可攜式螢光粉量測分析系統

.   概說

發光二極體(LED)具有發熱量低、耗電量小、壽命長、反應速度快、以及體

積小等優點,目前全球白光 LED 照明產業持續蓬勃發展,尤其在手機面板背光

源、照明以及汽車產業的應用更有無窮潛力。近年來,國內外多家面板廠商已將

白光 LED 導入作為筆記型電腦液晶顯示器背光源,取代使用汞的傳統冷陰極螢

光燈管。從解決環保及能源問題觀點而言,白熾燈泡向來存在低能源效率與發熱

問題;至於含汞螢光燈,則存在汞污染的缺點,為此 LED 照明無疑將成為全球

照明大廠全力以赴的目標。雖然白光 LED 使用於民生照明還存在諸多問題亟待

解決,然可預見的將來,在製造成本逐漸降低、照明應用領域陸續開發之下,未

10 年內,白光 LED 預期將成為極具潛力的照明商品。目前發光二極體之製造

已趨於成熟,發展新型且具高效率之螢光粉為各家爭奪目標,螢光粉為固態無機

材料,依其可被激發之波段與放光光色而應用於各系照明設備與顯示系統中。其

發光原理為接受一能量之刺激,造成其內之發光中心電子躍遷至激發態,並進而

以電磁波方式回至基態,此過程產生發光。當螢光物質受光刺激,其內電子受激

到高能階的激發狀態後,回到原有的低能階狀態時,能量以光的形式輻射出來,

如圖(1)就是所謂的「光致發光」。

 可攜式螢光粉量測分析系統  

(1)  螢光粉受紫外光激發後產生的綠光

(photoluminescence,  PL),為一有力又無破壞性之技術。放射光譜  (emission

spectra)  測量是利用氙弧燈提供一寬波段之激發光源,為得高解析之螢光量測數據,入射光源須維持一特定之波長,藉由單光器  (monochromater)  之狹縫(slit)

將光源出射光分成特定波長之入射光,入射光之能量被螢光粉體吸收後,螢光粉

體將發射另一特定波長之光段,其被單光器所接收,如同激發光之單光器,只允

許某一狹窄之波段通過。再利用光電倍增管  (photomultiplier tube, PMT)  收集光

並測量其螢光強度,並以軟體分析光譜資料。如圖 2

 

以量子效率量測系統而言,目前日本有產品 HAMAMATSU  C9920  ,一台

要價兩百萬。其架構如圖 3,使用的儀器包括:氙氣燈光源、手動分光器、積分

球、光譜級 CCD 陣列檢測器。此類系統雖有很高的解析度但所費不貲,無法大

量使用在螢光粉生產線上做品質的控管。

 可攜式螢光粉量測分析系統  

(2)光激發光譜儀架構

  可攜式螢光粉量測分析系統  

(3) HAMAMATSU C9920

有鑑於此,本公司針對 LED 螢光粉開發可攜式螢光粉量子產率測量儀。利

用微型光譜儀(  4)來開發可攜式螢光粉量子產率測量系統,採用  450nm(可選

擇性)的藍光 LED 作為激發光,螢光樣品放置在積分球內部由積分球來收集螢光,送入光譜儀進行螢光分析。採用最新製程的微型光譜儀,應用  MEMS  技術做成

凹面光柵使得光譜儀變小。如圖(5),由入射狹縫進入的複合光線照射到凹面光

柵,經凹面光柵色散後的光線由聚焦物鏡聚焦於線型 CCD 陣列感測器形成光譜

面。內部設定了光線吸收阱,可有效抑制產生的雜散光。外殼由一整塊鋁材精加

工而成,有效防止溫度形變或是震動所致的光譜漂移。並針對電磁干擾(EMI

進行了優化,有效防止外界干擾影響測量精度的問題。

 

 可攜式螢光粉量測分析系統  

(4)微型光譜儀

      

 可攜式螢光粉量測分析系統  

(5)  光譜儀內部構造

 

系統架構

此可攜式螢光粉量子產率測量儀如圖(6),具有下列特性:

    革命性螢光系統設計,超快速全光譜測量。

    定量測試螢光粉的光色參數,有效管控螢光材料的一致性。     定量測試螢光膠的光色參數,研判產品光色要求。

    獨特的激發光扣除算法,可以測量螢光粉的絕對光譜。

    螢光能量轉換,螢光量子效率分析。

    體積小、重量輕、易安裝,隨產線調整。

    光電測試單元分離設計,升級成本低。

 可攜式螢光粉量測分析系統  

(6) 可攜式螢光粉量子產率測量儀架構圖

可攜式螢光粉量子產率測量儀採用 450nm 的藍光 LED 作為激發光,樣品放

置在積分球內部由積分球來收集螢光,送入微型光譜儀進行激發螢光光譜分光分

析。此系統主要使用於測量螢光粉在連續單色光譜激發下的發射光譜,激發螢光

量子產率計算,螢光光度(亮度,輻射亮度)和色度參數(峰值波長、譜線頻寬、

色品座標、色溫和顯色指數、主波長,色純度,紅色比等等)。以下就此量測系

統的架構、操作機制及理論基礎進行說明。

簡要來說,激發螢光量子產率是利用積分球量測螢光粉吸收入射光之後,有

多少比例以光的形式釋放出來。螢光粉是一種陶瓷粉末,螢光物質受光刺激,其

內電子受激到高能階的激發狀態後,回到原有的低能階狀態時,能量以光的形式

輻射出來,就是所謂的「光致發光」。光致發光可分為螢光及磷光兩種。如圖(8)

物質吸收外部光源的能量後,位於基態的電子躍遷至激發態,這時若直接由這能

態迅速緩解至激發態中的最低振動能態,再以放光形式回到基態,就稱為螢光。若是經由系統間跨越(intersystem  crossing)轉移至電子自旋是三重態的能態,

再緩解至最低振動能態,然後以放光的形式釋放能量回至基態,則稱為磷光。

 

(8)  光致發光系統分子能階示意圖

 

其架構如圖 9,利用藍光 LED 光源當作激發光源導入積分球內。所使用的

積分球內部塗上可擴散反射的材質(硫酸鋇 BaSO 4 ),使在出口處量到光強度與總

光通量維持一定比例。激發光直接打到附著在積分球內的樣本,並在樣本與出口

處之間放置一擋板,防止反射的激發光與樣本產生的 PL 直接從出口處導出。經

積分球擴散反射的光最後從出口處利用光譜級 CCD 陣列檢測器量測光譜。由文

獻上推導的方程式[1],便可得到 PL 量子效率ηPL 

 可攜式螢光粉量測分析系統  

其中,N emission 為樣本所放光的光子數,N Absorption 為樣本所吸收的光子數,α

為量測系統的校正參數,λ為波長,h 為普郎克常數,c 為光速,I em ( λ )為從出口

處量到的 PL 強度,I ex ( λ)為沒有樣本時激發光強度,I ex ( λ )為有樣本時激發光強

度。 

 

9:  可攜式螢光粉量子產率測量儀架構圖

 

技術規格:

1.  系統結構輕便簡潔,方便攜帶。

 

 2.  色彩計算:定量模擬、精準快速。

光色參數測量

  絕對光譜Spectral radiant flux ( W/nm )

  最高波長Peak wavelength (λp)    

  中心波長Center wavelength (λc)

  色純度Excitation Purity (Chroma%)

  色域波長Dominant wavelength (Hue;λd )

  色坐標Chromaticity Coordinates (x,y @1931)

  色溫C.C.T. (correlated color temperature)  

  顯色指數 C.R.I. (color rendering index )

3. ‹螢光分析

  螢光原材料進料定性分析

  光色異常定性光譜分析

  進料規格承認確定

  基本光色材料光譜資料庫

4. ‹螢光能量轉換,量子效率分析

    藍光能量轉換,激發光吸收效率分析

    螢光材料量子產率測量

 

  

可攜式螢光粉量測分析系統  

 

 

 

可攜式螢光粉量測分析系統  

 

 

 . 結論

 

利用具省電、低污染、壽命長之優點,以 LED 作為照明光源已是現代照明的發展趨勢。高亮度藍光 LED 開發成功後,利用白光 LED 作為照明光源之理想,隨即於 GaN()配合 YAG()之白光 LED 系統取得初步實現。除 LED 本身亮度外,所選用之螢光體亦為影響光源總體發光效率之關鍵因素。現有的螢光粉檢測設備多為實驗室等級,價格昂貴且笨重無法配置至生產線上。開發可攜式螢光粉量子產率測量儀,具有體積小、價格低廉,可大量用在生產線上。可大幅提高螢光粉生產品質,提高產品競爭力

 

 聯絡人: 黃先生  0988-238989

ERmail: frank88.huang@gmail.com

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