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白光LED進入量產起飛期(2)

    来源: 作者:日期:2007-3-19 20:32:54 阅读次数:

白光LED期望2010應用於車用頭燈

東京理科大學的宮原諄二教授,在最近的著作中分析了煤氣燈、白熾燈到螢光燈的白光開發史,認為白光發光二極體(LED)是人類的第四次的白光革新。媲美螢光燈的發光功率並有望在2010年左右實現的LED,具有壽命長、自由調光開關等優點,而它的新照明市場也可望出現。

CITIZEN在2005年開發最高發光率的白光LED,輸入電流為3.5W,光束值為245流明,發光率為70流明lm/W。當然,日亞化學在前些時候,也發表了可以達到150流明lm/W瓦的高亮度LED,但是尚未出貨,所以還僅是實驗室中的產品。CITIZEN在1980年上半年開始投入LED,開始行銷針對手機應用的LED,2002年與的日亞化學進行了合作,並且積累了相當多提高光源效能的封裝技術。

為了適應各種用途,讓LED能夠排列各種形狀,甚至於CITIZEN開發出條帶狀的LED模組,如果排列10根LED條帶狀模組的話,就會有2,450流明的照明度,甚至超過了應用於汽車頭燈的鹵素燈(約為1,500流明),消耗電力也僅有原本的3分之2,由此也產生了可以把LED應用於,到先前都無法應用的各種領域,並且已經在2006年開始計畫進行量產。

在新一代LED技術不斷被開發出來,以及白光LED的實用化不斷擴大的同時,過去曾經困擾著產業的各個公司專利訴訟之爭,也終於有了一些進展和結果,這個成果也為LED的前進帶來了新活力。特別是連續6六年,陷入40份專利訴訟大戰的日亞化學工業,和豐田合成的兩家的和解(2002年),這對於LED市場來說是有相當大的影響性。此外日亞和Cree,以及德國的OSRAM等歐美企業之間的專利紛爭也已經和解,簽署了專利相互使用權締約。其中還是有一些包括對台灣以及南韓業者爭論訴訟仍在進行中,甚至於在這些專利官司中,日亞部分的訴訟也慘遭敗訴的結果。這樣的結果將對白光LED的擴大應用出現程度不一的負面影響。

LED汽車頭燈接近實用化

在目前白光LED的市場中,吸引了原本銷售紅光LED等產品的業者、以及借助在大燈管照明市場基礎,而調整策略加入白光LED行銷的業者。例如,昭和電工在2005年年底制定了中期計畫,把高亮度的LED作為發展重點,計劃在銷售藍光LED的同時,期望形成能夠供應三原色光全領域用的LED策略,期望追趕較早投入的業者。而在汽車用照明燈方面,有很大優勢的STANLY電器,也訂定了在2010年左右,開始銷售作為汽車頭燈的LED,預計比例將有10%是採用LED,並且在2007年內,能達到月產5,000台的生產量。

就車用的市場上來說,雖然存在應用程度上的差異,但是就今天而言,高亮度LED已經在幾乎被應用在所有的汽車照明之中。更進一步來觀察,如今LED唯一尚無法攻略的應用,也是規模最大的市場,就屬汽車照明上的頭燈。回顧過去的20年之間,LED不斷的被應用在汽車之中,各種的照明機制,並且也取得了一定程度的地位性,在過去,LED長期以來大多都應用在車內的多種指示燈,但從1980年代末出現的高亮度LED技術之後,LED在車用的領域中,也開始朝向車外訊號應用發展,最初是被應用是在1988年日產的FAIRLADY 280Z,在這款車型中,日產將STANLY所生產的72個AlGaAs紅色高亮度的LED,設計成陣列的型態製成FAIRLADY 280Z中所使用的第三煞車燈。

在1990年代初,東芝和HP又發表了耐久性更好的InGaAlP基板四元材料的高亮度LED,因此順利的跨入汽車燈號市場,並且帶動高亮度LED進入車用市場的高成長期。就2004年來說,全世界所生產的轎車和輕型卡車,約有40%都是使用高亮度LED來作為第三煞車燈。與傳統的白熾燈泡相比之下,LED的啟動時間更短、可靠度更高,以及更具彈性的造型設計能力,使得愈來愈多的新款車型大幅度採用高亮度LED來做為車內外的照明或指示燈。


圖說:2004年全世界所生產的轎車和輕型卡車,約有40%都是使用高亮度LED來作為第三煞車燈。(資料來源:mycar168)

突破受限於高級車市場

因為在1990年代末,第三煞車燈採用高亮度 LED作為燈源開始,陸續出現主煞車燈、方向燈、照後鏡方向燈等,也開始採用高亮度 LED作為燈源開始。不過,因為高亮度 LED的成本問題,所以初期只限於在超高級車上才會考慮採用LED,所以在2004年以前全世界不到4%的車款是採用高亮度 LED作為主煞車燈、方向燈或照後鏡方向燈。不過因為高亮度 LED擴大而帶動成本的降低之後,在2004年銷售的許多中級車也開始採用了LED作為主煞車燈、方向指示燈以及照後鏡方向燈。其中的一個例子是2005年的MONTEGO MERCURY,首次發表了車頭部份使用LED作為照明裝飾的設計。這對於LED業界與汽車界雙方來說,是一次歷史性的開發。隨後2004年的奧迪A8 6.0L也在白天行駛燈上使用了6個1W白光Luxeon LED。相信在今後數年的時間內,包括白天的行駛燈和霧燈上使用白光LED的新車將會與來愈多。



圖說:2004年的奧迪A8 6.0L也在白天行駛燈上使用了6個1W白光Luxeon LED。(資料來源:mycar168)

不論到現在為止,LED在汽車照明上取得了多少成果,終究高亮度白光LED還未能被汽車頭燈照明所採用,目前在市場上的白光LED,由於流明輸出和效率低,被許多人認為是迄今在頭燈的應用上需要被克服的課題。但是近年來,由於大面積(1x1mm)GaN晶片和高度封裝技術陸續被發表出來,因此能夠生產出高亮度的白光LED,並且在效率方面也獲得了一定程度的改善,所以帶給LED業界相當大程度的信心度。不過對於汽車應用來說,問題不僅僅只有效率和流明輸出方面,因為頭燈的溫度上升,導致引擎室產生的熱管理問題,以及汽車用標準尚未明朗化,另外,相對應的光學系統也不能說相當成熟,所以整體來看,如果期望高亮度白光LED被廣泛應用在車頭燈的話,其實仍有一段不算短的路要走。


圖說:相信在今後數年的時間內,包括白天的行駛燈和霧燈上使用白光LED的新車將會愈來愈多。(資料來源:mycar168)

阻礙車頭照明市場的主因

對於汽車來說,基本上還是基於安全性問題,在夜間行駛的情況下,為了確保有足夠的車距,因此全球各單位對於頭燈的性能,制定了各式各樣的標準。目前主要的標準包括ECE歐洲規範、以及美國聯邦汽車安全標準(FMVSS)這兩種國際標準。兩者都是為了提高汽車安全度,因而對於前方光照系統做了相當嚴謹的規定,並在2003年又修訂了更新的版本。

目前而言,LED應用在汽車頭燈最重要,同時也是最困難的課題,就是以每平方米的坎德拉(Candela)來測定亮度。汽車頭燈的標準不僅對於特定道路的流明有一定的規定,同時對於衡量坎德拉的「Hot Spot」的強度也有相當程度的要求。以目前汽車頭燈所使用的產生1,000流明鎢鹵素燈為例,要達到這樣的要求,對於今天的白光LED亮度來說,還是一件相當困難的挑戰。

乍看之下似乎是因為壽命和光效率阻礙著高亮度白光LED在車用頭燈的應用,然而主要的原因是在於款式和顧客吸引力。因為當採用了LED作為汽車的頭燈後,汽車造形設計者就無法進行採用鹵素燈及高強度放電燈(HID)下的造型設計,而必須放棄許多的造型新概念,這在許多概念車的新設計上已經可以被證實。

在目前,大多數汽車照明業者都已經開始和汽車製造業者,共同開發LED頭燈的計畫,這樣的計畫並不是從最近才開始,而是在數年前就已經積極的進行,並且是以生產為目標來研發,根據這樣的研究環境,業界預期使用LED頭燈的汽車,最早將在2008年被投入生產。

但是由於高亮度白光LED頭燈的出現,相信會對汽車前方照明技術產生巨大變化。這樣的變化,在HID出現時就帶來一些革命性的改變,HID頭燈在1990年代末被引入作為車用頭燈,在2004年時就已經有超過600萬台新車使用。雖燃HID與鹵素燈相比,價格會高出許多,但是具備了低耗電、流明輸出高、壽命長等眾多優點,因此在2003年時,大量的被引入車用頭燈的照明市場。再加上HID有一個最大的特色及優點,就是HID頭燈具有燈源可轉向的能力,因此大幅改善了夜間行駛的安全性,使得汽車頭燈從靜止角度的投射狀態,轉變成為具有可變角的能力。所以就如HID所帶來的啟發,假使新技術能被證實具有很大優點,那麼就算與以前的技術相比,而使得成本高出很多,相信也會逐漸為汽車或消費者所接受。



圖說:HID頭燈具有燈源可轉向的能力,因此大幅改善夜間行駛的安全性。(資料來源:AUTONET)

開始實驗生產的LED頭燈

目前汽車照明生產的三家大企業,Stanly電氣、美國Visteon、德國Hella KGaA,在2005年第一季曾經發表了實驗生產的LED頭燈樣品,可以預測到在未來幾年間,有可能將部分的車用頭燈產品導入採用LED。Stanly電氣雖然沒有詳細公佈設計與效能,但已發表的LED頭燈樣品,已在2007年開始,以每個月5,000台的產能開始製造。這款高亮度白光LED頭燈預計將會先應用在高階的車款上,更進一步的Stanly電氣預測,到2010年時該公司將具備每月供應60萬台汽車的生產能力。

Hella KGaA和Visteon都在2005年4月舉行的SAE全球會議上,發表了試驗生產的LED頭燈。Hella KGaA發表了在福斯汽車Golf5上使用的高光束頭燈、低光束頭燈、方向燈以及白天行駛燈等,組合而成的頭燈樣品。Hella KGaA的頭燈,在低光束時能夠達到1,000流明的亮度,達到了與鎢鹵素燈相當的光輸出能力。這樣的亮度,Hella KGaA只是用了7個獨立LED光模組中的其中4個就可達成,而當在高光束模式下,會將全部的7個LED光模組點亮,這個亮度事實上就已經滿足了關於頭燈照明的美國SAE標準,也預計將在2008年,達到歐洲ECE規則的要求。

Visteon的高亮度白光LED頭燈是為凱迪拉克STS所設計的,Visteon表示,這款頭燈是採用獨立的LED光模組與新光源配置,能夠滿足美國聯邦政府要求汽車頭燈的光束標準。宣稱這款LED頭燈除了具有高度彈性設計,改善實際運用效果之外,並具有低電力消耗、使用壽命長等優點。

依據產業技術不斷進步的基礎之下,相信LED頭燈的時代將會急速到來,而剩下的工程設計問題也會快速被解決,根據資料統計,預計在2009年,高亮度LED汽車照明市場預計將達到10億美元,並且在此之後會快速成長。所以在2008年之後,具備LED頭燈的汽車將開始大幅度增加,也就實現了高亮度LED應用市場最被期望的部分。

朝向開發更新一代的基板材料

以目前材料來說,因為利用氮化鎵做為LED基板,因為在結構中需要使用銦,不過最近銦的價格持續上漲,所以在整體成本上,就抵銷了一部分因為技術或製程的改善,所獲得的成本降低優勢。在新技術方面,也開始出現一些非氮化鎵的材料理論,例如像原本應用於化妝品原料的等氧化亞鉛,因為被發現具有不錯的發光能力,再加上氧化亞鉛發光不需要銦,與氮化鎵相比生產成本也較低,氧化亞鉛的發光效率比氮化鎵更高,從理論上來說,會發出更加高明亮的光,使得開發工程師或學者,被吸引而投入研究發展。例如,東北大學金屬材料研究所的川崎雅司教授等,在2004年首次成功的透過電流注入,讓氧化亞鉛的基板發光。因為LED的發光原理就是透過pn層的結合發光,一般對於這類型材料的認知是,而氧化亞鉛相當容易形成n型,不過在缺點上,以目前的認知是很難做出符合特性需求的p型結構。

但是川崎雅司則發現最適宜薄膜的成長條件,是利用組合合成的技術開發出發光結構,並透過反覆在攝氏400和1,000度的製程環境中,完成了10nm的薄膜結晶。川崎雅司在3年的時間了投入了10億日元,期望開發出可以實用的技術,不過到目前為止,p型結構的品質裡還是有一些問題,量化生產的技術方法也還未完成,雖然川崎雅司把它當作了一次痛苦的經歷,但是已經激起業界的研發方向感,並且研究的人數不斷地增加,相信在2010年時,就會出現非只有氮化鎵這一種材料的白光LED。(參考資料:Laser Focus World

 


      
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