White Light-Emitting Diodes Efficiency Improve Study of High Color Rendering Index

為了照明、LCD背光源設備應用需求，需要進行LED大功率封裝的開發，並具備高效率和演色性指數大於85的光源。而製作方式以藍光LED激發綠色及紅色螢光粉方法居多，此方法有別於其他高演色性製作方式，較易生產製作；而在現行開發的紅光螢光粉效率較綠光螢光粉低，且兩者螢光粉激發與放射頻譜有互相重疊。以目前將兩種螢光粉混和的白色發光二極體封裝方式，會導致相互吸收造成效率變低。本論文主要是利用封裝結構分層技術，研製高演色性指數白色發光二極體，並探討分層結構其光學特性。在研究中針對其螢光粉特性，在結構上研究其塗佈方式，以分層結構減少其重複放射及激發，並依Snell’s Law定律利用介質差異，提高白色發光二極體紅、綠光螢光粉激發效率及光取出率，並減少重覆激發及放射的行為，而在同一螢光粉濃度下，可以增加輻射通量5~8mW，演色性指數可達到91，整體驗證結果在光學效率平均值可以提升5%以上。接著以TracePro模擬軟體模擬其輻射通量及CIE色點差異，其結果與實作一致性很高，之後我們可利用模擬方式驗證，減少實作驗證時間。For the huge demand of lighting and LCD back light area, high power package is needed fot LED light source with good efficiency and good color rendering index (CRI) larger than 85. The most convenient way is using red and green mixed phosphors stimulated with blue LED chip. However, due to the reach sorption of green light for the red phosphor, the efficiency is low. In this thesis, we propose a layered structure that seperates the green and red phosphors. Because of the index difference in each layer, the light extraction efficiency can be improved by about 5 to 8 mW. The simulation tool TracePro is utilige to verify the experiment's results, and they are consistant. With this novel layered structure, the overall light output power efficiency can be raised by 5% and the CRI is 91.封面內頁 簽名頁 授權書 誌謝 I 中文摘要 II Abstract III 目錄 IV 表目錄 VIII 圖目錄 IX 第一章 緒論 1 1-1 引言 1 1-2 發光二極體現況及簡介 2 1-3 研究方向及動機 4 1-4 相關文獻回顧 4 1-5 論文架構 9 第二章 基本光學相關理論 11 2-1 幾何光學的基本原理 11 2-2 光學的相關定律及理論 12 2-2-1 光的反射、折射 12 2-2-2 光的全反射 13 2-2-3 光的透射、吸收 14 2-2-4 光的干涉、繞射 15 2-2-5 光的偏光 15 2-2-6 光的輻射能量 15 2-2-7 光度量的各種定律 15 2-3 光的標準與測光量定義 16 2-3-1 輻射量與測光量 16 2-3-2 測光的基本單位 17 2-3-3 測光量的標準 19 2-4 光基本量的定義 20 2-4-1 光通量 20 2-4-2 光量 21 2-4-3 照度 21 2-4-4 光通量發散度(面發光強) 21 2-4-5 發光強度 22 2-4-6 亮度 22 2-4-7 輻射基本量定義 23 2-5 光的基本量量測標準 24 2-5-1 光強的量測 24 2-5-2 光通量的量測 24 2-5-3 照度的量測 25 2-5-4 亮度與光通量發散度 25 2-5-5 光譜分佈與分佈溫度 26 第三章 固態螢光材料簡介 27 3-1 固態螢光材料 27 3-2 螢光與磷光 27 3-3 發光機制 28 第四章 白光發光二極體製作 30 4-1 前言 30 4-2 半導體發光二極體的基本原理 30 4-3 白色發光二極體封裝製程 39 4-3-1 晶粒黏著 39 4-3-2 打線鍵合 42 4-3-3 封裝 44 第五章 實驗結果與模擬結果分析 49 5-1 前言 49 5-2 驗證材料選用 49 5-3 白光發光二極體結構設計 52 5-3-1 均勻單層結構 52 5-3-2 雙層結構 52 5-4 白光發光二極體結構設計驗證 54 5-4-1 單層結構均勻混合紅色螢光粉實驗 54 5-4-2 單層結構均勻混合綠色螢光粉實驗 56 5-4-3 單層結構均勻混合紅色及綠色螢光粉實驗 59 5-4-4 雙層結構紅色及綠色螢光粉分層實驗 61 5-4-5 實驗結果及討論 64 5-5 光學模擬結果及討論 65 5-5-1 引言 65 5-5-2 TracePro光學模擬軟體簡介 66 5-5-3 白光發光二極體螢光粉結構設定 67 5-5-4 單層結構均勻混合紅色及綠色螢光粉模擬 78 5-5-5 雙層結構紅色及綠色螢光粉分層實驗 81 5-5-6 模擬結果及討論 84 第六章 結論 87 參考文獻 8