??照明（Lighting）與顯示（Display）是現(xiàn)今光電產業(yè)中兩項極為重要的發(fā)展領域，而全球的化石能源日益枯竭，環(huán)境污染也日趨嚴重，能同時符合“節(jié)能”與“環(huán)保”雙重特性的白光LED（Light emittingdiode），其在照明與顯示裝置的應用潛力，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用中，勢必將會扮演相當重要的角色。 ??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，必需應用光色組合的技術，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當中，利用單芯片LED（Single-chip LED）結合各類型熒光材料來進行光色轉變及混光作用，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％，而經由熒光粉轉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的紫外線乃全部經由熒光粉的轉換而形成可見光，故經由熒光粉轉換的光能，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應用的新紀元。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），雖然其驅動回路較為復雜，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］，其與結合熒光粉所制作的白光LED，在應用上具有不同的考慮因素。 ??熒光粉在LED的應用，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），皆具有應用價值。至于結合熒光粉所制作的發(fā)光二極管，可能的應用包括照明、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的規(guī)范與測試標準。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)光效率乃是光源產品的最重要特性之一。白光LED或其燈具設備系統(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月所公布有關固態(tài)光源燈具設備的“能源之星（ENERGY STAR?）”規(guī)范，其中A類要求（Near-term applications）系根據(jù)不同的燈具設備及應用（如室內或戶外）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。針對LED的模塊／數(shù)組（Module / Array）而言，目前美國能源之星規(guī)范訂定住家室內應用者之L70為25，000小時、住家戶外應用者之L70為 ≧ 25，000小時，而所有商用應用者之L70則為≧35，000小時。另外一項與壽命有關的特性為白光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，所有固態(tài)光源燈具設備的CIE 1976色度坐標值的變化必需小于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者，通常選擇曲線上之最接近的色溫來代表，此稱為關聯(lián)色溫（Correlated color temperature；CCT），一般可以相關的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)光源之燈具設備（All luminaries），是將2，500K之7，000K的色溫范圍，在色度坐標系統(tǒng)（如CIE 1931）內沿著蒲朗克曲線，而區(qū)分成2，700K、3，000K、3，500K、4，000K、4，500K、5，000K、5，700K與6，500K等八項標準色溫（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)塊頂點的坐標亦有明確的定義，亦即如白光LED等固態(tài)光源之色度坐標，皆需落在這八個四邊形區(qū)塊內。另外一項與色溫有關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，其測量標準是將標準光源（熱熾燈或D65標準光源）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］，乃是利用十四種標準顏色之樣品（14 selected Munsell samples；）求出每一種標準顏色之演色系數(shù)值。美國能源之星目前有關演色性的規(guī)定為對室內使用的所有固態(tài)光源燈具設備之演色系數(shù)不得小于75（注：原文為CRI，判斷應是指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色度坐標系統(tǒng)上所能顯示的顏色范圍或領域）的一種特性指標，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。實質上，單一白光LED是無法討論其色域性質，因其單獨本身并不具有色域之這項特性指標。 ??然而，當白光LED應用作為如TFT-LCD等顯示器之背光源時，經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準，其所制定之三原色的CIE 1931色度坐標（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）”熒光材料的應用最為廣泛，應用于LED也是此類的材料，即所謂的光轉換材料。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，至于目前常見可應用于LED的熒光材料， ??如前所述，單芯片型白光LED必需應用熒光材料，始能獲得照明所需的白光，而熒光材料攸關單芯片白光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)中相當重要的關鍵材料。 ??至于LED用熒光粉的重要特性需求包含：（1）適當?shù)募ぐl(fā)光譜（2）適當?shù)姆派涔庾V（3）高能量轉換效率 （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的應用當中，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，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)光特性亦可應用色度坐標分析儀所量測之色度坐標（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用領域，是具有不同的需求特性，例如在照明方面的應用，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用，則有文獻認為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、能量轉換效率（Energy-conversion efficiency） ??熒光材料在LED的應用當中，嚴格而言是必須同時考慮史托克轉換效率、量子效率與光散射轉換效率等諸項重要效率因素。