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新世紀照明啟用──半導體LED節能照明發展暨應用

2004/04/05 經濟部能源局 點閱人次: 293

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▓撰文:石大成 ▓圖片提供:國科會光電小組

您知道半導體不僅僅能製造成積體電路IC,也能做為照明用途嗎?位於台北市和平東路二段的行政院國科會科技大樓一樓大廳照明,即完全採用半導體白光Light Emitting Diode(LED,發光二極體)照明,是全球第一個全部以白光LED照明光源實際運用於大面積照明之實例。

91年國科會光電小組在「光電小組簡報─推動我國光電半導體照明科技計畫」會議中,提議在科技大樓擇點示範使用LED照明,獲得與會人員一致贊同;92年度國科會特別編列預算,並經評估後認為LED技術與效能已經可以實際應用在一般照明時,便積極進行該計畫。科技界一直認為半導體照明能夠取代傳統照明,但是始終找不出一個真正落實於應用層面的實例;至國科會率先採用半導體白光LED照明,不僅配合政府節能及環保政策,更提供國人一個瞭解觀摩科技新知的場所,達到推廣科普之目的。

發光二極體之作動原理

一般人或許很好奇,到底LED和平常我們所熟悉的光源有何不同?這必須從LED的發光原理說起。一般而言,材料依其導電性可分為:導體、半導體及絕緣體三種。在半導體中加入少量的三價原子,即為P型半導體;在半導體中加入少量的五價原子,即為N型半導體。將P型半導體與N型半導體接合形成PN接面,再對其施以順向電壓後,將使P區的電洞往N區移動,同時N區的電子也向P區移動,電子與電洞在接面之空乏層(Depletion Layer)可進行直接互相結合,在電子與電洞結合的過程中,能量以光的形式釋出而放出足夠的光子出來,這就是LED的發光原理。另外,有些LED之發光原理則是藉由電子加速後之撞擊、游離化過程釋出能量而發光。

色彩發「光」的年代

在1960年代,紅光LED就已經發明,後續其他顏色的LED也陸陸續續被開發出來,但是直到1990年代初期,藍光LED發明之後,全彩化的LED才得以實現。LED的應用範圍很廣,從照明、背光、廣告招牌、交通號誌、紅綠燈、手電筒、相機閃光燈、裝飾燈等,皆可看到LED的蹤跡。

目前世界各國皆把焦點集中在應用範圍最大的白光LED之上。所謂白光,實際上是多種顏色混合而成的光,依據色彩學的原理,利用紅、綠、藍三色LED組合可產生白光LED,但是實際上紅、綠、藍三色LED的半導體材質彼此差異極大,因此驅動電路的設計也變得極為繁瑣複雜。以紫外光LED加上紅、綠、藍三色螢光粉也可以發出白光,而目前白光LED主要的作法是以藍光晶粒塗上一層螢光物質,利用藍光LED照射此一螢光物質以產生與藍光互補的黃光,再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合,便可得出肉眼所看見的白光。

白光LED與白熾鎢絲燈泡及日光燈相比,LED具有體積小(多顆、多種組合)、發熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流起動)、壽命長(達10萬小時以上)、反應速度快(可在高頻操作)、環保(耐震、耐衝擊不易破、廢棄物可回收,沒有污染)、可平面封裝易開發成輕薄短小產品等優點,且沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞可能造成污染等問題,是被看好在未來十年內,成為替代傳統照明器具的一大潛力商品。

目前除了白光LED之外,其他色系之LED技術皆已經相當成熟,不論在發光效率、產品壽命、以及價格上都相當具有競爭力,國內許多交通號誌燈(紅綠燈,十字路口號誌讀秒燈)皆已改用LED,將更安全、省電、不易故障,並且節省許多維修成本。

溫室下的友善發揚

由於白光LED照明科技符合省電、環保且安全,目前在世界各國對節約能源以及防止地球溫暖化的共識之下,全球已有三個國家型白光LED照明整合計畫在進行,分別是:日本通商產業省「高效率電光化合物半導體」開發計畫,又稱21世紀Akali Project;美國是能源部「固態照明啟動研究」計畫(Solid State Lighting Program Initiative),南韓則為產業資源部「GaN光半導體」開發計畫。最近得知中國大陸意將LED照明提到國家層級最優先發展計畫,來勢頗大。

國科會雖然已有九項國家型計畫,但仍相當重視此一科技發展。有鑑於「半導體照明科技」的跨領域本質,進一步的資源整合與規劃,將會對我國在此重要前瞻科技議題上是否趕上世界水準具有深遠的影響,因此國科會規劃推動此跨處室及跨領域之半導體照明科技整合型研究計畫,期能透過該計畫之推動,促使我國半導體照明科技的發展能保持在國際上的競爭力。

大放光亮的未來

半導體照明科技是21世紀照明的新希望,眾多的優點預告其未來將逐步取代傳統照明設備。我國在這方面亦應加緊研發腳步,期望藉著完整的LED產業體系及我國在半導體科技之人才及實力,未來在半導體照明科技發展上佔有一席之地。(作者為國科會光電小組執行秘書)

<圖說> 表:國科會科技大樓LED照明燈具資料表


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