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1 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-1 第一章發光二極體技術與應用趨勢 隨著環保意識抬頭, 以及節能議題不斷發燒, 環保又節能的發光二極體 (LED) 近幾年成為各國政府與企業積極投入研發的目標, 不但技術突破的消息時有而聞, 日常生活的應用也逐一被開發並導入 為能掌握技術及其應用市場的最新展發情況, 本章節將針對 LED 的技術發展概況 未來趨勢及其應用動向做進一步的分析及探討 而此次討論議題包括有 LED 磊晶材料及封裝發展趨勢 紫外光 LED 技術發展動向 白光 LED 用之鋁酸鹽與矽酸鹽螢光粉特性之比較 LED 背光源技術發展動態 照明技術發展動態, 以及 LED 路燈散熱技術發展等 1-1 LED 關鍵製造技術發展 LED 材料磊晶與封裝技術雖然發光二極體 (Light Emitting Diode, LED) 已大量應用在我們日常生活中, 例如各式電器用品上的指示小光源, 但是 LED 與 OLED 等所謂的固態照明 (Solid State Lighting, SSL) 仍然無法取代一般日光燈, 因為高亮度白光 LED 的製作技術還得進一步改善 一般而言,LED 發光效率改善有賴內部量子效率與光取出率的提升, 因此在薄膜磊晶以及元件製程都有要克服的技術, 尤其是在改善材料缺陷密度與發光層效率上, 必須仰賴基板改善與磊晶技術突破, 再與元件設計及結合光取出效率才能成功 現今商業化之藍綠光發光二極體元件主要以氮化物為主, 但受限於材料之成長方向與結構特質, 所以電光轉換效率仍然不足 以下即針對近來在氮化物薄膜磊晶相關的研究做簡單的介紹 改善氮化鎵磊晶薄膜缺陷方面由於氮化鎵薄膜與藍寶石基板之間的晶格常數差異高達 16 %, 為了舒解薄膜與基板的應變能, 晶體會自然形成缺陷, 通常是沿著 c 軸成長的貫穿式差排 (Threading Dislocation, TD), 其通常的密度約在 cm -2 差排缺陷通常成為電子電洞

2 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-2 的非輻射再結合中心 (Non-radiative Recombination Center), 對元件效率有著負面的影響 所以在提高發光二極體發光效率的研究上, 降低差排缺陷提高磊晶薄膜品質, 一直是個相當重要的問題 一般而言, 對於氮化鎵薄膜, 早期多使用橫向磊晶成長 ( Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO), 或者是選擇性區域成長 (Selective Area Growth, SAG), 以及近來較為熱門的圖型化藍寶石基板 (Patterned Sapphire Substrate, PSS) 台灣中興大學武東星教授,2007 在 Applied Physics Letter 期刊上發表了一種結合了橫向磊晶成長與圖型化藍寶石基板的技術, 將其應用於對差排缺陷較敏感的近紫外光 ( Near-Ultraviolet) 發光二極體 圖 為穿透式電子顯微鏡橫截面照片, 可以發現因為應用了 PSS 可以減少差排缺陷, 其餘的差排缺陷可以藉由 ELO 再次被降低 透過變溫光激發光譜量測如圖 所示, 可以觀察到隨著溫度升高, 成長於 GaN / PSS template 的近紫外光發光二極體發光效率降低幅度較一般發光二極體來得緩慢, 這可以說明缺陷密度降低, 會增加電子電洞的復合機率提高活性層發光效率 圖 結合橫向磊晶成長與圖型化 資料來源 :Applied Physics Letter

3 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-3 另外此項 ELO GaN on GaN/ PSS template 技術有另一個優點就是有二次橫向磊晶的效果, 但是只需要一次 SiO 2 的沉積, 並且可以因為 PSS 上凹凸的圖案, 把活性層所發出的光產生散射的效果, 增加光線離開發光二極體元件內部的機率, 增加光取出率, 進一步提升元件發光效率 在 20 ma 額定電流驅動下, 發光二極體元件輸出功率從 2.54 增加至 3.3 mw, 提升了 23 % 圖 變溫光激發光譜 資料來源 :Applied Physics Letter Haiyong GaO 等人,2007 在 Journal of Applied Physics 期刊發表了一種利用濕式化學蝕刻, 製作出微結構圖型化藍寶石基板 ( MPSS) 與奈米結構圖型化藍寶石基板 (NPSS), 如圖 與圖 所示, 用來成長氮化鎵發光二極體 由掃描式顯微鏡平面照片觀察可以看到較一般所不同的是, 以鎳金屬當蝕刻阻擋層的 NPSS 會較以黃光微影製程製作的 MPSS 來的密集 此效果會在氮化鎵磊晶薄膜與藍寶石基板界面形成較為密集的孔洞, 而孔洞的上方通常為缺陷較少的橫向磊晶區域, 所以 NPSS 橫向磊晶的效果會比 MPSS 好, 相對來說氮化鎵薄膜的品質較佳 在元件以 20 ma 額定電流驅動下, 平面藍寶石基板 MPSS 與 NPSS 的輸出功率分別為 與 13.8 mw, 與一般平面藍寶石基板上成長的發光二極體來比較, 提升了 32 %

4 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-4 圖 微結構圖型化藍寶石基板 (MPSS) 資料來源 :Journal of Applied Physics 由於 PSS 基板可以改善氮化鎵磊晶品質, 又可以控制光輸出型態 ; 此外,PSS 基板製程較 ELO 易控制, 且可以避免黃光污染的風險, 更可以不用犧牲既有產能等優點下, 所以近年來, PSS 基板廣泛應用於高亮度發光二極體製程, 在良率提升及次微米製程導入下, 相信 PSS 定為未來產品趨勢主流 圖 奈米結構圖型化藍寶石基板 (NPSS) 資料來源 :Journal of Applied Physics 改善氮化鎵薄膜極性效應方面一般商業化的藍綠光發光二極體是以氮化鎵為材料, 而氮化鎵薄膜是成長在結構不對稱的 c-plane 藍寶石基板上, 而具有

5 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-5 極性的六角形結構 (Hexagonal) 氮化鎵薄膜會因這樣的異質磊晶成長方式, 產生一個內建壓電場 (Piezoelectric Filed), 此一內建電場會造成能帶的傾斜, 形成量子侷限史塔克效應 ( Quantum Confined Stark Effect), 使得發光活性層內的電子電洞的波函數分離, 降低復合機率, 進一步影響二極體元件發光效率, 特別是在高亮度的綠光發光二極體, 因為 InGaN/ GaN 多重量子井中銦元素的濃度提高, 所以 InGaN 與 GaN 的極性效應會更加嚴重 UCSB( 加州大學聖塔芭芭拉分校 ) 的中村修二教授團隊將氮化鎵薄膜成長為 m-plane 非極性 (non-polar) 薄膜來減緩這個影響元件發光效率的因素, 由實驗結果顯示成長非極性氮化鎵薄膜的成長所面臨的最大挑戰就是如何建立表面平坦的氮化鎵薄膜成長機制, 且因為 a-plane 的氮化鎵薄膜在 c 與 m 面的沉積速率不同, 所以沉積出來的氮化鎵薄膜差排缺陷密度相當高約 數量級 為了解決此一問題中村修二教授團隊 2007 年再 Japanese Journal of Applied Physics 發表了利用 ELO 的方法來成長 m-plane 氮化鎵薄膜 透過分析得知, 利用此一方法所成長之 m-plane 氮化鎵薄膜其差排缺陷與基面堆疊缺陷密度分別為 cm -2 與 cm -2 數量級

6 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-6 圖 ELO 方法來成長 m-plane 氮化鎵薄膜 資料來源 :UCSB 此外透過橫截面穿透式電子顯微鏡照片如圖 所示, 發現利用此方式所成長的多重量子井結構非常好,InGaN/ GaN 界面非常清晰, 且表面較為平坦 以光激發光的方式來量測此一多重量子井的發光特性發現以 ELO 方式成長 m-plane 氮化鎵多重量子井其光激發光強度高了 6 倍之多如圖 所示 圖 ELO 方式成長 m-plane 氮化鎵多重量子井之光激發光強度 資料來源 :UCSB

7 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-7 另外中村修二教授團隊於 2007 年 Japanese Journal of Applied Physics 上發表了利用 m-plane n-type 氮化鎵基板來改善非極性發光二極體元件的光電特性, 先以 HVPE 成長 c-plane 氮化鎵基板再利用切割與研磨技術製作出 m-plane 氮化鎵基板 以這樣方式製備出的 m-plane 氮化鎵基板缺陷密度約在 cm -2 載子濃度為 cm -3 數量級, 且薄膜表面非常的平整 Root Mean Square( RMS) 值約在 0.1 nm 左右 在 20 ma 額定電流驅動下, 此元件輸出功率為 8.9 mw 外部量子效率為 16.8%, 不過在電壓特性上的表現卻顯得較高大約為 6.4 V, 這可能是未將 p-type 氮化鎵薄膜的成長條件最佳化所導致 值得注意的是, 當驅動電流為 100 ma 時元件輸出功率為 27.6 mw, 這與一般商業化的 c-plane 發光二極體相當接近 在元件發光波長偏移特性上, 當驅動電流從 1 ma 增加至 100 ma 時, 傳統 c-plane 結構之發光二極體發光波長偏移量約為 6.1 nm, 相反的 m-plane 發光二極體發光波長偏移只有 3.7 nm ( 至 nm), 這現象更加證實了非極性發光二極體可以減少極化感應電荷的影響, 進一步在發光波長的偏移可顯著改善 為了進一步改善氮化鎵薄膜沉積在 a 或 m-plane 所產生大量的差排缺陷與基面堆疊缺陷,Prof. H. Morkoç 於 2007 年在 Applied Physics Letter 期刊上發表利用橫條狀的 ELO 方式降低氮化鎵薄膜沉積時所產生的缺陷密度, 做法是先在 m-plane 基板上沉積 1.2 µm 的氮化鎵薄膜, 再利用 ELO 的方式製作出低缺陷密度的氮化鎵薄膜 透過 X 光繞射儀分析可以發現磊晶薄膜的品質有很大的改善, 由橫截面穿透式顯微鏡照片如圖 與圖 所示, 發現缺陷密度可以有效地被降低, 以這種方式沉積出的氮化鎵薄膜, 其缺陷密度約在 10 7 數量級左右

8 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-8 圖 ELO 的方式製作出低缺陷密度的氮化鎵薄膜 資料來源 :Applied Physics Letter 圖 ELO 沉積氮化鎵薄膜其缺陷密度約在 10 7 數量級 資料來源 :Applied Physics Letter 另外 B. Liu 等人於 2007 年在 Applied Physics Letter 期刊上發表利用 (100) 面的鋁酸鋰 (r-lialo 2 ) 單晶基板成長非極性 m-plane 的氮化鎵薄膜 InGaN/ GaN 發光二極體 在 20 ma 額定電流驅動下, 元件的輸出功率為 0.8 µw 以及 0.13% 的外部量子效率, 雖然跟一般商業化的綠光發光二極體相比明顯有一段差距, 不過此綠光發光二極體元件在小電流驅動時如圖 所示波長產生偏移的情況卻是來的小, 有著很好的光特性表現, 這意味著非極性發光二極體可以有效的減少極化效應的影響, 這

9 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-9 對於未來將發光二極體元件應用於顯示器背光模組來說非常重要 圖 非極性 m-plane 氮化鎵薄膜 LED 之波長偏移情況 資料來源 :Applied Physics Letter J. P. Liu 等人於 2007 年 Applied Physics Letter 期刊上發表利用 HVPE 先在藍寶石基板上長 a-plane 氮化鎵厚膜接著再成長非極性發光二極體, 透過顯微鏡的觀察發現, 成長在 a-plane 氮化鎵厚膜上的 a-plane 氮化鎵薄膜較 LED 完整結構其表面要來的平整, 其量測出來的 RMS 值分別為 與 nm, 推測其原因可能是未將 p-gan 與 p-ingan 的成長條件最佳化 圖 HVPE 方式長 LED 之重量子井結構非常清晰 資料來源 :Applied Physics Letter

10 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-10 此外透過橫截面穿透式電子顯微鏡照片如圖 所示, 觀察到多重量子井結構非常清晰, 這代表磊晶薄膜品質很好, 其元件在 20 ma 額定電流驅動下, 串聯電阻約為 40 Ω, 驅動電壓約為 4.4 V 較一般發光二極體來得高 此外在元件發光波長的特性上跟之前研究所提到的一樣, 當變化驅動電流時元件發光波長偏移的情況很小如圖 所示, 表示此元件有著很不錯的非極化發光特性 圖 HVPE 方式長 LED 之波長偏移情況相當小 資料來源 :Applied Physics Letter 相較於目前氮化鎵發光二極體, 非極性氮化鎵不論在光電特性 成長條件或者是量產行為上都有著一段的差距, 但是非極性發光元件的優勢上卻是可以多加以利用, 例如直接使用於背光液晶顯示器及投影機, 可以不用加裝偏光濾鏡, 在目前液晶顯示器朝向薄形化的趨勢下, 這樣的組合會更有發展的潛力 目前在磊晶基板改良與技術的研究領域正蓬勃發展, 一旦掌握磊晶品質與參數的技術, 將可以讓現有發光二極體元件效率更高, 讓固態白光照明時代的到來更往前邁進一步 紫外發光二極體發展近況發光二極體 (Light Emitting Diode, LED) 被視為固態照明的最有潛力光源 目前固態光源, 特別是在白光照明與背光兩

11 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-11 大應用方面, 主要分為三種技術, 如圖 所示 圖 白光發光二極體主要三種技術 資料來源 :Toyoda Gosei ( 1) 藍光 LED + YAG 螢光粉轉換, 即利用藍光 LED 照射此一螢光物質以產生與藍光互補的 555 nm 波長黃光, 再將互補的黃光 藍光予以混合, 便可得到所需的白光 然而, 伴隨以藍光激發螢光粉所產生的白光, 一般在高驅動電流之下, 藍光頻譜的強度增加的比其他波長頻譜的光強度還快 且藍光發光頻譜的峰值位置取決於驅動電流的強弱, 所以在應用上, 螢光粉的轉換效率就顯得相當重要, 不然會以偏冷白光的型式發光, 這樣一來, 尤其是對全彩應用的需求來說, 紅光附近的光譜明顯不足而無法有效應用於全彩所需 ( 2) 紫外光 LED + RGB 或 RYGB 螢光粉轉換, 但整體亮度仍然不及藍光 LED + YAG 的 60%, 其中紫外光 LED 波長與螢光粉的匹配 整體發光效率 信賴性 UV 光滲出等都還有待進一步研發與克服 ( 3) 利用 RGB 或多顆可見光晶片封裝 (multi-chips), 可搭配驅動 IC 達到全彩 高演色性 色彩變化等優點, 但三者

12 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-12 LED 具不同溫度 - 光變特性與搭配均勻性, 配色難度 良率與高成本是最大的障礙 上述三項技術中, 紫外光 (UV) LED 激發 RGB 三色螢光粉受到許多研究單位的重視 至於以 UV 作為白光光源的應用方面,UV LED 激發螢光由於可以藉由調整 RGB 螢光粉比例等方式調整白光顏色與色溫, 且當注入電流增加時, 發光頻譜也不會有太大改變 無多類型晶片搭配的問題 色度穩定 光譜範圍廣與演色性佳等特色, 使得 UV LED 應用在兩大的領域 : 白光照明 背光用途時佔有很大的優勢 但紫外光 LED 與螢光粉的匹配 整體發光效率 封裝材料信賴性 UV 光滲出 ( 對人與環境不良 ) 等都還有待進一步研發與克服 除此之外, 紫外光 LED 目前主要可廣泛應用於醫療 軍事 商業和值物生長等領域, 譬如 : 紫外線治療 Biodetection 水淨化 高精度雷射燒蝕 密集的記憶儲存 隱蔽通信 癌症治療 刺激植物農作生長 使樹脂硬化的化學反應用光源 光觸媒 ( 二氧化鈦 ) 結合的空氣清靜機用光源與殺菌燈 驗鈔機等之用途 目前發表波長介於 350nm 到 410nm 間的 UV LED 多是成長於藍寶石基板之上且具有 AlGaN/ GaN 或 AlGaN/ AlGaN 量子井結構 傳統結構由於藍寶石基板本身並不導電, 故需以乾蝕刻方式將磊晶層蝕刻部份面積至 n 型電極層區域, 再蒸鍍上 p 型透明電極層與 p 型和 n 型電極層, 因此 p 型與 n 型電極形成位於晶片的同一面的水平結構 由於傳統結構上 UV LED 與藍光 LED 兩者間極為相似, 因此 UV LED 也面臨到許多與傳統藍光 LED 相同的難題, 包括了電流分佈不均 散熱不易等基本結構問題, 但其中最主要的便是低接觸電阻與高穿透率的 p 型電極材料選擇與製作技術 並且由於發光波長的減短,AlGaInN 磊晶層穿透率降低, 此問題的困難度與造成發光效率減低的程度在 UV LED 上更大 UV LED 與一般藍光 LED 間無論是磊晶或製程 ( 含結構 ) 都影響亮度甚鉅 為了追求 UV LED 更高的發光效率, 目前在

13 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-13 磊晶與製程 ( 含結構 ) 兩方面均有許多新的研究方向與成果發表, 尤其近年來廠商致力發展具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體 (AlGaInN LED with Metal Alloy Layer) 的量產製造技術, 相對於傳統型藍寶石基板之氮化鎵 UV LED 來說, 具有良好電流分佈 更高亮度與效率 導熱佳等重大突破與優勢 以下分別將兩者做一概述 UV 之磊晶成長 ( 1) N-GaN 成長基板對晶片中缺陷密度具有舉足輕重的影響, 由上圖 可以看到 Dislocation Density 對發光效率的影響 Dislocation Density 越低, 則發光效率越高 而且隨著 InGaN 中 In 的減少其影響越大, 也就是波長越短, 影響越大 另外在越高電流密度, 越低的 Dislocation Density, 其效率越高 圖 Dislocation Density 對 UV LED 發光效率的影響 資料來源 :Shuji Nakamura( Solid State Lighting Workshop) 降低 GaN Dislocation Density 的方法有許多, 例如 ELOG Pattern substrate In-situ SiNx nanomask 延長再結晶時間 增加橫向成長等方法可以使用 GaN 的 PL 波長約在 360nm 左右, 所以在 LED 發光波長越

14 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-14 靠近 360nm 時,GaN 的吸光效應越明顯, 所以在傳統水平式 UV LED 中,un-doped GaN 無法成長太厚,n-GaN 也時常以 AlGaN / GaN super lattices 代替, 所以較難得到低 Dislocation Density 的 GaN 及 AlGaN 膜 但在 MVPLED 中, 由於 N-Side 在表面, 可藉由製程將 GaN 移除, 故可以成長厚結晶品質優良的 GaN ( >5µm), 然後成長 n-algan MQW p-algan 和 p-gan contact layer ( 2) AlGaN 成長由圖 可知欲得到高 AlGaN 膜, 則在低壓下成長較為有利, 因為 TMAl 與 TMGa 較易 pre-action, 導致 TMAl 的效率下降, 降低成長壓力, 可有效增加 TMAl 之成長效率, 得到高 Al 含量之 AlGaN 但是降低 AlGaN 成長壓力伴隨著雜質 C 原子含量的增加, 影響到結晶品質, 造成缺陷增加, 這是必須注意到的影響 圖 TMA 與 Al 含量 資料來源 :K. Matsumoto, Nippon Sanso Corporation, Journal of crystal Growth ( 3) MQW 成長在 UV LED 中由於 Well 中 In 含量減少, 造成量子點的減少, 進而發光效率下降, 故可藉由同時增加四元 AlInGaN 的 Al 及 In, 達成在相同波長下,In 增加, 造成的量子點增加, 改善

15 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-15 發光效率 ( 4) p-algan 及 p-gan 成長由圖 可以看到,AlGaN 中 Al 增加,Hall Carrier Concentration 隨之下降 由圖 可知 : 有一適當 Mg 含量可以得到最佳的載子濃度, 超過最適值,Mg 增加反而載子濃度減小, 此時會影響到結晶品質, 造成缺陷增加, 影響發光效率 故在成長 p-algan 時必須注意不同 Al 成分, 應有不同最佳 Mg 的含量 圖 AlGaN 與 Hall Carrier Concentration 相關性 資料來源 :Joan M. Redwing, ATMI, Doping, Dopants and Carrier Dynamics in WBG Semiconductors Workshop 2005

16 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-16 圖 適當 Mg 含量可以得到最佳的載子濃度 資料來源 :M.G. Craford, LumiLeds lighting, ICNS;Denver,CO;July 16th to 20th 2001 具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦結構增加 UV LED 的發光效率由於傳統結構 UV LED 與藍光 LED 兩者間極為相似, 因此 UV LED 也面臨到許多與傳統藍光 LED 相同的難題, 包括了電流分佈不均 散熱不易等基本結構問題, 並且由於發光波長的減短,AlGaInN 磊晶層穿透率降低, 此問題的困難度與造成發光效率減低的程度, 在 UV LED 上影響更大 故具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體的量產製造技術, 如圖 , 相對於傳統藍寶石基板的 nitride LED 最大的不同在於以下幾點 : 對於傳統型藍寶石基板之氮化鎵 UV LED 來說, 由於藍寶石基板不導電, 所以必須將 p 型與 n 型電極製作於同一面,n 型電極之製作為藉由蝕刻方式, 將 p 型氮化鎵與量子井發光結構區蝕刻, 因此, 在可作用發光的區塊, 就因此少了將近 20 30%

17 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-17 圖 金屬合金基層的垂直型紫外氮化鋁鎵銦 LED 結構 n- bonding pad n - GaN MQW p - GaN Reflector layer Few side emission Passivation Patterned Surface Reflector (>90%) Metal Alloy Metal Alloy has best thermal conductivity 資料來源 : 旭明光電另外, 傳統型藍寶石基板之氮化鎵 UV LED 之電流傳輸, 從正極到負極為水平流向, 此時, 電流容易在 n 型電極下方產生電流擁擠現象, 造成操作電壓上升, 動態電阻增加, 而增加元件的溫度 還有一個眾所皆知的特性是, 由於 p 型氮化鎵材料的基本特性使然, 電流無法在上面散佈開來, 因此傳統型藍寶石基板之氮化鎵 UV LED 的 p 型氮化鎵上必需增加製作透明電極層幫助電流分佈, 但透明電極層又會降低發光亮度 從光學全反射與氮化鎵材料吸收的角度看來, 內全反射可以藉由表面圖形的製作或粗化來克服內全反射而達到增加光擷取效率的問題, 氮化鎵材料吸收 UV 光的問題也同樣必須藉由減少氮化鎵的厚度來降低吸收的路徑 尤其以 p 型氮化鎵吸收最為明顯, 所以一般磊晶的 p 型氮化鎵以尋求越薄越好 然而, 越薄的 p 型氮化鎵生長也同時代表了不容易在 p 型氮化鎵表面製作圖案或粗化 因此, 綜合以上所言, 傳統型藍寶石基板之氮化鎵 UV LED 結構上來說, 先天上就已經具有很大的侷限 以具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體的結構

18 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-18 來製作 UV LED, 可以使 UV LED 發揮的淋漓盡致 我們可以在 n-gan 表面上製作圖案來克服氮化鎵材料內部的光全反射損失, 增加取光效率, 也可以在 n-gan 上進行蝕刻, 將 GaN 會吸收 UV 光的問題最佳化處理 具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體技術同時也克服了傳統型的效率不佳的問題 第一, 此技術並不需移除 n 型電極接腳上的任何東西, 同尺寸晶粒下, 傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 相比較而言, 其發光的面積較大 第二, 因為電源以垂直方向流經元件而大幅降低動態電阻, 而電流聚集也被可避免 再者, 由於 n 型氮化鎵本身具有較好的電傳導率, 在無須製作透明電極層的情況下, 依然具有很好的電流散佈, 因此沒有透明電極吸光而降低亮度的困擾, 可具有較高亮度的光輸出 第三, 由於具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體之金屬基層具有很高的熱傳導率, 所以具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體的導熱效率很好 第四, 具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體的出光方向為單一方向, 向上射出, 而傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 的出光方向確有六個面向來射出, 因此不論在克服全反射效應的出光或於封裝晶粒時將光收集的效應來看, 具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體具有最好的光取出與光收集, 達成最佳發光的效率 目前旭明光電具金屬合金基層的垂直型紫外氮化鋁鎵銦發光二極體, 晶片尺寸 1 mm x 1 mm 於操作電流 350mA 時以 IS 積分球量得的最佳亮度可達 373mW, 同時發光效率 (ηwall-plug) 達 33.3%, 如表 表 金屬合金基層之垂直型紫外氮化鋁鎵銦 LED 的亮度與發光效率 (η wall-plug ) Vf@350mA Output Peak Wavelength 3.32 V 373 mw η wall-plug =33.3% nm

19 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-19 資料來源 : 旭明光電綜合以上所言, 以 UV LED 的晶粒製作來看, 具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體具有最佳的表現成果, 同時, 若能配合信賴性高與穩定度佳的 UV 的螢光粉與封裝材料與技術, 也同時可以實現固態照明與背光源的應用, 因為具金屬合金基層的垂直型氮化鋁鎵銦發光二極體不僅滿足 UV LED 的光學 材料與結構等物理限制的問題, 同時也滿足了固態照明應用上之高工作電流 高功率操作 高效率之要求 LED 螢光粉之技術發展情況白光發光二極體逐漸取代傳統照明設備, 其優點具體積小 ( 可配合應用設備的小型化 ) 耗電量低( 用電量為一般燈泡的八分之一至十分之一, 日光燈的二分之一 ) 壽命長( 可達 10 萬小時以上 ) 發熱量低( 熱輻射低 ) 與反應速度佳 ( 可高頻操作 ) 等, 因此可解決相當多過去白熾燈泡難以克服的問題 歐美與日本等先進各國基於節約能源與環保意識, 均選擇白光發光二極體作為二十一世紀照明之新光源, 也因兼具省電與環保概念, 被喻為 綠色照明光源 所以近年來白光發光二極體 (LED- Light Emitting Diode) 廣受全球矚目, 其中以藍光 LED 晶片激發黃色螢光粉產生白光為現階段市場應用最廣泛之製造方法, 其螢光粉以鋁酸鹽和矽酸鹽為主流, 本文將針對此兩種螢光粉作介紹 藍光 LED 激發產生白光之鋁酸鹽與矽酸鹽螢光粉特性比較 LED 商品早於 1968 年即已問世, 其間許多顏色之 LED 皆陸續被開發, 但直至 1993 年日本日亞化學公司成功開發出高效率藍光 LED 後, 方使全彩化的 LED 產品得以實現 全球 LED 產業紛紛將研發重點轉移至白光 LED 藍光 LED 激發產生白光之未來趨勢目前白光 LED 之製程技術主要分為單晶片與多晶片型, 其中多晶片型使用紅 綠 藍三色 LED 混成白光, 其優點為可視不同需要可調整所需光色, 但同時使用多個 LED 故成本較高,

20 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-20 且所設計電路複雜及三種 LED 晶片之溫度特性 衰減速率及壽命不盡相同, 導致混成白光光色會隨時間產生變化 因此目前商品化白光 LED 產品及未來的發展趨勢仍以單晶片型為主流, 已商品化之白光 LED 主要是利用藍光 LED 激發黃色螢光粉, 粉體發出的黃光與未被吸收的藍光混合, 即可產生白光 鋁酸鹽與矽酸鹽類螢光粉之歷史背景以藍光 LED 加螢光粉產生白光為目前業界中較為成熟之技術, 且其成本 壽命 亮度等亦較有優勢 1996 年日本日亞化學 (Nichia Chemical) 公司發展出以發黃光系列之釔鋁石榴石 ( Y 3 Al 5 O 12, YAG) 螢光粉配合氮化銦鎵 (InGaN) 藍色發光二極體, 可作為高效率之白光光源 1997 年 7 月 29 日 ( 優先主張權起始日期 :1996 年 7 月 29 日 ), 日亞化學向美國提出專利申請,1999 年 12 月 7 日核准, 專利號碼為 US 並於 1997 年 7 月 28 日 ( 優先主張權起始日期 :1996 年 7 月 29 日 ), 向中華民國提出發明專利申請,2000 年 3 月 1 日核准, 其名稱為 發光裝置及顯示裝置, 公開編號為 另一方面, 日本豐田 (Toyoda Gosei) 公司與歐洲公司合作發展以鹼土矽酸鹽化合物螢光粉搭配一放射藍光及 / 或紫外光之 LED 產生白光, 於 2001 年 12 月 28 日 ( 優先主張權起始日期 : 2000 年 12 月 28 日 ) 向美國提出專利申請,2004 年 3 月 18 日核准, 專利號碼為 US 並於 2001 年 5 月 7 日 ( 優先主張權起始日期 :2000 年 12 月 28 日 ) 向中華民國提出發明專利申請,2002 年 4 月 11 日核准, 其名稱為 發光裝置, 公開編號為 鋁酸鹽與矽酸鹽類螢光粉之特性分析螢光粉的組成是由一個主體晶格 (Host lattice, 簡稱 H) 摻雜少量之離子作為活化劑 (Activator, 簡稱 A), 如圖 所示 活化劑取代主體晶格中原有離子, 當外界給予適當之能量 ( 如光能 電能等 ), 可被激發產生特徵之可見光輻射

21 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-21 圖 主體晶格與活化劑在發光過程中所扮演之角色 資料來源 : 台灣大學化學系近年來, 白光 LED 用之黃色螢光粉以鋁酸鹽 (YAG) 與矽酸鹽 (Silicate) 最為廣泛使用 其螢光粉特性分述如下 : 結構釔鋁石榴石 (YAG), 其晶體結構屬於正方晶系 (cubic), 化學式可表示為 X 3 ( A 3 B 2 )O 12, 以 YAG 為例即為 Y 3 ( Al 3 Al 2 ) O 12, 其中 A 表示為 Al 填於由氧原子所構成的正四面體中心,B 表示為由氧原子所構成的正八面體中心, 而每一個單位晶胞由八個化學式所構成 藉由摻雜微量鈰 (Ce3+) 於晶格中取代釔的位置, 可被藍光激發產生黃色之螢光 視需要亦可以釓 (Gd) 取代釔以及鎵 (Ga) 取代鋁於晶格中, 可調變不同波長之黃色螢光 如圖 所示

22 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-22 圖 釔鋁石榴石晶體結構 資料來源 : 台灣大學化學系矽酸鹽 ( silicate), 其晶體結構屬於單斜晶系 ( Monoclinic), 化學式可表示為 M 2 SiO 4, 其中 M 可為鈣 鍶 鋇等鹼土金屬元素 藉由摻雜微量銪 (Eu2+) 於晶格中取代 M 的位置, 可被藍光激發產生黃色之螢光 視需要亦可將一部分銪以錳取代或將一部分矽以鍺 硼 鋁 磷取代, 可調變不同波長之螢光 如圖 所示 圖 矽酸鹽晶體結構 資料來源 : 台灣大學化學系

23 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-23 光譜 YAG 與 Silicate 螢光粉均屬於有個別發光中心 ( 鈰 Ce 3+ 銪 Eu 2+ ) 的發光材料 其能量躍遷過程屬於 f-d 躍遷 當外界給予適當之能量 ( 如光能 電能等 ), 處於基態能階 (4f 軌域 ) 之電子被激發至高能階之激發態 (5d 軌域 ), 並以放光之形式釋放能量 因 5d 軌域處於最外層, 並非如同 4f 軌域一般受外圍軌域之電子雲所遮蔽, 其躍遷過程極易受外圍環境所影響, 使其光譜呈現寬光譜形態, 如圖 所示 圖 光激發光系統分子能階圖 資料來源 :Chemical Analysis Series, 1996, 137, 196 如圖 所示, 為 YAG 與 Silicate 螢光粉之光激發 ( 左圖 ) 與放射 ( 右圖 ) 光譜圖之比較 以藍光 460 nm 為激發源, 其最強放光波長為均為黃光 544 nm 矽酸鹽類螢光粉相對於 YAG 普遍有較強的放光強度, 且由激發光譜圖可看出 Silicate 具有較 YAG 更寬廣的激發頻寬, 於紫外線或藍色激發下均有顯著良好吸收

24 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-24 圖 YAG 與 Silicate 螢光粉之光激發與放射光譜圖 資料來源 : 台灣大學化學系熱特性於進行 LED 封裝時之溫度約為 150, 但單獨螢光粉量測光激發光譜皆位於常溫狀態, 所以當螢光粉實際運用至封裝時, 其放光強度均降低, 甚至最強放光之波長都有所偏移 為解決此問題, 熱穩定性分析就顯得格外重要 如圖 所示, 為 YAG 與 Silicate 螢光粉置於室溫 與 300 下, 分別量測其放光光譜圖以研究其光衰程度與最強放光波長之偏移情形

25 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-25 圖 YAG 與 Silicate 螢光粉之熱穩定性分析 資料來源 : 台灣大學化學系由圖 所示,YAG 螢光粉隨著溫度上升, 其放光圖譜轉換至色度座標位置有紅位移現象, 此現象可以用公式 (1) 解釋 : ( 1) 公式中 E(T) 為在 T 溫度時基態與激發態之能量差,Eo 為在 0 K 時基態與激發態之能量差,a 和 b 為常數 由此公式得知當溫度升高時,E( T) 逐漸降低, 基態與激發態之能量差變小, 因而造成紅位移現象 而 Silicate 螢光粉隨著溫度提升其色度座標位置有藍位移現象, 先前之紅位移解釋並不符合此現象, 必須考慮熱效應之作用, 使電子與熱活化聲子 (thermally active phonon) 發生 anti-stokes 效應 即受熱活化聲子協助電子由激發態之低能階躍遷至激發態之更高能階, 再放光回基態 由圖 所示, 為 YAG 與 Silicate 螢光粉之衰減速率相對比較 YAG 之熱穩定性較 Silicate 優異許多,Silicate 於超過 150 即有明顯光衰現象, 約為室溫之 60% 發光強度, 而 YAG 尚有室溫之 90% 發光強度

26 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-26 圖 溫度變化 PL 改變於色度座標圖呈現 資料來源 : 台灣大學化學系 圖 YAG 與 Silicate 螢光粉之衰減速率相對比較 資料來源 : 台灣大學化學系基於環保與節能議題的推動,LED 應可於未來十年內於一般照明市場佔有一席之地, 本文介紹以藍光 LED 激發產生白光之 YAG 與 Silicate 螢光粉, 亦為目前市場之主流, 其中 YAG 與 Silicate 螢光粉之最大差別在於 Silicate 熱穩定性明顯劣於 YAG 許多, 可做為未來改進與應用之參考

27 第一章發光二極體技術與應用趨勢 LED 應用於大型顯示器背光源技術發展現況儘管目前 LED 背光模組應用在大尺寸液晶面板尚有許多技術待為克服, 不過面板大廠友達及奇美先後於 2008 年一月召開法人說明會中都信誓旦旦表示要將 LED 筆記型電腦出貨比重由 2007 年 3% 左右拉升到 2008 年 20% 的目標, 讓市場對於 LED 做為顯示器主要光源的時程, 出現較為樂觀的想法 將 LED 應用在筆記型電腦是 LED 逐步取代 CCFL 在大尺寸液晶顯示器應用市場的第一步 近二 三年來,LED 發光效率不斷提昇, 加上價格持續下滑, 全球重量級面板廠無不積極推出 LED 為背光源的顯示器 Samsung 更是在 LED 液晶電視上下了不少功夫, 而側光式白光 LED 背光源的設計也在廠商投入大量的研發人力後, 出現從筆記型電腦轉向 LCD TV 的現象 LED 受惠 RoHs 條款逐步搶奪 CCFL 商機其實顯示器背光源技術種類眾多, 包括冷陰極管 (CCFL) 發光二極體 (LED) 外部極螢光管(EEFL) 無汞平面光源 ( FFL) 奈米碳管場發射(CNT-FED) 以及有機發光二極體 ( OLED) 等 ( 參照表 1-2-1) 目前 CNT-FED 光源已乏人問津,FFL 背光源模組也僅存少數幾家廠商仍有量產 ;CCFL 因為具備長壽命, 在標準電流下, 壽命達 50 Khrs 以上 耐衝擊 具可調光性 低發熱等優點, 仍為目前背光源主流產品 不過受到歐盟頒佈的 RoHS 於 2006 年 7 月 1 日起開始限制新電子設備使用有害物質指令影響, 含汞量雖在安全值內的 CCFL 背光源卻已開始面臨 LED 背光源瓜分顯示器市場大餅 LED 為固體式電子照明, 耐衝擊性高 啟動速度快 無汞, 沒有環保法規的顧慮 操作電壓低且不需 inverter 另外,LED 的色彩飽和度及壽命都超越 CCFL, 也具備重量輕等優勢, 讓液晶顯示器更容易實現輕薄及省電等訴求

28 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-28 表 各類背光源應用於液晶顯示器之性能比較 CCFL LED EEFL FFL CNT-FED 高功率 : 發光效率 ~ (lm/w) 標準 :90~ 耗電量 高 低 最低 中 中 白光 LED: 72% 色彩飽和度 60~80% ( 可調至 92 72% (NTSC) R.G.B LED: %) 108% 80% 70% 均勻性 佳 普通 佳 最佳 普通 汞含量 3mg -- 3mg Variable -- Inverter 成本 高 不需 低 很低 低 壽命 ( 小時 ) 60K 40K 60K 100K 30K 光學安定性體積小 耐衝耗電量最組裝簡易 低低功耗 低光 優點 高耐衝擊性擊 低功耗 低 節省光學膜成本 學膜成本 環 佳 環保 Inverter 成本 保 含汞 inverter 價格 散熱 含汞 體積 價格 散熱 真空封裝良 缺點 成本高 衰退性不一 電路控制問 發光效率題 率 衰退性不一 資料來源 :, 2008/ 02 LED 大舉進筆記型電腦市場 在筆記型電腦方面, 過去僅有日系廠商推出 LED 背光源 NB 的獨占局面, 自 2007 年下半年起, 美系重量級大廠蘋果 ( Apple) 惠普 ( HP) 及載爾 ( Dell) 等廠商也競相投入市場, 並朝更大尺寸 LED 背光源邁進後 2008 年 1 月 Apple 展示的 13.3 吋液晶筆記型電腦, 其採用 LED 背光源, 整機厚度僅 0.76 吋 ( 1.94 公分 ), 而面板厚度更是薄到只有 0.4mm, 不但引爆全 球注目焦點, 同時也被視為筆記型電腦使用 LED 背光源之強勁 推動力 顯示器 (MNT) 部分, 受限於導入誘因不像筆記型電腦及 電視一樣具吸引力, 除了少數強調環保議題的企業有可能採購

29 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-29 LED 背光源的電腦外, 僅部分特殊用途的高階電腦有此需求, 因此目前雖也有廠商推出 LED 顯示器並銷售至歐洲市場, 但佔整體液晶顯示器比重仍低 以 LED 為背光源之顯示器, 因尺寸差異, 使用的 LED 功率也不盡相同, 而 LED 受限成本 散熱 壽命等問題影響, 原本在小尺寸用途如手機 數位相框等顯示器是採用低功率 LED, 但目前包括大尺寸的筆記型電腦甚至是液晶螢幕都出現採用低功率的 LED 的現象 ( 參照表 1-2-2) 表 顯示器用不同功率之 LED 背光源 Size Current Application High Power 1mm 1mm 2A Large-size BLUs Automobile Light Mid Power 600µm 600µm mA Large-size BLUs Vehicles Light Low Power 350µm 350µm 20mA Small-size BLUs Mid-size BLUs Large-size BLUs 資料來源 :, 2008/ 02 LED 有效縮減背光模組厚度 筆記型電腦長期以來的主要訴求便是以輕薄短小及高續航力,LED 的導入使筆記型電腦更加符合上述需求 由於 LED 體積小, 因此導光板設計可由原先 CCFL 使用的楔型板簡化為厚度更輕薄的平板結構 傳統背光模組結構中, 受限 CCFL 管徑為 1.8mm 之故, 楔型式導光板, 即入光側高度必須至少維持 2.0mm, 比 LED 封裝後的厚度還高, 使 NB 無法減低其厚度

30 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-30 圖 LED 背光源模組與 CCFL 模組之結構圖 資料來源 :Digitime, 整理但使用 LED 做為背光源時, 導光板設計可簡化為厚度更輕薄的平板結構, 使 NB 螢幕厚度減少一半 ( 參見圖 及圖 1-2-2), 並採用非印刷式製程, 利用精密模具使導光板在高速射出成型時, 在 PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯 ) 材料中加入些微不同折射率的顆粒狀材料, 形成許多作用如網點的微小凸點, 或是直接在 stamper 上製作網點的不同方式, 提高輝度 ; 不過前者製造方式因為專利問題, 僅日系一家廠商使用, 而後者因低成本及高良率等雙重優勢, 為目前市場主流技術

31 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-31 圖 LED 背光源模組與 CCFL 模組之厚度比較 圖片來源 :Digitime 另外, 配合薄型化要求, 除了以 LED 為背光源, 玻璃基板也朝向薄型化發展, 目前筆記型電腦的玻璃厚度已從 0.5mm 下降到 0.3mm, 如 Apple 於 2008 年 CES 大展推出 13.3 吋的 MacBook Air 筆記型電腦, 而日系廠商 TMD 甚至可推出僅 0.2mm, 應用於筆記型電腦的玻璃 事實上,LED 應用在筆記型電腦的背光模組若要做到像 Apple 2008 年推出的最薄的機款 MacBook Air, 在背光模組結構中除了導光板改採為平板式外, 整個系統板也改採排列於玻璃基板側邊 ( 參見圖 1-2-3), 而這種 LED 背光結構價格會比傳統背光模組貴出 倍不等

32 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-32 圖 Apple MacBook Air 之背光結構 資料來源 :LEDinside, 重製由於筆記型電腦使用的 LED 導光板面積大且厚度薄, 技術難度高, 射出成型時, 需要精密高速射出機台進行生產, 且容易出現壓傷 刮痕或結構性等問題, 影響背光模組良率, 因此價格較 CCFL 用之導光板高出 40% 50% 左右 雖平板導光板的良率提昇仍有瓶頸, 但是 LED 背光模組的直通率 ( 指 LED 光源置入到最後整個背光模組之良率 ) 表現, 透過其他結構性的改良, 如光學膜片的配合, 目前業界已有多家廠商可達 60% 65% 以上, 並將 2008 年目標訂在 80% 左右 至於在色域表現上, 目前筆記型電腦採用白光 LED 的 NTSC 色彩表現僅與 CCFL 使用於筆記型電腦時的色彩飽和度表現差距不大, 已有 40% 左右, 但是也有部分廠商透過不同螢光粉配方將 NTSC 提昇到 60%, 不過亮度會稍減 白光 LED 走入電視背光源應用 LED 應用在電視背光模組之技術發展趨勢上, 自 2004 年 SONY 推出第一款 RGB 的 LED 電視至今, 國內外各家面板廠也陸續投入資源及研發人力, 並推出不同尺寸產品 ( 參見表 1-2-3), 不過每家推出的 LED 發光方式不盡相同, 其中動作最為積極的廠商 Samsung 一反過去做法, 由原先採用的三色 RGB 背光源改為採用白光 LED 背光源的應用模式

33 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-33 表 各家廠商推出 LED 背光源電視之時程 SONY Samsung Sharp Osram-opto AUO Citizen CMO "/46" RGB 32"/46" RGB "/46" 57" 32" 46" RGB Hybrid RGB RGB " 40"/46" 40" 47" RGB 82" RGB RGB RGB " 40"/46" 52" 46" RGB 52"/57" RGB RGB WLED LG Display 47" RGB 資料來源 :, 2008/ 02 以色彩飽和度做比較, 雖白光 LED 不如 RGB LED 易達到高色彩飽和度, 但其成本較低, 相對有競爭優勢, 能縮短與傳統光源 CCFL 的價差 而且在高動態對比表現方面,LED 光源區域控制劃分較 CCFL 細, 加以點滅速度比 CCFL 快速, 因此動態對比值較 CCFL 高 以三星電子產品為例, 其 71 系列 LCD TV 的 CCFL 背光源雖採用 Scanning Backlight 技術使動態對比提高到 25,000: 1, 但是 81 系列 LED 背光 LCD TV 動態對比值卻能提高到 50,000: 1 另外, 在厚度方面, 一般電視採用的背光模組為直下式設計, 為避免光源過於接近上方光學膜造成 Mura 現象, 所以背光源與光學膜之間都會維持一定的距離, 造成整個背光模組的厚度無法降低 側光式 LED 背光技術浮出近年來電視除了大型化趨勢外, 薄型化的訴求也開始成為廠商創造產品副加價值的另一項賣點, 因此已有業者將側光式 LED 應用在 TV 用 LCD 背光模組, 其厚度皆較 CCFL 型直下式

34 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-34 及側光式, 甚至 LED 直下式背光模組還薄 以 2007 年三星電子在 10 月下旬橫濱展中展示 40 吋超薄型 LCD TV 為例, 其就是採用側光式背光模組, 其 LCD 背光模組厚度僅 5mm, 面板整體厚度為 10mm, 比樂金飛利浦 (LG Display) 同時發表 42 吋, 為 CCFL 背光源的 LCD 面板厚度 19.8mm 更為輕薄 不過, 側光式背光模組除了厚度減低外, 仍存在一些問題, 由於 LED 為點光源而非面光源, 因此, 以側邊入光方式, 無法做到區域控制功能, 對提昇動態對比值以及影像畫質的影響有限, 而且側光式 LED 為讓光均勻分布到整片面板, 所以對光密度及光通量要求較高, 若以相同尺寸做比較, 則側光式白光 LED 使用顆數反而比直下式白光 LED 還多 由於白光 LED 的 NTSC 最高可做到 70 80%, 而 RGB LED 可超過 100%, 因此應用在電視的背光源型式目前仍較傾向以 RGB 封成一顆混出白光的模式處理, 不過為了要形成白光, 所需綠光亮度要最亮, 其次是紅光, 藍光只要很少就可以, 因此目前通常是採用 RGGB 晶片封成一顆以形成白光發光源 另外,Luminus Device 於也開發出一種稱之為 PhlatLight 的 LED 晶片, 其架構是將 RGB 三顆晶片組合在一起, 構成一個發光單元, 並配合 GLT 公司的導光板, 以側邊入光方式將光線均勻散佈到整個螢幕上 該公司於 2007 年日本 Yokohama 舉辦的 FPD 展中就展示一組 37 吋採用此背光技術的 LED TV, 表示可將原本需要幾百個 LED 的背光源減少到只要 12 個, 其亮度可達 8500 cd/ m 2, 厚度只有 15mm, 功耗也減少 20%

35 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-35 圖 Luminus PhlatLight 背光源解決方案 圖片來源 :Luminus 區域聚焦亮度技術降低背光功耗至於在散熱問題方面, 由於高功率 LED 附帶散熱問題難以處理, 目前業者已傾向採用中功率 LED 做為背光源, 使用顆數會較高功率為多, 且為降低背光功率消耗, 可採取區域亮度控制方式進行 因為實際圖像在每個部位的亮度並不相同, 不需採用均勻亮度的背光, 而是以圖像內容來決定區域亮度控制, 因此可將螢幕區分為數個區塊, 決定其所需求平均亮度後, 利用脈衝寬度調變 (PWM) 技術進行即時控制 這種使面板可自行調整螢幕亮度和對比度, 以有效節省功

36 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-36 耗的技術, 韓國 LG 公司稱之為區域聚焦亮度控制 ( Area Focused Luminance Control, AFLC) 技術, 日本 NEC 則稱之為自動伽碼控制和功耗控制 (Auto Gamma Control and Power Saving, AGCPS) 技術 目前 LED 為背光源的電視僅鎖定高階市場, 尚無法大量商品化, 雖包括韓系廠商三星 (Samsung) 以日系廠商索尼 (Sony) 都在市場上推出 LED 電視, 但礙於價格之故, 市場接受度有限, 實際出貨量占總體出貨數比重相當低 現階段 LED 應用在電視上仍有許多問題需要克服, 不過廠商還是投入不少人力 物力持續推陳出新 2008 年初的 CES 展中, 日立 (Hitachi) 也分別展出三款不同尺寸但同樣是以 LED 為背光源, 厚度僅 1.5 吋的電視 結語以 LED 在筆記型電腦 液晶螢幕及電視三大液晶顯示器應用市場來看, 目前筆記型電腦成長性最高, 其中友達已喊出 2012 年該公司出貨的筆記型電腦將全採用 LED 背光源的消息 整體而言, 現階段 LED 來源仍以日系廠商 TG 及 Nichia 為主, 台系廠商如晶元光電為次要之供應商, 但台灣面板業者除了開始導入台灣 LED 晶片之外, 也著手切入 LED 上游磊晶產業, 除了自行購買 MOCVD 機台投入生產外, 亦採取策略聯盟方式, 以確保貨源無虞 至於國內背光模組廠方面, 大億科 奈普均已成功切入 Dell 及 Apple 供應鏈 中光電 瑞儀對於 LED 背光模組出貨也都相當積極, 目前 LED 應用在液晶顯示器背光源上仍有技術尚待克服, 但 LED 挾持環保 節能 小體積等特性配合價格逐年下滑的優勢, 都成為系統業者願意導入 LED 的因素, 預估 LED 導入大尺寸應用面板的時程將較預期更為樂觀

37 第一章發光二極體技術與應用趨勢 LED 照明應用之技術進展從白光 LED 被發明以來, 固態照明就一直備受期待, 但過去受限於發光效率不足, 故一直未能實現 但近兩 三年來, 由於技術的突飛猛進, 目前坊間已有不少固態照明產品問世, 雖目前因為價格過高, 導致滲透率仍低, 但技術已不再是限制 但技術上可行, 並不代表一切 除價格外, 如何建立一套通用且可靠的量測標準, 將是推廣固態照明的一項關鍵工作 此外, 將 LED 應用於照明之時, 色溫與演色性也是影響消費者購買慾望的重要因素 故量測 效率 色溫與演色性的技術發展均對照明應用有莫大的影響 因此本節將對 LED 的量測 效率 色溫與演色性之技術演進概況做一介紹, 盼能對讀者有所裨益 LED 量測與標準先前, 美國能源局 (DOE) 的 CALiPER Program 公布了該局對市面上的 LED 照明燈具的量測結果, 發現超過半數廠商所宣稱的發光效率比 DOE 所測得的數值要高上 20 30%, 此結果說明了在缺乏一套統一的量測規範下所得到的數字, 可說是毫無意義 同時, 由於 LED 與傳統光源在尺寸 光通量 光譜與光型上均大不相同, 故傳統光源的校正與量測方法並不適用於 LED 此外, 由於缺乏一套通用規範, 故各家廠商的量測參數均不甚相同, 而得到不同的量測結果 舉例而言, 在測量 LED 的發光強度 (Luminous Intensity) 時, 理論上應將 LED 置於光度計外兩公尺的距離, 以確保其點光源的性質 但實際廠商量測時的距離則為 公分, 在距離不足的情形下, 再加上 LED 往往具有 epoxy lens, 就使得 LED 並不是一個完全的點光源, 並造成其發光強度偏離平方反比定律 以上因素均會導致測量結果的誤差上昇, 故為消除此一誤差來源,CIE 針對 LED 發光強度的量測距離 光度計的孔徑大小以及方向校準 ( 參照圖 1-3-1) 制訂了一套規範 CIE 127, 並

38 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-38 於去年提出新版本 CIE: 2007( 註 1) 依循此一規則所測得 之數值稱為 CIE Averaged LED Intensity, 如此一來, 則可 避免因不同廠商所採用的量測距離不同而產生的誤差 但需注 意此一規範僅適用於量測單一 LED, 並不適用於 LED 陣列或 LED 燈具的量測上 圖 CIE Averaged LED Intensity 之量測標準 資料來源 :CIE 通常進行光通量的量測時, 是使用積分球或是配光曲線儀 ( Goniophotometer) 來進行測量 基本上, 由於 LED 的發光波長範圍較窄加上光型的差異,LED 的光通量量測誤差就比傳統光源來得大 再加上許多廠商在使用積分球時為求方便, 就直接將 LED 固定在球壁上, 但如此一來, 就無法測得 LED 的反向發射 (backward emission), 導致誤差 故在 CIE 127:2007 中, 亦對此點進行規範 ( 參照圖 1-3-2)

39 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-39 圖 LED 光通量之量測示意圖 資料來源 :LED Professional 圖 1-3-2( a) 的設置方式適用於各種 LED, 特別是使用 epoxy 做為封裝材料的 Lamp 型 LED;(b) 則適用於幾無反向發射的

40 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-40 LED 而在使用積分球進行量測時, 不可忽略需先以一個光強及光譜分佈與量測樣品相近的標準品來進行校準 另外, 如將積分球與分光光譜儀 (spectroradiometer) 搭配使用, 則可同時測得 LED 的光度 演色性及色溫等數值 ( 參照圖 1-3-3) 圖 積分球與分光光譜議之搭配示意圖 資料來源 :LED Professional 故全球先進國家皆在努力制訂適用於 LED 之量測準則, 日本已由日本照明學會 日本照明委員會 日本照明器具工業會, 以及日本電球工業會等四個組織共同制訂了 照明用白光 LED 測光方法通則, 而美國則已經或將於 2008 年初公布下列等 6 項標準 標準制訂後, 各種產品的規格將更有比較標準, 對 LED 照明產業的基礎奠定將有莫大的貢獻 1. IESNA RP-16 Definitions 2. IESNA LM-80 Lifetime

41 第一章發光二極體技術與應用趨勢 IESNA LM-79 Electrical and Photometric Measurements 4. ANSI C78-377A Chromaticity 5. ANSI C82-.XX1 Power Supply 6. UL 8750 LED Safety LED 照明需兼顧發光效率及演色性在考慮 LED 照明應用時, 發光效率 色溫與演色性是重要商品規格之一, 發光效率與節能息息相關, 重要性自不待言 而色溫與演色性則會影響消費者的購買慾望, 根據美國能源局的發表資料, 室內照明光源的演色性至少需在 75 以上 ( 註 2), 而色溫的規格要求則如表 所示 表 EnergyStar 對 LED 照明產品之色溫規格要求 Nominal CCT( K) CCT( K) ± ± ± ± ± ± ± ± 510 資料來源 :DOE 理論上, 以 RGB( 或 RGBA) LED 混成白光, 可同時兼顧發光效率 色溫與演色性等方面, 但各色 LED 的衰退速率不一, 是此法永遠的問題 再加上因 LED 使用顆數多, 電路設計就會更形複雜, 成本也會提高 所以通常白光 LED 是以藍光 LED, 搭配黃色螢光粉混色而得, 但以此法所得之白光色調偏藍, 演

42 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-42 色性不佳 而目前也有以藍光 LED 搭配 R G 螢光粉的作法, 以達到高演色性及發光效率的要求 而德國的 Lumitech 也提出了可同時兼顧色溫 演色性與發光效率之解決方案, 稱為 PI-LED, 其基本原理是找出各螢光粉發光效率最佳的最適波長, 再與紅光及藍光 LED 相互搭配使用 可使色溫的調整工作變得更形容易, 只需調整紅光與藍光的強度, 可控制的色溫範圍可達 2700K 到 6500K 之間 除色溫調整更形容易外,PI-LED 的演色性亦可達 90 以上 如此一來, 電路設計將較為簡單 ( 與 RGB 混色相比 ), 而在發光效率 演色性與色溫的控制上也較傳統的藍光 LED 加黃色螢光粉為優 ( 參照圖 1-3-4) 圖 PI-LED 發光效率與色溫關係圖 資料來源 :Lumitech LED 照明產品的最終測試儀器 人眼無論廠商宣稱所測得的演色性數值有多高, 產品還是要交由消費者來做最後的評價 是故, 針對一般人對於 LED 照明產品之評價調查也是一項十分重要的工作 法國的 CRCC( centre

43 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-43 de recherche sur la conservation des collections) 即找了 40 位參與者, 利用 5 種不同光源來照射物品, 並要求受驗者指出在該光源照射下, 受照物品所呈現的顏色 ( 註 3), 以了解不同光源的演色力以及在該光源照射下, 人眼對受照物體顏色的辨別能力 該實驗以發出 4000K 的鹵素燈光源 (Tungsten-halogen lamp,solux) 做為基準, 而其餘的 4 種光源分別為 :RGB RGBA WWR WWRGBA 的各式 LED 組合光源 ( 註 4), 而各光源的色度座標 色溫及演色性等數值與實驗結果則分別如表 圖 及表 所列 表 各光源之色度座標 色溫及演色性 Solux RGB RGBA WWR WWRGBA Illuminance( lux) Color specification x Color specification y Color temperature( K) CRI( Ra) CRI( Ra14) 資料來源 :CRCC

44 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-44 圖 受測者在不同光源下對顏色的辨別力 Solux RGB RGBA WWR WWRGBA 資料來源 :CRCC 表 不同光源對標準樣品所造成的顏色偏差 NCS Solux WWRGBA RGB R Red-Yellow Red-Yellow Red-Yellow Y90R Red-Yellow Red-Yellow Red-Yellow Y80R Red-Yellow Red-Yellow Red-Yellow Y70R Red-Yellow Red-Yellow Red-Yellow Y60R Red-Yellow Red-Yellow Red-Yellow Y50R Red-Yellow Red-Yellow Red-Yellow Y40R Red-Yellow Yellow-Red Red-Yellow Y30R Red-Yellow Yellow-Red Red-Yellow Y20R Yellow-Red Yellow-Red Yellow-Red Y10R Yellow-Red Yellow-Red Yellow-Red Y Yellow-Red Yellow-Red Yellow-Red G80Y Yellow-Green Yellow-Green Yellow-Green G70Y Yellow-Green Yellow-Green Yellow-Green G60Y Green-Yellow Yellow-Green Green-Yellow

45 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-45 表 不同光源對標準樣品所造成的顏色偏差 ( 續 ) NCS Solux WWRGBA RGB G50Y Yellow-Green Yellow-Green Green-Yellow G40Y Green-Yellow Green-Yellow Green-Yellow G30Y Green-Yellow Green-Yellow Green-Yellow G20Y Green-Yellow Green-Yellow Green-Yellow G10Y Green-Yellow Green-Blue Green-Blue G Green-Blue Green-Yellow Green-Blue B90G Green-Blue Green-Blue Green-Blue B70G Blue-Green Green-Blue Green-Blue B60G Blue-Green Blue-Green Green-Blue B50G Blue-Green Blue-Green Green-Blue B40G Blue-Green Blue-Green Green-Blue B30G Blue-Green Blue-Green Blue-Green B10G Blue-Green Blue-Green Blue-Green B Blue-Green Blue-Green Blue-Green R90B Blue-Red Blue-Red Blue-Green R80B Blue-Red Blue-Red Blue-Green R70B Blue-Red Blue-Red Blue-Red R60B Blue-Red Blue-Red Blue-Red R50B Blue-Red Red-Blue Blue-Red R40B Red-Blue Red-Blue Red-Blue R30B Red-Blue Red-Blue Red-Blue R20B Red-Blue Red-Blue Red-Blue R10B Red-Blue Red-Blue Red-Blue 資料來源 :CRCC 圖 是表示在不同光源的照射下, 受測者誤判被照物顏 色的人數, 用以了解在不同光源下, 使用者對顏色的辨別力 ; 表 則表示以不同光源照射標準樣品, 受測者所感受到的被 照樣品的顏色, 用以了解使用者在不同光源下對顏色的感受力 實驗結果顯示在 RGB 或 RGBA 光源的照射下, 受測者對顏

46 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-46 色的辨別力明顯較差, 且此時受測者對顏色的感受力會有所偏差 故以白光 LED 補以他色 LED 為光源時, 人眼較不會產生顏色上的偏差 固態照明是將來的必然趨勢, 但有意願進入此塊市場者, 必須將 LED 照明與傳統照明的不同之處一一釐清, 並了解如何將產品最佳化, 以符合消費者使用時的要求 故未來 LED 業界與照明業界實應積極合作, 方能結合雙方力量, 共創雙贏未來 註 1: CIE 127 的原始版本是在 1997 年被提出,2007 年時則提出新版本註 2: 但不少廠商表示室內照明產品之演色性需達 80 以上註 3: 顏色表示法為 : 主要色 - 次要色 例如 Red-Yellow 則表示以紅色為主, 黃色為次註 4:R=Red G=Green B=Blue A=Amber WW= cold White & warm White

47 第一章發光二極體技術與應用趨勢 LED 路燈散熱技術發展路燈照明在 2007 年 LED 新興應用中一直是備受矚目的焦點,LED 封裝元件廠與 LED 路燈製造商更是積極投入, 在此風潮推波助瀾之下, 也迫使傳統照明廠商對於 LED 光源的產品開發上更是加緊腳步, 以鞏固原先既有的照明市場 各廠商競相投入之下, 許多不同的技術與市場開發上的瓶頸, 也逐漸被熱烈討論其解決之道, 就以技術而言, 路燈的散熱絕對是最需要被重視的一環 LED 散熱技術的需求由於 LED 屬於小面積晶片所發的光源, 用在照明應用上面, 勢必採用 1W 以上的高功率 LED 以有效組成發光模組, 與過去小功率 LED 所組成的產品相較, 高功率 LED 因為使用高電流來驅動, 在發出高亮度光源時同時也伴隨著高溫, 且熱源集中小面積的晶片上, 一般稱為熱點 (hot spot) 的現象 熱點對於 LED 的影響, 其溫度升高會導致其發光效率降低 嚴重光衰減等問題, 當溫度不斷升高, 使得其順向電壓也不斷的提高, 一直週而復始, 導致晶片過熱而崩潰 燒毀 既然為了擁有高亮度光源而採用高功率 LED 無法避免, 那麼配合有效的熱管理尤為重要, 使 LED 能夠正常的工作, 保有原先預期的省電環保 光色度純 壽命長等優異的特性 目前 LED 路燈絕大部分以示範性質或 100W 以下路燈照明為主, 若是要真正進入 400W 等級的高壓鈉燈 水銀燈的主要道路照明, 其照度必須採用 150W 等級以上的 LED 燈具, 對於散熱裝置的要求勢必更嚴苛, 以確保 LED 晶片的接面溫度 ( Junction Temperature) 不致高過其正常的工作溫度範圍 若以美國能源局所提供高亮度白光 LED 在不同操作溫度下與使用壽命之間的關係 ( 以光通量維持 70% 以上計算 ), 如圖 所示, 當光源點亮時工作接面溫度維持在 74 則推估有 16,000 小時, 而工作接面溫度降至 63 則推估有 37,000 小時 而 2007 年美國能源之星 (Engery Star) 在室內商業照明之中規

48 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-48 範壽命至少要在 25,000 小時以上 雖然目前全球在 LED 路燈照明尚未有明確的規範出爐, 但為了與傳統路燈競爭, 一般對於 LED 路燈壽命至少要 3 萬小時以上, 故為了要達到長壽命, 其散熱處理勢必要控制得當 圖 高亮度白光 LED 在不同操作溫度下的使用壽命 資料來源 :U. S. Department of Energy 以目前台灣所採用的散熱專利技術應用在 LED 路燈來看, 主要分為以下幾種散熱技術, 導熱管 (Heat Pipe) 迴路熱管 ( Loop Heat Pipe, LHP) 均溫板(Vapor Chamber) 散熱鰭片等 熱導管熱導管的工作原理為以下幾個步驟 :(1) 熱導管的蒸發端受熱時, 該處的熱能會把管壁附近的工作流體汽化 (2) 此時受熱端之蒸氣壓力會昇高, 使蒸氣往壓力較低冷凝端移動, 而產生蒸氣流 (3) 蒸氣在冷凝端冷卻後釋放出熱, 因而凝結成液體 (4) 再由微米材料 (wick) 藉毛細力迴流到蒸發端而完成一個循環, 熱導管散熱的工作示意如圖 所示

49 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-49 圖 熱導管工作原理 資料來源 :Answers.com 採用此技術的路燈廠商有新強光電等, 以數顆高瓦數的 LED 晶片封裝在同一個基板上, 再用一根熱導管將整個 LED 基板底部的熱源導出, 接著利用外部散熱片將其所導出來的熱散開, 達到降低晶片的接面溫度的散熱功效, 其工作原理如圖 所示 圖 LED 利用熱導管與散熱片的散熱示意圖 資料來源 :Neopac Opto

50 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-50 迴路熱管迴路式熱管是 1980 年由俄羅斯學院 Yu F. Maidanik 教授所發明, 其運作功能與傳統熱管類似, 皆利用相變化的原理, 達到快速導熱之目的 迴路熱管與傳統熱管的不同之處在於迴路熱管是藉由汽液相流道的分離, 讓封閉式迴路管內的水因高溫而使液體生成水蒸氣 當水蒸氣流經冷凝器時, 水蒸氣因而凝結為水 接著蒸發器內部的毛細結構產生的毛細力, 再流回熱源端, 該液體週而復始地在迴路熱管中不斷地進行降溫動作, 如此即完成水與水蒸氣循環, 達到熱量的傳遞的散熱需要, 其工作如圖 所示 圖 迴路熱管工作原理 資料來源 : 陽傑科技

51 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-51 目前迴路熱管主要應用以太空與電腦冷卻應用為主, 太空應用的技術層次較高, 都掌握在美 俄 歐盟等大國手中, 而電腦冷卻應用, 如 CPU 散熱技術方面, 則是台灣 日本 韓國技術領先 迴路熱管運用在路燈散熱上, 是在 1980 年時俄羅斯學院 Yu F. Maidanik 教授與台大 江陵集團三方合作開發出低價商品化的銅 - 水迴路熱管開始 目前陽傑科技已取得授權進行量產, 真正將其技術落實在路燈散熱應用上 迴路熱管藉由微米科技, 使迴路熱管具有柔性結構, 可將其製成 公分的管長, 盤旋纏繞接合於路燈燈具內側, 藉其燈具外殼幫助散熱, 達到遠距離傳熱 散熱效能高 不需要外加風扇 重量輕等優點 但目前其單價仍偏高, 需把量產技術再提升, 壓低迴路熱管的成本 均溫板均溫板與熱導管散熱的原理是相同的, 而熱管的熱傳導方式是一維的, 屬於線的熱傳導方式, 而均熱板的熱傳導方式是二維的, 以面的方式做熱傳導 而淡大微機電康教授團隊更是研發出三維散熱毛細結構的均溫板 以二維散熱均溫板為例, 其內壁採用具有微結構的真空腔體, 當熱由熱源傳導至蒸發區時, 腔體內熱超導介質的蒸發熱快速均勻散佈到低溫處進行冷凝, 再由腔體內之毛細結構回流至熱源, 該液體就是如此週而復始地在腔體內不斷地進行降溫動作, 這是一般均熱板的運作方式 均溫板應用在高功率 LED 的散熱上, 能將 LED 晶片產生的熱源均勻快速的擴散於封裝表面上, 亦可再傳給與其接觸的散熱片, 可達到熱快速擴散與增進散熱片的效能的功能,LED 搭配均溫板散熱如圖 所示

52 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-52 圖 LED 搭配均溫板散熱 資料來源 : 散熱鰭片目前散熱鰭片製造技術廣泛被應用在電腦與電子產品內部散熱上, 由於一般電子產品內部空間不大, 所以必須盡可能增加鰭片與空氣接觸的散熱面積, 還需同時保有散熱鰭片的外部強度, 而高深寬比與鰭片厚度的掌握就成為散熱鰭片的技術所在 此外, 除了要將熱有效的傳導至整個鰭片上, 還需搭配風扇, 將其表面的熱隨著空氣排出機殼內部 將鰭片散熱技術應用在 LED 路燈上, 雖然鰭片製作不需要如一般電腦與電子產品如此高的鰭片深寬比, 但仍需要特別設計使其能有效率的將 LED 光源的熱源散去 而鰭片表面強度為較脆弱, 需過長久的風吹日曬的考驗, 所以不適合直接將其外露, 故有採用直下散熱的設計方式, 避免散熱力受落塵堆積所影響, 在維護保養上也較為簡便 相較於上述其他的散熱方式, 散熱鰭片的成本價格最低廉, 但散熱模組重量相對較重, 所以鰭片材料也從過去的銅改成鋁, 來降低散熱模組的重量 此外, 若要製作主要道路所用之高瓦數 LED 燈具, 仍須搭配風扇協助散熱, 但一般風扇產品的保固僅兩年, 這是採用此技術所需顧慮到的地方 但如果不加風扇的散熱設計, 用自然散熱的方式, 若無搭配其他散熱技術, 將無法有效的使用在高

53 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-53 瓦數的 LED 燈具中, 只是增加各晶片的距離會使光源燈具體積變大, 也徒增燈頭光學設計上的困擾 以導熱管 迴路熱管 均溫板 散熱鰭片這幾種路燈的散熱技術, 各有其優缺點, 如表 所示, 亦有不少廠商同時採用整合的方法, 來提升整體散熱的效能, 其發表的相關專利也不少 表 LED 路燈散熱技術比較 散熱技術 特點缺點應用廠商 熱導管 製作技術成熟 對 高瓦數應用需搭 新強 佰鴻 熱點做一維熱傳導 配散熱鰭片協助 散熱 迴路 對熱點做一維熱傳 製作較複雜 成本 陽傑 熱管 導 可繞曲長距離 較高 結合燈殼散熱 均溫板 對熱點做二維熱傳 接觸發熱源的面 奧古斯丁 導 積較大, 可直接蒸 東貝 發散熱 製作較複 雜 成本較高 散熱 製作較簡易 價格 體積大且重 高瓦 鑫源盛 鰭片 便宜 數散熱需搭配風扇 宏齊 資料來源 : 未來面對著商機市場龐大的 LED 路燈市場, 其散熱技術已是必備條件之一, 藉由各產學業界的努力與推廣之下, 將有助於取得大陸, 甚至歐美各國的路燈市場, 將台灣 LED 路燈產業帶上另一波新興應用的高峰

54 第一章發光二極體技術與應用趨勢 1-54 結語綜觀這一章各節的技術與產業發展, 可以窺得整個 LED 產業蓬勃發展下, 各項 LED 技術由上游磊晶 紫外光磊晶的技術, 到白光封裝的螢光粉關鍵技術, 乃至於未來五年維持 LED 產業兩成年複合成長率的動力來源 : 背光源 照明 LED 路燈等技術發展都有許多該面臨的瓶頸與課題 靠著台灣 LED 產業專業分工的努力下, 以及各方集思廣益的新發展技術 新興應用下, 讓台灣未來在世界 LED 產業的舞台, 繼續保有舉足輕重的影響力