競爭激烈的高亮度LED晶片產業與技術(1)
儒／DigiTi 高亮度LED伴隨高輝度化 不斷擴充市場規模和應用領域
2007/01/15
前言：近年來，LED隨著高輝度化的發展，整體市場規模獲得相當快速的成長，特別是白光LED的市場規模更是明顯的擴大，所以對白光LED新用途的開發也不間斷。為了擴大LED特別是白光LED的用途，如何提高發光的效率、相應的輝度、延長使用壽命，以及降低每單位照明的成本等條件。現在使用白光LED的發光效率，除了一部分的製品之外，大多都在30∼50lm/W左右。因此如果要代替白炙燈就需要將亮度提升到70∼80lm/W以上，如果要代替使用在汽車頭燈上的HID與家用照明的話，就更需要提高到100lm/W以上的發光效率。
在現有的發光效率下，如果需要一定程度高輝度，期望因為增加電流量來產生較大亮度的話，這就必須考量如何增加LED的面積來滿足所增加的電流，或者利用將數顆小型LED封裝在同一個模組之中，來實現封裝模組對電流量容許值的提高。但是因為在發光時，會出現熱效應比率提高的情況，因為如果投入的電流量提高，在目前的發光效率下，熱效應也會成比例的上升。另外，大面積LED比小面積LED的電阻來得要高，使得大面積LED本身的效應也比較大。如果單純以現有LED為基礎來提高輝度的話，將會陷入一個因LED本身價格，和散熱材料的成本過高而產生的惡性循環之中，這和以低成本化為基礎的市場特性是背道而馳的，而且熱效應量的上升會引起封裝材料的熱劣化，對其使用壽命也有很大的影響。
圖說：如果要代替白炙燈就需要將亮度提升到70∼80lm/W以上，如果要代替用在汽車頭燈上的HID，和家用照明的話就更需要提高到100lm/W以上的發光效率。 （資料來源：OUTDOOR）
LED的發光效率可以達到80lm/W
由於上述理由，為了擴大未來的白光LED市場，業者就必須提高LED的外部量子效率，如果實現了LED高外部量子效率來提高發光效率的話，所出現的連鎖反應就會下降，例如因為減少電流透過而使得熱效應比率降低，實現成本的下降和長壽命化。關於這一方面，目前因為透過局部製程的改變、使用不同的化合物半導體材料、各種白色發光方法的開發，以及新一代螢光粉的開發，已經使得LED的發光效率可以達到80lm/W。
在使用壽命的方面，目前已經都能夠實現4萬小時後才開始進入高峰衰退期的使用時間，但這卻只能滿足照明的最低要求，照明領域所需要的是更高的使用壽命，現在已經有客戶要求LED業者提高壽命的要求，要求4萬小時是達到高峰期的70%，也就是說高峰衰退期的使用時間是5.7萬小時，而整體的使用壽命題將會提高到11.4萬小時，比起目前的8萬小時增加了近1/3。但是另一方面，LED的高峰衰退期是根據投入電量和點燈方法的不同有很大的變動，所以不可能明確定義，使得這一方面還是有一些問題存在。具體上白光LED的長壽命化，大多是透過封裝材料的改變來達到，例如由目前的epoxy變為silicon來防止樹脂黃變，在此同時還能夠維持光通量，此外還有包括，採用D/B材料和反射結構的劣化防止技術，來達到改善熱效應實現低溫驅動。
如何降低每1lm發光的成本
目前最大的問題是，如何降低每1lm發光的成本，雖然可以看到市場上白光LED的產品的增加和業者的激烈競爭下，使得單價已經大幅的降低，但是和其他的光源相較的話1 lm白光LED的成本依然很高。更具體化一點來看，如果期望在各領域普及白光LED應用的話，就必須將現在30lm/W的成本降低1/2∼1/3。這樣一來就必須朝向提高在LED生產和封裝時的良率，以及使用材料的改變。不過最好的方法還是透過量產的方式來降低單價，但是為了得到更大的量產效果，終究還是必須增加白光LED在各方面的應用機會。因此現在各業者都在努力增加白光LED的應用領域，所以才能夠使得1ml的成本持續降低，相信在未來數年內1m㎡的大面積LED晶片的產品和高單價的高階LED產品，能夠有機會到達商品化實用的價格。
高輝度LED應用範圍正在擴大
就市場的變化而言，以高輝度為主的LED，應用範圍正在擴大。例如在車用的方面，不僅是白光LED，包括紅、黃光等等的可視光LED，都已經開始被應用在汽車中的儀表板背光和方向燈、尾燈，而車內外裝飾部分的應用也都在急速的擴大中，從一些研究報告中可以發現，一部汽車對於LED的使用數量一直在增加，並且有很好的發展潛力。
而最近最受注目的還是應用在液晶面板的背光領域，在過去大多只是10吋以下的小型液晶面板，背光源才會使用白光LED，最近使用RGB 3原色LED的高彩度面板背光和20吋的中型面板背光都開始使用LED了。因為液晶面板尺寸不斷的增加，使得背光用的LED數量也增多了，在加上面板自身市場規模的擴大，也快速推動著高亮度LED的市場規模。面對未來，相信最大的應用市場應該是照明，在以前，低輝度的產品不論價格還是亮度都無法與螢光燈和白熱燈相比，但是隨著發光效率的提高和價格的下降，可以看出逐漸被實用化的趨勢與機會。
LED將在亮度和成本方面與HID進行競爭
以目前來看，在車用領域最大的課題是將LED應用在汽車的頭燈，例如在日本市場，由於受到法律的限制，無法在頭燈使用LED。但是，這樣的限制將在2007年開始出現轉機，從2007年開始可以將LED應用在概念車上，從2008年開始，更可以擴大使用LED來作為頭燈，並且在2010年以後應該可以以允許開始正式使用。從元件的性能來看，目前的白光LED已經可以代替鹵素燈了，最大的挑戰是如何取代HID。但是隨著技術的發展，相信到2010年，LED將會有機會在亮度和成本兩方面與HID進行競爭。
從基本來看，在汽車頭燈使用LED的優點很多，首先是使用壽命，儘管與前述的LED的高峰衰減期也有一些關係，但是汽車的頭燈不是平常的照明，所以與一般照明用途不同。接下來是設計的靈活度，頭燈內的縱深將變薄，正面可以用來全面照明，使得設計的彈性度增加，而且因為LED是比較指向性強的光源，所以作為照明可以進行設計簡單化和輕型化，除此之外，透過與可視光通訊技術的結合，非常有可能成為安全行駛用的資訊通訊元件。
在頭燈之外，LED在汽車的應用也逐漸地增多，尾燈、方向燈和霧燈等外部照明，還有車內燈、腳燈、儀表板用燈、導航設備用的液晶背光，和其他自動設備的操作面板，應用可以說是相當的多，當然各個應用領域都有輝度要求，同時對於演色性也有所要求，另一方面也有只要成本低的情況，所以要求各不相同。
這彼此之間可以約略的進行區分，例如一般車外燈的要求會是以輝度為主，車輛內裝則是以演色性為主。具體來說，頭燈是需要光的到達距離，對色再現等等沒有明確的要求，而車內燈會因為乘車人討厭藍色的光等等因素，所以對演色性的要求很高，而如果應用在儀錶板上的LED就和演色性無關，不過卻會被要求低輝度和低成本。
圖說：在頭燈之外，LED在汽車的應用也逐漸地增多，尾燈、方向燈和霧燈等外部照明，還有車內燈、腳燈、儀表板用燈、導航設備用的液晶背光，和其他自動設備的操作面板。（資料來源：Seriouswheels）
白光LED側光液晶用背光 備受關注
應用在液晶面板背光的LED，會依據點燈方式是直下還是側光式，用途是電視還是電腦螢幕，都更有不同。對於輝度的要求方面，電視會比電腦螢幕高，側光式背光的話就會使用白光LED，如果是要求高輝度、高演色性的電視就會使用直下式背光。電腦螢幕的話，一般都使用側光方式的RGB點燈，但是電視的話，採用白色直下和RGB側光的方式不同，就熱門程度而言，現在在LED市場上備受關注的是使用白光LED側光方式的液晶用背光領域。
使用白光LED側光方式的背光，本來是使用在手機上的，但是這種技術在應用上，傳統上小型的主流是2吋左右的面板，大型的也只不過是車用導航使用的7吋。但是，目前應用尺寸已經逐漸擴及到20吋面板用，使用白光LED做為背光已經是被受相關業者的關心。以目前來說，主要是筆記型電腦螢幕的背光，例如在Sony的一部分產品上已經開始使用白光LED作為面板背光，其優點是可以達到PC本體的薄型化、輕型化，延長電池壽命等等的特色。現在的白光LED的紅色spectre比較弱，有色再現性不足的缺點，但是對電腦螢幕畫面，尤其是筆記型電腦，要求與電視同樣高演色性的使用者不多，所以在這一方面色再現不會成為一個大問題，而且如果真有高演色性方面的需求，也可以使用RGB 3原色背光和在白光LED的Rail配列中，利用定點混合紅色LED的方法等等來解決，相信在未來，電腦螢幕用光源對於白光LED做為背光源的採用將會更加擴大。
另一方面，電視用RGB背光的市場化也是相當被看好，目前已經有相當多的業者將RGB 3原色LED背光液晶電視商品化了，但是要將這些三原色的背光完全成為主流技術，需要解決的問題還很多，相信還需花費數年來解決這些問題。這是因為3原色背光的根本性問題在於成本，由於電視背光需要高輝度，所以使用的必須是1W以上的高輝度LED，而且因為是直下式的方式，所以在LED的使用數方面，也會因為面板面積而大幅度的增加，在加上為了色調同一，數百個LED全部都需根據發光波長嚴格選定，光是LED成本就很高。使用時還有冷卻LED的散熱鰭片和冷卻風扇等解決熱效應零件的成本，另外還需要調整各LED色差的RGB色度Sensor，以及將Sensor偵測出得內容送回LED的Sensing Algorithm等周邊電路的成本，並且因為大量使用高輝度LED，導致的驅動電流的增加也是一大問題，所以以現今而言能夠完成低價化還比較困難。
除了成本之外，也有一些問題需要克服，例如影像播放訊號的高解析度範圍，現在的影像播放訊號只能發揮LED的3原色背光最基本演色解析度，因此要將3原色背光的潛能發揮出來，就必須強化內容高解析度，因此在目前的環境下，使用RGB 3原色的背光是有點大材小用。因此，未來如果期望將3原色背光面板完全市場化的話，前提是必須降低成本，並且提高品質，建立採用新的全彩高解析色資訊的播放規格，並且基於這個規格來普及影像內容，所以現在說3原色背光已經市場化，其實還是言之過早，但是相信使用3原色背光的LCD 面板，將來會達到實用化應該是毫無疑問的。
圖說：電視用RGB背光的市場化也是相當被看好，目前已經有相當多的業者將RGB 3原色LED背光液晶電視商品化了。（資料來源：LEDTRONICS）
用於一般照明領域 尚需時間研發
未來LED市場最大的領域就是一般照明市場，如果能夠完全代替螢光燈的話，相信就可能有超過3,000億美元以上的潛在市場規模，並且能夠應用在更多不同的領域。但是事實上，如果期望LED能夠完全取代傳統燈源還是有一定的困難度。由於LED是點光源，因此在部分的產品可以開始利用LED來代替以往的白熾燈等燈泡，就實際的市場上而言，目前已經有包括吸頂燈、內部照明等開始採用，而市場規模也是逐年擴大之中。但是，在螢光燈等面光源領域的市場發展卻較為緩慢，因為如果要把LED作為面光源來利用的話，只能像面板用的背光一樣，以直下的方式將LED在固定面上鋪滿，或者以側光的方式利用導光板來完成。但是這些方式都很難在發光功率和價格方面代替螢光燈，特別是在一般照明領域需要演色性高，這樣一來就需要使用紫外光，或者使用以藍色LED為基礎，但可激發RGB的螢光粉，不過這卻會造成發光效率的下降，因此期望滿足100lm/W的照明效率需求還需要一段不算短的時間。
所以在發光功率不足狀態下，雖然有人會認為RoHS有可能帶來一些的契機，但是到目前為止，RoHS並沒有全面禁止使用用於螢光管水銀，除了本身的問題，其他的技術也正虎視眈眈的關注照明市場這一塊大餅，例如像OLED這樣面光源的發光技術也正積極的被開發中，所以也不會出現非得使用LED不可的情況。所以整體而言，將包括螢光燈在內的一般照明達到LED化，如果不基於技術層面而是基於市場化基礎上的話，預計需要在3∼5年的時間才有可能出現一些機會。
圖說：未來LED市場最大的領域就是一般照明市場，如果能夠完全代替螢光燈的話，相信就可能有超過3,000億美元以上的潛在市場規模。（資料來源：PHILIPS）
LED超越傳統光源 創造更高品質
對於LED的新應用市場來說，早期一般所期待的是車用領域、LCD用背光燈領域，以及代替白熾燈等燈泡，或代替用於室外看板光源功能的一般照明領域，對於這些領域，LED可以說在輝度和演色性兩方面都能夠滿足要求，只不過在部分的技術上還要進行開發和努力。
但是因為LED的技術還在不斷的開發中，各種應用的可能性都還是相當的大，相信未來必定會因為發光效率的提高，和價格的降低被開發出更多的新應用領用，例如目前已經有業者開始開發利用LED作為液晶投影機的光源、可視光通訊用的光源等等。此外伴隨著這些變化，在封裝材料、熱傳導黏合劑等的封裝相關領域也因此而有著相當多的改變，並且出現了相當大的連鎖效應。
LED市場是一個尚包含著很多的課題和可能性的領域，正因為如此市場的潛力是相當的大，相信在各領域的努力下，LED大有機會可以超越傳統光源，創造更高品質的光源環境。
posted by C.H. Chen @ 2:07 AM
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