臺灣化學教育

臺灣的節慶與化學：台灣燈會

鄭玉鉦

工業技術研究院量測技術發展中心（退休）
元彩太工作室
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 n  燈籠的歷史

燈籠是一種相當古老的照明設備，在古埃及便已出現。中國可能是最早使用燈籠的文明古國之一，其燈籠樣式與使用習慣與鄰近的國家也有些不同。傳統中國式的燈籠主要由紙或絹作為燈籠的外表皮，骨架通常使用竹或木條製作，燈籠裡面放上蠟燭，點燃蠟燭也可以做為照明工具。在許多廟宇裡，燈籠是相當常見的照明裝飾用。現今燈籠在中國、韓國、日本和越南常被視作的一種收藏與欣賞的傳統民間工藝品。近代則以電燈、日光燈、乃至LED燈取代傳統的蠟燭，如圖1所示。

圖1：2012年台灣燈會用電燈和LED燈取代傳統的蠟燭

在華人社會中，年節慶典時都會使用燈籠，特別是過年、元宵節和中秋節三大節日。除了慶典或廟宇使用外，在許多街頭小吃攤也有掛紅燈籠取代招牌，以吸引食客的目光。

n  台灣燈會的由來

交通部觀光局為慶祝元宵節（農曆正月十五），將傳統民俗節慶燈會推廣至國際。故自1990年起結合民間及地方政府資源，開始辦理大型燈會活動。

燈會開始是臺北燈會，每年舉辦一次，成為臺灣重要燈會活動之一。臺北燈會場地在臺北市中正紀念堂，從2001年開始改為全國各地巡迴舉辦的臺灣燈會，由各縣市角逐主辦權，因此各縣市鄉土民情與花燈、主燈配樂的結合逐漸成為一大特色。例如於宜蘭縣舉辦時，主燈配樂即以午後雷陣雨聲為開頭；嘉義之配樂則融入高山青等名曲。

從2003年開始與日本Yosakoi祭典雙向交流，日本團體參與臺灣燈會踩街街舞活動與開燈表演，臺灣團體則參加北海道Yosakoi祭典。2007年間也邀請美國Discovery節目製作人來台參訪臺灣燈會元宵活動，也被美國Discovery頻道評選為全球最佳慶典活動之一，並且拍攝記錄，並製作了系列節目在全球播放臺灣燈會的璀璨魅力。

n  臺灣燈會主燈

臺灣燈會最特別的就是主燈，並以當年歲次之生肖為主題，主燈白天時是雄偉挺拔、氣勢非凡的景觀藝術雕塑；夜晚時，為璀璨奪目及光影幻炫、繽紛變化的美麗巨型藝術燈籠。在燈會期間每隔30分鐘配合音樂亮燈、旋轉，如圖2至圖3所示。

圖2：2013年台灣燈會主燈（騰蛟啟盛）

圖3：2014年台灣燈會主燈（龍駒騰耀）

影片1：2012鹿港台灣燈會（2012 Lugang Taiwan Lantern Festival）

（影片來源：KiyoshiStudio, YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=Neh4LE-Rwc4）

主燈在整體燈光設計上，以科技數位化控制，結合光電科技之全像技術，內部光源也安裝最新高科技節能LED燈超過20萬顆及2,000組燈光變化控制迴路，更符合國際趨勢與世界節能減碳的潮流。

 

n  LED的發展歷史

人類照明光源的歷史最早可以追溯到50萬年前開始使用火把。1792年英國William Murdock首次應用氣體光源在自己家裡的照明。1808年英國漢弗里·戴維（Humphrey David）發明電弧光燈。目前我們所使用的電燈，是在1879年美國愛迪生（Thomas Edison）與英國約瑟夫·斯萬（Joseph Wilson Swan）所發明，1879年愛迪生採用白金燈絲。1930年代許多單位（如英國GEC）製作出廣告用螢光燈。1934年美國奇異公司推出照明用的螢光燈。1948年美國GE與西屋公司利用Ca5(PO4)3(F, Cl)摻雜Sb³⁺與Mn²⁺作為白光日光燈管的螢光粉。

1907年美國Round首次研發SiC LED（碳化硅發光二極體），對元件施加10 V偏壓，可以在陰極處發現黃光、綠光與橘光，SiC是研磨沙紙上常用的材料。1923年俄國Losseve注入電流意外形成的SiC p-n接面，並使元件發出藍光。1936年法國Destriau發現注入電流可以讓ZnS粉末發光。1962年任職於美國GE公司N. Holoyak Jr等人製作並發表首顆GaAsP紅光LED，但直到1970年LED的發光原理才被進一步瞭解，1971年夏天美國RCA公司Pankove等人製作出第一個電激發光MIS結構GaN LED。有機半導體材料LED（OLED）則在1980年中期到末期開始發展。1990年初期美國HP公司的Kuo與日本Toshiba公司的Sugawara等人使用AlInGaP材料發展高亮度紅光與琥珀色LED。

1986年Amano等人（Isamu Akasaki-赤崎勇教授研究團隊）利用MOCVD磊晶低溫AlN緩衝層，成功地成長出透明、沒有表面崩裂的GaN薄膜，Akasak研究團隊利用低能量電子束照射（low-energy electron-beam irradiation, LEEBI）GaN薄膜，並藉此獲得低電阻特性，同時他們也成功地製作出具有p-n接面的藍光GaN LED。1992年日本Nichia公司的Nakamura（中村修二博士），使用熱退火技術成功地活化磊晶在低溫緩衝層上的GaN薄膜，並在1995年成功地製作出GaN藍光與綠光LED。1996年Nakamura又提出利用InGaN藍光LED（波長460~470nm）激發釔鋁石榴石：鈰（yttrium-aluminum garnet，YAG:Ce³⁺；鈰從5d傳輸到4f軌域）黃色螢光物質之白光LED。

n  LED的發光原理

發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）晶粒（Chip）的發光原理：在晶粒被一定的電壓施加正向電極時，正向P區的電洞則會源源不斷的游向N區，N區的電子則會相對於電洞向P區運動。在電子和電洞相對移動的同時，電子和電洞互相結對，激發出光子，產生光能。電流從陽極流向陰極時，晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關，由於使用材料其電子電洞所占能階不同，因此能階差不同，其釋放光的波長也隨之改變，發光二極體的結構示意圖如圖4所示，發光二極體的基本作用原理如圖5所示。

圖4：發光二極體的結構示意圖（翻譯：diode，二極體；cathode，陰極；anode，陽極；p-layer，p層；n-layer，N-層；active region，活性區；substrate，基板；transparent plastic case，透明塑膠外殼；emitted light，發射光）

（圖片來源：http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED_Device.jpg）

圖5：發光二極體基本作用原理（翻譯：p-type，p-型；n-type，N-型；hole，電洞；electron，電子；light，光；recombination，重組；conduction band，導帶；valence band，價帶；Fermi level，費米能級；band gap (forbidden band)，帶隙（禁帶））

（圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/二極管）

n  發光二極體的材料

LED晶粒又稱LED晶片，它是製作LED燈具（LED Lamp）、LED螢幕（LED Display）、LED背光（LED Backlight）的主要材料，由磷化鎵（GaP），鎵鋁砷（GaAlAs），或砷化鎵（GaAs），氮化鎵（GaN）等材質組成，其內部結構為一個PN結，具有單向導電性。晶粒是lamp的主要組成物料，是發光的半導體材料。晶粒的組成是採用磷化鎵（GaP）、鎵鋁砷（GaAlAs）或砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）等材料組成，表1為各種發光二極體波長與材料。

表1 各種發光二極體波長與材料

LED晶粒的材料：III族元素為P型材料，Ⅴ族元素為N型材料，LED晶粒的材料主要是Ⅲ族，Ⅴ族元素的化合物，如表2所示。

表2：LED晶粒的材料所用到的元素

晶粒的焊墊一般為金墊或鋁墊。其焊墊形狀有圓形、方形、十字形等。晶粒的發光顏色取決於波長（HUE），常見可見光的分類大致為：暗紅色（700 nm）、深紅色（640-660 nm）、桔紅色（615-635 nm）、琥珀色（600-610nm）、黃色（580-595 nm）、黃綠色（565-575 nm）、純綠色（500-540 nm）、藍色（435-490 nm）、紫色（380-430 nm）。白光和粉紅光是一種光的混合效果，最常見的是由藍光＋黃色螢光粉和藍光＋紅色螢光粉混合而成。

發光二極體主要優點特色，近年來已快速提昇，製造成本也愈來越低，已被大量用於行車管制號誌燈、人專用號誌燈、跑馬燈、指示燈、聖誕燈、元宵節花燈、汽車燈及大型戶外看板等等，並被視為未來最具有潛力之照明光源。目前在國際間包含日本與歐美各國世界各大照明廠均積極投入研發，未來將是21世紀重要的照明主力。因此，發光二極體的發展將在照明產業中佔據重要的地位。以目前國內照明產業的歷史與近年來市場分佈來分析，各照明廠大多著力於照明燈具產品的開發以及照明產品設計與應用，發光二極體光源能有較佳的光源特性，更易於光學設計與應用，其體積小及高亮度的特性開啟了發光二極體光源的另一扇門，也使發光二極體應用的設計更具彈性。如氮化鎵（GaN）發光二極體係屬於直接能隙之半導體材料，其能隙為3.4 ev，而氮化鋁（AlN）為6.3 ev，氮化銦（InN）為2.0 ev，將這幾種材料做成混晶時，可以將能階從2.0 ev 連續改變到6.3 ev，因此，可以獲得從紫外線，紫光、藍光、綠光、紅光到黃光等範圍的顏色，如圖5所示。

圖5：發光二極體發出各種顏色

（圖片來源：iko, Flickr, https://www.flickr.com/photos/iko/2153949301/in/photostream/）

發光二極體產業近來在全球得到突飛猛進的發展，特別是裝飾燈具，更是如火如荼，廣泛地用於樓體輪廓、橋樑、廣場等市政亮化工程，以及各旅館、KTV、酒店、遊樂場等娛樂場所。發光二極體一般產品種類，如圖6所示。

圖6：發光二極體一般產品種類

（圖片來源：上圖和左下圖，Light-Emitting Diode, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode；右下圖，LEDs, Wikipedia, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LEDs.jpg）

n  主燈LED閃爍

LED主燈的交替閃爍的效果，主要是智慧化控制技術，如模擬或軟體技術、或微電腦控制技術，多數為嵌入式系統，一般的控制技術如下。

1、       變幻控制模式

為了景觀美化的要求，變幻控制模式，給人以豐富多彩，旋律優美，節奏歡快的感受，有時給人以撼動人心的強烈刺激。智慧化控制模式包括：色彩變化：色彩捨設計成控制閃爍控制，一維的點、線；漸變控制，二維的面；亮度的變化，三維的空間；旋轉控制。

2、       色彩變化的控制

LED可控性很好，色彩豐富，色彩變化幾乎無限制。依據三基本色原理，加上數字灰階控制技術，基本上可演變出幾乎超越大自然存在的任意色彩。例如：三基本色LED，如只採用二級灰階控制，即：明和暗，就可實現8種色彩演變；如採用三級灰階控制，即：明、中、暗，可實現27種色彩變幻；如採用八位數碼的灰階控制，色彩種類竟達到1677萬種。

3、       電子控制特點

目前，LED燈具的電子控制結構，主要有五大類：如單燈控制、群燈控制、長或超長跨距燈控制、聲響控制、感應控制。LED微電子控制電路設計的焦點在於可靠度高、價格低，採用來源豐富通用元件。對於長或超長跨距燈的控制除以上要求，還要有數十米，百米乃至千米以上的光帶或線狀布局的點光源。設計的目標還有：色彩豐富，變幻多姿，含跳變及漸變功能。

n  結語

本文主要在台灣燈會與發光二極體的關係中，找出其中與燈會燈具應用變化的關係，進而針對各發光二極體原理與製作，作一系列之初步介紹，內容包括：(1)燈籠的歷史、(2) 台灣燈會的由來、(3)臺灣燈會主燈、(4)LED的發展歷史、(5)LED的發光原理、(6)發光二極體的材料、(6)主燈LED閃爍等等，對於發光二極體應用也有一些簡易介紹，以便讀者能夠整體了解，期望本文對中小學教師教學有所助益。

n  參考文獻

[1]     鄭玉鉦，發光二極體量測技術理論與實務，第二版，工研院量測技術發展中心，民國94年。

[2]     光強度測試標準作業程序，07-3-93-0023，第二版，工研院量測技術發展中心，民國94年。

[3]     光強度測試系統不確定度評估報告，07-3-93-0017，第二版，工研院量測技術發展中心，民國94年。

[4]     The measurement of luminous flux, CIE Publication No 84, 1989.

[5]     Guide to the expression of uncertainty in measurement, 2^nd edition, ISO, 1995.