研發高演色性螢光粉－創新應用LED產業
110年11月09日
【本篇報導由物理系 胡淑芬特聘教授研究團隊提供】 傳統的白光LED照明主要使用藍光LED晶片搭配黃光螢光粉來產生白光。然而，因為其光譜涵蓋性不夠完整，此方法的白光演色性欠佳；演色性為一種描述光源呈現真實物體顏色能力的量值，光源之演色性越高，其顏色表現就越接近理想光源或自然光。因此，研究團隊利用不同的燒結方式，合成高強度且寬放射峰之紅外線螢光粉，建立調控波長之機制，混合不同比例之高強度紅外線螢光粉，研發高強度且適合偵測器量測之紅外線LED裝置，並合成奈米級螢光粉，封裝於mini LED，評估其實際應用價值，此成果之高演色與高穩定性的螢光粉將可實際應用於LED產業。 (https://doi.org/10.1021/ja304754b) 人類照明工具經歷無數之改革，由火炬、煤油燈、蠟燭等較原始燈具，至白熾燈、螢光燈、發光二極體燈等須藉電轉換之燈具，說明人類對於照明需求之轉變。於第二次工業革命，人們已熟知如何使用電力並將其作為動力來源，愛迪生（Thomas Alva Edison）藉此為發電動力，並加上多次嘗試不同耐熱材料，於1880年，藉碳化竹絲作為燈絲材料，通電之燈絲可產生大量光與熱，其白熾燈可發亮達1200小時，致使人類進入電致照明時代，然而白熾燈將過多電能轉為熱能，僅少於10%能量轉換為光能，人們進而發展效率較高之螢光燈，玻璃管中含惰性氣體與低壓汞（mercury）蒸氣，經由增加電壓使燈絲釋放電子，受電子激發之汞放出253 nm與185 nm之紫外光，塗於管壁內之螢光粉藉吸收紫外光發出可見光，然其缺點為汞汙染、體積大、演色性差、閃頻等，促使人們追求更佳之照明工具，如發光二極體（light-emitting diode，LED）。 目前商用白光LED之主流，以單個晶片激發螢光粉（phosphor）混合產生白光，稱之為螢光粉轉換發光二極體 （phosphor-converted LED; pc-LED），亦可分為以紫外光晶片或以藍光晶片激發，以紫外光晶片激發常配合藍色、綠色與紅色螢光粉，其演色性較佳，然紫外光晶片能量過強，易破壞封裝材料環氧樹脂，人們亦擔心紫外光逸散之問題，因此發展高效率藍光晶片後，藍光晶片成為目前單晶型二極體之主流，如1997年，日亞化學申請之白光專利為US 5,998,925，藉氮化銦鎵（InGaN）二極體激發黃色螢光粉釔鋁石榴石（Y3Al5O12:Ce3+; YAG，其中YAG稱為主體晶格，Ce3+為發光中心），隨後，為因應各種領域之需求，而研發各種綠色與紅色螢光粉，提高演色性與增加色域之需求。 螢光粉為產生冷發光現象之物質，主要由主體晶格（host lattice）與活化中心（activator）所組成，如圖一所示，藉活化劑為放光中心，並少量摻雜於主體晶格中，活化劑放光特性受主體晶格之配位環境決定，部分螢光粉摻雜微量之增感劑（sensitizer），激發源之能量藉增感劑能量傳遞（energy transfer）至活化劑，以提升發光效率。 圖一：螢光粉主體結構與活化中心示意圖。 胡淑芬教授已於近十多年間建立完整之螢光粉合成及特性分析實驗室，如圖二所示為該實驗室所使用之儀器與分析方法示意圖。 圖二：胡淑芬教授建立之螢光粉特性分析實驗室之儀器與分析方法示意圖。 因人類電腦程式與科技的進步，人工智慧快速發展，並應用於許多領域，舉凡醫學、數學、神經科等領域，皆具人工智慧之身影。而紅外線LED，則為一備受矚目之發展，隨其精準度與亮度大幅提升，已被運用與眾多領域，如健康檢測、虹膜辨識、食品安全等。以健康檢測為例，早期如欲分析身體之基本訊息，如葡萄糖濃度與血氧含量，須借助高精準度之大型儀器，甚至侵入性之量測，然而近年得以運用紅外線照射身體後，以不同波長之吸收值大小，推測待測物質濃度，大幅降低量測門檻、量測時間與花費。然而，傳統之紅外線LED，受限於其放光半高寬較窄，單一顆LED所能提供資訊息有限，如欲量測多種訊息，則須以多顆紅外線LED裝置搭配，然而這將使得裝置大幅提高成本，亦難以微型化，電路設計亦較為複雜，使應用受限。因而此問題之最佳解決路徑，為發展以單顆LED晶片激發紅外線螢光粉之裝置。此方法之紅外線LED，得大幅減小裝置尺寸、降低成本與減少電路控制之設計。 故近年來胡淑芬教授已領導其團隊利用不同之燒結方式，合成高強度且寬放射峰之紅外線螢光粉，並分析其結構與放光特性，調控其放光波長，建立調控波長之機制，混合不同比例之高強度紅外線螢光粉，研發高強度且適合偵測器量測之紅外線LED裝置（圖三a），並利用空間縮限合成法（space-confinement method）合成奈米級螢光粉，封裝於mini LED，評估其實際應用價值（圖3b）。期望對國內LED產業推出新穎之應用方向。 圖三：藍光發光二極體激發產生寬放射峰之紅外線螢光粉之構想圖。 原文出處： Origin of Thermal Degradation of Sr2–xSi5N8:Eux Phosphors in Air for Light-Emitting Diodes, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14108−14117. https://doi.org/10.1021/ja304754b