The Assembly of Planar Lighting System for Laserbased White Lighting Application 本研究旨在解決半導體雷射(Laser Diode, LD)激發螢光粉(Yttrium Aluminum Garnet, YAG)產生白光照明，架構中螢光粉封裝用矽膠無法承受半導體雷射過於集中的能量照射所造成的高溫問題。本研究提出一種平板燈架構，使用藍光半導體雷射來取代發光二極體（LightEmitting Diode, LED）光源，並利用導光板和擴散膜層的設計，使得半導體雷射的藍光均勻散佈在導光板表，並面激發黏貼在導光板上表面的螢光膜片層，以產生平面型的白光光源。本結構可以設計成多片導光板結構的組合，以形成各種不同尺寸的平板燈產品，並在光板的組合介面加入擴散粒子層，以提高均勻照明的效果。本研究利用實驗和模擬方法，驗證了新型平板燈架構的設計，能夠提供均勻的照明效果，不均勻度最低可以達到41.02%。此外，本研究提出測了擴散膜層裡的二氧化矽(SiO2)粒子濃度為10%對光束分散的影響最佳。以及紅、黃色螢光粉對半導體雷射發出的藍光吸收的機率使得色溫2800K以及演色性78.6。為新型平板燈架構的設計提供了理論基礎。總體而言，本研究提出的新型平板燈架構具有設計簡單、光源數量少、組裝工序少、照明效果均勻等優點，可以為高功率白光照明產業帶來新的解決方案。 關鍵詞：半導體雷射、平板燈、擴散膜層、YAG膜片。
明新學校財團法人明新科技大學團法人明新科技大學 半導體與光電科技系碩士班 碩士學位論文 組合式平面型白光雷射照明系統開發 The Assembly of Planar Lighting System for Laser-based White Lighting Application 研 究 生 ：范 長 安 指導教授：殷 尚 彬 陳炳茂 中華民國一一二年六月 明新學校財團法人明新科技大學團法人明新科技大學 碩士學位論文口試委員會審定書試委員會審定書 Verification Letter from the Oral Examination Committee 本校 半導體與光電科技系碩士班/碩士在職專班 范長安 君 所提論文 組合式平面型白光雷射照明系統開發 經本委員會審定符合本系(所)專業相關領域並予以通過，合於碩士學 位論文標準。 學位考試委員會 委 員： 指導教授： 系所主任： 中華民國 年 月 日 摘要 本研究旨在解決半導體雷射 (Laser Diode, LD)激發螢光粉(Yttrium Aluminum Garnet, YAG)產生白光照明，架構中螢光粉封裝用矽膠無法承受半導體雷射過於 集中的能量照射所造成的高溫問題。本研究提出一種平板燈架構，使用藍光半導 體雷射來取代發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）光源，並利用導光板和擴 散膜層的設計，使得半導體雷射的藍光均勻散佈在導光板表，並面激發黏貼在導 光板上表面的螢光膜片層，以產生平面型的白光光源。本結構可以設計成多片導 光板結構的組合，以形成各種不同尺寸的平板燈產品，並在光板的組合介面加入 擴散粒子層，以提高均勻照明的效果。本研究利用實驗和模擬方法，驗證了新型 平板燈架構的設計，能夠提供均勻的照明效果，不均勻度最低可以達到 41.02%。 此外，本研究提出測了擴散膜層裡的二氧化矽(SiO2)粒子濃度為 10%對光束分散 的影響最佳。以及紅、黃色螢光粉對半導體雷射發出的藍光吸收的機率使得色溫 2800K 以及演色性 78.6。為新型平板燈架構的設計提供了理論基礎。總體而言， 本研究提出的新型平板燈架構具有設計簡單、光源數量少、組裝工序少、照明效 果均勻等優點，可以為高功率白光照明產業帶來新的解決方案。 關鍵詞：半導體雷射、平板燈、擴散膜層、YAG 膜片。 英文摘要 The aim of this study is to address the issue of high temperature caused by the concentrated energy of semiconductor laser in the phosphor packaging silicone gel of the white light illumination architecture A flat panel light structure is proposed using blue semiconductor laser as a replacement for LED light sources The design incorporates light guide plates and diffusion film layers to evenly distribute the blue light from the semiconductor laser on the surface of the light guide plate, which excites the fluorescent film layer adhered to the light guide plate to produce a planar white light source The structure can be designed as a combination of multiple light guide plate structures to form various sizes of flat panel light products Diffusion particles are added to the combination interface of the light guide plate to improve the effect of uniform illumination The new flat panel light structure is validated through experimental and simulation methods, which demonstrate its ability to provide uniform illumination In addition, this study predicts the impact of SiO2 particle concentration in the diffusion film layer on beam dispersion, as well as the probability of blue light absorption by red and yellow fluorescent powders, providing a theoretical foundation for the design of the new flat panel light structure Overall, the proposed new flat panel light structure has the advantages of simple design, fewer light sources, less assembly processes, and uniform illumination, which can provide new solutions for the highpower white light illumination industry Keywords: semiconductor laser, flat panel light, diffusion film layer, YAG film Keywords: semiconductor laser, flat panel lighting, diffusion film layer, YAG film 致謝 首先，我想向我的指導老師殷尙彬教授致上最深切的謝意。感謝他在我碩士 研究期間提供我非常多的支持和鼓勵，他的指導和教導讓我獲益匪淺。他的專業 知識和經驗對我的研究有著深遠的影響，讓我更深刻地了解到研究的重要性，並 且幫助我克服困難，成功地完成了我的碩士論文。 除此之外，我還要感謝許多老師們對我在研究和學習方面的幫助。他們的指 導和建議對我的研究有著極大的幫助。在我需要幫助時，他們總是會非常樂意地 提供幫助和支持，讓我得以克服各種困難和挑戰。 最後，我要感謝我的同學和學長們。在我研究期間，他們給予我極大的鼓勵 和支持。他們的陪伴和幫助讓我不再感到孤單和困惑，讓我的研究生活更加豐富 多彩。感謝他們的友誼和真誠的關心，讓我的碩士研究之旅充滿了美好的回憶。 總目錄 摘要 i 英文摘要 ii 致謝 iii 總目錄 iv 表目錄 vi 圖目錄 vi 第一章 緒論 .1 1.1 研究背景 1.2 文獻回顧 1.3 研究動機 第二章 相關理論 .10 2.1 半導體雷射基本特性 10 2.2 光度學與色度學 11 2.2.1 光通量 ( Luminous flux) 與輝度(Luminace) 11 2.2.1 CIE1931 色彩空間，色溫( Color Temperature)，演色性( Color Rendering Index CRI) 12 2.3 幾何光學 15 2.4 模擬軟體介紹 17 第三章 研究結構與步驟 18 3.1 導光板和擴散膜片的組合結構製作流程 20 3.2 螢光膜片製作流程 24 3.3 製作樣品的材料介紹 26 3.3.1 藍光半導體雷射與模具的散熱 .26 3.3.2 玻璃 29 3.3.3 封裝膠 .30 3.3.4 螢光粉 .31 3.3.5 二氧化矽 SiO2 32 3.3.6 二氧化鈦 TiO2 .33 3.3.7 製作樣品設備 34 3.4 量測設備介紹 36 3.4.1 不均勻度自動化量測系統 .36 3.4.2 光通量 .41 3.5 模擬軟體結構 43 第四章 4.1 結果與討論 44 光學模擬分析與討論 44 4.1.1 光線追跡的結果 .44 4.1.2 兩片導光板組合結構 .46 4.1.3 三片導光板組合結構 .47 4.2 製作樣品分析與討論 49 4.2.1 兩片導光板組合結構 .49 4.2.2 三片導光板組合結構 .55 4.3 整體結果與討論 59 第五章 結論 .63 第六章 參考文獻 .64 表 表 2.1 常見的平均演色性評價表 14 Y 表 3.1 半導體雷射的功率設定………………….……………………………………………… 圖 1.1 BMW 為頭車燈配備了半導體雷射光源[1] .2 圖 1.2 LED 高功率操作下會發生效率下降圖 [2] .3 圖 1.3 本研究所使用(a)LED 平板燈照片(b)導光板結構照片 .4 圖 1.4 用於產生高亮度、低光學擴展量白光的評估光學/熱配置示意圖。[3] 圖 1.5 三種顏色螢光粉的製作過程示意圖。 [4] 圖 1.6 全內反射藍光照射光波導。[5] 圖 1.7 本研究所使用的半導體雷射與導光板結構的組合 (a)上視圖、(b)側視圖 圖 1.8 本研究所使用的半導體雷射與導光板整體結構的組合 Y 圖 2.1 本研究所使用半導體雷射的基本特性(a)半導體雷射結構圖(b)半導體雷射 諧振腔原理 [6] ………………………………………………………………………………………… 10 圖 2.2 明視覺與暗視覺 [7] 11 圖 1931 色度座標 [8] 13 圖 參考色溫顯示圖 [9] 13 Y 圖 3.1 本研究提出的(a)兩片導光板結合結構示意圖(b)三片導光板結合結構示意 圖 ………………………………………………………………………… ………………………….19 圖 3.2 製作樣品三片導光板結合結構的照片(a)不放螢光膜片(b)未點亮(c)點亮 19 圖 3.3 製作樣品三片導光板結合結構的照片(a)不放螢光膜片(b)未點亮(c)點亮 20 圖 3.4 導光板和擴散膜片的組合製作流程圖 22 圖 3.5 實際樣品(a)擴散膜片(b)導光板和擴散膜片的組合 .22 圖 塗反射層製作流程圖 .24 圖 3.7 導光板和擴散膜片組合圖上擴散層實際樣品 24 圖 3.8 螢光膜片製作流程圖 26 圖 3.9 螢光膜片實際樣品(a)冷白(b)中性白(c)暖白 26 圖 3.10 本研究模擬的結果(a)半導體雷射發光分佈模擬圖(b)設計散熱圖 .28 圖 3.11 本研究使用的半導體雷射(a)波長圖(b)發光角度圖 [11] 29 圖 3.12 本研究所使用的玻璃 SCHOOT B270 30 圖 3.13 本研究所使用的封裝膠 184 A-B 封裝膠 .31 圖 3.14 圖本研究所使用的螢光粉(a)RR6436 紅粉 (b)NYAG4454-EL 紅粉 32 圖 3.15 本研究所使用的二氧化矽 SiO2 33 圖 3.16 本研究所使用的二氧化鈦 TiO2 34 圖 3.17 本研究所使用的離心脫泡機 35 圖 3.18 本研究所使用的抽真空系統 36 圖 3.19 本研究所使用的烤箱 36 圖 3.20 本研究量測結構示意圖(a)側視角(b) 前側視角 37 圖 3.21 單片導光板量測位置 38 圖 3.22 不均勻自動化量測系統(a)功率光里畫面(b)自動量測畫面 39 圖 3.23 本研究所使用的輝度計 40 圖 3.24 本研究所使用的步進馬達 40 圖 3.25 本研究所使用的電源供應器 41 圖 3.26 光通量量測系統 42 圖 3.27 本研究所使用的 150cm 積分球 43 圖 3.28 本研究所設計模擬結構圖(a)兩片導光板組合結構(b)三片導光板組合結構 44 Y 圖 4.1 光缐追跡的結果(a)兩片導光板結合結構(b)三片導光板結合結構…… …… 46