徵服LED之不得不看的重要概念

光譜

　　表示相對於光的波長，光的強度的分布。led的光譜一般為單色LED，例如藍色LED以波長470nm時為峰值呈山峰分布，以峰值波長較短的紫外領域和峰值波長較長的綠色領域為光的強度的測定極限。而白熾燈的光譜，其發光強度廣泛分布於400nm多的藍色領域至700nm多的近紅外領域，在紫外領域和紅外領域也能觀測到發光強度。螢光燈方面，組合使用的螢光體的發光波長部分為光譜的峰值。

　　與普通紅色、綠色和藍色LED的光譜峰值只有一個相比，白色LED的光譜則有很大不同。例如藍色領域和黃色領域會有兩個發光強度的峰值，或者在藍色領域、黃色領域和紅色領域有三個峰值，甚至還會出現更多的峰值。這是因為，白色LED的白色光是組合了多個波長的光獲得的。例如，組合藍色LED和黃色螢光體時，峰值在藍色領域和黃色領域出現。另外，基於藍色LED的發光強度的峰值較尖，而基於螢光體的峰值較為平緩。

　　將LED用於液晶面板背照燈時，最理想的情況是LED的光譜在紅色、綠色和藍色三個領域出現發光強度的峰值。這是因為LED的光最終將經由液晶面板的彩色濾光片（紅色、綠色、藍色）輸出到外部。

　　獲得三個發光強度的峰值時，有使用紅色、綠色和藍色三種LED的方法，以及通過改進螢光體材料、使用可獲得三個峰值的白色LED的方法。

發光光譜有很大不同

　　藍色LED和YAG類螢光體、藍色LED和ZnSe單結晶底板的發光、紫外LED和RGB螢光體等白色LED的發光光譜與螢光燈和自然光的比較。雖然都是白色，但發光光譜大為不同。

　　另一方面，LED用於普通的照明器具時，光譜廣泛分布在可視光領域的白色LED較受歡迎。原因是接近自然光，即太陽光的光譜的光線照射物體時，物體的顏色與照射自然光時接近的緣故。

光通量、光強、亮度和照度

　　光通量是表示光源整體亮度的指標。單位為lm（流明）。在表示照明光源的明亮程度時經常使用。是參考人眼的靈敏度（視覺靈敏度）來表示光源放射光亮度的物理量。具體數值為各向同性的發光強度為1cd（堪德拉）的光源在1sr（立體弧度）的立體角內放射的光通量為1lm。此處的sr為立體角的單位，表示從球面向球心截取的面積為半徑（r）的2次方（r2）的圓錐體的頂角。

　　光強是表示光通量立體角密度的指標。單位為cd。多在表示顯示用LED等的眩光時使用。其定義為：發射540×1012Hz（波長555nm）頻率單色光，在指定方向的光線發射強度為1/683W/sr的光源，在該方向的光強就定義為1cd。

　　亮度是表示從光源及反射面和透射面等二次光源向觀測者發出的光的強度指標。單位為cd/m2。與光通量一樣，是結合人眼的靈敏度表示的物理量。大多在表示液晶面板和PDP等顯示器畫面的亮度時使用。

　　照度是表示照射到平面上的光的亮度指標。單位為lx（勒克司），有時也標記為lm/m2。是指光源射向平面狀物體的光通量中，每單位面積的光通量。用於比較照明器具照射到平面上的明亮程度。

光通量與照度和光強的關係

　　光通量、光強、亮度和照度的關係簡單歸納如下：光通量除以單位立體角等於光強；光通量除以單位面積等於照度，光強除以單位面積等於亮度。

發光效率（luminous efficacy）

　　評測光源效率的指標，用光源發出的光通量（lm）與向光源輸入的電力（W）之比表示。單位為lm/W。

　　發光效率只表示光源的效率，與將光源安裝到照明器具上後器具的整體效率（綜合效率）是不同的概念。

　　發光效率是將外部量子效率用視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）來表示的數值。外部量子效率是發射到LED晶片和封裝外的光子個數相對於流經LED的電子個數（電流）所佔的比例。組合使用藍色LED晶片和螢光體的白色LED的外部量子效率，是相對於內部量子效率（在LED晶片發光層內發生的光子個數佔流經LED晶片的電子個數（電流）的比例）、晶片的光取出效率（將所發的光取出到LED晶片之外的比例）、螢光體的轉換效率（晶片發出的光照到螢光體上轉換為不同波長的比例）以及封裝的光取出效率（由LED和螢光體發射到封裝外的光線比例）的乘積決定。

　　在發光層產生的光子的一部分或在LED晶片內被吸收，或在LED晶片內不停地反射，出不了LED晶片。因此，外部量子效率比內部量子效率要低。發光效率為100lm/W的白色LED，其輸入電力只有32％作為光能輸出到了外部。剩餘的68％轉變為熱能。

　　今後3年將提高100lm/W

　　發光效率在2003年之前一直以每年數lm/W的速度緩慢提高。在提高發光效率時，最初未改變螢光體和封裝，而是致力於改進晶片技術。具體而言，進行了諸如改善藍色LED晶片所使用的GaN類半導體結晶的MOCVD結晶成長技術等。

　　從2004年開始，發光效率以每年10～20lm/W的速度提高。由此，從2004年的50lm/W到2008年的100lm/W，4年間提高了50lm/W。這種速度的實現，藉助了將原來聚集於成膜技術的晶片技術改進擴展至了整個LED製造工藝那樣的重大調整。另外，除了改進晶片技術外，還開始對螢光體進行改善。

68％為熱損失

　　對發光效率為100lm/W的白色LED的能源轉換進行模擬的結果。白色LED實現了與螢光燈同等以上的發光效率，但只有輸入電力的32％能作為光能輸出到外部。剩餘的68％轉變為了熱能。該模擬為向直徑5mm的炮彈型白色LED輸入62mW電力時的結果。白色LED是通過組合使用藍色LED晶片和黃色螢光體獲得的。

　　今後，各LED廠商擬將把2008年實現的100lm/W發光效率，提高至2010年的140～170lm，2011年提高至150～200lm/W。也就是說，在發光效率上領先於新加入進來的廠商的LED廠的目標是，平均每年提高30lm/W以上，3年提高100lm/W。LED的發光效率的上限被認為是250lm/W左右，各LED廠商正在挑戰能以何種程度逼近上限。

　　為挑戰該上限，LED廠商正在全面導入最新的晶片技術、螢光體技術以及封裝技術。晶片技術方面，將繼續提高內部量子效率和光取出效率。螢光體方面，除了提高變換效率外，還要採取措施降低因螢光體散射造成的衰減。封裝技術方面，要改善材料和構造，以提高光取出效率。

色溫（color temperature）

　　指用黑體（理論上可完全吸收外來光的虛擬物體）的溫度表示光的顏色的數值。單位為K（開爾文）。黑體發出光的波長分布（色調）因溫度而異。色溫常用於表示螢光燈和白色LED的光色，及顯示器可顯示的白色的程度。一般來說，色溫低時看上去發紅，色溫高時發青……

　　指用黑體（理論上可完全吸收外來光的虛擬物體）的溫度表示光的顏色的數值。單位為K（開爾文）。黑體發出光的波長分布（色調）因溫度而異。色溫常用於表示螢光燈和白色LED的光色，及顯示器可顯示的白色的程度。一般來說，色溫低時看上去發紅，色溫高時發青。

　　以白色LED為例，結合使用藍色LED晶片和黃色螢光體的一般品種（平均演色性指數Ra為70以上）多為色溫在6000K以上的晝光色，而追加紅色