照明（Lighting）與顯示（Display）是現今光電產業(yè)中兩項極為重要的發(fā)展領域，而全球的化石能源日益枯竭，環(huán)境污染也日趨嚴重，能同時符合“節(jié)能”與“環(huán)保”雙重特性的白光LED（Light emittingdiode），其在照明與顯示裝置的應用潛力，近年來的確受到高度的矚目及重視。
白光LED因具有節(jié)能與環(huán)保的雙重特性，一般認為會是取代熱熾燈與熒光燈的革命性光源；而熒光材料則是照明與顯示裝置的關鍵材料，尤其是自從高亮度LED蓬勃發(fā)展以來，再度又受到高度的重視。白光LED具有數種可行的制作方式，其中利用熒光粉所制作的白光LED，因具有制作簡單、驅動容易、成本低廉等多項優(yōu)點，未來于照明與顯示等各項應用中，勢必將會扮演相當重要的角色。
目前有三種較普遍的方法去制作白光LED，第一種是將紅光、綠光、藍光，三色做混光；第二種是利用紫外光 LED發(fā)光然后通過紅色、綠色、藍色的熒光粉，而混合出白光；第三種則是利用藍光打在黃色熒光粉上，混合出白光。現今之高亮度LED多數系利用多元磷化物（如InGaAlP等）或氮化物（如InGaN等）等半導體材料制作而成，其發(fā)光顏色因受發(fā)光機制與材料能隙的限制，故皆屬于窄波寬的單色光。然就照明與顯示之應用而言，則多數需要使用白色光源，倘若利用LED來制作白色光源，必需應用光色組合的技術，始能達成獲得白光的目的。目前在白光LED之光色組合的各種可行技術當中，利用單芯片LED（Single-chip LED）結合各類型熒光材料來進行光色轉變及混光作用，可謂是一種最便捷、最節(jié)省成本的方法，而其中應用無機物熒光粉（Phosphor）所制作的白光LED，一般又稱為PC-White-LED（Phosphor- converted white-LED）。
LED（Blue-LED＋Yellow phosphor）而言，有文獻資料指出，目前此類白光LED之放射光譜中，藍光波段部份約占白光總光能的31％，而經由熒光粉轉換的黃光則占有白光總光能的69％的比例。
另一方面，若以UV-LED結合熒光粉所制作的白光LED（UV-LED＋R/G/B phosphors等）而言，來自UV-LED的紫外線乃全部經由熒光粉的轉換而形成可見光，故經由熒光粉轉換的光能，幾乎接近白光總光能的100%。根據上述分析，可以清楚地了解熒光粉在單芯片白光LED所占有的重要性及地位。
白光LED
白光LED最早乃是以藍光LED搭配“釔鋁石榴石”（YAG:Ce3+；Yttrium Aluminum Garnet dopedwith Ce3+ activator）之黃光熒光粉所制成，此類白光LED的推出引起全球的矚目，也肇始了LED應用的新紀元。事實上，白光LED除了前述之藍光LED加上黃光熒光粉的制作方式之外，尚可以藍光LED加上綠／紅光或其它組合之熒光粉，抑或是以UV-LED加上藍／綠／紅光或其它組合之熒光粉而制成。
另外也可以直接應用數個不同光色的LED芯片制作成單體（Single-chip）白光LED，或是直接應用數個不同光色的LED組合而成白光LED模塊/數組（LED module or array），雖然其驅動回路較為復雜，相對成本也較高，然在顯示背光等方面的表現上，所能獲致的色彩飽和度或色域特性頗佳[7]，其與結合熒光粉所制作的白光LED，在應用上具有不同的考慮因素。
熒光粉在LED的應用，除了前述的白光LED之外，對于單一LED芯片所不能獲得的光色如紫紅光及“不飽和光”等色域范圍內的光色，抑或單一LED芯片之發(fā)光效率較差的光色如綠、黃光部份（約520～590 nm波段之部份光色），皆具有應用價值。至于結合熒光粉所制作的發(fā)光二極管，可能的應用包括照明、背光源與指示/裝飾等各項特殊用途之上。至于白光LED在照明與顯示背光應用所須考慮的重要特性，包括：發(fā)光效能、使用壽命、色溫、演色系數與色域/色彩飽和度等，國際上針對上述之重要特性，目前亦正積極地草擬或制定相關的規(guī)范與測試標準。至于白光LED之各項重要的特性及需求條件，分別說明如下。
1、 發(fā)光效率
發(fā)光效率乃是光源產品的最重要特性之一。白光LED或其燈具設備系統(tǒng)的效率，通常以發(fā)光效率（Luminous efficacy；Lumens per watt；LPW；lm/W）來說明。
根據美國于2007年9月所公布有關固態(tài)光源燈具設備的“能源之星（ENERGY STAR®）”規(guī)范，其中A類要求（Near-term applications）系根據不同的燈具設備及應用（如室內或戶外）所訂定，其發(fā)光效能介于20～35 lm∕W之間；而B類要求（Future performance targets）所訂定的發(fā)光效能則為≧70 lm/W。
2、使用壽命
目前LED多數以流明數衰減（Lumen depreciation）的程度來定義使用壽命，通常選擇流明數衰減至原來的50％或是70％的時間（分別以L50或L70代表之），來作為LED光源的壽命指標。針對LED的模塊／數組（Module / Array）而言，目前美國能源之星規(guī)范訂定住家室內應用者之L70為25,000小時、住家戶外應用者之L70為 ≧ 25,000小時，而所有商用應用者之L70則為≧35,000小時。另外一項與壽命有關的特性為白光LED的顏色維持率（Color maintenance），美國能源之星目前規(guī)定在前述的使用壽命期間內，所有固態(tài)光源燈具設備的CIE 1976色度坐標值的變化必需小于0.007。
3、色溫
色溫之定義乃是依據黑體加熱，當溫度升高至某一程度以上時，其發(fā)光顏色會開始逐漸改變，其中各種光色所對應的溫度以絕對溫度K（Kelvin）來表示即為色溫，而此色溫曲線一般稱為蒲朗克曲線（Plankian locus）。
至于不在蒲朗克曲線上之色度坐標者，通常選擇曲線上之最接近的色溫來代表，此稱為關聯色溫（Correlated color temperature；CCT），一般可以相關的iso-CCT lines（與蒲朗克曲線相交之各線段）來輔助判定，目前美國能源之星的規(guī)范針對所有固態(tài)光源之燈具設備（All luminaries），是將2,500K之7,000K的色溫范圍，在色度坐標系統(tǒng)（如CIE 1931）內沿著蒲朗克曲線，而區(qū)分成2,700K、3,000K、3,500K、4,000K、4,500K、5,000K、5,700K與6,500K等八項標準色溫（Nominal CCT）之八個四邊形區(qū)塊（Quadrangles）如圖4-3-4所示，對于每一個區(qū)塊頂點的坐標亦有明確的定義，亦即如白光LED等固態(tài)光源之色度坐標，皆需落在這八個四邊形區(qū)塊內。另外一項與色溫有關的特性為顏色均允度（Color SpatialUniformity），其中不同視角所呈現的CIE 1976色度坐標值的變化必需小于0.004。
4、演色系數
演色性（Color rendition）是照明光源能展現物體顏色之忠實程度的一種能力特性，通常以演色系數（Color rendering index；CRI）作為指標，其測量標準是將標準光源（熱熾燈或D65標準光源）照射物體所呈現之顏色定義為100（即100%真實色彩），另外則以測試光源照射物體所呈現之顏色的真實程度的百分比數值（如75；即75%真實色彩），作為此測試光源的演色系數。演色系數的測量及計算[13]，乃是利用十四種標準顏色之樣品（14 selected Munsell samples；）求出每一種標準顏色之演色系數值。美國能源之星目前有關演色性的規(guī)定為對室內使用的所有固態(tài)光源燈具設備之演色系數不得小于75（注：原文為CRI，判斷應是指Ra值）。
5、色域/色彩飽和度
色域系指彩色顯示器等所能顯示顏色多寡（即如顯示器在CIE色度坐標系統(tǒng)上所能顯示的顏色范圍或領域）的一種特性指標，實用上亦有稱為色彩飽和度。
相對于演色性之于照明光源的重要性，色域特性則是顯示器展現其色彩能力的重要指標。實質上，單一白光LED是無法討論其色域性質，因其單獨本身并不具有色域之這項特性指標。
然而，當白光LED應用作為如TFT-LCD等顯示器之背光源時，經由彩色濾光膜后會分解成紅/綠/藍（R/G/B）等三原色，各畫素再透過這三原色的光量控制而可以展現各項色彩，而其所應用之白光LED背光源的特性，則會影響此顯示器之色彩展現能力。
目前顯示器的色域特性，常以NTSC（National Television System Committee）所制定的色域范圍作為比較標準，其所制定之三原色的CIE 1931色度坐標（x,y）值分別為：R（0.674,0.326）、G（0.218,0.712）、B（0.140,0.080）。以目前液晶顯示器之最常用的冷陰極管背光源而言，其所能展現色彩的能力僅為NTSC之72％左右，至于應用白光LED作為背光源的液晶顯示器，許多廠家號稱其顯色能力皆已超過100％的NTSC范圍。
熒光粉
各類型熒光材料之中，目前以“光致發(fā)光（Photoluminescence）”熒光材料的應用最為廣泛，應用于LED也是此類的材料，即所謂的光轉換材料。通常，無機熒光材料乃是由“主體材料（Host materials）”、“活化劑/發(fā)光中心（Activators/Luminescent centers）”及其它“摻雜物”（Dopants）等所組成，其中主體材料多數由硫化物、氧化物、硫氧化物、氮化物與氮氧化物等所構成，而活化劑/發(fā)光中心則主要為過渡元素或稀土族元素的離子為主，至于目前常見可應用于LED的熒光材料，
如前所述，單芯片型白光LED必需應用熒光材料，始能獲得照明所需的白光，而熒光材料攸關單芯片白光LED的發(fā)光效率、安定性、演色性、色溫、使用壽命等項特性，可謂是單芯片白光LED系統(tǒng)中相當重要的關鍵材料。
至于LED用熒光粉的重要特性需求包含：（1）適當的激發(fā)光譜（2）適當的放射光譜（3）高能量轉換效率 （4）高安定性等重要項目，而各項特性分別說明如下。
1、 激發(fā)（Excitation）特性
熒光材料在白光LED的應用當中，激發(fā)波段與發(fā)光顏色的匹配，是最重要的先決條件，目前應用熒光材料所制作的白光LED，其LED之放射波長多屬于近紫外線或紫、藍光范圍，是故熒光材料之適用激發(fā)特性為在350～470 nm之波段范圍內，可以被UV-LED or Blue-LED所激發(fā)者。
熒光材料之激發(fā)特性常以激發(fā)光譜（Photoluminescence-excitation spectrum；PLE）來判斷，通常也可以用熒光光譜儀（Photoluminescence analyzer）進行量測。由于目前LED之發(fā)光光譜之波形半高寬多介于10～30 nm之間，且其發(fā)光波峰有可能會受操作因素（如溫度、功率之影響）而有所遷移，故熒光材料所具有之激發(fā)波段通常越寬廣越佳。
2、發(fā)光（Emission）特性
熒光材料之發(fā)光特性可以其發(fā)光光譜（Photoluminescence Spectrum；PL）來判斷，其亦可利用熒光光譜儀量測獲得。除此之外，發(fā)光特性亦可應用色度坐標分析儀所量測之色度坐標（CIE Chromaticitycoordinates）值，進行輔助判斷，如此更能完整了解熒光材料之發(fā)光特性。
熒光材料在不同的應用領域，是具有不同的需求特性，例如在照明方面的應用，美國OIDA資料（8）指出610 nm （R）、540 nm （G）、460 nm （B）的三原色主波長，可能是一種理想的白光組合；另外在顯示背光方面的應用，則有文獻認為625 nm （R）、535 nm （G）、450 nm （B）的三原色主波長，可以表現出極致的色彩。
3、能量轉換效率（Energy-conversion efficiency）
熒光材料在LED的應用當中，嚴格而言是必須同時考慮史托克轉換效率、量子效率與光散射轉換效率等諸項重要效率因素。
史托克轉換效率（Stokes conversion efficiency；SE；ηSS）乃是因熒光材料于光轉換的運作當中，通常是遵循一對一的光子轉換程序，而由高能量的短波長光子轉變成低能量的長波長光子會產生能量損失，其所呈現的能量轉換效率即是所謂的史托克轉換效率。而應用熒光粉制作之LED，熒光材料之激發(fā)與發(fā)光的波長差距不宜太大，否則會產生過多的史托克能量損失。
量子效率（Quantum Efficiency；QE；ηQE）則為熒光材料進行光轉換的實際效率指標，其定義為：
QE =（No. of photons emitted）／（No. of photons absorbed）
亦即熒光材料的量子效率為其進行光轉換所放出光子數目與其所吸收光子數目的比值。熒光材料的量子效率通常可應用熒光光譜儀結合積分球來測量，然由于熒光粉的來源、質量、激發(fā)波長及量測方式等因素的不同，各文獻所報導之量子效率值常有明顯差異。
在此必需特別說明的是熒光材料的效率指標，亦可以使用能量轉換效率（Energy efficiency；EE；ηEE）來表示，其定義為：
EE =（Output or emitted power）/（Input or emitted power） = QE×SE
此為熒光材料進行光轉換所釋放出光能（或功率）與其所吸收光能（或功率）的比值。光散射轉換效率（Scattering Efficiency）乃是熒光粉應用于LED當中，由于與封裝材料之折射系數的不同，而產生光散射損失后所呈現的能量轉換效率，另因在光轉換的過程中，扣除光散射損失能量，才是熒光粉的吸收能量，故光散射轉換效率亦有以吸收效率（Absorption Efficiency；AE；ηAE）表示之。光散射損失與相對折射率、粉體粒徑與光的波長等項因素相關，而熒光粉在LED的應用當中，其損失有可能高達10～20％的總能量比例。
4、安定性（Stability）
熒光材料應用于LED的安定性，可分為環(huán)境安定性與溫度安定性等不同層面進行考慮。熒光材料的環(huán)境安定性，其與所具有的化學安定性密切相關，例如熒光材料必需對于水、氧甚或紫外線等必需具有高度的安定性，如此始會具有較長的使用壽命。一般而言，硫化物系列熒光材料的環(huán)境安定性較差，其較容易受水、氧及紫外線的影響而產生劣化現象，相對地氧化物及氮化物系列熒光材料的環(huán)境安定性則較為優(yōu)良。
另就溫度安定性而言，許多研究發(fā)現熒光材料于光轉換之運作時，常會因溫度的升高而導致發(fā)光效率的降低[15]，并有可能發(fā)生色漂移（Color shift）的現象。最近的相關研究[16]發(fā)現許多氮化物系列熒光材料的溫度安定性頗佳，這也是氮化物系列熒光粉在目前LED的應用當中，頗受矚目的主要原因之一。
5、 白光LED與熒光粉關聯性
熒光材料與單芯片白光LED之重要特性的關聯性，如圖4-3-6所示，由圖4-3-6可以了解在利用熒光粉制作的白光LED當中，熒光粉的吸收效率或光散射轉換效率、量子效率、史托克轉換效率等多項因素，密切影響白光LED整體的發(fā)光效能。其中K（lm/Wo）值即是LER（Luminous efficacy of radiation）或是所謂的最高的理論效率值，是與發(fā)光光譜及人類眼睛之視效函數（Vision curve）有關，研究資料曾指出合理之白光光譜，其K值范圍約介于200～400lm/Wo之間，然與此白光光譜之色溫及演色性，具有密切關聯性。
一般而言，在固定的色溫狀況下，演色性愈高者，其K值愈低；另在固定的演色性狀況下，色溫愈高者，其K值也愈低。另外值得特別說明的是：白光LED的發(fā)光光譜與其所選用熒光粉的種類、熒光粉的用量及配方等息息相關，而這也是影響白光LED光源之色溫、演色性等光電特性的重要因素。
結語
白光LED為省能源與符合環(huán)保需求的“綠色”光源，近年來的發(fā)展結果顯示，白光LED作為照明與顯示等項光源的時代已經來臨，而應用熒光材料所制作的白光LED，因具有低成本及制作簡易的諸項優(yōu)點，勢必成為未來白光LED的主流產品之一。