節能與環保已是全人類的共識,這使得LED逐漸的在取代鎢絲燈泡及各類螢光燈,成為新照明的光源。因此LED燈源及其相關産品已成為一項新興産業,預期産業界將需要大量與LED照明相關的工程師。有鑑於此,經濟部工業局委託工研院産業學院與中華民國光電學會,擬定LED工程師能力鑑定製度,並辦理LED工程師基礎能力鑑定及LED照明工程師能力鑑定,期望我國的LED産業能領先全世界。 本書特色:附贈LED專業人纔能力鑑定試題
作者簡介
蘇炎坤
國立成功大學電機工程研究所國傢工程博士
國立成功大學微電子工程研究所教授
崑山科技大學校長
孫慶成
國立中央大學光電博士
國立中央大學光電科學與工程學係教授兼係主任
洪瑞華
國立中山大學電機所博士
行政院國科會光電工程學門召集人
國立中興大學創新産業推廣學院院長
國立中興大學精密工程研究所教授
陳建宇
國立中央大學光電科學研究所博士
國立雲林科技大學電子與光電工程研究所副教授
賴芳儀
國立交通大學光電工程研究所博士
元智大學光電工程學係助理教授
呂紹旭
國立颱灣海洋大學光電科學研究所
PIDA 光電科技工業協進會/産業分析師
吳孟奇
國立成功大學電機博士
國立清華大學電機工程學係暨電子工程研究所教授
黃麒甄
國立清華大學電子工程研究所博士班
梁從主
美國密蘇裏大學電機工程博士
國立成功大學電機工程學係教授
歐崇仁
國立清華大學動力機械博士
修平科技大學電機工程係副教授
林俊良
國立成功大學電機研究所博士
崑山科技大學電子工程係助理教授
劉如熹
英國劍橋大學化學博士/國立清華大學化學博士
國立颱灣大學化學係教授
黃琬瑜
國立颱灣大學化學係博士班
硃紹舒
猶它大學 Utah University 機械所博士
崑山科技大學機械工程係副教授
郭文凱
國立交通大學電子所博士
國立虎尾科技大學光電工程係教授
謝其昌
國立中山大學機械與機電工程學係博士
國立高雄第一科技大學機械與自動化工程係助理教授
序
第一章 發光二極體産業概論 洪瑞華
1. 發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)發展曆史 2
1.1 碳化矽(SiC)發光二極體發展曆史 2
1.2 砷化鎵(GaAs)和砷化鋁鎵(AlGaAs)紅外光和紅光發光二極體的發展曆史 4
1.3 GaAsP 發光二極體的發展曆史 8
1.4 GaP 和 GaAsP 發光二極體摻雜具鏇光性雜質的發展曆史 10
1.5 GaN 金屬半導體發光體發展曆史 14
1.6 GaN p-n junction 之藍、綠及白光發光二極體的發展曆史 16
1.7 AlGaInP 可見光發光二極體之發展曆史 18
2. 發光二極體基闆的選擇 21
3. 雙氣流 MOCVD 磊晶成長 24
4. 側嚮磊晶成長技術 26
5. 有機金屬化學氣相沉積磊晶機颱簡介 27
6. LED 元件製作 29
6.1 p-GaN 歐姆接觸 29
6.2 p-GaN 及 mesa 蝕刻 29
6.3 p-pad 及 n-pad 製作 30
6.4 晶片研磨、切割、固晶、打綫及封裝 31
7. 參考資料 32
第二章 LED 照明應用 陳建宇
1. 前言 38
2. LED 光特性的標準與測試方法 38
2.1 全光通量 38
2.2 部分光通量 39
2.3 光分佈 40
2.4 發光強度 40
2.5 亮度 40
2.6 發光光譜 41
2.7 色度(Colorfulness) 41
2.7 照度 42
3. 色溫(Color Temperature) 42
3.1 演色指數(Color Rendering Index, CRI)係統 44
3.2 演色嚮量(Color Rendering Vectors, CRV)係統 44
3.3 照度與色溫對感知之影響 44
4. 照明量測規範 46
5. 光學設計篇 47
5.1 光學設計 47
5.2 LED 晶片元件設置 47
5.3 LED 安全性設計 48
5.4 安全性設計與安全規範 48
6. 應用篇 49
6.1 室內照明應用領域 49
6.2 居傢(客廳、書房、臥室等) 49
6.3 辦公室 50
6.4 工廠 51
6.5 學校 52
6.6 公共建築(運輸係統、商店、博物館等) 54
6.7 醫療空間(手術室) 55
7. 室外照明應用領域 57
7.1 LED 路燈 57
7.2 LED 車燈 61
7.3 LED 指示燈、景觀燈 64
8. 參考資料 65
第三章 LED 國際照明規範常識 賴芳儀
1. 前言 68
2. 各國照明規範製定概況 68
2.1 颱灣 LED 照明規範發展概況 68
2.2 美國 LED 照明規範發展概況 74
2.3 日本 LED 照明規範發展概況 75
2.4 韓國 LED 照明規範發展概況 75
2.5 中國 LED 照明規範發展概況 77
3. 規範製訂組織、LOGO、組織名稱縮寫(錶列) 78
第四章 LED 産品發展趨勢 呂紹旭
1. LED 元件産品發展曆程 86
2. LED 封裝元件産品類彆定義 89
3. 白光 LED 元件産品技術發展 90
4. LED 應用産品發展 93
5. 參考資料 100
第五章 光電半導體元件 吳孟奇 黃麒甄
1. 基本原理 102
2. 電子轉移機製 103
3. 注入機製 107
4. 發光效率與量子效率 108
5. 輻射光譜 109
6. PN 接麵原理 111
7. 發光二極體 112
8. 半導體的材料與種類 114
9. 半導體的鍵結與晶體結構 115
10. 半導體的産生與復閤 117
11. 導體、半導體、絕緣體的能帶 118
12. 發光二極體元件結構 119
12.1 典型平麵錶麵齣光型 LED 元件結構 119
12.2 基闆(砷化鎵、藍寶石、矽、氮化鎵)晶格常數、晶格結構(晶嚮)價格 123
12.3 同質結構元件能帶圖 123
12.4 異質結構元件能帶圖 124
12.5 封裝後成品 125
13. 參考資料 127
第六章 LED 基本驅動電路 梁從至
1. LED 的電氣特性 130
2. 直流電壓源之 LED 驅動電路之設計 132
3. 電源為市電交流電壓之 LED 驅動電路設計 135
第七章 係統模組設計 歐崇仁 林俊良
1. 前言 144
2. 基礎幾何光學原理的介紹:費馬原理到 SNELL 定律 144
3. 何謂一次光學 149
4. 整體效率之計算 150
5. LED 二次光學原理 152
6. 摺射定律於二次光學的應用 154
7. LED 二次光學的設計觀念 155
8. 光形與色座標的關係 156
9. 軟體的校正 157
10. 光源的設定 159
11. 二次光學的模擬程序簡介 160
12. LED 二次光學設計範例:非球麵凹透鏡設計理論與模型 162
12.1 基本觀念 163
12.2 建立模型 164
12.3 光源設定 165
12.4 封裝設計 168
12.5 模擬結果與實驗的比對 170
12.6 未來的建議 173
13. 係統模組效率 174
13.1 驅動電路效率 176
13.2 功率因數(Power Factor,簡稱 PF) 176
13.3 諧波失真 THD- total harmonic distortion 176
14. LED 效率 177
14.1 內部量子效率 177
14.2 光取齣效率 179
14.3 螢光粉轉換效率 179
14.4 燈具與光學效率 179
15. 封裝材料特性 180
16. 導綫架(lead frame) 181
16.1 金屬導綫架 182
16.2 陶瓷 (Ceramic)導綫架 184
16.3 矽(silicon)導綫架 185
16.4 固晶材料 185
16.5 環氧樹脂固晶 186
16.6 共晶(eutetic)固晶 186
16.7 金屬焊綫(wire bonding) 187
16.8 封膠材料(encapsulate) 188
17. 參考文獻 188
第八章 白光發光二極體用之螢光粉結構與特性 劉如熹 黃婉瑜
1. 螢光粉轉換之白光發光二極體(Phosphor Converted White Light-Emission Diode; pc-WLED)種類 190
1.1 藍光 LED 加黃色螢光粉 190
1.2 藍光 LED 加上黃色(或綠色)與紅色螢光粉 191
1.3 紫外光 LED 加上藍色、綠色與紅色螢光粉 191
2. 螢光粉之組成 194
2.1 主體晶格(host lattice) 195
2.2 活化劑(activator) 197
2.3 增感劑(sensitizer) 197
3. 影響螢光粉發光之效應與因素 198
3.1 螢光與磷光(fluorescence and phosphorescence) 198
3.2 斯托剋位移( Stokes shift) 200
3.3 濃度淬滅效應(Concentration Quenching Effect) 200
3.4 熱淬滅效應(Thermal Quenching Effect) 201
4. 應用於白光發光二極體之主流螢光粉發光特性與優缺點 203
4.1 適用於白光發光二極體之螢光粉特性需求 203
4.2 鋁酸鹽(YAG)螢光粉之結構與特性 204
4.3 矽酸鹽(silicate)螢光粉之結構與特性 206
4.4 β-SiAlON 之結構與特性 209
4.5 LuAG 螢光粉之結構與特性 210
4.6 Sr2Si5N8:Eu2+ 之結構與特性 211
4.7 CaAlSiN3:Eu2+ 之結構與特性 213
5. 適用背光與照明用之發光二極體螢光粉差異比較 214
5.1 螢光粉於 LED 背光顯示器之應用 214
5.2 螢光粉於 LED 照明設備之應用 215
6. 螢光粉於發光二極體之未來發展 218
6.1 Lumiramic 螢光片(Phosphor Plate) 218
6.2 非稀土元素摻雜之螢光粉 220
7. 參考資料 222
第九章 LED 模組散熱 硃紹舒
1. 高功率 LED 散熱原因 224
2. 針對 LED 發熱關鍵點的研究 226
3. 封裝結構與散熱途徑 230
4. 基礎熱傳學 232
5. 熱阻(thermal resistance) 235
6. LED 的熱阻量測 236
7. LED 散熱器的設計與選擇 238
8. LED 散熱基闆 242
9. 參考文獻 243
第十章 光度與色度學 郭文凱
1. 光度學的概念與量測 246
1.1 光譜(Spectrum)與可見光(Visible Light) 246
1.2 人眼視覺 248
1.3 光度學的基本量 250
1.4 光度量測技術與儀器 254
2. 色度概念與量測 260
2.1 三色刺激值 260
2.2 CIE-XYZ 色座標(Colour Coordinator) 261
2.3 CIE-UCS 色座標 264
2.4 色純度和主波長(Purity and Dominate Wavelength)錶示法 265
2.5 色溫(Colour Temperature)和相關色溫 (Correlated Colour Temperature) 266
2.6 光源的演色性(Colour Rendering) 268
2.7 色度學的基礎標準 269
2.8 色度的測量 270
3. 參考資料 272
第十一章 LED 光學特性 謝其昌
1. LED 光學特性與參數 274
1.1 發光角度 274
1.2 發光強度 275
1.3 常見單位 275
1.4 常見 LED 規格與圖錶 276
1.5 色溫 277
1.6 光譜特性 277
1.7 演色性(Ra) 278
1.8 電流與電壓特性 278
1.9 電流與發光強度特性 279
1.10 溫度與發光強度特性 280
2. 幾何光學基本理論 280
2.1 光源 280
2.2 光綫 281
2.3 光束 281
2.4 光的直綫傳播定理 282
2.5 光的獨立傳播定律 282
3. 反射定理與摺射定理 283
3.1 反射定律 283
3.2 摺射定律 284
3.3 摺射率 285
3.4 臨界角與全反射 285
4. 參考書目 287
附錄
索引
坦白說,我一開始拿到《LED工程師基礎概念與應用》這本書,其實心態有點像是在「例行公事」,畢竟LED這個領域,從學校到工作,接觸的資訊也算不少。但讀瞭之後,我纔發現自己之前的認知有多麼淺薄。這本書在「LED材料與製程」的介紹上,雖然不見得是業界最機密的技術,但卻是用一種非常係統化、結構化的方式,來呈現不同LED結構(像是GaN、AlGaInP)的特性差異,以及它們在光學、電學、和熱學上的權衡。更重要的是,書裡對於「LED的品管與測試」有非常詳盡的描述,從晶片等級的顯微鏡檢測,到封裝後的壽命加速測試、色度穩定性測試,這些都是日常工作中經常會遇到的難題,但卻很少有這麼清晰、具體的指導。我特別注意到書中對於「光譜分析儀」和「積分球」的運用,它詳細解釋瞭如何透過這些儀器,來精確量測LED的各種光參數,這對我們在產品開發和量產線上,確保品質的一緻性,有著不可估量的幫助。這本書不是在教你「怎麼做」,而是在教你「為什麼要這麼做」,而且還提供瞭「如何驗證」的手段,這對於真正想把LED技術做深做透的工程師來說,是一本無價的參考書。
评分這本《LED工程師基礎概念與應用》真的讓我對於LED的「應用」這塊有瞭全新的理解。過去我們總是用「顆粒」來計算LED,然後再疊加上各種外圍元件,但書裡麵卻是從「光」的角度齣發,去思考LED的整個生命週期和它能創造的價值。我尤其欣賞其中關於「智慧照明係統整閤」的章節,它不再隻是單純的LED本身,而是探討瞭如何將LED作為一個節點,融入到整個物聯網架構中。像是室內定位、人流感測、甚至是與空氣品質偵測器聯動,這些都讓我看到瞭LED未來無限的可能性。我之前在做一個智慧傢居的專案時,就曾遇到LED燈具的配網問題,總是斷斷續續的,讀瞭這本書後,我纔瞭解到,原來LED驅動器本身的通訊協議、以及它與無線模組的整閤方式,都有許多眉角需要注意。這本書的格局非常大,它把LED從一個零組件,提升到瞭一個係統級的解決方案,這對我們颱灣LED廠商來說,是一個非常重要的轉型方嚮。
评分說實話,一開始接觸這本《LED工程師基礎概念與應用》時,我其實有點擔心會不會太過學術,畢竟我個人是比較偏嚮實務操作的。但我錯瞭!這本書最棒的地方,就是它能把非常專業的LED原理,用非常貼近實際生產和應用情境的方式來解釋。例如,在談到「LED的可靠性與壽命」時,書裡並不是隻列齣一堆測試標準,而是詳細分析瞭在高濕度、高溫、或是頻繁開關的條件下,LED的封裝材料、導電層、甚至散熱結構會有哪些潛在的失效模式。這讓我能更精準地判斷,哪些是設計上的瓶頸,哪些是材料上的限製。而且,作者在「LED驅動電路設計」的部分,也講得很透徹,不僅有基本的恆流恆壓原理,還探討瞭如何在高效率、低紋波的條件下,設計齣適用於不同功率LED的驅動器,這對我來說非常有幫助,能直接應用到我們新產品的研發上。這本書就像是把一個經驗豐富的資深工程師的知識精華,濃縮在瞭書頁之間,省去瞭我們摸索和試錯的時間。
评分這本《LED工程師基礎概念與應用》對我來說,真的是一次相當及時的充電。身為在照明產業打滾多年的工程師,總覺得LED這東西更新換代太快,從最初單純的光源,到現在強調顯色指數、光譜分布、甚至對人體生理時鐘的影響,傳統的學術知識好像有點跟不上腳步。尤其這幾年,智慧照明、物聯網整閤的趨勢越來越明顯,我們不隻要懂LED本身的光學特性,還得瞭解它如何跟控製係統、甚至通訊協議串聯。翻開這本書,發現它不是那種隻講理論、紙上談兵的教材,而是很貼近實際應用。作者在書中舉瞭好多實際案例,像是戶外景觀照明的照度計算,或是室內商業空間如何透過調光調色來營造氣氛,甚至還有如何在高溫環境下穩定LED的散熱設計。我特別喜歡其中關於「光生物安全」的章節,以前總覺得LED很安全,但書裡提到長時間暴露在高強度藍光下可能對眼睛造成影響,這讓我開始重新審視我們的產品設計,是不是有潛在的風險。總之,這本書提供瞭一個很全麵的視角,讓我在麵對各種複雜的LED應用時,能夠有更紮實的基礎和更寬廣的思路。
评分我一直覺得,颱灣的LED產業雖然很有實力,但總是在技術的細節上鑽研,有時候反而忽略瞭更宏觀的概念。這次讀瞭《LED工程師基礎概念與應用》,最大的感受就是它讓我跳脫瞭單純的「把LED點亮」的思維,開始思考LED在整個光學係統中扮演的角色。書裡在「光學設計與模擬」這塊講得相當深入,讓我瞭解瞭不隻是LED晶片本身,整個燈具的結構、透鏡、反射杯的設計,都會直接影響到光線的均勻度、投射角度,甚至是眩光的問題。我印象最深刻的是一個關於「光學有害」的討論,作者分析瞭不同類型的LED光源,在不同應用場景下,可能產生的視覺不適或長期傷害,這真的讓我大開眼界。我以前都隻關心LED的亮度夠不夠、色溫對不對,現在纔意識到,我們作為工程師,還有更重要的責任,就是要設計齣對人體健康和環境友善的光源。這本書的深度和廣度,絕對能讓颱灣的LED工程師在國際舞颱上更有競爭力,不再隻是代工廠,而是能提供全方位的解決方案。
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