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發光效率/成本/散熱為關鍵　LED前進大尺寸背光源市場

【莊惠雯/王智弘/林苑晴】 2007.05



【新電子LED背光源技術研討會特別報導】

由新電子雜誌於4月10日假台大應力館國際會議中心舉辦的「LED背光源研討會」中，產業的代表廠商齊聚一堂分享在市場與技術的不同見解，並深入探討LED發光效率、系統成本與散熱將成為能否進軍大尺寸背光源市場的重要影響條件。

　

根據富士經濟於2007年3月發布光源市場調查結果，2006年液晶面板背光源全球市場規模為3,669億日圓，其中2006年手機背光用白色發光二極體(LED)全球市場規模為717億日圓，雖因手機出貨量增加，使LED市場規模得以擴大，但一般認為，由於LED的高亮度化發展及手機彩色化日漸成熟原因驅使下，導致所須使用的LED數量已漸減少，因此2007年起LED出貨數量增長率會減緩。

台商搶單LED NB市場

雖手機用LED出貨量將逐漸減緩，但大尺寸顯示器使用的LED背光模組市場前景卻逐漸被看好，不過受液晶顯示器價格下跌的影響，目前在價格方面具有優勢的冷陰極螢光管(CCFL)仍為市場主力。

2007年3月華碩LED背光11.1吋寬螢幕筆記型電腦獲德國RedDot國際設計大獎肯定，奠定未來筆記型電腦螢幕採用LED背光源的重要趨勢，並明白宣示，台灣未來將成為高階LED背光源筆記型電腦全球重要代工、生產基地，將為台灣LED廠商帶來極大發展機會。

億光電子研發處處長莊世任(圖1)表示，當省電成為所有資訊技術(IT)產品基本需求時，LED筆記型電腦在技術上被期待的聲音也愈來愈清晰，英特爾(Intel)延伸電池使用時間工作小組(EBL WG)除力推筆記型電腦廠商改用LED背光螢幕外，並指出螢幕為筆記型電腦中耗電最大元件，占系統總耗電量30%以上，因此降低螢幕耗電量為延長筆記型電腦電池使用時間的必然選擇。2006年第三季包括奇美、友達、三星與LPL等LCD面板廠推出12.1吋、13.3吋的LED面板，供筆記型電腦使用，同時戴爾(Dell)、惠普(HP)、華碩等筆記型電腦廠商也相繼表示將於2007年上半年起，陸續將LED面板用於高階輕薄型筆記型電腦。

目前台灣面板主要廠商如友達，推出號稱世界最薄、僅2.9毫米之筆記型電腦，採用12.1吋LED背光源模組，不但提升對比達14,000：1，更可節省45%電源，而奇美19吋及20吋寬螢幕監視器為全球市占率最高產品，其RGB-LED寬螢幕機種，因具備薄型化與超廣角設計，搭配色彩感應回饋補償迴路，使其色彩飽和度高達100%NTSC以上，加上受惠於微軟(Microsoft)推出Vista新作業平台，2007年將有快速市場發展機會。

既然延長筆記型電腦電池使用時間為關鍵，而螢幕又為整體耗電量最高者，因此降低螢幕耗電量為廠商努力目標，莊世任表示，CCFL供電過程為，首先得經過升降壓型DC/DC轉換器，此時將耗損約10%電能，再經由轉換器(Inverter)損耗約25%電力，最終提供給螢光管(Fluorescent Tube)的電能僅餘70%，相較於LED，其只須經過LED驅動器(Driver)就可直接供電，整個變壓電路的效率可達到90%(圖2)，兩者相差20%的供電力，採用LED明顯可減少電力損耗，進一步提高電池續航力。

2006年手機用白光LED成長走緩，加上7吋白光面板價格下跌嚴重，因此LED未來勢必朝更大尺寸平面顯示器市場發展，而筆記型電腦出貨量逐年成長，預估未來兩年平均成長均可達11%，因此筆記型電腦採用之LED大尺寸背光源於2006年底至2008年將有大幅成長。此項趨勢對LCD面板市場執牛耳的台灣廠商而言，為極大的利多消息，莊世任指出，LED筆記型電腦螢幕台灣製造(MIT)之時代即將來臨。

LED顯示器/電視未來市場未明

在Vista推波助瀾下，將促使液晶顯視器朝向寬螢幕、高解析度、寬色域表現方向發展。2007年起搭配LED 3D動態高色域光源之20吋、22吋、26吋及30吋寬螢幕液晶顯視器出貨量將逐漸遞增，目前LED背光LCD顯視器以商品化的機種有恩益禧(NEC)21.3吋及三星(Samsung)20.1吋，售價分別為6,000美元與1,860美元，相較於廠商獲利較高的22吋寬螢幕、CCFL型液晶顯示器，現零售價僅320美元以下，莊世任表示，在20～22吋等級LCD顯視器市場中，LED背光機種較難與CCFL型在大眾市場競爭，消費者範圍恐僅限於小眾、專業市場，而目前30吋CCFL型顯視器價格仍偏高，因此LED背光機種商機在於往更大尺寸發展。

數位訊號開播將開啟平面電視新一波成長，液晶電視深入家庭的關鍵在於類比數位訊號何時停用，台灣已於2003年開啟數位訊號，預計將於2011年停用類比訊號，目前芬蘭已停用類比訊號，美國則將於2009年停用，而在液晶電視尺寸發展方面，莊世任表示，2010年全球LCD電視市場主流尺寸將因價格因素導向而為32吋、40吋或42吋，約占61.5%市場，其次為26吋、27吋、37吋，約占26.8%。

價格方面，2006下半年40吋LED背光模組價格預估平均約為610美元，CCFL為210美元，兩者差距約為3倍，LED背光價格若以每年平均跌幅30%預估，至2008年後才可與CCFL背光模組價位接近。受限於LED背光模組價格較高，目前曾出現於市面上的LED電視產品為新力(Sony)型號為QUALIA 005，該公司目前商品化主推產品為LED背光筆記型電腦，但未明確規畫LED電視的下一步。夏普於2005年9月推出LED與CCFL混合式背光LCD顯示器後，至目前為止未推出新商品，由此可見對於LED電視或顯示器市場，大廠仍於觀望狀態。

莊世任強調，LED背光模組LCD顯示器與電視進入消費性電子市場的機會，關鍵在於LED發光效率的提升與價格的下降，而LCD大尺寸化的發展趨勢日漸明顯，LED背光源不受尺寸限制，可促使相關產業發展迅速。整體而言，平面顯示器的發展已是大適所趨，其中液晶監視器已是現今市場發展主流，而平面電視也以驚人的爆發力持續成長。

提升發光效率/降低成本

LED背光源進駐FPD

以現今32吋WXGA解析度的薄膜電晶體(TFT)液晶面板的材料成本(BOM)結構來看，彩色濾光片(Color Filter, CF)與背光(Backlight)單元，分別占19%和26%的比重，為最大的成本所在(圖3)。也因此，市場對於LED在顯示器背光源的應用，抱持高度期待。

晶元光電研發中心研一處處長呂志強(圖4)表示，LED背光源具有色彩表現較佳和動態背光控制(Dynamic Backlight Control)兩大優點，可強化液晶顯示器的觀賞品質，同時也較CCFL更好的環境特性。

不過，相較於冷陰極管CCFL、外部電極螢光燈(EEFL)，以及平面螢光燈(FFL)等3種背光技術，LED背光的成本仍高出許多，僅燈泡(Lamp)部分就高達270美元，反觀CCFL僅需26美元(表1)，差距懸殊，也讓相關業者在導入LED背光技術時，裹足不前。

因此，如何快速增加LED的發光效率並降低成本，以符合消費者的期望價格，是現階段LED背光單元所亟待突破的瓶頸。呂志強指出，雖然現今LED的發光效率已足堪因應市場需求，但若能進一步提高效率，則有助成本持續下滑。

一般而言，內部亮子效益(Internal Quantum Efficiency)與光萃取效率(Light Extraction Efficiency)是影響LED晶片效率的兩項重要因素，兩者的乘積即為LED晶總體發光效率。呂志強表示，在提高內部亮子效益方面，主要是透過材料品質的改善、磊晶層(Epitaxial Layer)結構與組合，以及材料系統特性等3個方向來進行研發。至於光萃取效率，則要克服材料與折射的問題。

另一方面，為了降低成本，包括Cree與Showa Denko(SDK)等國際大廠，均已開始發展4吋晶圓製程，以提高單位產能。根據SDK表示，藉由該公司所研發的專屬電漿輔助物理沈積(Plasma-assisted Physical Deposition, PPD)技術，已可有效克服4吋製程在晶圓曲度(Wafer Warp)上的問題，並開發出可在20毫安培(mA)驅動電流下，達13毫瓦(mW)發光效率的藍光LED。

呂志強指出，LED晶片尺寸、晶圓尺寸及發光效率，均與成本息息相關。當效率提高，可同時縮減晶片尺寸，降低LED成本。而當晶圓尺寸增加，則可讓邊緣效應(Edge Effect)減少，良率提高，同樣也可節省成本。他強調，隨著晶圓尺寸擴大，製程也須提高自動機台的使用比例，以維持磊晶的均勻性，並降低人為因素對良率所造成的影響，以達成本微縮的最終目的。

大尺寸LED背光源商品化 散熱仍是一大關鍵

根據iSuppli資料顯示，40吋LED背光源市場自2006年始，正在緩步成長，至2010年將可逼近1,000萬台的市場規模，約占整體背光源市場超過10%。然而LED背光源雖受惠於環保節能趨勢的帶動，有助於擴大LED背光源的市占率，但若要真正加大LED在大尺寸液晶背光源應用發展，降低價格成為現在最亟須解決的重要課題。

背光源降價幅度快速，19吋以下背光源的價格已降至50美元以下(圖5)，因此LED若要能在背光源市場中獲取最大效益，須朝向20吋以上的液晶電視發展才真正有利可圖。

目前以32吋的液晶電視背光源市場觀之，採用冷陰極燈管與LED背光源的價差高達3倍。而市調機構Citigroup資料顯示，40吋以上LED背光源價格，市場期望能在2010年時與CCFL的價差縮減至0.5倍，而此目標須在顆數達100顆下才能達成。

華上光電照明事業部副總經理顧振聲(圖6)指出，要調降LED背光源的價格，除了要考量到發光效率外，散熱問題亦是其中的一大關鍵。

現階段開發LED背光源多採用多顆紅、藍、綠光LED組合而成，且須達成10瓦驅動下，驅動電流達150～1,000毫安培的效能。而要達成如此目標須採用多達好幾百顆的高亮度或中、高功率的LED，在多達數百顆LED燈同時發光後，將使得LED背光源因高溫而產生散熱問題。

顧振聲提出新力開發的46吋LED背光源的模組設計方案表示，新力方案選擇在4個角嵌入散熱風扇，而華上光電在26吋LED背光源模組則採用特殊設計，僅在模組兩邊放置風扇即可達到散熱功能。

另一方面，LED排列方式亦成長影響到LED使用顆數、效能與成本問題的要項，目前大尺寸LED背光模組大多採用直下式設計，而要讓LED均勻發光，在LED背光源模組結構包括分光片、印刷電路板、反射式偏光片、反光板、PMMA、光擴散板以及液晶面板等元件的組成與排列，都將是影響性的關鍵要素，此外，如何以色彩管理達成真色，以及透過技術達到高對比的效能還有低功耗的目標，亦將考驗各家LED商與系統業者在系統開發尚的智慧。

(詳細圖表請見新電子科技雜誌254期5月號)

posted by C.H. Chen @ 3:23 AM