高亮色led照明技术发展趋势：高亮色与白光led

1、類型一：rgbs片封裝 蓝光led 錄光led红光住d/i波長分佈狀況類型三：藍及紅色led +甥色螢光粉波艮分佈狀況類型三：uvled + rgb螢光粉対製基愎rgb敛光粉塗怖封裝甚板波長分佈狀況波長分佈狀況led照明產品的演色性，在照明品質的前提下成為led光源產品規劃與技術突破項 目。從太陽光、白熾燈、水銀燈、白光led的波長表現對照可知，口常光源非能 夠亮就好，還需考量光源亮度、照物的色彩還原，理想的人造光源必須以太陽光 日照感覺為依規。以藍光led混合yag螢光粉的白色led,存有綠光能隙(green gap)對綠色演色性較差及缺乏紅色反應問題，因此在cri色座標上呈現r9=0檢測

2、結果。演色性宜接影縛照物在燈光下原始顏色的還原能力，在博物館、表演廳、百 貨公司、藝廊等對色彩要求高的埸所，演色性為光源要求的重要項目。led若成為 収代各類型光源及门熾燈、高耗能光源，需具備高演色性。常見led混介白光方式類型二：藍色led+yag螢光粉source：拓煤產業研究所整理，2012/08- 照明產品為何需對於演色性具備要求？led照明產品的演色牲在口趨要求照明品質的前提下，成為led光源發展的下一個 產品規劃與技術突破的重要項目。energy star在201 1年5刀所頒布的led球泡型 產品標準中，明定led照明產品的演色指數(cri)最低不能低於80, k對紅色顯色 性必

3、須大於零，這表示演色指數佔照明光源品質相當重要的一環。(一)各類型光源波長與演色性分析 圖一及表一說明目前常用之各類型光源的演色衣現與波長對應關係，圖一比較了太 陽光、门熾燈、水銀燈、白光led的波長表現，對照太陽光線後可清楚得知為何使 用於口常生活中的光源並非能夠亮就好，還需要考量光源亮度、照物的色彩還 原等特性，其主因在於理想的人造光源須以太陽光日照感覺為依規。圖一各類型光源波長說明500400white l lednoon sunlighttungsten lamp 冶-mercury i vapor l lampbar code scanning- lasersource：拓璞產業研究

4、所整理，2012/08圖一的黃色線條為太陽的波長及釋放能量，對照目前各類型光源，只有门熾燈(錨絲 燈)最符合太陽光源的波長分布狀況，由於白熾燈與鹵素燈的發光方式一致，i大1此無 論是门熾燈或鹵素燈，其演色性都幾近太陽光的cri=100。而其他種類的光源皆有 演色性不佳的問題，如水銀燈的波長集中於530570nm,因此其演色性平均小於 3()；而傳統以藍光led混合yag螢光粉製造的白色led,原始波長集中於42() 48()nm,而綠色波段的48()520nm因缺乏，因此產生綠光能隙(green gnp)問題對綠 色演色性較差，h缺乏波長680nm以上的紅色光，因此在cri色座標上呈現r9=0

5、 的檢測結果。演色性直接影響照物在燈光下原始顏色的還原能力，因此演色性決处光源的適川場 所，尤其是在博物館、表演廳、百貨公司、藝廊等對色彩要求較高的場所，演色性 成為光源要求的重要項目。因此led為了成為全面性取代各類型光源及白熾燈、窩 耗能光源(如：鹵素燈)的取代品，在光源特性上除了須滿足螢光燈管特性外，還須 符合门熾燈光源特性。本篇報告將從如何提高各led光源演色性進行各類型技術分 析。表一各類型光源的cri值整理crj値適用場所白熾燈>99近太陽光任何場所t8>65般室內t5>80般室內cfl省能燈>80般室內高壓葩燈（水銀燈）>25(>30)公園、道

6、路鹵索燈>99近衣陽光畫廊、百貨公司陳設櫃、博物臨source：拓璞產業研究所整理，2012/08（二）波長與演色性關係說明 之所以口熾燈與鹵素燈在演色性上具有近100的表現，其中最主要的原因在於此兩 種光源的發光方式及波長和太陽光線一樣，從可見光的低波段380nm, 一直到高波 段780nm具連續不間段性。此種不間段波長的光源表現，讓可見光波段屮的各種顏 色完全表現。圖二 cie色座標說明0.9520xsource： cie；拓璞產液研究所整理，2012/08口常生活中常見的门色光線，由三原色一紅光、綠光與藍光組成，如圖二cie色座標所示，人類肉眼所視白光，其實在色座標分布中僅為極狹窄

7、區域，同時交會於紅色、藍色與綠色z屮，且人類目視的所冇色彩及色階均是rh這3種顏色構成。rh此可知道為何led光源门光技術，或者是早期映像管時代的電視光源技術、投影機光源，在發光體設計上，皆採紅光、綠光與藍光組成方式，調配影像的變化及還原色彩原真實顏色。圖三色溫與紅綠藍光比巫示意圖紅光比例錄光比例%藍光比例5500°k99994000° k29793200°kf1593000°k792800°k991800：ksource：拓璞產業研究所整理，2012/0819t5螢光燈管的白光合成方式也是由三波長（紅光、綠光與藍光色域）螢光粉激發，因 此相較

8、於僅使用鹵粉做為螢光粉材料的t8燈管，使用三波長萤光粉的t5燈管cri 值較大於80,而t8燈管的cri值則僅有65左右。拓壤產業研究所（tri）也可以從紅綠藍3種顏色的比例得知，光源下的色彩還原關係。 在6500k的環境下，普遍缺乏對紅色的顯色性，因此幾乎所有光源在6500k的環境 下，不含有紅色光波長，其光源顏色較冰冷，因此大於5500k的光源乂稱其為冷白 光；另一方面，當光源波長在3500k環境下，藍光的比例又縮減至微乎其微，而全 部的光原色比重以紅加綠光為主，稱為暖白光。無論是冷白或暖白，色溫太高及太 低對人類肉眼皆會造成不適感。而led在演色表現上較白熾燈羌的主因在於，以藍色led為

9、基礎加上黄色螢光粉 的白光合成方式，因在色彩表現上欠缺紅色及綠色，以致於顔色偏冷，對照物的紅 色及綠色的色彩還原逼真度差，也因led在照明應川上以期待取代口熾燈、節能燈 為li標，因此在光品質特性上，必須以優於各類型光源為hl標。演色指數的計算標準採川cie針對14個不同的低飽和度色塊（從r1到r14）為基準， 通常前9個為最主要色塊，r1 2r14表光源對皮膚顏色反應，屬特殊應用光源指標， 以cie色塊的色度值與量測光源色塊的色度值比對後，求得各色塊的顏色反應比例 表現，稱莫演色值，最後再以算數平均方式求得最終的值，便是此種光源的演色指 數。而r9則是項h中的一項，主更為對紅色反應。二. l

10、ed白光與演色性由於led晶粒磊晶技術尚無法達到在單一顆晶粒中發出可見光全波段(380780nm) 波長，無論是二元機台、四元機台，皆僅能形成全波段波長屮單一波段、單一色彩 光源，因此目前led晶粒材料為達到全波段、高演色性及白光合成目標，皆需仰賴 不同色彩led晶粒同時使用，或者使用發光關激發螢光粉造成波長轉化方式合成 led白光。(一)led门光混合方式led組成白光方式，總論來說可分為二波長型與三波長型2種，而無論是二波長或 三波艮型白光混合方式，皆又以單晶粒混合螢光粉方式組成及多晶粒型方式組成。無論那種合成方式，led白光組成方式皆是以紅+綠+藍為棊礎,變化衍生出白光合 成技術。圖三整

11、理4種口前常見的led混合门光方式，其中類型一為最典型门光合成方式， 由紅色、綠色及藍色led組合成的封裝晶片，因受限於不同波長光源需驅動電壓z 差異造成的技術性成本限制，雖然直接由rgb 3色led所組成之led白光品質佳， 但因成本高、技術困難導致良率低、固障率高、易在冷熱流明環境下產牛色座標偏 移問題，因此雖然類型一的白光泯合方式產生的波長演色性高，但實際使用率卻極 少。圖四常見led混合白光方式類型一：rgb晶片封裝類型二：藍色lexyag螢光粉蛙光lcd錄光応0红光"d/iowlleo波長分佈狀況類型三：藍及红色led +錄色萤光粉波艮分佈狀況類型三：uvled* rgb螢

12、光粉封裝芯板波長分佈狀況波長分佈狀況source：拓璞產業研究所整理，2012/08類型二使用藍色led加上黃色萤光粉的白光混合方式，為最常使用之白光合成方式。 其使用螢光粉銘鋁石榴石(yag)為nichia專利，另外還有osram專利的矽酸輛螢光 粉(tag)配方，但目前仍以黃色螢光粉加上蓝色led合成白光led為最普遍使用方 式，其具成本低、單一使用藍光晶粒無驅動電壓問題、無冷熱流明色偏移特性。缺 點則在於演色性較低，通常cri約7()且r9=0,因此僅適用於led高色湍照明產品 (大於50006500k)應用。類型三為台廠品電所推廣z白光led合成方式，主打色溫2700k市場，採用紅色

13、led加藍色led混合綠色螢光粉方式，合成低色溫led白光技術，因少了綠色led, 相較於rgb led晶粒封裝的電源驅動問題容易許多，口紅光led直接補足藍光led 加黃色螢光粉紅色波長缺段的缺點，因此平衡類型一及類型二的技術及演色性問題。但由於綠色螢光粉本身無法被紅光波段所激發，因此若採川此配方合成出之低色溫 白光，恐怕會衍生另一層血光效亮度減損問題，紅光受到綠色螢光粉覆蓋所衍生光 效減損率約70%左右，但此問題有望隨著led晶粒亮度提高減緩。類型三為類型二 及類型一的折衷選擇方案，在發光演色性方面，類型三因直接使用紅光led提高紅 色波艮演色性，加上藍色led既有的發光波段，因此封裝理想

14、cri值最高可達到 90以上，但實際上仍存冇技術性問題。而類型四為使用uv led加上rgb螢光粉所合成之白光技術，和較於類型二僅能做 出理想的高色溫白光及撅型三的低色溫白光，類型四的白光技術町由調整rgb螢光 粉比例來調整白光色溫，且使用波長單一晶粒不受驅動電壓不同影響，具備色度穏 定、發光波長廣等優點特性，為4種類型中演色性最理想，h色彩表現最接近太陽 口然光之白光技術。然uvled因波長短、能量高而衍牛能量難以控制的問題，傳 統的環氧樹脂封裝的壽命較短，長期使用封裝體易岀現脆化、uv能量外洩等可靠 度問題，一般來說uv led普遍採用玻璃封裝，宜接限制封裝可容規格及材料選擇。 材料限制與

15、能量難以控制，導致uvled雖然合成白光品質佳，卻難以普遍應用於 要求低危險、可靠度佳的一般照明市場。（二）過去led白光應用為何不受限於演色性問題影轡led具有亮度足夠、壽命長、體積小、耐震度高、節電、單一波長及色彩等特牲， 過去led滿足各類型光源應川市場，如紅綠燈、交通號誌、顯示看板、戶外顯示屏 幕、手機背光、tv背光等。然而，從這些應用類型屮可發現，這些led傳統應用 類型皆使用led做為主動發光的，而非光源與照物關係。因此過去led主流的應 用市場，對led光源帶來被照物的色彩飽和及還原演色性，都無任何要求。圖五 led波長與適川產品說明source：拓璞產業研究所整理，2012/0

16、8應用市場差異與照明應川對光品質的期待，為彫響led開始注帝演色性、全波長等 因素的主因。過去的各項應用如tv與彩色血板手機，在色彩變化上，使用彩色濾 光片進行紅綠藍色彩處理，做為背光源的led僅需提供高度足夠的白光即可，不涉 及led木身演色性問題。而交通號誌燈、指示燈、特殊波長醫療應用等，也因led 木身特性对提供單一色彩波長且亮度足夠，而被廣大使用。至於車用照明，因道路需求無涉及演色性問題，車用照明僅對照明光源有安全性、 高亮度、町靠度及耐受度需求，對色彩還原程度並無要求；常被應用於道路使用的 水銀燈、高墜銷燈，也不應其低演色性影響應用市場範閘。最後，led在戶外大型 顯示屏幕應用，雖然

17、也以紅綠藍3種led晶片做為顏色調整方式，但因戶外人型顯示屏幕的體積面積大，色域廣度問題可不受限於窄小空間，更可連結，驅動ic進行調 節，因此不受演色性問題所影響。三. 色座標偏移為led白光在照明應用中難以解決的問題 前段討論了白光與色溫介成的比重方式，但無論何種白光合成，或者是色溫合成方 式，在led照明應川方面，色座標偏移一直是各家廠商在技術研發上積極尋求突破 的重要h標。oe 1931 x.y chromaticity diagram2700 k圖六色座標偏移分析說明0.460.440.420.400 38y0 360.340.320.300 280.26 0.28 0.30 0,32

18、 0.34 0.36 0.38 0,40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0,52xsource： cie；拓璞產業研究所整理，2012/08根據energy star及cie對於色座標偏移的容忍值以同一色溫中，色溫中心點為基礎 的上下左右4個彖限為範圍，圖六及圖二2張圖片皆來自於cie,其色座標軸上的 x與y軸可相互對應。無論是圖六或圖二，色座標軸的意義皆說明紅綠藍3種顏色 的混合關係，以及不同色溫環境下紅藍綠所佔比例。山於不同顏色的led在冷熱環境中所散發的能量波長不同，為達高演色性乂必須混 介紅、綠、藍3種顏色，紅光、綠光與藍光在不同湍度下所散發出的波長不同，加 上不同顏色品片可承受環境溫度不同，從冷流明到熱流明穩定的時間也不同，因此 冷熱流明的色座標偏移成為難解問題。紅光通常較藍光在冷熱環境下早達到色飽和穩定情形，若以一般燈具設計為例，從 點燈開始為冷流明至光源的散熱模組達到熱傳導平衡為熱流明值，因紅光的耐熱極 限點較藍光早違到，因此紅光違到熱流明的波長能量散發也較藍光提早。而在計算 led紅綠藍3色的演色、光譜及流明變化，是以三者在相同環境下的變異情況為考 星，因此紅綠藍受溫度影響的變化不同，色彩光譜變化也無法呈現一致性共變情形， 而導致色座標偏移情形發生。這種冷熱流明變化的情形，經常在使用多晶led混合白光類型屮發生，並且紅光導 致色座