LED照明市場應用及技術狀況分析

　　集體積小、反應速度快、耐震性佳、可塑性高、組件壽命長等特點于一身的發光二極管（LightEmittingDiode,LED），是最先進且受期待之照明光源，各家廠商無不致力開發LED照明相關應用。本文針對現今照明用LED技術民展與市場應用趨勢及其特用電源供應系統設計規格，作一系列分析整理，期能提供研究新時代LED照明之參考。

1、LED簡介

　　LED的發展歷史相當早，早期以光通訊領域應用為主，當時常被用來替代雷射二極管作為光源�，F今LED應用范圍則相當廣泛，主流發展以發光波長落于可見光范圍之各色LED，較具發展潛力的有背淘汰、電子設備、室內外看板或顯示器、汽車領域及新興的照明應用等。而在非可見光LED則分為紅外線LED及光通訊LED；紅外線LED應用于無紅遙控及信息設備、無線通訊及交通系統等新應用的IRDA模塊。光通訊LED則以光通信模塊、條形碼讀取頭、CD讀取頭及半導體電射等用途。表一為LED分類及其應用領域。

　　一LED分類及其應用領域

　　分類材料應用領域

　　可見光LED（450-780nm）傳統亮度GapGaAsPAIAS家電、信息產品、通訊產品、消費性電子產品

　　高亮度AIAS（紅、橙、黃光）大型看板、交通號志、背光源、汽車第三煞車燈

　　GaInN（藍、綠光）

　　GaInN+熒光粉（白光）照明用燈

　　不可見光LED紅外線LED（80-950nm）GaASGaAlAsIrDA模塊、遙控器

　　光通訊LED（1300-1550nm）GAlAS光通訊用光源

　　從LED應用領域發展趨勢來看，背光源、室內外顯示器及汽車這三部分的產值最高，但以未來成長率來觀察，則發現以照明應用的成長性最高，從2002年到2004年的復合成長率高達42%，其次是顯示器有36%的成長率。這也是為何各家廠商都以白光LED為發展的重點。

　　2、白光LED

　　自1960年發展出第1顆LED，歷經三十余年直到1996年日本日亞化學的中村先生發明藍光LED，突破長久以來的技術瓶頸后，白光LED就成為照明界所矚目的新興光源。過去LED普遍用于信號指示，如今已造成照明科技的指針。

　　LED發出白光的方式主要可分成兩種，如表2所示；一種是單晶型（SingleChip），這種方式與日光燈的發光方式一樣，就是把藍光加上黃色螢光粉或此外光LED加RGB三波長螢光粉來產生白光；另一種是多晶型（MultiChip），即利用互補的2色或把3色做混光而形成白光。除此之外，單芯片型最新技術動向是改變活性層的性質，利用單純的半導體產生RGB三色光，進而獲得白光效果。

　　多芯片型方式凝于各顏色LED的驅動電壓、發光功率、配光特性的差異，以及溫度特性、組件壽命的相違，因此距離實用化還存有許多待解決。單芯片型因為組件種類單純，因此具有驅動電路設計容易等優點。其中，有關近紫外LED激發RGB三色螢光體，具體方法是利用RGB三色螢光體的波長與近紫外差異很小的特性，獲得高效率的發光，并于flipchip結構上均勻涂抺RGB三色螢光體，便可變成白光LED，此外不同種類螢光體的組合，可產生各種顏色的光線，所以近紫外LED可廣泛應用于照明與顯示領域。

　　白光發光原理

　　方式激發源發光元素螢光材料發光原理

　　單晶型三波長發光層InGaNMQW利用三種活性層使RGB發光獲得直接白光

　　藍色LEDInGaNYAG黃色螢光粉以藍色光激發螢光粉（黃色發光）

　　紫外光LEDInGaNRGB三波長螢光粉以紫外光激發RGB螢光粉（原理同螢光燈）

　　多晶型藍色、黃綠色、藍綠色、橙色LEDInGaNGAPAIInGa

　　藍色、綠色、紅色LEDInGaNAIInGaPAlGaAS將3原色裝成一組

　　由于單體LED的光束很微弱，欲應用于照明用途必需將復數個LED作系統最佳化的配列。日亞BY白光LED、21世紀光源計劃小組的RGB白光LED以及山口大學OYGB白光LED的室溫發光頻譜、發光效率、色溫、平均演色評鑒數Ra等照明光源必備的光學特性比較。其中，B表示藍色（Blue）、（Yellow）、R表示紅色（Red）、G表示綠色（Green）、O表示橘色（Orange）。

　　3、技術發展現況

　　由于白光LED嚴然成為照明科技的指針，在五年間，國家級的研究計劃有1998年4月日本開始執行5年內投入50億日元的“21世紀光計劃”，1999年美國“半導體照明光源白皮書”則預計十年投入5億美元的研發經費。產業部分有世界三大照明廠所投資成立的半導體光電公司--OSRNMOptoSemiconductors(OSRAM)、Lumileds(Philips)、GELcore以及美國Cree與日本日亞化學(Nichia)、豐田（ToyodaGosei）、住友等白光LED的代表公司。

　　由表三可知各國在LED的投入及發展方向主要著重在材料以及制程技術的研發，并且以美國及日本較為積極，因其訂出的研究項目及技術指針較為明確，投入的資金也相對較大，參與廠商也是世界各地重量級的廠商，所以在未來5-10年仍然是以美日在LED市場的領先者。

　　在白光發光效率方面，因為白光LED的發光效率要超過100lm/W以上才能進入廣大的照明市場，對目前的日光燈（約60-100lm/W）才有取代的效果，所以各國均以達到100lm/W以上為目標。就單價來年，日本希望持續降低藍光LED晶粒的售價到5元日幣以下，換算臺幣約1-2元左右，可預見未來藍光LED仍有50%的下降空間。

　　另外，全球氮化鎵（GaN）的藍、綠光LED市場是由日本的Nichia、TyodaGosei及美國的Gree和歐洲的OSRAMOptoSemicondutors等廠商所掌握。其中在專利及技術最強的是Nichia，但最近Nichia的專利權已經被突破，因此未來藍、綠光的競爭勢必更加激烈，相對的成長也會更為快速。而美國的Cree所生產的亮度雖然不知Nichia，但該產品具有低成本與單電極打線等優點，所以成為一全球藍、綠光LED的最大產量的廠商。

　　為了規避Nichia專利，各國廠商開始往紫外光加上三波長螢光粉發出白光之技術發展，而紫外光LED以美國Cree技術層級最高，其發光效率已達21lm/W（為市售藍光LED約4-5倍）。若以紫外光專利數來看，目前研究紫外光LED專數目最多的是日本，以ToyodaGosei和Nichia發展的最積極，紫外光LED的專利數分別為15件及11件，在白光亮度領先的機會最大。

　　在白光LED封裝技術方面，主要的技術難度在如何耐高電流、具高散熱性及提高發光的亮度，所以發展出“低接觸阻抗電極”、“耐熱UV樹脂材料”來耐高電流及提高散熱性，并借“高反射率”、“高效率的螢光體合成法”以及“照明設計”等技術來提高發光亮度。