發光二極體之簡介與應用
 

文/陳芳名、郭艶光

隨著全球環保與節能意識高漲,發光二極體將成為下一個世代重要的光源!

 

發光二極體之發展簡介

發光二極體(light-emitting diodes,簡稱LED)的發展可追溯到20 世紀早期,英國的無線電工程師Henry Joseph Round 在他所發表的文章中,描述了金屬半導體碳化矽(SiC)的電子特性,並且見證了固態半導體材料外加電流後激發出光線,此現象被稱為電激發光(electroluminescence,簡稱EL)。這名英國工程師的發表不僅奠定了LED 的發展基礎,也誕生了史上第一顆LED。

1955 年, 由Rubin Braunstein 發現使用砷化鎵(GaAs) 能放射出紅外線(infrared),直到1961 年德州儀器(TI)的實驗學者Bob Biard 與Gary Pittman 將電流注入到GaAs 材料後得到紅外光輻射,並且成功的應用在商業用途。隔年,1962 年伊利諾大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign) 的教授Nick Holonyak Jr. 以氣相磊晶法(vapor phase epitaxy, VPE)成長磷砷化鎵(GaAsP)材料在GaAs 基板(substrate) 上, 開發出紅光LED, 也是第一顆可見光LED, 後來也被廣泛的應用。基於如此卓越之貢獻,Holonyak Jr. 教授更被譽為「可見光LED 和雷射半導體(laser diode, LD) 之父」。1972 年,Holonyak Jr. 教授的學生M. George Craford 成功成長出第一顆黃光LED,其亮度比先前的紅光LED 更亮。

1972 年之後,紅、橙、黃、綠等色光的LED 相繼問世,且廣泛的被應用,但在可見光波段唯獨缺少藍光LED。

直到1993 年,日本日亞(Nichia)公司的中村修二博士(Shuji Nakamura)以藍寶石(sapphire)為基板成長N 型氮化鎵(GaN),以氮化銦鎵(InGaN)/GaN 為發光層,並借助名古屋大學的赤崎勇(I.Akasaki)教授所提供的P 型摻雜GaN 技術,成功製作出第一個藍光LED,該材料可藉由In 含量的不同,來控制InGaN 的能隙(bandgap/energy,Eg)大小,讓元件發出綠色到紫色波段的光。也因為中村博士成功開發出第一顆藍光LED 與藍光LD,被譽為「藍光LED 和藍光LD 之父」。

藍光LED 的發明很快的在1996 年中村博士以InGaN 藍光LED 覆蓋淡黃色螢光粉(Y3Al5O12:Ce),成功開發出藍光加黃光的白光LED。由於藍光LED 與白光LED的發明,使得LED 的應用領域變得更加廣泛。圖1 為Nick Holonyak Jr. 教授(圖1 左)與中村修二博士(圖1 右)之照片。

Nick Holonyak Jr. 教授與中村修二博士之照片

圖1:Nick Holonyak Jr. 教授( 左圖) 與中村修二博士(右圖)之照片。(圖片來源:wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Nick_Holonyak 與 U.C. Santa Barbara http://www.sslec.ucsb.edu/nakamura

發光二極體之光源種類與應用簡介

LED具有許多優點,元件本身體積小、使用壽命長(約可用5 萬小時)、反應時間短(約1 ns)、光電轉換效率高(具節能省電的好處)與使用時不產生噪音(不需起電器)等,也因為這些特性,其應用層面相當的廣泛,從標誌、顯示器、行動裝置、指示燈、車用、照明、電子設備與其他如生醫光電等,LED 的應用無處不在。從為全球LED產品應用領域發展趨勢圖(圖2),我們可看到近幾年顯示器與照明的應用需求都有明顯提升,這也反應了各色光的LED 的需要與高亮度的LED 的追求。

全球LED 產品應用領域發展趨勢圖

圖2 不僅呈現了各色光與高亮度的LED 的高需求,也顯示了LED 的應用面相當廣泛,然而不同的產品所需的LED 光源也不盡相同。LED 所發出的色光主要取決於材料,不同的材料,發光波長也大不相同。在此以LED 發光波段做分類,可分為三大區段,分別為紫外光(UV)LED(200~410 nm)、可見光LED(450~780 nm) 以及紅外線LED(850~1550 nm),不同色光對應的發光波段與LED 材料對應的發光波長可分別統整於圖3 與圖4。

不同色光對應的發光波段圖

 

LED 材料對應的發光波長圖

圖4:LED 材料對應的發光波長圖。

LED 的應用實例

值得一提的是,由圖4 可以歸納出,LED 材料種類主要分成兩大材料系統,從可見光到長波長的紅外線,主要材料為三五族磷化物與三五族砷化物,從可見光到短波長的紫外光,主要材料為三五族氮化物為主。接下來,分別對於紫外光、可見光與紅外光之應用做詳細的介紹。

一、紫外光 (UV) LED

紫外光LED 主要的材料為氮化鋁鎵(AlGaN)與氮化鎵(GaN)所組成,UV LED 比起傳統的紫外線光源(如水銀燈泡)有更小的體積且較無汙染,可說是綠能環保的紫外光光源,除此之外,UV LED 所產生的紫外光也不會帶有熱輻射,這與傳統的紫外光光源,有著明顯的不同。

其中紫外光波段更細分成長波長(UVA)、中波長(UVB) 與短波長(UVC),不同波長的紫外光LED 也有不同的應用領域,UVA 的LED 主要應用於鈔票的防偽檢驗、光催化劑、光觸媒與醫療應用,UVB 的LED 也可以應用於生物科技與醫療保健,最後,UVC 的LED 為在此三個波段中,屬波長最短能量最強,所以可用於殺菌、水或空氣的淨化光源。表1 為不同紫外光波長之應用彙整表。

不同紫外光波長之應用彙整表

二、可見光LED

可見光LED 所擁有的色光種類,從紫光到紅光都有。在不同的情況下所應用的LED 也會有所不同,常見的應用分類可用「亮度」大致區分為傳統亮度LED 與高亮度LED。傳統亮度的LED 主要應用於電子產品指示燈、室內指示燈、汽機車內部指示燈等;而高亮度的LED 主要應用於顯示器(電視、手機、大型廣告面板等)、交通號誌燈(紅綠燈)、汽機車(剎車燈、車頭燈等)、電子產品、生物科技(植物燈)與白光照明。

在可見光LED 的應用中,由於LED本身體積小又節能環保,相當適合成為顯示器的背光源,不僅可以使我們的顯示器比以往的更省電,而且體積可以變得更輕更薄。除此之外,可見光LED 在汽車上面的應用也具備了以下幾個優點:(1) LED 的反應時間(約延遲10–9 秒)比傳統燈泡的反應時間(約延遲0.3 秒)短得許多,因此應用於汽機車的後煞車燈,可以讓後面的駕駛人更快地做出反應,減少追撞的事故發生。(2) LED 的耗電量相較於傳統燈泡來的省電,也可以使汽機車達到省電節油的好處。(3) LED 具有抗強震與使用壽命長的特性,不會因為汽機車長時間使用下造成LED 燈的損壞,因此可減少維修汽機車指示燈的頻率。(4) LED 重量輕、體積小不僅可以減少汽機車的載重,在車燈的設計上也可以有更多的空間做設計與變化。

在生物科技的部分,最常見的應用就是利用LED 當作植物生長燈,植物在特定的波長(紅光660 nm 與藍光450 nm)的照射下可以促進植物的生長。不僅如此,在晚上也可以利用LED 燈進行照明,使植物生長的時間有效縮短,這對於高緯度的國家(日本、德國、俄羅斯與加拿大等)也可以在溫室內栽培蔬果,並且在固定面積下可以種植更多的蔬果,解決部分糧食缺乏的問題。

白光LED 是利用藍光LED 加上淡黃色螢光粉(Y3Al5O12:Ce)混和而出的,在照明的應用極為的廣泛,如路燈、地磚燈、景觀燈、手電筒、礦燈與崁燈等。白光LED不僅省電且光源不含紫外光,可以避免吸引昆蟲圍繞電燈泡,對於人們的眼睛也較安全。雖然目前一顆球型LED 電燈泡價格比傳統的電燈泡昂貴,但是一顆LED 電燈泡的使用壽命相當的長,也較傳統白熾燈泡來的省電,因此在照明用的LED 擁有相當大的潛力,來取代傳統的電燈泡,成為新一代的白光光源,這也是許多專家學者努力研究的方向。

可見光LED 的應用實例

 

紅外光LED 應用實例

 

不同發光波長的LED

圖7:不同發光波長的LED。

三、紅外光LED

紅外光LED 的應用也隨處可見,像是除了我們家中的遙控器、超商外的自動門之外,在資訊的傳輸與儲存、光纖通訊等領域也看的到紅外光LED 或紅外光雷射的身影。在夜間監視器上的紅外光光源也是紅外光LED 的應用,雖然人眼無法感受到紅外光的亮度,但可以被相機或攝影機所感測到,也因此常用於夜間或亮度不足場所的補充光源使監視器攝影機可以拍到影像,如圖6 紅外光LED 的應用實例。

發光二極體的展望

藉由了解LED 的發展歷程到介紹各種不同發光波長的LED (圖7),相信大家可以更了解LED 在你我生活周遭扮演了許多重要角色,並且無所不在。LED 是具備了許多優點的發光元件,現今全球面臨逐步逼近的能源危機與生態環境變遷,使用更環保節能的LED 取代傳統光源是值得你我重視的。當我們利用巧思將各種不同色光的LED 應用在我們的生活周遭,不僅可以達到節能的目的外,更可以使我們的生活過得更便利、更精采!

 

陳芳名 彰化師大光電科技研究所博士班學生

郭艶光 彰化師大物理系教授兼校長

 

10/08/2014 17:39

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