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LED 與照明技術

LED 與照明技術. 發光二極體 (Light Emitting Diode, LED ) 是愛迪生發明電燈以來的二次照明革命。 因應全球節能減碳的需求與趨勢， LED 比起其它光源具有發熱量低、省電、壽命長、反應速度快、體積小及可平面封裝等優點 因此正快速取代傳統式燈源，成為照明的主流。. 網路查詢. LED 與照明技術. http://shopping.pchome.com.tw/?mod=store&func=style_show&SR_NO=AHAB9C. LED 與照明技術.

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LED 與照明技術

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  1. LED與照明技術 • 發光二極體(Light Emitting Diode, LED)是愛迪生發明電燈以來的二次照明革命。 • 因應全球節能減碳的需求與趨勢，LED比起其它光源具有發熱量低、省電、壽命長、反應速度快、體積小及可平面封裝等優點 • 因此正快速取代傳統式燈源，成為照明的主流。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  2. 網路查詢 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  3. LED與照明技術 http://shopping.pchome.com.tw/?mod=store&func=style_show&SR_NO=AHAB9C KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  4. LED與照明技術 http://www.aloha-light.com/products.php?OVRAW=led&OVKEY=led&OVMTC=standard&OVADID=51428300541&OVKWID=502962811041&OVCAMPGID=1890841041&OVADGRPID=21535852929 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  5. LED與照明技術 http://www.chimei.com.tw/series.asp?series=45 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  6. LED與照明技術 http://www.google.com.tw/images?hl=zh-TW&rlz=&q=led%E7%87%88%E6%B3%A1&um=1&ie=UTF-8&source=univ&sa=X&ei=73V1Tfj7JIHIvQOqnfzFBQ&ved=0CIABELAE&biw=1003&bih=557 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  7. zh.wikipedia.org/zh-tw/發光二極管 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  8. LED與照明技術 • LED發光是依賴半導體的動作原理，第一節先對LED的發光原理作探討，介紹三種常見形式的發光光源。 • 在第二節將研究LED在亮度提升和發出白光的要求，前者介紹幾種提升發光效率的方法以及散熱考驗，後者將介紹高功率白光LED的製作方法。 • 章末將說明LED在照明方面的應用和市場現況。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  9. 第一節 發光二極體 • 在適當的順向偏壓下，電子、電洞分別注入N、P兩端後，便會在PN接面區域結合而發光 • 即電子由高能量狀態掉回低能量狀態與電洞結合，將能量以光的形式釋放出來。 • 電子電洞注入後，在P-N接面上結合，且注入電流與外加電壓之關係為： KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  10. 電流流經PN接面而發光 ejournal.stpi.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/.../9803-01.pdf KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  11. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  12. LED產生的光能與順向驅動電流的大小成正比 • 其線性關係可由下列論證中說明：電流是每秒注入電荷的量，則每秒鐘的電荷數將是N=i/e，其中e是每個電子的電荷量大小，假設η是這些電荷中會重結合並產生光子的比率，則光能輸出為： KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  13. LED能量-電流關係圖 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  14. 面射型發光二極體 • 較低的P層區域主要功能為反射器(Reflector)，而上層N型區域是透明 • 因此光源由上發射，基本上，其發射半功率角度為120°，稱為朗白尼光源。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  15. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  16. 巴魯型發光二極體 • (1) P-GaAs和P-AlGaAs有下列兩項功能： • 具有反射器功能。 • 限制電子電洞複合區域更接近PN接面。 • (2)蝕刻井進入上端N層結構，可聚集發光二極體的光輸出。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  17. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  18. 邊射型發光二極體 • P-1層和N-1層目的在使聚集活性區電子電洞 對注入濃度增加。 (2)P-2層和N-2層的目的在使產生的光更集中束縛於 活性主動區。 (3)光子在整個長度L作用區產生，但僅由邊緣(Edge) 發射。 (4)ELED輸出光束為扁平狀，其垂直角度 (Perpendicular)約為30，水平角度(Horizontal)約 為120 。 (5)二氧化矽(SiO2)絕緣層，使ELED為條狀(Stripe) 結構操作。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  19. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  20. 典型的發光二極體 ejournal.stpi.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/.../9803-01.pdf KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  21. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  22. 完整的氮化鎵發光二極體晶粒製作流程 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  23. 第二節 照明白光LED介紹 • 商用LED介紹 LED利用半導體中電子與電洞結合時，將多出的能量以光的形式釋放，而不同的材料會發出不同的波長，也就會看到不同顏色的光。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  24. LPE(液像磊晶法) • VPE(氣相磊晶法) • MOCVD(有機金屬氣相磊晶法) KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  25. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  26. 商用LED介紹 • 可見光LED部分，可依亮度來分為傳統亮度LED及高亮度LED • 傳統亮度LED主要以GaP、GaAsP及AlGaAs等材料做成，主要發出黃色到紅色的光 • 高亮度LED主要以AlGaInP及GaInN等材料做成，高亮度依不同的材料能做到的發光範圍較傳統亮度廣 • 目前最熱門的藍光，主要是用GaInN所做的晶粒。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  27. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  28. 商用LED介紹 • 一般傳統亮度的LED是將LED晶片(LED Chip)固定在一反射槽(Reflector Cup)上，以金屬線(Wire Bond)連接LED晶片的正負極 • 之後以環氧樹脂(Epoxy)封裝，一般此種LED晶片的尺寸是0.25 mm，封裝後元件的半徑是5 mm，發光功率為1～2流明Lumens，工作電流是20～30 mA。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  29. http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%99%BC%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%A5%B5%E7%AE%A1http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%99%BC%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%A5%B5%E7%AE%A1 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  30. 發光效率之提升 • 在同質接面結構中，電子在半導體導體帶中向左流很順利，電洞在半導體價電帶中向右流也很順利，因沒有很大的能障，使電子與電洞相遇而復合（產生光）的機率極低，亦即發光效率很低。 • 為提高電子、電洞復合機率，便運用雙異質結構，使中間發光層的能隙，小於兩旁束縛層的能隙高度。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  31. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  32. 發光效率之提升 晶粒外型的改變 • 傳統發光二極體晶粒的製作為標準的矩型外觀如左圖。而右圖4個截面將不再是互相平行，而光就可很有效地被引出來，外部量子效率則大幅提升至55%，發光效率高達100 lm/w。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  33. 發光效率之提升 晶片黏貼 • 透明基板黏貼技術主要是將發光二極體晶粒先在高溫環境下施加壓力，並將透明的GaP基板粘貼上去後，再將GaAs除去，如此便可提高二至三倍的光萃取率。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  34. 歐司朗提升LED光萃取率的方法 • 歐司朗公司在2003年2月也發表了新的研究成果－Thin GaN，可將藍光LED光萃取率提昇至75%，比起傳統提昇了3倍。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  35. 發光效率之提升 表面粗化 • 將元件的內部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在元件內部的全反射，提升元件的出光效率。這樣的方法最早是由日亞化學所提出，其粗化方法基本上是在元件的幾何形狀上形成規則的凹凸形狀。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  36. 日亞化學將原本平整的晶片表面(左)上，做一週期結構以破壞其平整性，增加其光萃取率日亞化學將原本平整的晶片表面(左)上，做一週期結構以破壞其平整性，增加其光萃取率 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  37. 發光效率之提升 覆晶封裝(Flip Chip) • 將傳統的元件反置，並在P型電極上方製作反射率較高的反射層，藉以將原先從元件上方發出的光線從元件其他的發光角度導出，再由藍寶石基板端緣取光，這樣的方法因為降低了在電極側的光損耗，可得到接近於傳統封裝方式兩倍左右的光量輸出。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  38. KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  39. 白光LED製作方法 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%99%BC%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%A5%B5%E7%AE%A1 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  40. 白光LED製作方法 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%99%BC%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%A5%B5%E7%AE%A1 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  41. 白光LED製作方法 無論是將LED亮度提升或是要求LED發出白光，都是希望達到固態照明(Solid State Lighting)的目的。 • 藍光LED+黃光螢光粉 由藍光LED激發塗佈在其上方的黃光YAG螢光粉，螢光粉被激發後產生的黃光與原先的藍光互補而產生白光。目前日亞公司市售商品乃是利用460nm的InGaN藍光半導體激發YAG螢光粉，而產生出555 nm的黃光。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw vision.taivs.tp.edu.tw/會議紀錄/.../二下/單元二：白光LED.doc

  42. 白光LED製作方法 (2) UV-LED+RGB螢光粉 利用藍光晶粒配合黃光YAG螢光粉的白光LED封裝技術是目前較成熟的技術。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  43. (3) 多晶型RGB-LED混光 發出紅、藍、綠三種顏色的晶粒，直接封裝在一起，藉由紅、綠、藍三色直接配成白光的方式，可製成白光LED 。 (4) 藍光LED+紅綠螢光粉 利用藍光LED去激發紅綠兩種螢光粉混成所需的白光，其優點是可以提高白光的演色性、色彩再現佳及減少LED晶片的使用量。但其缺點是每一種螢光粉的生命週期長短不同及轉換效率不高。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  44. (a) 白光LED 的主要結構是由GaInN 藍光晶片及螢光粉封裝組成。 (b)LED 發出的螢光與藍光，經由混合轉換成白光。 http://www.lightemittingdiodes.org/ KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  45. 白光LED之散熱議題 (1)LED晶片出光效率問題：在LED晶片內部易形 成反覆的全反射，將光能轉換成熱，降低出光率。 (2)封裝材料間全反射問題：封膠的折射率大於空氣折射率，會造成全反射，在內部轉換為熱。 (3)螢光粉粒子問題：一部分的光遇到螢光粉會被吸收轉換成長波段的光色，跟LED發出的光色 加以混和得到白光，但有一部分的光遇到螢光粉未被激發轉換，因螢光粉粒子特性將光打回LED晶片吸收成熱。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  46. LED全反射及粒子反射 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  47. LED熱管理層級 (1) 晶片層級：在裸晶層面增加其散熱性，方法為改變晶粒的材質與幾何結構，目前常見的兩種方式分別為，替換基板材料以及將裸晶(Bare-Chip)改覆晶的鑲嵌(Mount)方式。 (2) 封裝層級：在LED晶粒的下方置入一銅塊(CopperHeatsink)，增加其散熱，有效的將其熱阻降至15 K/W。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  48. 利用散熱塊降低熱阻封裝方式的3D剖面圖 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  49. LED熱管理層級 (1) 電路板層級隨著高功率的盛行，發展出內具金屬核心的印刷電路板，也就是所謂的MCPCB(Metal Core PCB)，其技術重點在於將印刷電路板貼附在一金屬板上，改善其導熱途徑。 MCPCB結構剖面圖 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

  50. (2) 散熱模組層級LED散熱模組與CPU散熱模組相似，都是由散熱鰭片、熱介面材料組成 更進階則會加入一熱導管加速散熱，較不同的是CPU都會搭配一風扇來散熱，但是在LED燈具考慮到體積、維修與功耗，不太適合使用風扇 所以必須在整個散熱部分做較佳的設計，將LED所產生的熱散逸至空氣中。 KUN SHAN UNIVERSITY http://www.ksu.edu.tw

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