工程师分享:无荧光体双波长白光LED分析

　　前言

　　白光LED依照发光方式，大致上可以分成3种，其中波长介于410~460nm的蓝光LED+黄色荧光体产生白光的方式最普遍，同时也是效率与量产性最好的方式，不过各LED厂商握有各式各样的专利，加上荧光体本身的生产管理还未建立，因此不易作低价大量生产。
 
　　除此之外波长介于365~460nm的紫外光+RGB荧光体的白光方式，以及组合RGB三个光原色方式同样可以获得白光，不过紫外光方式的封装材料与周边组件，长时间暴露在紫外光环境下有劣化之虞，RGB方式则有波长漂移与控制复杂等困扰，因此国外业者开发双波长白光LED。
 
　　发展历程

　　图1是传统蓝光LED+荧光体，与双波长白光LED的封装结构比较，由图可知双波长白光LED具备不需作荧光体比率换算与含有量管理，同时还可以彻底解决RGB三原色LED驱动电路复杂化问题，获得的辉度、波长、演色性，还可以在一定范围内自由调整。

　　图2是传统白光LED与双波长白光LED的发光原理比较，由图可知传统白光LED，利用荧光体包覆GaN系蓝色芯片获得白光，双波长白光LED则利用芯片单体获得白光。

　　双波长白光LED基本结构是在芯片单体上，同时产生蓝光与黄绿光，再以极短距离使蓝光与黄绿光混色获得拟似白光，该拟似白光具有传统白光LED无法达成的高透明纯净感。

         图3是传统白光LED与双波长白光LED芯片的结构比较，由于LED厂商握有各式各样的专利，因此此处只能作概略性说明。如图所示双波长白光LED芯片的缓冲Multi Dot Active主要是由：
        ˙多点主动（Multi Dot Active）层
        ˙活性层
        ˙Air Ocean层

　　构成，当蓝光与黄绿光两相异波长同时发光时，该部位扮演非常重要的角色，因此研究人员建立各模层的长晶技术，使双波长白光LED能够顺利进入实用阶段。

　　双波长白光LED的特征

        图4是目前LED主流蓝光LED+黄色荧光体，与双波长LED的组件特性比较结果，由图可知双波长LED的主要特征，分别是：

        ˙制程上可以调整色调分布不均
        ˙可作白色以外发光
        ˙长寿命

        主流蓝光LED+黄色荧光体组合的白光LED，最大问题是它的黄色荧光体寿命，比蓝光LED芯片寿命短。LED芯片的使用寿命随着使用环境不同，大约是8~10万小时，然而荧光体的使用寿命却只有1~4万小时。
 
        相较之下双波长白光LED完全未使用荧光体，组件的使用寿命与LED芯片一致，可作长时间使用，这意味着双波长白光LED，对今后照明用途应用时具有深远的影响。
 
        此外双波长白光LED完全未使用荧光体，它还可以透过芯片制作过程，调整色调的分布，尤其是传统白光LED封装时，蓝光LED的波长与光主力必需限制在狭窄的范围内，接着再利用荧光体的含量调整，进行繁琐复杂的制程控制，相较之下新型双波长白光LED，在制程的良品率具有绝对优势。
 
        虽然目前绝对生产数量还未达到量化阶段，不过双波长白光LED设计时采用较大的色调范围，若将今后的普及化后牵动的生产效率问题，以及组件供应一并列入考虑，新型双波长白光LED的成本，拥有绝对的竞争优势，尤其是面对微型封装与复数组件封装时，它可以轻易满足客户要求的严苛基板光源光学特性。
 
        新型双波长白光LED是由蓝光、绿光构成，因此可以作白色以外的柔性色彩发光，具体方法是控制水色系与蓝绿色系的波长，依此获得的色调比使用荧光体的LED更纯净色彩，非常适合对色度要求非常严苛的LCD背光模块使用。
 
        上述发光亮度已经达到实用化阶段，若与蓝光LED+黄色荧光体的高辉度白光LED比较，新型双波长白光LED的辉度毫不逊色。
 
        此外透过组件表面加工方法的改善，新型双波长LED的亮度比传统白光LED更优秀。有关新型双波长白光LED的演色性，由于它是由蓝光+黄绿光构成，因此几乎没有红光混光的困扰。

　　波长分布特性

        如上所述新型双波长白光LED，利用蓝光与黄绿光两个相异波长同时发光获得白光。图5是新型双波长白光的波长特性，由图可知蓝光的峰值波长大约是405nm，黄绿光的峰值波长大约是570nm，因此几乎没有红光成份。 

          新型双波长白光LED未来有待克服的课题，是扩大黄绿光波长范围。相较之下目前主流蓝光LED+黄色荧光体的白光LED组合，在黄色荧光体成份中含有红光成份，因此它的演色性不如双波长白光LED。
 
        图6是接近黄绿光色调LED的波长特性，由图可知新型双波长白光LED的蓝光峰值波长几乎固定，黄绿光的峰值波长与流蓝光LED+黄色荧光体的白光LED不同，非常接近530nm，这也是黄绿光与蓝光组合后，能够实现软调色彩的主要原因。

        新型双波长白光LED的另一个特征，是混合黄绿光水色系的波长分布特性。如图7所示由于蓝光变成强色调，因此蓝光端的峰值波长几乎固定，黄绿光的峰值波长则朝短波长端移动，相较之下其它色调的蓝色端与绿色端输出几乎一定。

        换言之新型双波长白光LED，主要降低绿色端的输出，达成软调色彩的目的，此处要强调的是新型双波长白光LED，可以依照实际需要在一定范围内，自由调整黄绿光与蓝光的发光波长，获得前所未有的LED发光色。
 
        以上介绍新型双波长白光LED的优点，在此同时研究任人员充分利用传统封装技术，试图改善新型双波长白光LED的缺点，藉此建立高辉度化、低成本的技术。

        提高辉度除了选择高效率封装方式之外，透过磊晶封装还可以有效提高辉度，还能够增加新型双波长白光LED的附加价值。
 
        双波长白光LED与蓝光LED一样，都是对静电非常脆弱的InGaN系半导体组件，因此使用可以提高辉度的多芯片封装方式时，必需同时将静电保护组件一起封装（图8）。

        一般AlGanInP系LED的VF值20mA时大约2V左右，InGaN系LED则高达3.3V，换句话说InGaN系双波长白光LED，应用在携带型电子机器时，必需使用专用驱动IC。
 
        使用新型封装方式的双波长白光LED，并未调整LED的电流值，因此研究人员正在开发利用定电压驱动发光组件，以及可以提高LED的演色性的封装技术。
 
        双波长LED芯片与红光LED芯片一起封装，经过混色变成白光（图9），然而如此一来各芯片彼此的VF值截然不同，随着各LED芯片的辉度、波长分布不同，必需进行复杂的电流值限制调整。

        此外封装后的散热、硅胶也是有待克服的课题，因此研究人员正在开发全新的对策技术。
 
        目前ψ3与ψ5炮弹型双波长白光LED已经开始量产，今后将推出3mm与5mm正方SMD用双波长白光LED。
 
        图10是抑制色调分布与组件高度，制成的超薄型LCD背光照明模块，如图所示白光LED直接固定在薄型基板表面，接着再搭配特殊遮光罩，与超薄型导光板进行侧边发光，模块总厚度只有0.25mm，非常适合移动电话等携带型电子机器使用。

　　结语

        以上介绍新型双波长白光LED。传统紫外光+RGB荧光体，与RGB多芯片方式的白光LED，都有周围组件容易劣化，或是波长漂移、控制复杂等问题。
 
        新型双波长白光LED，除了可以彻底解决上述困扰之外，超短混色距离与纯净的色调，提供LED下游应用厂商另一项选择空间。未来如果顺利改善封装技术，与封装后的散热问题，双波长白光LED可望在电子机器系统的薄型化，扮演非常重要角色。