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LED 萤光粉
LED 萤光粉照片来自

自 1938 年钨酸镁、钨酸钙、矽酸锌等萤光粉用在发光和显示产品以来，已有70 年之久。近来年，由于稀土萤光粉，如氧化钇、氧化镧等稀土族氧化物的开发，至今萤光粉的种类已达 30 多种。其中而氧化钇因具有量子效率高、化学稳定性佳等优点，已广泛运用在日光灯、液晶显示器（liquid crystal display, LCD）等产品中。

LED 萤光粉(Phosphor)的发展可从1996年日亚化学（Nichia）所开发的白光LED开始，Nichia使用的方式是 Blue LED(InGaN)晶片+ YAG 萤光粉(Y3Al5O12:Ce；钇铝石榴石)，这也是到目前为止业界公认效率最高方式。YAG 萤光粉是一种陶瓷粉末，萤光物质受光刺激后，内部电子受激到高能阶的激发状态后，回到原有的低能阶状态时，将能量以光的形式辐射出来，而不同萤光陶瓷粉末受光激发后发出的光颜色也会一样。萤光粉主要由主晶体与活化剂组成，有时还需要助活化剂（敏感剂）。主晶体在光的激发过程中传送能量，活化剂则激发活化主晶格。

混合不同主晶体及活化剂，就可以产生出不同波长的萤光粉，因此不同的萤光粉必须配合不同的主晶体与活化剂。除了利用波长 445 ~ 475 nm 的高亮度蓝光 LED 激发 YAG 黄色萤光粉，利用蓝光与黄光互补色光的原理，混成高亮度白光外。另外就是利用波长 430 ~ 350 nm 的紫外光，激发红、绿、蓝三色萤光粉来产生白光 LED 的方法。

萤光材料的发展由早期较不安定的硫化物，到后来化学稳定性佳的矽酸盐萤光材料，近期则以氮化物及氮氧化物最为热门。各类萤光材料的掺杂元素，也由传统三价铕 Eu (III)、三价铈 Ce (III)、三价铽 Tb (III)，到近期因关注高演色性目标所衍生出红光需求的四价锰 Mn (IV)。

除了日亚化学 的YAG专利技术外，Osram 也开发了TAG萤光粉配方，以Tb3+取代Nichia (Y,Gd)3Al5O12:Ce中之Gd3，Toyada Gosei则开发SrO．(Ba,Sr)2SiO4．P2O5．B2O3萤光粉配方，以取代Y3Al5O12:Ce3+，来回避Nichia的智财权，只是目前在发光效率上仍然是以YAG最佳。

至于LED 用萤光粉的特性需求包含：1.适当的激发(Excitation)光谱；2.适当的放射(Emission)光谱；3.高能量转换效率(Energy-conversion Efficiency)；4.高安定性(Stability)等重要项目，分别说明如下：

1. 激发(Excitation)特性

萤光材料在白光LED 的应用当中，激发波段与发光颜色的匹配，是最重要的先决条件，而无机萤光材料之主体材料、活化剂或其他掺杂物皆有可能影响萤光材料的激发与发光特性。许多传统萤光材料比较适用于短波长UV 波段的激发，在长波长UV 或可见光波段的激发效率则较差，导致无法应用为LED 的光转换材料。在无机萤光材料的能量吸收激发机制中，主体材料能隙、电荷转移效应与活化剂电子能阶等，是最重要的影响因素。目前应用萤光材料所制作的白光LED ，多数由氮化物系列LED 结合适用的萤光粉制作而成，而此类氮化物LED 由于受到材料能隙的影响，其放射多属于近紫外线(Near Ultraviolet; NUV)或紫、蓝光，是故LED 所应用之萤光材料之较为适用的激发特性为在350~470 nm 之间的波段范围内可以被UV-LED or Blue-LED 所激发。

萤光材料之激发特性常以激发光谱(Photoluminescence-Excitation Spectrum; PLESpectrum)来判断，至于萤光材料之激发/ 发光光谱(PLE/PL Spectra)，则通常以萤光光谱仪（PL 分析仪；Photoluminescence Analyzer;Spectrofluorometer）来量测。由于目前氮化物系列LED 之发光光谱之波形半高宽(Full Width Half Magnitude; FWHM)多介于10~30 nm 之间，且其发光波峰有可能会受操作因素（如温度之影响）而有所迁移，故所对应之萤光材料，其所具有之激发波段通常越宽广越佳。

2. 发光(Emission)特性

萤光材料之发光特性可以其发光光谱来判断，其可利用萤光光谱仪量测获得。除此之外，亦可应用色度座标仪(CIE Chromaticity Analyzer)来量测其发光颜色之色度座标，如此更能完整了解萤光材料之发光特性。依据色光原理，萤光材料之发光光谱的波形愈窄，其色度座标愈接近色度座标图形之边缘，表示其色纯度高；另一方面，倘若发光光谱的波形愈宽或具有杂峰(Side Peaks)，则萤光材料之色度座标会比较接近色度座标图形之中央区域，表示其颜色具有较不饱和的特性。

萤光材料在不同的应用领域具有不同的需求特性，例如在照明方面的应用，美国OIDA 资料(8)指出610 nm(R)、540 nm(G)、460 nm (B)的三原色主波长，可能是一种理想的白光组合，另各色光之放射光谱倘若较为宽广，则多光色之混光较能产生互补作用，容易获得连续性的白光光谱，如此通常可以达到高演色性；另外在显示背光方面的应用，则有文献认为625 nm(R)、535 nm (G)、450 nm (B)的三原色主波长，可以表现出极致的色彩，而通常若各色光之放射光谱较为狭窄，则因色纯度（或色彩饱和度）高，所获得之色域才会变得宽广；另在显示器之实际操作上，各色光透过彩色滤光膜之滤光作用，狭窄的放射光谱也比较不会产生所谓的漏光问题。

3. 能量转换效率(Energy-conversionEfficiency)

文献资料曾针对应用萤光粉制作之LED 的各项重要能量效率，进行完整的分析及探讨，如图一所示。严格而言，萤光材料在Phosphor-converted LED 的应用当中，是必须同时考虑史托克转换效率(StokesConversionEfficiency or Stokes Shift Efficiency;SE; 　SS)、量子效率(Quantum Efficiency)与光散射转换效率(Scattering Efficiency)等诸项重要因素。

史托克转换效率乃是因萤光材料于光转换的运作当中，通常是遵循一对一的光子转换程序(One to One PhotonConversionProcess)，而由高能量的短波长光子转变成低能量的长波长光子会导致产生史托克能量损失(Stokes Loss)，此项光转换之本质能量损失后所呈现的能量转换效率，即是所谓的史托克转换效率。倘若以365nm 、400nm 与460nm 的LED 个别激发可放射555nm 波长的绿光萤光粉而言，该史托克转换效率分别约为65.8% 、72.1% 与82.9% ，是故在应用萤光粉制作之LED 的系统设计当中，萤光材料的激发与发光的波长差距不宜太大，否则会产生过多的史托克能量损失，此亦隐涵地说明利用蓝光LED 结合萤光粉所制作之白光LED ，单就史托克转换效率之影响因素而言，是会比利用UVLED结合萤光粉所制作之白光LED 具有更高的能量转换效率优势。

4. 安定性(Stability)

萤光材料应用于LED 的安定性，通常以环境安定性(Environmental Stability)与温度安定性(Temperature or Thermal Stability)等二种不同层面来考量。萤光材料的环境安定性与所具有的化学安定性密切相关，例如萤光材料对于水(H2O)、氧(O2)甚或紫外线(UV)等必须具有高度的安定性，始会有较长的使用寿命。一般而言，硫化物系列萤光材料的环境安定性较差，较容易受水、氧及紫外线的影响而产生劣化现象，相对地氧化物及氮化物系列的环境安定性则较为优良。

再就萤光材料的温度安定性而言，许多研究发现萤光材料于光转换之运作时，常会因温度的升高而导致发光效率的降低，并有可能发生色漂移(Color Shift)的现象，以目前蓝光LED 最常用的YAG:Ce 黄光萤光粉而言，即具有此种温度安定性不佳的情形存在。最近的相关研究发现，许多氮化物系列萤光材料的温度安定性颇佳，这也是氮化物系列萤光粉在目前LED的应用当中，颇受瞩目的主要原因之一。

白光LED 为省能源与符合环保需求的“绿色”光源，由近年来各项技术的发展显示，白光LED 作为照明与显示背光等光源的时代已经来临，而应用萤光材料所制作的白光LED ，因具有低成本及制作简易的诸项优点，势必将成为未来白光LED 的主流产品之一。本文主要说明萤光材料与白光LED 的各项特性，并探讨相互的密切关联性，分析结果显示萤光材料在应用萤光粉所制作白光LED 当中，尽管所占的材料及成本比例皆不高，然若欲获得效能优良的白光LED ，则需先全盘掌控萤光材料的各项特性。我国LED 产业目前在世界上占有重要的地位，于未来白光LED 发展当中，相信也会扮演关键性的角色，而为因应白光LED 的未来发展，国内投入萤光材料之相关技术的开发研究，确是一项刻不容缓的重要任务。

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台湾大学化学系刘如熹教授谈LED萤光粉开发近况