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螢光粉在發光上的應用 91/11/01 作者：楊素華 高雄應用科技大學電子工程系 白光發光二極體，屬於二波長混合光，利用透鏡原理，將互補的黃光和藍光混合便可得到白光 不同色澤的螢光粉的應用十分廣泛，包括從早期的日光燈、霓虹燈等照明設備，一直到目前備受矚目的電子顯示器。就白光發光二極體而言，其輕巧及壽命長的優點，將取代過去的照明設備，而電子顯示器是所有螢光粉產業中發展最為迅速的，其中陰極射線管長久以來位居顯示器的首位。但自電漿顯示器、電激發光顯示器等接二連三地出現，它的地位已不復從前。這也凸顯了螢光粉在光電元件應用上所扮演角色的重要性。 螢光粉的種類 螢光粉被用在發光和顯示產品上，已達半個世紀之久。自一九三八年鎢酸鎂、鎢酸鈣、矽酸鋅等螢光粉的發明，到五○年代，已由早期的螢光性化合物逐漸發展至複雜的複合化合物，如鹵磷酸鈣，及至七○年代末，則偏向含氧鹽與稀土化合物的研發，以氧氟化鑭系螢光粉為基體，添加鉈、鉛、鉍為活化劑，而形成雙重活化的氧氟化鑭系螢光粉。近來更有稀土三基色螢光粉的開發，如氧化釔、氧化鑭等稀土族氧化物。至今，螢光粉的種類已達30多種，其中研發技術純熟的硫化鋅族，最常使用在陰極射線管顯示器上。而氧化釔具有量子效率高、化學穩定性佳等優點，現已廣泛運用在日光燈與電漿顯示器等產品中。 雖然螢光粉的種類非常繁多，但大體上可區分為：有機螢光粉、螢光顏料、無機螢光粉及放射性元素。有機螢光粉是利用有機化合物來製造的，隨置換基的數目、位置及活化劑的效果而影響其螢光性的大小。至於螢光顏料是指顏料除了本身的色澤外，亦可以反射螢光。而無機螢光粉是利用電子躍遷來產生螢光，因為光線殘留的時間較長，故可作為蓄光性夜光塗料。再者，混合放射性元素及硫化物螢光粉則可激發出螢光，即使在沒有光線照射時也可以發光，這種自發光顏料大多應用於航空儀器及鐘錶上。 白光發光二極體 近幾年來，白光發光二極體是最被看好且最受全球矚目的新興產品。它具有體積小、無熱幅射、耗電量低、壽命長和反應速度佳等優點，能解決非常多過去白熾燈泡所難以克服的問題。 近年來，歐美和日本等國基於節約能源與環境保護的共識，皆決定選擇白光發光二極體作為二十一世紀照明的新光源。再加上目前許多國家的能源都仰賴進口，使得它在照明市場上的發展極具價值。根據專家評估，日本若是將所有白熾燈以白光發光二極體取代，則每年可省下1～2座發電廠的發電量，間接減少的耗油量達10億公升，而且在發電過程中所排放的二氧化碳也會減少，進而抑制了溫室效應。 在臺灣，由於核四廠興建問題引發很大的爭議，促使目前新能源的開發以及提高能源使用率的課題也深受大眾重視。若臺灣四分之一的白熾燈泡及所有的日光燈皆以白光發光二極體取代，則每年可省下110億度的電力，相當於一座核能電廠每年的發電量。由此可見，發展白光發光二極體所得到的效益是多麼地驚人。基此，目前歐美和日本等先進國家都投注了非常多的人力推動研發。預計在未來十年內，可以普遍替代傳統的照明器具。 最早白光發光二極體的製作技術為日亞公司所研發，是屬於二波長混合光。是在460奈米的藍光晶粒上塗一層乙鋁石榴石螢光粉，利用藍光發光二極體激發乙鋁石榴石螢光粉，以產生與藍光互補的555奈米波長的黃光，再利用透鏡原理，將互補的黃光和藍光予以混合，得到所需的白光。此方法所製作的白光發光二極體成本較低，且電源迴路構造也較簡單。但由於日亞公司掌握製作技術專利，因此現今業者大多投入在三波長光的開發。三波長光即是以無機紫外光晶片所發出的紫外光激發藍光、綠光與紅光，三基色螢光粉，若發出的三基色光的成分適量，其混合光便是白光。此種製作方式成本低，量產容易，光色均勻且不會有偏色現象，再加上其螢光材料的轉換效率比乙鋁石榴石螢光粉高，故提高白光發光效率的可能性極大，是未來最被看好的一種製作趨勢，預計今年將有商品化的機會。 日光燈 日光燈管簡單地說就是個密閉的氣體放電管，長形玻璃放電管的兩端個別裝有一組燈絲，燈絲上塗布電子放射物，如氧化鉀或氧化鈣。玻璃管內壁塗布螢光粉，管內充有氬氣、氖氣及氪氣三種惰性氣體及加入少量水銀。當兩極間施以電壓時，極間開始放電，射出電子，並與管內的水銀原子互相碰撞而形成氣體放電狀態，並釋出波長為253.7奈米的紫外光。當紫外光激發螢光粉時，即可發出可見光，發光波長則由螢光物質的原子結構決定。因此，若將燈管內壁混合塗上多種螢光物質，便可產生多種不同顏色的可見光。日光燈所使用的螢光粉主要有氧化釔摻雜銪、磷酸化鑭鈰摻雜鋱及氧化鋇鎂鋁摻雜銪。日光燈輸入的電能約60％可轉換成紫外光，而其他的能量則轉換成熱能。一般紫外光轉換為可見光的效率約為40％。因此，日光燈的效率約為60％ × 40％ = 24％，大約為相同功率鎢絲燈的兩倍。 霓虹燈 霓虹燈是一種冷陰