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1、新次代固態照明光源LED之發展與應用蕭弘清劉冠顯Hsiao,Horng-ChingLiu,Kuan-Hsien台灣科技大學電機工程系摘要現今全球受到石油、原物料上漲以及受到鉅大地經濟壓力地衝擊,加上環境地惡化所導致溫室效應,終於喚醒全球注重『節能與環保』地問題.然而照明工程亦屬於耗能之重要環節,約佔全球發電能量地15%,因此在照明節能技術上地開發已被視為重要課題；隨著新次代固態照明光源LED(Light-emittingdiode,LED)地發展；其具備體積小、發光效率佳、壽命長、操作反應速度極快、可靠度高、不易破損且無熱輻射無水銀和有
2、毒物質地污染等優點,目前已成為全球注目地焦點.本文主要針對目前LED地發展趨勢與應用層面,做一統合地探討.1.前言隨著半導體技術地發展以及發光二極體(light-emittingdiode,LED)地開發,不但為照明工程注入一股新地活力；近年來由於全球面臨能源短缺及環境污染地問題,使得綠色節能議題逐漸受到重視,現今全球掀起了LED應用於照明之熱潮.LED與傳統光源比較具有許多優勢[1-2],包括體積小、發光效率佳、壽命長、操作反應速度極快、可靠度高、不易破損且無熱輻射無水銀等有毒物質地污染.目前LED地典型應用80%仍集中在手機、汽車、
3、消費性家電產品顯示器、及顯示應用(包括室內外廣告顯示屏幕與景觀照明)等方面；日常生活中,LED應用之領域相當廣泛,諸如交通號誌、背光模組或是景觀照明..等,皆與LED之研究發展有關.就現階段而言,白光LED可提供較佳地發光效率,此乃LED應用於照明領域地一項重要元素,故目前大多數地LED照明或背光模組皆採用白光LED作為其主要光源.而基於節能、環保、壽命長地光源未來趨勢,許多LED大廠均投入白光LED地應用開發,開始嘗試使用LED於許多照明設計及產品開發,例如路燈與隧道照明,這對於LED地演進史是一項重要地里程碑.此外,也有多項生物研究
4、[2-4]探討光線對人們地生理或心理層面之影響,同時在動植物培養地過程中亦有深切地之影響.因此固態照明光源LED已被認為節約照明用電地重要技術之一,美國能源部也將LED訂定為未來照明器具地主軸,估計至2025年固態照明可因此節省50%地照明用電(760GW)以及減少2.6億公噸之碳化物排放和133座發電廠,並可省下1150億美金[5].2.LED發展趨勢最早地LED誕生在1968年,初期僅有地單一幾種顏色地LED被開發出來,直到1993年由日本日亞公司開發出高效率藍光LED,便為LED地發展寫下嶄新地一頁,此後LED地發展便進入全彩階段
5、,許多種光色地LED皆陸續被開發出來,自從1996年日亞化學量產白光LED後,其發光效率研究至今不斷地提升,使得在某些應用逐漸被白光LED取代,今日許多地大廠也分別加入白光LED地開發包括Agilent、OSRAM、GELcore等.如圖1所示,隨著LED地發展,這幾年漸漸被應用於消費性電子家電產品上如手機、戶外廣告看板、液晶顯示面板地背光或前光源、車用LED頭燈、室內照明等.使得在某些領域有取代傳統光源地趨勢.目前全球LED市場預測如圖2所示,2006年全球LED市場為61.7億美元,預計2011成長至125億美元.圖1LED應用領域
6、(資料來源：工業技術研究院)圖2全球LED市場預測(資料來源：工業技術研究院)3.LED地典型應用發光二極體(LED),是一種將電能轉換成光能之半導體元件,主要係以化學元素週期表上地Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅳ族,化合物半導體GaAs、GaP、AlxGa1-xAs、ZnSe…等為材料,作成具有發光功能地P-N接面二極體.其發光原理如圖3所示,若對P-N接面之LED二極體施加順向電壓(V),將使P-N接面中地P區地電洞往N區移動；而相對地N區地電子則往P區移動,這項動作將使得電子與電洞於接面之空乏層(DepletionLayer)相互結合,在此接面區
7、因電子轉換能階地過程而產生過剩之能量,並且以光地形式釋出能量,則此稱為LED之發光原理.此外由於不同地半導體材料發出地光波長不盡相同,因此材料決定LED製品之波長與光色如表1所示.圖3LED發光原理表1不同材料所製程出不同波長與色光之LED(資料來源：工業技術研究院)材料/基版磊晶製程波長(nm)光色GaP/GaPLPE565~700紅、黃、綠GaAsP/GaPVPE630~650紅、橙、黃AlGaAs/GaAsLPE660紅ZncdSeMBE565綠InGaAlP/GaAsInGaAlP/GaPInGaAlP/sapphireInGa
8、AlP/SiliconMOCVD570~645黃綠~紅InGaN/sapphireInGaN/SiliconInGaN/SiCMOCVD430~525藍、藍綠、綠、白(藍光＋螢光粉)根據LED所發出不同波長
