的濃度若太低，大部份的激發光無法轉換為有色光，外洩的紫外光不但會對人 眼有不良的影響，也等於是降低白光 LED 的效率。由於螢光粉的折射率大於 2，在折射率 1.4 的矽膠中會造成散射的現象，若螢光粉的濃度過高，散射過強，會降低 LED 的發光效率。此外 混入過量的螢光粉會使螢光粉之間的交互吸收增加，同樣也會降低發光效率。目前藍、紫、紫 外光 LED 的主要材料為 InGaN，其折射率大約為 2.4 左右，空氣的折射率則為 1。由於兩者的折 射率差極大，LED 主動區所產生的光有一大部份在此介面被反射，最後被 LED 本身材料吸收。

由於 LED 的內部量子效率也不斷提升，但外部量子效率，卻因為內部全反射的關係而無法改善，

使 LED 整體發光效率變差，因此我們用對紫外光透明的矽膠封裝以改善外部量子效率成為增加 LED 發光效率的重點。首先需 色差值作為區分顏色標準定義如下方式:E^*_uv

A. 色差計算

由於對白光 LED 需明確且精準的顏色表現,因此分辨出兩種顏色之間的差異並不能只靠眼睛 來判斷，由 CIE 1931 圖中我們可發現有許多小橢圓型之色域(Gamut)，在其中之色彩就算有差 異也是人眼所無法分辨出來的。因此發展出使用儀器來量測物體或光源之色座標，知道色座標 之後使用科學的方法來計算出此色座標與希望得到座標點的差異量。又因 CIE 1931 色座標圖座 標軸不成比例，在做直觀色彩判斷時差異很大，故後來發展出 CIE 1960 (u, v) 色座標圖與 CIE 1976 (u’, v’) 色座標圖(圖 2.5)，轉換公式為式

' 4

15 3 u X

X Y Z

   ， ' ⁹ 15 3 v Y

X Y Z

    （1）

關於色差計算公式，以下介紹兩種常見之色差計算公式，分別為 CIE 1976 L^*u^*v^*與 CIE 1976 L^*a^*b^*，CIE 1976 L^*a^*b^*色差公式是由三激值來計算，X、Y、Z 為儀器所量測到光源三激值，X_n、 Y_n、Z_n為參考光源之三激值， 為色差值，當量測值與參考值相差越大時其值也會越大，式E^*_ab

（2）~（5）

1 3

* n n

n n

Y Y

116 16 , for 0.008856

Y Y

L

Y Y

903.3 , for 0.008856

Y Y

  

  



  

  

（2）

1 1

3 3

*

n n

X Y

a 500 ,

X Y

 

   

 

        

（3）

1 1

3 3

*

n n

Y Z

b 200 ,

Y Z

 

   

 

        

（4）

     

* * * *

Eab L a b ,

 ^   ^ （5）

CIE 1976 L^*u^*v^*色差公式使用的是 CIE 1976 年色座標圖之座標點來計算，L^*為亮度，u_n’與 v_n’

為參考點之座標，u’與v’為量測物的座標點， 為色差值，式（6）~（9）E^*_uv

1 3

* n n

n n

Y Y

116 16 , for 0.008856

Y Y

L

Y Y

903.3 , for 0.008856

Y Y

  

  



  

  

（6）

 

* *

u 13L u' u ' ,n （7）

 

* *

v 13L v' v ' ,n （8）

     

* * * *

Euv L u v .

 ^   ^ （9）

B. 螢光粉調配

在本計畫最主要目的為以發射波長為 380~460nm 範圍的紫外光、紫光與藍光晶粒，激發由 矽膠混合的多色螢光粉，調配出合適的白光 LED。為了能夠有效率的調配出本計畫所需要的白 光光源的色座標，選擇螢光粉種類與配方的選擇配合田口式實驗法使用更顯得格外重要。

I. 田口式實驗設計法

田口式實驗法是由日本田口玄一博士於 1950 到 1960 年代所發展而來，一般做法是先找出影 響實驗的因數子，依照不同個數的因子發展出了數目不同的直交表，其特色是以較少的實驗次 數來獲得有用的統計資訊。由先前研究¹⁸中瞭解到可調配成白光的成份為 RBY 三色螢光粉，所 以本計畫將因子數設定為四種，選用 4 因子 3 水準直交表(表 2.5)，P 為總螢光粉與矽膠的比例。

為了能夠有效率的調配出本計畫所需要的白光光源的色座標，曾有相關文獻使用螢光粉發射光 譜疊加的方式，來預測最後所能得到的白光光譜 ¹⁹，但這樣會忽略螢光粉之間的交互作用，而 造成最後實際量測的結果與預期結果有所差別，因此本計畫選擇使用田口式實驗法來達到此一 目的。田口式實驗法可以針對實際的結果進行分析，瞭解到各參數的影響比重，可藉由較少的 實驗次數來調配出我們所需求的白光光源。

表 2.5 田口式 L9(3⁴)直交表

Exp. P R Y B

1 1 1 1 1

2 1 2 2 2

3 1 3 3 3

4 2 1 2 3

5 2 2 3 1

6 2 3 1 2

7 3 1 3 2

8 3 2 1 3

9 3 3 2 1

依照表 2.5 可做出 9 組實驗，利用積分球量測發光光譜與光學特性，再以色差為分析標準進 行水準分析，也可同時利用其他顏色特性參數進行交叉分析。

II. 螢光粉材料成分與發射光譜

傳統的 RGB 三色混光之白光發光二極體，由於三種晶粒的材料皆不相同，各別驅動電壓 電流也不相同，導致驅動電路複雜，因此本計畫中晶粒選擇的部份，著重於相似材料的晶粒做 為選擇，我們選用皆以 InGaN 為主要材料的藍光與紫外光晶粒做為激發光源，在紫外光的部份，

若激發光源發射波長太相近，則無法達到可調的特性，因此最後選用的晶粒，其波峰分別為 372 nm、410 nm 與 465 nm。 螢光粉選擇的重點為單一晶粒激發與可調色域大小。為了要使白光發 光二極體達到可調的特性，因此所選用的螢光粉，希望能只由單一晶粒所激發。但激發光源皆 屬於紫外或紫光，在激發螢光粉時較難達到完全獨立，難免有同時激發紅綠兩種粉的情形，這 情況是藉由螢光粉的比例調配來改善此現象。為了在相同厚度下找出螢光粉最高發光效率我們 做了在不同螢光粉濃度配方下發光效率的實驗，可以發現隨著螢光粉濃度的增加紫外光所剩餘 的強度也隨之遞減，而可見光範圍之頻譜強度則跟著增加，超過 4.55%濃度之後遞減到一定值。

且由光譜圖可以發現隨著螢光粉濃度上升，紫外光波段強度會慢慢遞減，如果再繼續將濃度提 升紫外光雖然可以被吸收，但是發光效率卻會因為濃度飽和的影響而下降，所以在本計劃中我 們找出效率最高的螢光粉濃度比例，而將剩餘的紫外光利用全方位反射器反射回螢光粉層進行 再利用的功能。此配方製作的白光演色性都高於 90，而色座標也接近 D65 光源的(0.3127,0.329)。

紅色螢光粉材料 Mg_8.5(AsO₄)₂(AsO₆)O₂以 380nm 的紫外光激發之光譜圖是比較長波段的連續頻 譜，而沒有斷層產生。綠色螢光粉主要成份為 Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂O：Eu。以 380nm 激發的發射頻 譜具有較寬的頻寬且波長較長。藍色螢光粉分有(Sr,Mg)₂SiO₄:Eu 與 BaMgAl₁₀O₁₇:Eu 兩種。黃色 螢光粉為由藍光激發之(Y, Gd, Ce)₃Al₅O₁₂螢光粉。在使用 RGB 螢光粉來調配白光時很明顯的看 出在波長 550 到 600nm 之間是沒有光譜強度的，所以雖然此法可以達到 D65 光源或白點的色座 標值，但它的光譜始終存在缺陷(圖 1)，使得演色性很難達到 90 以上。因此使用 BYR 三種螢光 粉來混合調配，圖 2 可以很清楚的發現以此配方調製之螢光粉光譜較不會有不連續現象，因此 可以得到更完整的光譜。

另由田口式實驗法可得到了最佳色座標、色溫與演色性，再將效率參數由田口式實驗法中分 出，並得到當厚度固定時，在不同的螢光粉總濃度下，其達到最佳色座標時的螢光粉個別濃度是 不一樣的，因此造成效率上的差異，濃度太低效率也隨著下降，濃度太高時又會造成可見光被互 相吸收之交互作用而使 UV 光轉換效率下降，因此需將濃度調配至一最佳配方達到最高效率。

C. 可調式白光 LED 封裝結構

本計畫是使用田口式實驗法進行螢光粉的濃度比例調配，首先使紫外光晶粒固定在導線 架上，使用銀膠做為接著劑，將適量銀膠塗佈於導線架裡，再將紫外光晶粒黏著於銀膠上，之 後將導體架送進烘箱使其固化。烘烤完後即可使用金線銲線機進行打線的動作，使其導通。第 一層透明矽膠製作過程係先使用真空脫泡攪拌機進行混膠→脫泡→混膠的動作之後把攪拌完成 的矽膠填入針筒內，放入真空烘箱中抽真空將剩餘的氣泡抽離。再使用點膠機進行點膠。第二 層螢光膠製作過程與第一層矽膠層大致相同，差異是第二膠層包含螢光粉，同樣使用真空脫泡 攪拌機進行混膠→脫泡→混膠的動作，完成上述步驟後將螢光膠秤重填入導線架中放置於烘箱 中進行烘烤完成白光發光二極體封裝。螢光粉的總重與整體螢光膠層相較之下，重量比例大約 只有 4%~5%，因此根據有效率折射率的計算公式²⁰，螢光膠層的有效折射率幾乎沒有什麼改變，

並不會造成與第一層矽膠層之間有界面存在。

將封裝完成的白光發光二極體放入積分球內進行量測，針對各項發光品質分析出可得到最低 色差的因子組合，再進行田口式實驗使色差值下降達最佳結果。為了能夠達到最高效率採用避 免螢光粉交互作用之最佳濃度，但因此將造成紫外光在第一次激發時沒有全部被螢光粉所吸 收，所以我們在封裝結構最上方加入一片全方位反射器，進行遮蔽穿透與反射紫外光的功能，

達到增加發光效率與均勻度的作用。全方位反射器的封裝結構如下，圖 3 為封裝結構，有空氣 層鍍膜面朝下封裝結構，即在傳統封裝結構後外加一全方位反射器，此全方位反射器的鍍膜層 結構為白光 LED 光源由空氣進入 TiO₂/SiO₂之 15 對結構再進入玻璃基板最後出射進入空氣。

D. 全方位反射器設計

如圖 3 所示為本計畫使用的全方位反射器封裝結構，有空氣層且鍍膜面朝下封裝結構，即在 傳統封裝結構後外加一全方位反射器。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。此全方位反射器的鍍膜層結構為白光 LED 所使用之紫外激發光源由空氣進入

TiO²/SiO²之 15 對結構後，其所激發二次白光光束再進入玻璃基板最後出射進入空氣。其工作原 理為為了能夠達到最高效率螢光粉濃度上的取捨是必須的，因此將造成紫外光在第一次激發時 沒有全部被螢光粉所吸收，所以我們在封裝結構最上方加入一片全方位反射器，進行遮蔽穿透 與反射紫外光的功能，達到增加發光效率與均勻度的作用。本計畫使用之全方位反射器，以 G-solver 軟體進行模擬使用藕合波理論，模擬結構為 300nm~800nm 波長之光源經空氣進入 TiO²/SiO²之 15 對鍍膜層後經過玻璃基板進入空氣，TiO²折射率為n¹=2.31 與 SiO²折射率為 n²=1.46 時，在入射波長為 300nm~800nm 時之 TE 與 TM 波對角度之平均反射率關係如在圖 4.中 將所有角度的平均反射與平均穿透率圖，由圖中可知在 380nm 波段時的平均反射率為 90%左右。

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²¹。

全方位反射器(光子晶體)原理為空間中介電質呈現某種週期性的分佈，會存在著「完全光子 能隙(Photonic full gap)」，其原理與電子能階的概念相似，在某個能帶中，電子無法存在於 非能階的位置，而光子晶體也是如此，在完全光子能隙所對應波長範圍的光，

-1 1 2

h

2 2 1 1 1 2

n -n

= 2c cos - h n +h n n +n

 ^_ ^_

 

2 2 2 2 2 2

1 2 0 2 1 0

-1

l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 0 1 1 0 1 2 0 2 1 0

n n -n -n n -n

= 2c cos

h n -n +h n -n n n -n +n n -n

  

 

 

 

 與h 分別為長、短波長時的頻率，c 為光在真空時的速度，n_l ⁰為空氣中之折射率，n¹為高反 射率材料折射率，h¹為高反射率材料厚度，n²為低反射率材料折射率，h²為低反射率材料厚度，

由公式可以經由理論計算求得當折射率與厚度固定時的全反射頻率範圍。無論其偏振方向為何 或是入射角大小都無法存在於其中，因此會被全反射回來。與 DBR 或是金屬反射器不同之處，

在於 DBR 反射器會受限於角度，在光正向入射時才會有高反射率。至於金屬反射器雖然沒有這 樣的問題，但在反射時會吸收部份的光，銀與鋁在可見光波段的最高反射率~95%^22-23。光子晶體

不會有這樣的問題，並且可對所有入射角度的光反射，因此也稱為「全方位反射器」。本計畫中 所使用之全方位反射器即為一維光子晶體，也就是多層鍍膜的週期性結構。

E. 偏極化白光 LED 封裝結構

為產生偏極化白光 LED 功能，我們採用金屬光柵作為在白光 LED 這一微小光學系統中 為重要偏光元件，而光柵結構尺寸為要比入射光波長小一個或多個數量級的次波長光柵。白 光 LED 發射光與次波長光柵結構間的相互作用可以控制偏光的效應。為了產生偏極化白光 LED，我們採用紫外光晶粒激發有色螢光粉的方式，設計一複合光學元件封裝覆蓋在白光 LED 導線架上方， 此複合光學元件包含「全方位反射器」及「鋁次波長金屬光柵」結構如圖 5。

此複合光學功能建構於光學基板上的次波長光柵結構。當未偏極光正常入射到結構上時，光 即受到光柵結構影響分成兩道相互垂直的光。藉由調整光柵結構的尺寸、形狀和間距就可以 改變對通過光的影響。一般而言次波長光柵已能廣泛應用於微波至遠紅外光波段，然而受到 傳統微影術(lithography)製程技術上製作尺寸的限制，在波長較短的可見光範圍內並沒有辦法 使用這種偏振元件。為了要使的金屬相位光柵能夠更廣泛的應用在近紅外線以及可見光的波 段上，近年來製程技術的進步，使得國外一些研究團隊也在積極開發這種結構之先進製程技

術^24-25，讓次波長光柵可應用於背光面版上作為偏光分離及偏光轉換的元件。經過設計之全方

位反射器結構可以在全部角度反射紫外光，解決紫外光外漏的問題，更可以將反射的紫外光 再利用，再次激發螢光粉以提昇發光效率。而鋁次波長光柵可以將白光偏極化，改善白光 LED 眩光的問題，而此種結構的偏極方式跟薄膜結構作比較，對於角度的依存度較小。在實驗上 我們先針對複合光學元件結構作設計及模擬，計算其結構在紫外光至可見光波段(350 nm~700 nm)之 TE 波及 TM 波的穿透率和反射率。在全方位反射器方面我們沿用先前研究之參數，選 用 Nb2O5 及 SiO2 之週期堆疊結構²⁶藉由 TFCalc 薄膜軟體模擬之結果，可觀察出針對紫外光 入射時，在不同入射角度仍可以得到大於 99%的反射率，全方位反射範圍為 361~378 nm。

F. 主波長穩定之白光 LED 封裝結構

本計畫另提出一個新的封裝結構來達到主波長(Dominate Wavelength)穩定之要求，不使 用一般耗費成本之散熱方式；利用一特別經光學設計過之光學濾片放在傳統藍光激發黃光之白 光 LED 之上方。而所採用之光學濾光片將藍光部分之波長範圍取出，以達成穩定主波長與降 低色溫變化之目標。由於溫度上升造成使螢光粉產生激發之藍光 LED 波長紅位移，因為黃色 螢光粉對激發波長有高度選擇性,造成藍光 LED 波長無法有效產生足夠黃光。同時黃色螢光粉 之發光有所謂熱淬火(thermal quenching)現像，隨溫度上升黃色螢光粉螢光轉換效率亦隨之降 低。基於上述理由一般白光 LED 隨使用時間或電流增加時，導致白光 LED 溫度急劇上升造成 色溫與色座標急速變化的現像。實驗中並探討藍光激發 YAG 螢光粉之白光 LED 其發光光譜、發 光品質以及封裝材料受晶粒溫度上升之熱效應影響而產生相對之變化。研究中使用濾光片取出 短波長之藍光二次激發長波長之黃光，用此方式補償本研究並改變螢光膠的厚度、濃度與濾光 片之作用進行波長與能量損失的探討。最後分析發光之亮度、色溫、演色性與色座標等顏色性 質分布。

五、

結果與討論

本計劃利用田口式實驗法與現有市場可購得之螢光粉調配白光，一開始利用紅、藍、綠三色 螢光粉來調製白光，但因為其光譜中始終存在缺陷使的發光特性不佳，演色性太低。因此本計 劃提出使用紅、藍、黃三色螢光粉利用紫外光 LED 激發混合成白光，以此方法所製作的白光 LED 擁有良好的發光特性，能得到色座標(0.319, 0.320)之點且 CCT =6188K，R_a=93.69，色座 標接近 D65 光源的色座標點，演色性也高於 90，發光效率則為 8.9 lm/W²⁷。但使用 UV LED 作為激發光源的缺點為紫外光的外漏，本計劃以全方位反射器來改善此一缺點，並分析當利用 全方位反射器封裝時結構的差異對發光效率的影響，經過實驗分析得到，當全方位反射器鍍膜 面朝螢光膠層且與螢光膠層中存在一空氣層時會有較多的紫外光被反射回螢光膠層進行二次 激發，以提升發光效率，以此結構封裝後發光效率增加為 9.52 lm/W，色座標變為(0.323,0.325)，

CCT=5991K，Ra=93.41²⁷。以全方位反射器封裝不僅可以減少紫外光的漏出，且可提升發光效 率與色彩均勻度，但色座標與色溫都會有些許偏移，可將全方位反射器所造成的偏移量當作一 種可調變參數，用來改善傳統封裝結構的色彩特性。

消耗的 UV 能量與增加的可見光能量比可加以換算出紫外光的螢光轉換效率，基於同樣的理 由，其第二次轉換效率，也就是經過光子晶體反射的 UV 光轉換出可見光的效率都在 30%以下，

代表反射回去的 UV 光只有不到 30%能轉換為可見光。其原因可能是反射的 UV 光會被周圍的 封裝材料及矽膠本身吸收，因此造成 UV 光的回收效率不高。而限於以上的情況，理論上必須 盡可能的提高第一次的轉換效率，也就是在 UV 光被反射之前盡可能的消耗掉並轉為可見光。

為了達成這個目的，提高螢光膠的量及螢光粉的厚度是可能的辦法，但是由於矽膠會吸收 UV 光，且螢光粉的濃度是存在一個最佳值而不能無限提升。光子晶體的使用都能增加 15~20%左 右的發光效率，增加的效果是由於光子晶體將未被螢光粉吸收的 UV 光反射並再激發螢光粉。

雖然>15%的增加量不算很多，但是在晶粒發光強度提升後，螢光粉所能轉換的 UV 光量卻不 變，則 UV 漏光會更為嚴重，此時光子晶體對效率的提升會更顯著。色溫值則是在加上光子晶 體後會稍微降低，原因是光子晶體會反射一部份的藍光，由光譜可看出，在波長 425nm~700nm 時，加上光子晶體後其強度都有上升，但波長 425nm 左右強度卻沒有改變。此現象會使得色 座標往黃光移動，連帶降低其色溫值，因此在螢光粉調配的過程中必須先將此現象考慮進去。

為達成具有色溫可調性之白光發光二極體封裝，本計畫以具有以 InGaN 晶粒為基礎之激發 光(紫外光、紫光與藍光)同時激發之白光發光二極體為基礎，搭配全方位反射器進行封裝 ²⁶。 本計畫並以田口式實驗法進行多色螢光粉之調配來達成標準白光。本計畫提出將上述紫外光激 發白光發光二極體(peak =378nm)與另一紫光(peak =410nm)及一藍光晶粒(peak =465nm)共 同封裝於此結構中，藉由螢光粉的選擇與電流調控可獲得具有色溫可調性之白光發光二極體。

因為紫外光晶粒(peak=378nm)的選用，會有紫外光外漏的現象，因此使用全方位反射器封裝 來改善此問題，針對實際需求進行全方位反射器的設計與製作，將紫外光封鎖在導線架內部，

且讓可見光能有良好的穿透。經實驗驗證，發光品質已可調至色座標(0.3347, 0.3384)，色溫 5398 K，演色性 81，且色溫可調範圍為 3137K~8746K，已包括日常生活中常用到的色溫範圍。雖 然整體而言略有發光不均勻的情況，但本計畫也藉由粗化最上方的封裝玻璃來改善此問題，可 以將白光的發光角度從±10 度提昇為±80 度，且在±70 度內色溫範圍為 6284~7499 K，明顯提昇 其均勻性，使其在未來更有實際應用的可能²⁶。本計畫已證實可以用來改變色溫產生色溫可調 式白光發光二極體，且為國內外獨特作法。

本計畫以紫外光晶片激發螢光粉層之白光發光二極體，發出具有偏光之白光為另一研究重點

28。因偏光白光發光二極體可減少目前液晶顯示器使用之偏光片數量達到降低成本效益，所以偏 光白光發光二極體與可調式白光發光二極體皆為目前光電產業亟需技術有提升產業發展潛力。

白光發光二極體搭配可全方位反射紫外光之全方位反射器並在全方位反射器另一側製作奈米線 偏光器(nano-wired grid polarizer)(次波長金屬光柵)，搭配適當的金屬鍍膜厚度與光柵週期 即可達到具有偏光之白光發光二極體。此一複合光學元件一側包含全方位反射器，此一反射器 具有全方位反射紫外光且透射可見光功能。複合光學元件因此可將穿過螢光粉層之未耗盡之紫 外光在封裝結構內形成多次反射，用以提升紫外光發光二極體晶粒激發螢光粉的發光效率與均 勻性。複合光學元件另一側表面具有次波長光柵，可利用反射作用將進入元件基板之非偏極白 光轉換成具偏極性白光。目前已完成理論模擬因欠缺足夠設備製作奈米線偏光器無法完成完整 元件製作與測試²⁹。

針對傳統藍光激發黃光之白光 LED，本計畫提出使主波長(Dominate Wavelength)穩定之封裝 結構，使用濾光片取出短波長之藍光激發長波長之黃光，用此方式減少由溫度上升造成色溫與 色座標急速變化之特性。當驅動電流為 20~40 mA 時係藍光 LED 波長藍位移波段；而>40mA 係 藍光 LED 波長開始紅位移範圍。由濾光片之穿透率可發現多數被阻擋在濾光片與螢光膠之間的 波長都是靠近峰波長 458nm 左側的短波長。藍光 LED 光譜受到濾光片在正向 0°時，各個波長 不同穿透率的特性以及激發的螢光膠濃度稀薄影響。在第一次激發螢光粉以後，部分波段之藍 光會再次被反射回螢光膠層，進行二次激發。實驗數據顯示藍光晶片發出藍光，穿過導線架中 之矽透明封裝層，接著進入黃色螢光粉層，其黃色螢光粉層先由藍光激發，會形成黃光並有一 部分藍光未被激發射出，未被激發之藍光進光學濾光片被部份反射回黃色螢光粉層並形成二次 黃光激發。二次黃光激發黃光與先前第一層被吸收之藍光所激發黃光混合加上尚未被吸收之藍 光共同形成而發出白光，因為藍光多次反射與激發黃光所以藍光會減少並增加均勻性與降低色 溫，進而增加發光效率，同時在 20~110mA 電流下,黃光形成之主波長也會穩定下來。本計畫已 證實可以用來降低傳統藍光激發黃色螢光粉之白光發光二極體隨溫度升高產生之色差(Color Difference)³⁰。

六、 結論與建議

由於螢光粉的轉換特性導致所產生的白光 LED 演色性不高，本計畫提出使用 UV-LED 激發藍 黃紅三色螢光粉配方來達到提升演色性照明要求的效果。本計畫選用紫外光晶粒(peak=378nm) 激發之白光發光二極體為基礎，搭配全方位反射器進行封裝。因為白光發光二極體會有紫外光 外漏的現象，因此使用全方位反射器封裝來改善此問題。同時利用藍光 LED 激發黃色 YAG 螢 光粉有高轉換效率的優點，結合了這兩個要素並搭配適當的螢光粉層的結構厚度與比例即可達 到白點色座標，色溫介於 3000 至 8000 K，演色性高於 90 之白光發光二極體。本計畫針對實際 需求進行全方位反射器的設計與製作，將紫外光封鎖在導線架內部，且讓可見光能有良好的穿 透。在 20mA 的電流驅動下，實際量測可得色座標為(0.325, 0.327)、色溫 5851K、演色性 96.47，

其光源規格已與 CIE D65 標準光源相當接近。同時藉由光場分佈量測可確認，各發光角度下紫 外光穿透量皆低於 10%，確認能有效抑制紫外光穿透。使用全方位反射器封裝能在不傷害 LED 電性的情況下，將發光效率平均提昇>15%。

同時也提出一種具全方位反射器之即時性可調式白光發光二極體，係由相同材料磊晶製作具 藍、紫、紫外光等不同波長之發光二極體晶片數顆置於導線架內，發光二極體晶片外圍塗佈有 一具有螢光膠層，此螢光膠層具有對不同激發波長產生不同發射光譜的作用。於螢光膠上方放 置有一以光學鍍膜製作之全方位反射器，以提高激發光的轉換效能與均勻性，此結構可由電流 調控各發光二極體的波長與強度，藉此激發螢光膠發出不同顏色的光線，得到所需要的光源，

獲得具有即時性可調式白光發光二極體。

本計畫所製作之白光 LED 發光效率與藍光 LED 激發黃色螢光粉仍有一大段差距，想要提高發 光效率第一點須由紫外光晶粒著手，一開始擁有高發出功率的 LED 是必要的。矽膠選用也是一 大重點，要對紫外光與可見光皆能透明，並不能與螢光粉產生交互作用，才能確保效率特性，

可以由研究不同的螢光粉層幾何結構位置改變對效率的影響與衰減的變化。如果要用紅藍綠三 色螢光粉調配白光則需使用寬頻譜的材料，才能使發光特性提升。因此建議如果要進行下一步 的研究可從螢光膠層幾何位置與厚、度濃度變化所造成的效率改變，或效率衰減變化，以低衰 減高效率為目標。全方位反射器的設計也是一大重點，不同穿透頻譜的全方位反射器會對光源 特性造成或大或小的改變，依照不同的需求可以變換不同結構的全方位反射器。在本計畫中預 期目標已有達成，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。

七、 計畫成果自評

目前世界各國對於節約能源以及防止地球暖化的共識下，全球已有多個國家型的白光 LED 照 明整合計畫在進行，因為照明對於人類的活動相當重要，故在照明方面的用電量相當驚人。白 光 LED 之照明科技，剛好係符合省電、環保且安全之各項節能條件，故其在未來之發展係必要 且需要不斷努力之目標。過去白光照皆使用白旘燈與日光燈，為節能減碳現在極力推廣白光發 光二極體照明以節省電力使用。白光發光二極體，具有體積小、壽命長、耐震與耐衝擊、無污 染、低耗電量,可在使白光之發光模組在照明市場中佔有相當大的比重。照明用之白光發光二極 體，具有下列特性:(1)體積小:可用於平面封裝之照明使用，且可視其使用環境做多顆及多種的 搭配組合(2)發光壽命長 (3)耐震與耐衝擊(4) 無污染(5)低耗電量(6)色溫低且演色性佳。

在白光 LED 之應用範疇上，目前使用藍光激發 YAG 螢光粉之做法係發展之主流，其原因係藍 光 LED 在發光效率上之提升的結果。在本計畫中預期目標已有達成，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。目前已申請四項專利中,其中含高演色性、

具偏光性與可調色溫等具特殊規格的白光 LED。本計畫所製作之白光 LED 具高演色性、具偏光 性與色溫可調等特點，其中高演色性藉由紅黃藍三色螢光粉調配白光可達演色指數高達 93 以上 且接近 D65 標準光源規格與光譜。白光發光二極體照明一如傳統燈源無法調變光源顏色，使得 在不同場合都使用相同顏色光源。若白光發光二極體擁有即時性發光顏色可調的特性，搭配以 燈具設計可提升 LED 照明系統效能使其應用範疇更加廣泛。傳統上白光發光二極體能藉由多色 晶粒混光與螢光轉換封裝兩個方式達成，其中業界廣汎採用之螢光轉換封裝方式製程簡單成本 低，但無法產生發光顏色變化。而使用多色晶粒混光封裝雖具有即時性顏色可調之功能，但因 各晶粒的製作材料不同，容易因發熱導致元件老化速度不一造成顏色變化。

就成本而言，也因材料的差異也會造成驅動電流不同，使得驅動電路複雜化增加成本。利用 多波長晶粒激發螢光原理，本計畫結合傳統之兩種方式並使用光學設計封裝結構達到雖採用螢 光轉換封裝方式卻具有即時性顏色可調之功能。具偏光性的白光 LED 結構為結合次波長光柵與 全方位反射器之特殊光學元件已有初步成效。同時可調色溫白光 LED 解決三色 LED 可調色溫 卻有混色不均勻問題，並已證實有效。而偏光白光發光二極體可減少目前液晶顯示器使用之偏 光片數量達到降低成本效益，所以偏光白光發光二極體與可調式白光發光二極體皆為目前光電 產業亟需技術有提升產業發展潛力。

因此進一步的研究可從以光學設計手段提高晶粒發光效率為目標，配合可靠性研究(散熱與 材料技術)加以進行。本計畫白光 LED 配合全方位反射器的設計是一大創新技術，已帶動新白 光 LED 研發重點方向，如高演色性、具偏光性與可調色溫等不同以往的性能。目前已申請專利

四件^31-34其中偏光白光發光二極體入圍奇美獎決賽,而可調式白光發光二極體獲選 2010 年教育部

技專校院技術研發成果發表獲選作品. 可調式白光發光二極體相關論文已刊在知名 OPTICS EXPRESS 與 APPLIED OPTICS 期刊^{21, 35}。

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九、 附圖

4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0

0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2

PowerIntensity(a.u)

W a v elen g th (n m )

B + G + R

圖 1 BGR 螢光粉光譜相加之頻譜。

4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0

0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6

PowerIntensity(a.u)

W a v e le n g th (n m )

B + Y + R

圖 2. BYR 螢光粉光譜相加之頻譜

圖 3 可調式白光 LED 封裝結構，有全光位反射器鍍膜面朝下封裝結構。

400 450 500 550 600 650 700 750 0

20 40 60 80 100

Transmittance(%)

Wavelength (nm)

Normal 20 deg.

40 deg.

80 deg.

圖 4 全方位反射器之穿透量測光譜

圖 5. 偏極化白光 LED 封裝結構，具有全光位反射器與次波長金屬光柵複合功能之封裝結構

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價值（簡要敘 述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適合在學術期刊發表或申請 專利、主要發現或其他有關價值等，作綜合評估。

1.

█ 達成目標

□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□ 實驗失敗

□ 因故實驗中斷

□ 其他原因

說明：目前已提出白光發光二極體封裝結構技術為主要研究方向，利用全方位反射器 (omni-drectional reflector)技術結合 UV LED 之白光發光二極體封裝結構技術。本技術已 證實可以用來改進白光轉換效率，同時兼具高演色性與低色溫等附加效益。目前即以此技術 基礎發展更進一步提出高功能白光發光二極體技術，利用全方位反射器技術結合紫外光、紫 光與藍光 LED 之白光發光二極體封裝結構技術開發，具可調式多波長激發螢光粉功能之白光 發光二極體結構。未來可進一步開發偏極化白光發光二極體結構與研究對溫度穩定性以促使 白光照明進一步發展。目前已於 2009 年發表於著名光學期刊 OPTICS EXPRESS 與申請專利中。

2.

論文：█已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無 專利：□已獲得 █申請中 □無

技轉：□已技轉 □洽談中 █無

其他：預計於 2010 年 10 月教育部技專校院技術研發成果發表會發表成果以增進技轉機 會。

附件二

3.

過去白光照皆使用白旘燈與日光燈，為節能減碳現在極力推廣白光發光二極體照明以節省 電力使用。但白光發光二極體照明一如傳統燈源無法調變光源顏色，使得在不同場合都使 用相同顏色光源。若白光發光二極體擁有即時性發光顏色可調的特性，搭配以燈具設計可 提升 LED 照明系統效能使其應用範疇更加廣泛。傳統上白光發光二極體能藉由多色晶粒混 光與螢光轉換封裝兩個方式達成，其中業界廣泛採用之螢光轉換封裝方式製程簡單成本 低，但無法產生發光顏色變化。而使用多色晶粒混光封裝雖具有即時性顏色可調之功能，

但因各色晶粒的製作材料不同，容易因發熱導致元件老化速度不一造成顏色變化。就成本 而言也因材料的差異也會造成驅動電壓不同，使得驅動電路複雜化增加成本。本計畫結合 傳統之兩種方式利用採用類似磊晶材料的氮化銦鎵晶粒配合相同驅動電壓與多波長激發 不同種類螢光粉原理，並使用光學設計封裝結構達到雖採用螢光轉換封裝方式卻具有即時 性顏色可調之功能。

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期： 99 年 9 月 20 日

國科會補助計畫

計畫名稱：高發光效率白光發光二極體 計畫主持人：蘇忠傑

計畫編號：NSC 96－2221－E－011－050-MY3 領域：白光照明

（中文）色溫可調式白光發光二極體 研發成果名稱

（英文）Color temperature tunable white light LED

成果歸屬機構 ^{國立臺灣科技大學}_{電子系/光電所} 發明人

(創作人)

蘇忠傑,呂俊霖

白光發光二極體照明一如傳統燈源無法調變光源顏色，若白光發光二極 體擁有即時性發光顏色可調的特性，搭配以燈具設計可提升 LED 照明系 統效能使其應用範疇更加廣泛。傳統上白光發光二極體能藉由多色晶粒 混光與螢光轉換封裝兩個方式達成，其中業界廣泛採用之螢光轉換封裝 方式製程簡單成本低，但無法產生發光顏色變化。而使用多色晶粒混光 封裝雖具有即時性顏色可調之功能，但因各色晶粒的製作材料不同，容 易因發熱導致元件老化速度不一造成顏色變化。就成本而言也因材料的 差異也會造成驅動電壓不同，使得驅動電路複雜化增加成本。本計畫結 合傳統之兩種方式利用採用類似磊晶材料的氮化銦鎵晶粒配合相同驅動 電壓與多波長激發不同種類螢光粉原理，並使用光學設計封裝結構達到 雖採用螢光轉換封裝方式卻具有即時性顏色可調之功能。

技術說明

Same as the fluorescence lamp, the color of the conventional white LED cannot be tuned in real time. The color tunnablity of white LED can extend the applications. This technology proposed a color temperature tunable white light LED. It is composed of one ultraviolet, purple , blue LED chip and variety of phosphors. Through the different applied current to each chip to excite different phosphors, The color temperature tunability can be achieved.

產業別 光電顯示器業、照明產業、電子業、農業

技術/產品應用範圍

可應用產品或商品： 白光照明,顯示器光源 民生用途：室內照明、溫室栽培照明

技術移轉可行性及預期效益 可應用產業：照明、顯示器、農業

預估產值：750 億臺幣 附件三

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期 2010年09月17日

國科會補助計畫

研發成果名稱

發明人 (創作人)

技術說明

技術移轉可行性及 預期效益 技術/產品應用範圍

產業別

計畫名稱:

計畫主持人:

計畫編號: 學門領域:

(中文)

(英文)

成果歸屬機構

(中文)

(英文)

高發光效率白光發光二極體 蘇忠傑

96 -2221-E -011 -050 -MY3 白光照明 白光發光二極體

white light emitting diodes

國立臺灣科技大學 蘇忠傑,陳仙瑋

由於螢光粉的轉換特性導致所產生的白光LED演色性不高，本專利提出一個新的 方法來達到提升演色性照明要求的效果。對以紫外光晶片激發螢光粉層之白光 發光二極體，本專利使用波長在紫外光的發光二極體(UV-LED)激發一個新的螢 光粉配方。本專利提出使用UV-LED激發藍黃紅三色螢光粉配方，同時利用藍光 LED激發黃色YAG螢光粉有高轉換效率的優點，結合了這兩個要素並搭配適當的 螢光粉層的結構厚度與比例即可達到白點色座標，色溫介於3000至8000 K，演 色性高於90之白光發光二極體。

The color rendering of conventional phosphor-converted white light LED was not high enough for lighting. This patent proposed a new method to enhance the color rendering index for lighting requirement.

For UV LED pumped white light LED, this patent provided a new receipt for phosphor layer. By combining the advantage of high conversion efficiency of blue pumped white LED, the light emission of white light LED can achieved an ideal white point through the receipt included a mixture of blue, yellow and red phosphors. The color temperatures of white LED were in the range of 3000~8000K and color rendering index was great than 90 via appropriate phosphor layer structure and phosphor ratio.

電機及電子機械器材業；機電工程業

預估照明市場應用尤以室內照明為主

技術移轉可行性極高及預期使白光照明產值增加

註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

96 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：蘇忠傑 計畫編號：96-2221-E-011-050-MY3 計畫名稱：高發光效率白光發光二極體

量化 成果項目

實際已達 成數（被 接受或已 發表）

預期總達 成數(含實 際已達成

數)

本計畫 實際貢 獻百分

比

單位

備註（質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果 、 成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...等）

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報

告 2 3 100% 期中報告兩篇

研討會論文 2 2 100%

篇

1.Che-Wei Hsu, Chun-Lin Lu and Jung-Chieh Su, ＇ White Light Emitting Diodes with a Nano Wire Grid Polarizer＇, Optics and Photonics Taiwan 2008, Taipei, Taiwan, Dec.11-12, 2009

2.Wen-Yan,Chen,

Siao-Fang,Song, Jung-Chieh Su, ＇＇＇＇＇＇＇＇Enhanced phosphor conversion efficiency of white light LED with double layer packaging.＇＇＇＇＇＇＇＇, Optics and Photonics Taiwan 2008, Taipei, Taiwan, Dec.5-6, 2008

論文著作

專書 0 0 100%

申請中件數 3 1 100%

以高演色性,色溫可調變性,偏極 化與發光波長穩定化之白光發光 二極體申請專利中

專利

已獲得件數 0 0 100%

件

件數 0 0 100% 件 技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 7 3 100% 陳仙瑋、陳文彥、呂俊霖、宋曉 芳、許哲瑋、徐才峻、陳冠廷 博士生 0 1 100%

博士後研究員 0 0 100%

國 內

參與計畫人 力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 1 1 100%

Jung-Chieh Su and Chun-Lin Lu,＇Color temperature tunable white light emitting diodes with an omnidirectional reflector＇, Optics Express, 17, Iss.24, 21408-21413 (2009)

研究報告/技術報

告 0 0 100%

研討會論文 2 1 100%

篇

1.pound optical element for polarized white light emitting diode＇, 15th Microoptics Conference , Oct.25-28,2009, Tokyo, Japan.

2.Sian-Wei ,Chen, Jung-Chieh Su,Chun-Lin ,Lu, Siao-Fang ,Song, Jing-Heng Chen,＇Phosphors-conversion white light LED with omni-directional

reflector＇, The 6th International Conference on Photonics, Devices and Systems, August 27 - 29, 2008, Prague, Czech Republic. Proc.

of SPIE Vol. 7138 , 71382D.

論文著作

專書 0 0 100% 章/

本 申請中件數 3 1 100%

以高演色性,色溫可調變性,偏極 化與發光波長穩定化之白光發光 二極體申請美國等專利

專利

已獲得件數 0 0 100%

件

件數 0 0 100% 件 技術移轉

權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國 外

參與計畫人 力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次