臺灣的節慶與化學:台灣燈會/鄭玉鉦

星期日 , 20, 七月 2014 Leave a comment

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
now88154163@yahoo.com.tw

 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。

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12012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。

2003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。

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22013年台灣燈會主燈(騰蛟啟盛)

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32014年台灣燈會主燈(龍駒騰耀)

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影片12012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+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1970LED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LEDOLED)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

1986Amano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, LEEBIGaN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 LED1992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LED1996Nakamura又提出利用InGaN藍光LED(波長460~470nm)激發釔鋁石榴石:鈰(yttrium-aluminum garnetYAG: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。

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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-layerp層;n-layerN-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

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5:發光二極體基本作用原理(翻譯:p-typep-型;n-typeN-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。

1 各種發光二極體波長與材料

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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

2LED晶粒的材料所用到的元素

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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。

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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。

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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, 2nd edition, ISO, 1995.

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