白光LED與螢光粉之特性探討

2020-11-24 OFweek維科網

  4、演色係數

  演色性(Color rendition)是照明光源能展現物體顏色之忠實程度的一種能力特性,通常以演色係數(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之顏色的真實程度的百分比數值(如75;即75%真實色彩),作為此測試光源的演色係數。演色係數的測量及計算[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係數值。美國能源之星目前有關演色性的規定為對室內使用的所有固態光源燈具設備之演色係數不得小於75(註:原文為CRI,判斷應是指Ra值)。

  5、色域/色彩飽和度

  色域係指彩色顯示器等所能顯示顏色多寡(即如顯示器在CIE色度坐標系統上所能顯示的顏色範圍或領域)的一種特性指標,實用上亦有稱為色彩飽和度。

  相對於演色性之於照明光源的重要性,色域特性則是顯示器展現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,因其單獨本身並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,經由彩色濾光膜後會分解成紅/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)所制定的色域範圍作為比較標準,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,其所能展現色彩的能力僅為NTSC之72%左右,至於應用白光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範圍。

 

  螢光粉

 

  各類型螢光材料之中,目前以「光致發光(Photoluminescence)」螢光材料的應用最為廣泛,應用於LED也是此類的材料,即所謂的光轉換材料。通常,無機螢光材料乃是由「主體材料(Host materials)」、「活化劑/發光中心(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/發光中心則主要為過渡元素或稀土族元素的離子為主,至於目前常見可應用於LED的螢光材料,

  如前所述,單晶片型白光LED必需應用螢光材料,始能獲得照明所需的白光,而螢光材料攸關單晶片白光LED的發光效率、安定性、演色性、色溫、使用壽命等項特性,可謂是單晶片白光LED系統中相當重要的關鍵材料。

  至於LED用螢光粉的重要特性需求包含:(1)適當的激發光譜(2)適當的放射光譜(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(Excitation)特性

  螢光材料在白光LED的應用當中,激發波段與發光顏色的匹配,是最重要的先決條件,目前應用螢光材料所製作的白光LED,其LED之放射波長多屬於近紫外線或紫、藍光範圍,是故螢光材料之適用激發特性為在350~470 nm之波段範圍內,可以被UV-LED or Blue-LED所激發者。

  螢光材料之激發特性常以激發光譜(Photoluminescence-excitation spectrum;PLE)來判斷,通常也可以用螢光光譜儀(Photoluminescence analyzer)進行量測。由於目前LED之發光光譜之波形半高寬多介於10~30 nm之間,且其發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,故螢光材料所具有之激發波段通常越寬廣越佳。

  2、發光(Emission)特性

  螢光材料之發光特性可以其發光光譜(Photoluminescence Spectrum;PL)來判斷,其亦可利用螢光光譜儀量測獲得。除此之外,發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,如此更能完整了解螢光材料之發光特性。

  螢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,可以表現出極致的色彩。

  3、能量轉換效率(Energy-conversion efficiency)

  螢光材料在LED的應用當中,嚴格而言是必須同時考慮史託克轉換效率、量子效率與光散射轉換效率等諸項重要效率因素。

  史託克轉換效率(Stokes conversion efficiency;SE;ηSS)乃是因螢光材料於光轉換的運作當中,通常是遵循一對一的光子轉換程序,而由高能量的短波長光子轉變成低能量的長波長光子會產生能量損失,其所呈現的能量轉換效率即是所謂的史託克轉換效率。而應用螢光粉製作之LED,螢光材料之激發與發光的波長差距不宜太大,否則會產生過多的史託克能量損失。

  量子效率(Quantum Efficiency;QE;ηQE)則為螢光材料進行光轉換的實際效率指標,其定義為:

  QE =(No. of photons emitted)/(No. of photons absorbed)

  亦即螢光材料的量子效率為其進行光轉換所放出光子數目與其所吸收光子數目的比值。螢光材料的量子效率通常可應用螢光光譜儀結合積分球來測量,然由於螢光粉的來源、質量、激發波長及量測方式等因素的不同,各文獻所報導之量子效率值常有明顯差異。

  在此必需特別說明的是螢光材料的效率指標,亦可以使用能量轉換效率(Energy efficiency;EE;ηEE)來表示,其定義為:

  EE =(Output or emitted power)/(Input or emitted power) = QE×SE

  此為螢光材料進行光轉換所釋放出光能(或功率)與其所吸收光能(或功率)的比值。光散射轉換效率(Scattering Efficiency)乃是螢光粉應用於LED當中,由於與封裝材料之折射係數的不同,而產生光散射損失後所呈現的能量轉換效率,另因在光轉換的過程中,扣除光散射損失能量,才是螢光粉的吸收能量,故光散射轉換效率亦有以吸收效率(Absorption Efficiency;AE;ηAE)表示之。光散射損失與相對摺射率、粉體粒徑與光的波長等項因素相關,而螢光粉在LED的應用當中,其損失有可能高達10~20%的總能量比例。

相關焦點

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    在摻Dy3+的NaLaMgWO6螢光粉中觀察到了單離子黃白光,並利用光譜技術進一步研究了螢光猝滅現象。來自常熟理工學院、香港浸會大學等單位的研究人員針對白光LED當前面臨的問題進行了相關的研究。有許多策略來獲得白光LED。最常用的是將藍光與YAG:Ce3+黃色螢光粉。但由於缺乏紅色發射,這些設備對室內照明的顯色指數較低。另一種方法是基於紫外(UV)晶片與藍色螢光粉、綠色螢光粉和紅色螢光粉的組合。然而,三色螢光粉在同一激發下表現出不同的發光效率和使用壽命,限制了其潛在的應用前景。此外,由於三色螢光粉的失配,這種方法可能導致量子效率較低。
  • 白光LED發光原理及技術指標
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  • LED材料:特定螢光粉不可代替
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  • 白光LED發白光原理
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