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電子發(fā)燒友網(wǎng)>電子資料下載>電子資料>白光LED與熒光粉關(guān)聯(lián)性資料下載

白光LED與熒光粉關(guān)聯(lián)性資料下載

2021-04-09 | pdf | 167.54KB | 次下載 | 3積分

資料介紹

??照明(Lighting)與顯示(Display)是現(xiàn)今光電產(chǎn)業(yè)中兩項極為重要的發(fā)展領(lǐng)域,而全球的化石能源日益枯竭,環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重,能同時符合“節(jié)能”與“環(huán)?!彪p重特性的白光LED(Light emittingdiode),其在照明與顯示裝置的應(yīng)用潛力,近年來的確受到高度的矚目及重視。 ??白光LED因具有節(jié)能與環(huán)保的雙重特性,一般認(rèn)為會是取代熱熾燈與熒光燈的革命性光源;而熒光材料則是照明與顯示裝置的關(guān)鍵材料,尤其是自從高亮度LED蓬勃發(fā)展以來,再度又受到高度的重視。白光LED具有數(shù)種可行的制作方式,其中利用熒光粉所制作的白光LED,因具有制作簡單、驅(qū)動容易、成本低廉等多項優(yōu)點,未來于照明與顯示等各項應(yīng)用中,勢必將會扮演相當(dāng)重要的角色。 ??目前有三種較普遍的方法去制作白光LED,第一種是將紅光、綠光、藍光,三色做混光;第二種是利用紫外光 LED發(fā)光然后通過紅色、綠色、藍色的熒光粉,而混合出白光;第三種則是利用藍光打在黃色熒光粉上,混合出白光。現(xiàn)今之高亮度LED多數(shù)系利用多元磷化物(如InGaAlP等)或氮化物(如InGaN等)等半導(dǎo)體材料制作而成,其發(fā)光顏色因受發(fā)光機制與材料能隙的限制,故皆屬于窄波寬的單色光。然就照明與顯示之應(yīng)用而言,則多數(shù)需要使用白色光源,倘若利用LED來制作白色光源,必需應(yīng)用光色組合的技術(shù),始能達成獲得白光的目的。目前在白光LED之光色組合的各種可行技術(shù)當(dāng)中,利用單芯片LED(Single-chip LED)結(jié)合各類型熒光材料來進行光色轉(zhuǎn)變及混光作用,可謂是一種最便捷、最節(jié)省成本的方法,而其中應(yīng)用無機物熒光粉(Phosphor)所制作的白光LED,一般又稱為PC-White-LED(Phosphor- converted white-LED)。 ??LED(Blue-LED+Yellow phosphor)而言,有文獻資料指出,目前此類白光LED之放射光譜中,藍光波段部份約占白光總光能的31%,而經(jīng)由熒光粉轉(zhuǎn)換的黃光則占有白光總光能的69%的比例。 ??另一方面,若以UV-LED結(jié)合熒光粉所制作的白光LED(UV-LED+R/G/B phosphors等)而言,來自UV-LED的紫外線乃全部經(jīng)由熒光粉的轉(zhuǎn)換而形成可見光,故經(jīng)由熒光粉轉(zhuǎn)換的光能,幾乎接近白光總光能的100%。根據(jù)上述分析,可以清楚地了解熒光粉在單芯片白光LED所占有的重要性及地位。 ? ??白光LED ? ??白光LED最早乃是以藍光LED搭配“釔鋁石榴石”(YAG:Ce3+;Yttrium Aluminum Garnet dopedwith Ce3+ activator)之黃光熒光粉所制成,此類白光LED的推出引起全球的矚目,也肇始了LED應(yīng)用的新紀(jì)元。事實上,白光LED除了前述之藍光LED加上黃光熒光粉的制作方式之外,尚可以藍光LED加上綠/紅光或其它組合之熒光粉,抑或是以UV-LED加上藍/綠/紅光或其它組合之熒光粉而制成。 ??另外也可以直接應(yīng)用數(shù)個不同光色的LED芯片制作成單體(Single-chip)白光LED,或是直接應(yīng)用數(shù)個不同光色的LED組合而成白光LED模塊/數(shù)組(LED module or array),雖然其驅(qū)動回路較為復(fù)雜,相對成本也較高,然在顯示背光等方面的表現(xiàn)上,所能獲致的色彩飽和度或色域特性頗佳[7],其與結(jié)合熒光粉所制作的白光LED,在應(yīng)用上具有不同的考慮因素。 ??熒光粉在LED的應(yīng)用,除了前述的白光LED之外,對于單一LED芯片所不能獲得的光色如紫紅光及“不飽和光”等色域范圍內(nèi)的光色,抑或單一LED芯片之發(fā)光效率較差的光色如綠、黃光部份(約520~590 nm波段之部份光色),皆具有應(yīng)用價值。至于結(jié)合熒光粉所制作的發(fā)光二極管,可能的應(yīng)用包括照明、背光源與指示/裝飾等各項特殊用途之上。至于白光LED在照明與顯示背光應(yīng)用所須考慮的重要特性,包括:發(fā)光效能、使用壽命、色溫、演色系數(shù)與色域/色彩飽和度等,國際上針對上述之重要特性,目前亦正積極地草擬或制定相關(guān)的規(guī)范與測試標(biāo)準(zhǔn)。至于白光LED之各項重要的特性及需求條件,分別說明如下。 ??1、 發(fā)光效率 ??發(fā)光效率乃是光源產(chǎn)品的最重要特性之一。白光LED或其燈具設(shè)備系統(tǒng)的效率,通常以發(fā)光效率(Luminous efficacy;Lumens per watt;LPW;lm/W)來說明。 ??根據(jù)美國于2007年9月所公布有關(guān)固態(tài)光源燈具設(shè)備的“能源之星(ENERGY STAR?)”規(guī)范,其中A類要求(Near-term applications)系根據(jù)不同的燈具設(shè)備及應(yīng)用(如室內(nèi)或戶外)所訂定,其發(fā)光效能介于20~35 lm∕W之間;而B類要求(Future performance targets)所訂定的發(fā)光效能則為≧70 lm/W。 ??2、使用壽命 ??目前LED多數(shù)以流明數(shù)衰減(Lumen depreciation)的程度來定義使用壽命,通常選擇流明數(shù)衰減至原來的50%或是70%的時間(分別以L50或L70代表之),來作為LED光源的壽命指標(biāo)。針對LED的模塊/數(shù)組(Module / Array)而言,目前美國能源之星規(guī)范訂定住家室內(nèi)應(yīng)用者之L70為25,000小時、住家戶外應(yīng)用者之L70為 ≧ 25,000小時,而所有商用應(yīng)用者之L70則為≧35,000小時。另外一項與壽命有關(guān)的特性為白光LED的顏色維持率(Color maintenance),美國能源之星目前規(guī)定在前述的使用壽命期間內(nèi),所有固態(tài)光源燈具設(shè)備的CIE 1976色度坐標(biāo)值的變化必需小于0.007。 ??3、色溫 ??色溫之定義乃是依據(jù)黑體加熱,當(dāng)溫度升高至某一程度以上時,其發(fā)光顏色會開始逐漸改變,其中各種光色所對應(yīng)的溫度以絕對溫度K(Kelvin)來表示即為色溫,而此色溫曲線一般稱為蒲朗克曲線(Plankian locus)。 ??至于不在蒲朗克曲線上之色度坐標(biāo)者,通常選擇曲線上之最接近的色溫來代表,此稱為關(guān)聯(lián)色溫(Correlated color temperature;CCT),一般可以相關(guān)的iso-CCT lines(與蒲朗克曲線相交之各線段)來輔助判定,目前美國能源之星的規(guī)范針對所有固態(tài)光源之燈具設(shè)備(All luminaries),是將2,500K之7,000K的色溫范圍,在色度坐標(biāo)系統(tǒng)(如CIE 1931)內(nèi)沿著蒲朗克曲線,而區(qū)分成2,700K、3,000K、3,500K、4,000K、4,500K、5,000K、5,700K與6,500K等八項標(biāo)準(zhǔn)色溫(Nominal CCT)之八個四邊形區(qū)塊(Quadrangles)如圖4-3-4所示,對于每一個區(qū)塊頂點的坐標(biāo)亦有明確的定義,亦即如白光LED等固態(tài)光源之色度坐標(biāo),皆需落在這八個四邊形區(qū)塊內(nèi)。另外一項與色溫有關(guān)的特性為顏色均允度(Color SpatialUniformity),其中不同視角所呈現(xiàn)的CIE 1976色度坐標(biāo)值的變化必需小于0.004。 ??4、演色系數(shù) ??演色性(Color rendition)是照明光源能展現(xiàn)物體顏色之忠實程度的一種能力特性,通常以演色系數(shù)(Color rendering index;CRI)作為指標(biāo),其測量標(biāo)準(zhǔn)是將標(biāo)準(zhǔn)光源(熱熾燈或D65標(biāo)準(zhǔn)光源)照射物體所呈現(xiàn)之顏色定義為100(即100%真實色彩),另外則以測試光源照射物體所呈現(xiàn)之顏色的真實程度的百分比數(shù)值(如75;即75%真實色彩),作為此測試光源的演色系數(shù)。演色系數(shù)的測量及計算[13],乃是利用十四種標(biāo)準(zhǔn)顏色之樣品(14 selected Munsell samples;)求出每一種標(biāo)準(zhǔn)顏色之演色系數(shù)值。美國能源之星目前有關(guān)演色性的規(guī)定為對室內(nèi)使用的所有固態(tài)光源燈具設(shè)備之演色系數(shù)不得小于75(注:原文為CRI,判斷應(yīng)是指Ra值)。 ??5、色域/色彩飽和度 ??色域系指彩色顯示器等所能顯示顏色多寡(即如顯示器在CIE色度坐標(biāo)系統(tǒng)上所能顯示的顏色范圍或領(lǐng)域)的一種特性指標(biāo),實用上亦有稱為色彩飽和度。 ??相對于演色性之于照明光源的重要性,色域特性則是顯示器展現(xiàn)其色彩能力的重要指標(biāo)。實質(zhì)上,單一白光LED是無法討論其色域性質(zhì),因其單獨本身并不具有色域之這項特性指標(biāo)。 ??然而,當(dāng)白光LED應(yīng)用作為如TFT-LCD等顯示器之背光源時,經(jīng)由彩色濾光膜后會分解成紅/綠/藍(R/G/B)等三原色,各畫素再透過這三原色的光量控制而可以展現(xiàn)各項色彩,而其所應(yīng)用之白光LED背光源的特性,則會影響此顯示器之色彩展現(xiàn)能力。 ??目前顯示器的色域特性,常以NTSC(National Television System Committee)所制定的色域范圍作為比較標(biāo)準(zhǔn),其所制定之三原色的CIE 1931色度坐標(biāo)(x,y)值分別為:R(0.674,0.326)、G(0.218,0.712)、B(0.140,0.080)。以目前液晶顯示器之最常用的冷陰極管背光源而言,其所能展現(xiàn)色彩的能力僅為NTSC之72%左右,至于應(yīng)用白光LED作為背光源的液晶顯示器,許多廠家號稱其顯色能力皆已超過100%的NTSC范圍。 ? ??熒光粉 ? ??各類型熒光材料之中,目前以“光致發(fā)光(Photoluminescence)”熒光材料的應(yīng)用最為廣泛,應(yīng)用于LED也是此類的材料,即所謂的光轉(zhuǎn)換材料。通常,無機熒光材料乃是由“主體材料(Host materials)”、“活化劑/發(fā)光中心(Activators/Luminescent centers)”及其它“摻雜物”(Dopants)等所組成,其中主體材料多數(shù)由硫化物、氧化物、硫氧化物、氮化物與氮氧化物等所構(gòu)成,而活化劑/發(fā)光中心則主要為過渡元素或稀土族元素的離子為主,至于目前常見可應(yīng)用于LED的熒光材料, ??如前所述,單芯片型白光LED必需應(yīng)用熒光材料,始能獲得照明所需的白光,而熒光材料攸關(guān)單芯片白光LED的發(fā)光效率、安定性、演色性、色溫、使用壽命等項特性,可謂是單芯片白光LED系統(tǒng)中相當(dāng)重要的關(guān)鍵材料。 ??至于LED用熒光粉的重要特性需求包含:(1)適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光譜(2)適當(dāng)?shù)姆派涔庾V(3)高能量轉(zhuǎn)換效率 (4)高安定性等重要項目,而各項特性分別說明如下。 ??1、 激發(fā)(Excitation)特性 ??熒光材料在白光LED的應(yīng)用當(dāng)中,激發(fā)波段與發(fā)光顏色的匹配,是最重要的先決條件,目前應(yīng)用熒光材料所制作的白光LED,其LED之放射波長多屬于近紫外線或紫、藍光范圍,是故熒光材料之適用激發(fā)特性為在350~470 nm之波段范圍內(nèi),可以被UV-LED or Blue-LED所激發(fā)者。 ??熒光材料之激發(fā)特性常以激發(fā)光譜(Photoluminescence-excitation spectrum;PLE)來判斷,通常也可以用熒光光譜儀(Photoluminescence analyzer)進行量測。由于目前LED之發(fā)光光譜之波形半高寬多介于10~30 nm之間,且其發(fā)光波峰有可能會受操作因素(如溫度、功率之影響)而有所遷移,故熒光材料所具有之激發(fā)波段通常越寬廣越佳。 ??2、發(fā)光(Emission)特性 ??熒光材料之發(fā)光特性可以其發(fā)光光譜(Photoluminescence Spectrum;PL)來判斷,其亦可利用熒光光譜儀量測獲得。除此之外,發(fā)光特性亦可應(yīng)用色度坐標(biāo)分析儀所量測之色度坐標(biāo)(CIE Chromaticitycoordinates)值,進行輔助判斷,如此更能完整了解熒光材料之發(fā)光特性。 ??熒光材料在不同的應(yīng)用領(lǐng)域,是具有不同的需求特性,例如在照明方面的應(yīng)用,美國OIDA資料(8)指出610 nm (R)、540 nm (G)、460 nm (B)的三原色主波長,可能是一種理想的白光組合;另外在顯示背光方面的應(yīng)用,則有文獻認(rèn)為625 nm (R)、535 nm (G)、450 nm (B)的三原色主波長,可以表現(xiàn)出極致的色彩。 ??3、能量轉(zhuǎn)換效率(Energy-conversion efficiency) ??熒光材料在LED的應(yīng)用當(dāng)中,嚴(yán)格而言是必須同時考慮史托克轉(zhuǎn)換效率、量子效率與光散射轉(zhuǎn)換效率等諸項重要效率因素。
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