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白色光發光二極體發展動向
 

【作者: 陳興】   2000年04月01日 星期六

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所謂「白光」通常係指一種多顏色的混合光,以人眼所見的白色光至少包括二種以上波長之色光所形成,如藍色光加黃色光可得二波長白光,藍色光、綠色光、紅色光混合可得三波長白光,現在家庭用室內照明光源如日光燈、U型省電燈炮都為三波長白光,在TFT-LCD用之背光源也是三波長白光。


白光LED目前可分為「有機白光LED」與「無機白光LED」,詳細如(表一)中白光LED分類表所示,無論有機白光LED或無機白光LED,目前在研究領域中還算當紅且熱門的題目。已商業化成熟的產品目前僅有二波長藍光單晶片加上YAG黃色螢光粉(表二);在未來最被看好的三波長白光LED係無機紫外光Chip加R.G.B三顏色螢光粉;另一個為有機高分子單層型三波長白光LED,理由是成本低製作容易。本文探討主要選擇以無機白光LED為主要內容。



《表一 白光LED分類表》
《表一 白光LED分類表》
《表二 白光LED與其他燈源的比較》
《表二 白光LED與其他燈源的比較》

白光LED原理與構造

無機白光LED日本日亞化學是第一個將其商品化,係以二波長為主,主要技術原理如(圖一)所示係以藍光單片加上黃色螢光粉,利用藍光激發黃色螢產生黃色光同時也有部份藍光射出來,配合黃光即形成藍黃混和二波長白光【光譜圖如(圖二)所示】,目前二波長白光發光效率已達18λm/w,預計未來可達50λm/w。



《圖一 白光LED的構造》
《圖一 白光LED的構造》

《圖二 二波長白光LED光譜圖》
《圖二 二波長白光LED光譜圖》

三波長白光未來最被看好,其原理為:以紫外光LED晶片激發塗在其表面及周圍的螢光粉(內含R.G.B三色混合)使產生三波長白光,由於紫外光激發的螢光粉其發光效率效藍光來得高,且量產容易,光色較均勻,不會像二波長白光會有偏色現象(偏黃或偏藍)及光色不均現象。預計三波長白光LED今年將會商品化,因手機市場須求極大。


白光LED的特點

白光LED的優點很多,似乎看不出有什麼缺點,那它缺點是什麼?個人認為唯一的缺點是價格貴,大約是日常照明的100倍左右,未來希望大量生產後價格能降至日常照明的10倍以下。以下所列為白光LED的特點:


  • ● 體積小(可視使用環境作多顆多種組合)


  • ● 壽命長(5萬小時以上)


  • ● 不易破(耐震與耐衝擊)


  • ● 沒有熱軸射(可見光範圍)


  • ● 不含水銀(沒有污染、廢棄物處理容易模具環保)


  • ● 可在高頻率下操作(作指示控製作用)


  • ● 低電壓、低電流起動(2個小電池就可發光,不須變壓器)


  • ● 色溫及演色性佳(色溫可調)


  • ● 發光效率高(省電)



白光LED的應用

筆者於1997年4月宣佈開發出國內第一顆白光LED時,有相當多的訪客來自國外,其中我接到對岸(大陸)三通直撥電話詢問有關白光LED的情況,並表明用途,有一通來自對岸軍事研究所單位打算將白光LED裝在坦克車內當照明;有一通電話來自哈爾濱,說白光LED加上太陽電池可賣給蒙古遊牧民族裝在「蒙古包」上;另一通電話則來自鐵道部他們打算用在車廂內的照明。由於白光LED的特點為,壽命長、省電、低壓直接驅動,安全又具環保等多重功效,因此應用領域就包括有:


  • ● 小型手電筒照明(已商品化)


  • ● LCD背光源如手機面板、及汽車、音響儀表面板(圖三)



● 交通號誌及指示板(美國夏威夷行人交通號誌採用白光)


● 室內照明(圖四)


● 船、飛機、汽車內照明(高可靠度、長壽命、安全需求)


《圖四 白光LED製成的檯燈》
《圖四 白光LED製成的檯燈》

白光LED是照明的未來主流

照明燈具乃人類生活中所必需,全世界用於照明的電力約為總用電量的17%,因此對於省電燈具的開發,乃舉世渴求之科技發展。


白光LED與一般照明比較,除了省電外(用電量是一般燈炮的八分之一到十分之一、日光燈的二分之一),還有壽命長(可達五小時以上),不發熱(熱量小),對於廢棄物的處理為安全而且環保(一般日光燈或省電燈炮內有液態汞,回收不易,丟棄後螢光燈內的液汞流入地面會造成土壤、水質污染),因此白光LED被喻為「綠色照明光源」的明日之星。其未來的研發動向可參考(表三)。



《表三 白光LED未來的研發動向》
《表三 白光LED未來的研發動向》

依據經濟部能源統計月報八十七年三月號資料顯示,在台灣有三座核能電廠,平均每座每月的發電量約為十億度,每座每年發電量為一百二十億度,而台灣家庭照明八十五年用電量約二百億度,若所有照明改採白光LED燈,則每年至少省下一百二十億度的用電量,相當於一座核能發電廠一年的發電量。在日本,依照官方通產省的報導,使用白光LED當照明則於日本國每年可節省相當於五座核能電廠的發電量,也因此歐、美、日等照明有關的大公司如奇異、飛利浦、惠普、西門子等均已積極投入研發工作。


相關專利方面

日本日亞化學第一篇白光LED相關專利申請於1993年9月28日,日本專利特開平7-99345號,其後陸續申請幾篇,其中最重要的一篇為1997.7.28申請,專利號第2927279號,此篇於1997.7.29向「國際專利聯盟組織」提出申請W0-98105078號,向該組織指定國有114個國家,然後剩20個月內有效期分別申請其他國家專利,已知目前已取得之專利權如美國專利US5998925號(1999.12.7公告),台灣專利於2000.3.1公告(公告號:383508號)


在德國西門子公司也於1996.6.26申請專利號OE19625622A1並同時也向「國際專利聯盟組織」提出申請號為WO-99/50132。在美國的飛利蒲公司也於1997.5.27提出申請2篇並於1998.9.29核准通過專利(US5813752、5813753)。


在台灣方面,筆者個人於1996年開始也提出幾項白光LED相關專利申請,並已取得多項專利(美國專利5962971,5952681,5982092,台灣發明專利107863號,台灣新型專利145396號)。從以上專利申請資料收集也証明台灣在白光LED的研發時間並不晚,其成果在世界上排名第二,若將研發成果配合台灣下游封裝廠合作下相信,未來白光LED台灣將是世界第一大生產國。


生產技術方面,白光LED由於技術簡單要進入容易,可以說目前所有LED封裝廠都有能力可生產,只要能拿到藍光晶片與螢光粉,基本上都可量產,但要品質好就須要花功夫了,不過由於白光LED專利集中在少數廠家中,專利授權又不容易取得的情況下,日本日亞化學表明專利決不授權,想談都不用談,現在國內廠商唯有自行研發及尋找他家公司授權,未來才有「錢」途。


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