前言
白光LED依照發光方式,大致上可以分成3種,其中波長介于410~460nm的藍光LED+黃色熒光體產生白光的方式最普遍,同時也是效率與量產性最好的方式,不過各LED廠商握有各式各樣的專利,加上熒光體本身的生產管理還未建立,因此不易作低價大量生產。
除此之外波長介于365~460nm的紫外光+RGB熒光體的白光方式,以及組合RGB三個光原色方式同樣可以獲得白光,不過紫外光方式的封裝材料與周邊組件,長時間暴露在紫外光環境下有劣化之虞,RGB方式則有波長漂移與控制復雜等困擾,因此國外業者開發雙波長白光LED。
發展歷程
圖1是傳統藍光LED+熒光體,與雙波長白光LED的封裝結構比較,由圖可知雙波長白光LED具備不需作熒光體比率換算與含有量管理,同時還可以徹底解決RGB三原色LED驅動電路復雜化問題,獲得的輝度、波長、演色性,還可以在一定范圍內自由調整。
圖2是傳統白光LED與雙波長白光LED的發光原理比較,由圖可知傳統白光LED,利用熒光體包覆GaN系藍色芯片獲得白光,雙波長白光LED則利用芯片單體獲得白光。
雙波長白光LED基本結構是在芯片單體上,同時產生藍光與黃綠光,再以極短距離使藍光與黃綠光混色獲得擬似白光,該擬似白光具有傳統白光LED無法達成的高透明純凈感。
圖3是傳統白光LED與雙波長白光LED芯片的結構比較,由于LED廠商握有各式各樣的專利,因此此處只能作概略性說明。如圖所示雙波長白光LED芯片的緩沖Multi Dot Active主要是由:
˙多點主動(Multi Dot Active)層
˙活性層
˙Air Ocean層
構成,當藍光與黃綠光兩相異波長同時發光時,該部位扮演非常重要的角色,因此研究人員建立各模層的長晶技術,使雙波長白光LED能夠順利進入實用階段。
雙波長白光LED的特征
圖4是目前LED主流藍光LED+黃色熒光體,與雙波長LED的組件特性比較結果,由圖可知雙波長LED的主要特征,分別是:
˙制程上可以調整色調分布不均
˙可作白色以外發光
˙長壽命
主流藍光LED+黃色熒光體組合的白光LED,最大問題是它的黃色熒光體壽命,比藍光LED芯片壽命短。LED芯片的使用壽命隨著使用環境不同,大約是8~10萬小時,然而熒光體的使用壽命卻只有1~4萬小時。
相較之下雙波長白光LED完全未使用熒光體,組件的使用壽命與LED芯片一致,可作長時間使用,這意味著雙波長白光LED,對今后照明用途應用時具有深遠的影響。
此外雙波長白光LED完全未使用熒光體,它還可以透過芯片制作過程,調整色調的分布,尤其是傳統白光LED封裝時,藍光LED的波長與光主力必需限制在狹窄的范圍內,接著再利用熒光體的含量調整,進行繁瑣復雜的制程控制,相較之下新型雙波長白光LED,在制程的良品率具有絕對優勢。
雖然目前絕對生產數量還未達到量化階段,不過雙波長白光LED設計時采用較大的色調范圍,若將今后的普及化后牽動的生產效率問題,以及組件供應一并列入考慮,新型雙波長白光LED的成本,擁有絕對的競爭優勢,尤其是面對微型封裝與復數組件封裝時,它可以輕易滿足客戶要求的嚴苛基板光源光學特性。
新型雙波長白光LED是由藍光、綠光構成,因此可以作白色以外的柔性色彩發光,具體方法是控制水色系與藍綠色系的波長,依此獲得的色調比使用熒光體的LED更純凈色彩,非常適合對色度要求非常嚴苛的LCD背光模塊使用。
上述發光亮度已經達到實用化階段,若與藍光LED+黃色熒光體的高輝度白光LED比較,新型雙波長白光LED的輝度毫不遜色。
此外透過組件表面加工方法的改善,新型雙波長LED的亮度比傳統白光LED更優秀。有關新型雙波長白光LED的演色性,由于它是由藍光+黃綠光構成,因此幾乎沒有紅光混光的困擾。
波長分布特性
如上所述新型雙波長白光LED,利用藍光與黃綠光兩個相異波長同時發光獲得白光。圖5是新型雙波長白光的波長特性,由圖可知藍光的峰值波長大約是405nm,黃綠光的峰值波長大約是570nm,因此幾乎沒有紅光成份。
新型雙波長白光LED未來有待克服的課題,是擴大黃綠光波長范圍。相較之下目前主流藍光LED+黃色熒光體的白光LED組合,在黃色熒光體成份中含有紅光成份,因此它的演色性不如雙波長白光LED。
圖6是接近黃綠光色調LED的波長特性,由圖可知新型雙波長白光LED的藍光峰值波長幾乎固定,黃綠光的峰值波長與流藍光LED+黃色熒光體的白光LED不同,非常接近530nm,這也是黃綠光與藍光組合后,能夠實現軟調色彩的主要原因。
新型雙波長白光LED的另一個特征,是混合黃綠光水色系的波長分布特性。如圖7所示由于藍光變成強色調,因此藍光端的峰值波長幾乎固定,黃綠光的峰值波長則朝短波長端移動,相較之下其它色調的藍色端與綠色端輸出幾乎一定。
換言之新型雙波長白光LED,主要降低綠色端的輸出,達成軟調色彩的目的,此處要強調的是新型雙波長白光LED,可以依照實際需要在一定范圍內,自由調整黃綠光與藍光的發光波長,獲得前所未有的LED發光色。
以上介紹新型雙波長白光LED的優點,在此同時研究任人員充分利用傳統封裝技術,試圖改善新型雙波長白光LED的缺點,藉此建立高輝度化、低成本的技術。
提高輝度除了選擇高效率封裝方式之外,透過磊晶封裝還可以有效提高輝度,還能夠增加新型雙波長白光LED的附加價值。
雙波長白光LED與藍光LED一樣,都是對靜電非常脆弱的InGaN系半導體組件,因此使用可以提高輝度的多芯片封裝方式時,必需同時將靜電保護組件一起封裝(圖8)。
一般AlGanInP系LED的VF值20mA時大約2V左右,InGaN系LED則高達3.3V,換句話說InGaN系雙波長白光LED,應用在攜帶型電子機器時,必需使用專用驅動IC。
使用新型封裝方式的雙波長白光LED,并未調整LED的電流值,因此研究人員正在開發利用定電壓驅動發光組件,以及可以提高LED的演色性的封裝技術。
雙波長LED芯片與紅光LED芯片一起封裝,經過混色變成白光(圖9),然而如此一來各芯片彼此的VF值截然不同,隨著各LED芯片的輝度、波長分布不同,必需進行復雜的電流值限制調整。
此外封裝后的散熱、硅膠也是有待克服的課題,因此研究人員正在開發全新的對策技術。
目前ψ3與ψ5炮彈型雙波長白光LED已經開始量產,今后將推出3mm與5mm正方SMD用雙波長白光LED。
圖10是抑制色調分布與組件高度,制成的超薄型LCD背光照明模塊,如圖所示白光LED直接固定在薄型基板表面,接著再搭配特殊遮光罩,與超薄型導光板進行側邊發光,模塊總厚度只有0.25mm,非常適合移動電話等攜帶型電子機器使用。
結語
以上介紹新型雙波長白光LED。傳統紫外光+RGB熒光體,與RGB多芯片方式的白光LED,都有周圍組件容易劣化,或是波長漂移、控制復雜等問題。
新型雙波長白光LED,除了可以徹底解決上述困擾之外,超短混色距離與純凈的色調,提供LED下游應用廠商另一項選擇空間。未來如果順利改善封裝技術,與封裝后的散熱問題,雙波長白光LED可望在電子機器系統的薄型化,扮演非常重要角色。