白光LED進入量產起飛期--LED显示技术网

白光LED的照明應用已向前邁出一大步

長久以來，固體照明光源都被稱為具有高能源效率、低維護成本，壽命長、廣泛的設計適應性、對環境危害小等優點。關於固體照明光源技術的開發和商品化，美國能源署和光電子工程學產業開發協會（OIDA）的Schedule計畫表和Roadmap也長期被業界所關注。但直到今天依靠產業界共同努力進行的計畫和研究，實際上是否產生了商品或得到其應用呢？生產LED的企業和照明系統開發業者是否開始向實際社會導入呢？此答案是正確的。

大約從十多年前開始，汽車、娛樂、以及小型產品採用多色彩LED的數量愈來愈多，憑藉著LED及封裝技術的進步，白光LED在電梯和療養設施乃至飛機的機艙、食品店的入口等的室內照明應用，可以發現有增加的趨勢。

淺顯的說，固體照明是將高亮度LED作為光源，來代替傳統的白熾燈和螢光燈。據美國調查公司Strategies Unlimited的研究報告中顯示，高亮度LED的市場，因為交通訊號和裝飾照明等方面的彩色LED應用的帶動下，自1995年以來，每年以接近50%的速率持續增長，到了2007年預計將達到5億美元。

現在的固體照明其主要應用上，包含了彩色光的照明，但是白光的照明則是LED業界的最終目標。1990年代末出現的白光LED，在最近這幾年性能及流明方面有顯著的提升，現在幾乎快要超越白熾燈了。而在初期階段的應用，當時僅擁有發光效率及成本效果等方面的優勢，但隨著技術進步之後，相信白光LED將逐漸進入總量達到120億美元的照明市場。

圖說：因為交通訊號和裝飾照明等方面的彩色LED應用帶動下，1995年來每年以接近50%的速率持續增長。（資料來源：紅點科技）

對急速增長的LED照明市場而言，白光LED的加入具有非常大的價值。現在大多數的彩色照明用LED依舊使用紅藍綠（RGB）的LED。如果照明或建築的相關人員認識到所謂LED是什麼、LED有什麼用途，則LED作為一般照明的觀念將可被接受。當然這個過程需要一定的時間，但是在搶進一般照明市場之前，白光LED將有機會完全發揮在特定的技術、設計性等的用途上。

了解每瓦特的流明和價格重要性

LED最初的開發是在1960年代，當時是運用在交通信號和交通標識等指示用途上，直至最近才在照明上使用。照明系統用的LED 的材料有兩種。一種是紅、橙以及黃色LED用的AlGaInP四元材料，另一種是綠、藍及白光LED用的InGaN氮化物材料。這兩種材料由於組成不同，可以變化出不同的發光色彩。白光LED可以透過紅、綠及藍色LED混合，藍色LED和螢光粉組合，或者利用紫外光LED和複合螢光粉組合的方法製造。以今天來說，業界的目標是期望能夠達到照明用200lm/W一半的效率。

最近業者所發表的LED，已經能夠達到25∼50lm/W的水準，並在價格方面也減低到室內可接受的範圍內。但在另一方面的比較考慮下，白熾燈能達到12∼15lm/W，而小型螢光燈（CFL）能達到50lm/W，再加上75W的白熾燈一般的價格為1美元以下，同等的CFL價格約為5美元。但反觀現在的白光LED產品價格，100lm約在每1,500美元以上，（不同方向的思考，這也是理所應當，LED光源擁有至少35,000小時的壽命，與傳統的光源約1,000小時的壽命相比，這就高達35倍之多）。所以白光LED是否能夠被利用在傳統的照明用途上，根據上述的判斷，即可了解到每瓦特的流明和價格是非常重要的。

圖說：白熾燈能達到12∼15lm/W，而小型螢光燈至少能達到50lm/W。（資料來源：紅點科技）

白光LED照明已由實驗性質跨入生活圈中

因為LED的使用進而創造出新造型的光源，而照明的方式也將得到改變，對於想提早使用白光LED做為照明用的使用者而言，是相當具有吸引力的。例如，LED從很久以前開始，就已當做照明用途來使用，如在飛機機艙內的「禁煙」和「繫好安全帶」等標識，另外，白光LED技術的發展，也開始被飛機製造者高度關注著，現在正考慮是否能夠應用在乘客用的讀書燈等用途上，讓飛機內能源消耗得以減低。

Color Kinetics的Chromacore系列是使用，經常供應飛機機艙的內部照明的B/E AIROSPACE所製造的電子照明系統。這個系統是由微處理器控制LED，產生出可程式化的色彩效果，也適用於一般的機內照明，例如QANTAS航空在頭等艙的照明中使用LED，或者空中巴士（Air Bus）也只採用白光LED作為機內讀書燈，目前美國Rensselaer大學（RPI）的照明研究中心（LRC）的技術員們也正在和波音共同開發最新型的飛機用LED照明光源。

圖說：白光LED技術的發展，也開始被飛機製造者高度關注著，由微處理器控制產生可程式化的色彩效果，也適用於一般的機內照明。（資料來源：Securaplane）

除此之外，LRC也同時對商用冷藏陳列櫃，開發能夠使用白光LED的相關技術，LRC的這個專案也與美國GE的子公司GELcore、超級市場的Price Chopper、以及Taylor Refrigeration一起合作。這個研發團隊，從2004年開始將配有LED照明系統的4門冰箱，設置於Price Chopper位於紐約州市場的冷凍食品區，以評估其性能和消費者的反應。就技術上來看螢光燈，多少會受低溫的影響，但是因為LED不會有這個問題，所以使用LED的冰箱，當內部長期使用時能夠節約能源和維護費用。

對白光LED來說最初的大型市場應該是電梯用照明，因為LED具備了震動和上下運行耐牢性，所以LRC也開始發展用以替換電梯內部的低效率白熾燈，對薄型LED天花板燈進行開發和評估，並且在加利福尼亞州能源委員會的公益能源研究專案，和美國工業能源公司的資金援助下進行了2年的研究專案，提供LRC的研究小組與OTIS共同對電梯的天花板板進行設計開發。LRC相信將成為電梯用的理想的光源，並且把以往的電梯和採用薄型LED的電梯進行了對乘客抽訪的比較，當結果出現時，發現無論是從哪個角度來比較，乘客都判定採用薄型LED的電梯具有更好的識別性、舒適性、色彩和魅力度。

圖說：對白光LED來說最初的大型市場應該是電梯用照明，因為LED具備了震動和上下運行耐牢性。（資料來源：Ledeffects）

白光LED實際應用開發課題

對於白光LED的開發課題來說，不僅是亮度的提高，包括均一性、演色性、長壽命化等等多個方面也都是需要強化與努力的，在過去，模擬白光的LED由於無法解決顏色的問題，所以產業界不斷地提出各式各樣的技術和材料，然而在白光的這個領域中成為研發焦點的，並非是LED晶片本身的效能，而是包括模組技術、封裝技術，以及螢光粉和封裝材料等等的問題才是重點。

提高光輸出功率是重要課題

白光LED 的製造技術，從以往的藍色LED和黃色YAG螢光粉組合成模擬白光，朝向各種不同的方向不斷努力發展。以前的製造方法導致LED發光的均一性低、封裝材料壽命短、更沒有可耐久使用的LED特色、紅色（R）及綠色（G）的成分少使得演色性下降等問題。此外對於白光LED的應用來說，不僅僅是一般照明用燈，應用包括已經擴展到行動電話用的背光、鍵盤背光、照相機的閃光燈、LCD-TV背光、汽車用的頭燈，醫療用燈等等，所以隨著應用範圍的日益廣泛，生產出適合不同領域的白光技術，就變得相當重要也是大家所關心的發展趨勢。

這些年來，白光LED的發光效率本身確實有所上升。根據LED照明推進協會（JLEDS）的藍圖，預計在2009年左右，白光LED發光效率將有機會達到100lm/W，所以相當多的業者依照這樣的期望加速開發出高於藍圖規格的新一代白光LED產品出來。以目前的製程與材料技術來看，白光LED的基板材料已經朝向採用GaN材料，來代替藍寶石或SiC來做為晶片，期望藉此能夠大幅度的提升內部量子效率，因為注入電子數相對應放出光子數的外部量子效率，是由內部量子效率和光的輸出功率的乘積所決定，在材料特性的關係下，因此產業界都對於GaN基板抱有很大的期待。

不過雖然GaN材料具有高度的內部量子效率的特性，但是由於GaN基板的高成本關係，使得成本成為大量採用GaN材料做為基板的最大瓶頸，因此普及化的可能性在目前來說依舊不明朗。與此同時，另一方面由於期望藉由封裝技術的進步來提高外部量子效率，LED業者正全力提高光的輸出功率，所以如何降低LED晶片的光損失，就成了努力的目標，不斷的對封裝技術提出更先進的期望要求。

LED晶片和封裝的技術都需要再提升

為了達到更高的光輸出效率，利用基板的藍寶石凹凸結構、覆晶的封裝來提高光的輸出效率正被業界積極開發中，而包括LED晶片表面的構造和光子晶體構造也有多家業者投入研究。例如，OSRAM OPTO Semiconductors所開發的「ThinGaN」LED，是在InGaN層上形成金屬膜和導電載子（Carrier）的藍寶石基板，利用金屬膜所產生的鏡面作用，激發出更多的光得以輸出，因此根據OSRAM的推估，利用這樣的方式下，LED晶片的輸出功率被提高到75%。

雖然這樣的製程可以改善LED晶片輸出功率，但是如果在封裝階段，因為設計或採用材料不良而造成光損失增加的話，那就辜負了前段製程所做的努力。日本OMROM則是開發出新一代的封裝技術製程，利用平面光源的結構來大幅度的提升外部量子效率，進而增加整體LED的光輸出量。OMROM是利用透鏡光學構和反射光學結構來進行組合，讓晶片所產生的光，透過引導至被稱為「Double Reflection光學結構」的方式，使得炮彈式LED經常因為廣角造成的光損失可以藉由這個機制向外輸出。OMROM更在結構表面的網眼上，進行2層反射鏡構造的加工，讓光行進的路線能更進一步得到提升，而獲得更高的光輸出效果。

封裝材料和螢光粉的重要性日益增加

一般的白光LED是在陶瓷封裝等的中間裝配LED晶片，並且在LED晶片的周圍灌入混合螢光粉的樹脂，混合樹脂的目的是讓螢光粉的間隙被填滿，並且讓LED晶片所發出的熱，被散熱鰭片（Heat Sink）和線架（Lead Frame）等吸收，讓封裝內部不至於過熱。這是因為用於封裝材料的環氧樹脂抗熱性較差，往往在LED晶片本身的壽命耗盡之前就出現變色的情況，因此需要依靠散熱結構的提高，使得LED晶片流過更多的電流，來增加光輸出的可能。

目前已經有業者開始研究採用矽材料的可能性，因為矽材料的耐熱性更高，即使在150∼180度的情況下也不會出現變色，所以正逐步代替環氧樹脂用於LED的封裝材料，採用矽材料的特色不僅如此，還包括400nm的短波長光線都不會被材料吸收，這對於利用紫外光LED搭配RGB螢光粉來達到散發白光的產品，是相當適合的。除了用於封裝材料外，矽材料也可作為透鏡、透鏡固定接著劑、散熱材料等等使用，對於不同材質的矽材料可以針對不同的需求來使用。

關於提高Ra的方面，螢光粉就佔了相當重要的角色，為了補充模擬白光LED中缺少的R和G，目前有相當多的業者開始開發，在藍色LED搭配使用紅色及綠色的螢光粉，以及利用在紫外光LED中加入紅藍綠螢光粉的技術，藉此提高Ra值，來達到高演色性的目標。

圖說：利用在紫外光LED中加入紅藍綠螢光粉的技術，藉此提高Ra值，來達到高演色性的目標。（資料來源：Roithner-laser）

對於使用複合螢光粉的情況下，不能簡單的將各個顏色混合，必須要考慮當遇到藍色光時，什麼樣的調配比例才能最接近自然白光。韓國的Seoul Semiconductor的「New White LED」，為了抽出紅色的成分，將螢光粉透過特殊製程後使用，因此達到了在色彩再現性上，與NTSC相比達到92%的水準。此外，松下電工在2006年3月所發表的照明用LED「MFORCE」中，憑藉藍色LED和紅、綠螢光粉的組合，讓Ra值從原來的約80%成功的提高到90%以上。因此藉由螢光粉的努力，可以讓模擬白光的使用螢光粉LED，有機會能夠達到和自然光的表現水準和特殊特色性，並且也能夠因此而擴大應用範圍，例如在顏色檢查、臨床檢查、美術館、甚至於道路的照明等方面，這些使用複合螢光粉的白光LED，相信在未來的用途將進一步擴大。

圖說：藉由螢光粉的努力，有機會能夠達到和自然光的表現水準和特殊特色性，並且能夠因而擴大應用範圍，例如在顏色檢查、臨床檢查、美術館、甚至於道路的照明等方面。（資料來源：SF-LED）

就次世代的技術而言，業者不僅利用螢光粉和熟知LED的混合方式來獲得高演色性的模擬白光LED，OSRAM更進一步開發了在LED晶片上，直接塗抹螢光粉的「Chip Level Conversion」技術，這個方法的優點是，黃光不會由於螢光粉而分散，因此能從狹小範圍內輸出，可以防止顏色的模糊和擴大所帶來的損失。由於強光能在狹小的範圍內射出，封裝的光學機構控制也變得很簡單，因此在需要高亮度的汽車頭燈等方面的應用是相當適合的。

仍有很多挑戰性課題

在一般照明的領域，開始大規模的以LED照明來置替換以往的照明光源，在這一點上，雖然仍然留有很多挑戰性的課題，這些課題不僅包括性能和成本的問題，還包含了亮度的分級未完全確立其標準化，所以仍需長期的培養用戶能夠了解到LED照明的潛在價值，並支持這項新技術轉換的基礎應用機會。（參考資料：Laser Focus World）