白光LED簡介

文章作者: 阮世昌 提供機構: 太平洋證 2000/12/29

白光LED是LED產業中最被看好的新興產品,在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下,白光LED在在照明市場的前景備受全球矚目,歐、美及日本等先進國家也投注許多人力,並成立專門的機構推動白光LED研發工作。而目前白光LED的關鍵技術—藍光技術,專利權還掌握在日亞化等少數廠商手中,導致精於量產、降低成本的我國業者切入困難。但技術的演進畢竟是一日千里,將來只要有廠商突破日亞化的專利網,白光LED目前受制於價格的推廣困境,應當能顯著改善,而我國LED廠商也將有無窮的機會。

白光LED的技術概況

所謂白光是多種顏色混合而成的光,以人類眼睛所能見的白光形式至少須兩種光混合,如二波長光(藍色光+黃色光)三波長光(藍色光+綠色光+紅色光),目前已商品化的產品僅有二波長藍光單晶片加上YAG黃色螢光粉,在未來較被看好的是三波長光,以無機紫外光晶片加R.G.B三顏色螢光粉,此外有機單層三波長型白光LED也有成本低、製作容易的優點。預計三波長白光LED今年有商品化的機會,未來應用在取代日光燈、U型省電燈炮及LCD背光源等市場,對白光LED的市場成長有很大的幫助。

在技術方面白光LED目前主要分為2種發光方式:

目前主要的商品化作法是日亞化(Nichia)以460nm波長的InGaN藍光晶粒塗上一層YAG螢光物質,利用藍光LED照射此一螢光物質以產生與藍光互補的555nm波長黃光,再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合,便可得出內眼所需的白光。

第二種是日本住友電工亦開發出以ZnSe為材料的白光LED,不過發光效率較差,

但由於目前白光LED市場熱絡,仍呈現供不應由求現象。此外HP、Siemens、Cree Research、EMCORE是其他幾家生產高亮度LED的代表性廠商,對白光LED的開發也頗積極。顯然白光LED開發基礎在藍光技術,目前藍光LED技術以日亞化學領先,且有眾多的專利權,台灣廠商雖積極發展,但目前不易突破,不過許多廠商看好此一市場仍繼續研究中,如國聯光電已開發出藍光LED晶粒,有助未來進軍白光LED應用市場,億光與長庚大學進行共同研究,並陸續出貨下游相關產品。

白光LED的特色

白光LED是最被看好的LED新興產品,其在照明市場的發展潛力值得期待。與白熾鎢絲燈泡及日光燈相比,LED具有體積小(多顆、多種組合)、發熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流起動)、壽命長(1萬小時以上)、反應速度快(可在高頻操作)、環保(耐震、耐衝擊不易破、廢棄物可回收,沒有污染)、可平面封裝易開發成輕薄短小產品等優點,沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染的問題等缺點,是被業界看好在未來10年內,成為替代傳統照明器具的一大潛力商品。

表一:白光LED與現行照明設備比較

照明方式 特點
白光LED LED具有發熱量低、耗電量小(白熾燈泡的八分之一,日光燈的二分之一)、壽命長(1萬小時以上,是日光燈的10倍)、反應速度快、體積小可平面封裝等優點,易開發成輕薄短小產品,是被業界看好在未來10年內,成為替代傳統照明器具的一大潛力商品。
日(螢)光燈 日光燈雖省電,但仍有廢棄物含汞污染、易碎等問題
白熾鎢絲 低效率、高耗電、壽命短、易碎等是其缺點

資料:電子時報

白光LED仍處於初期發展階段,使用壽命上仍待改進,但基本上沒有白熾燈泡、日光燈的缺點。雖然目前商品化並不多,價格過高是未能普及的主要原因,據日本業者估計,LED晶粒成本需由99年的每顆1美元降至0.2美元以下,市場才有更高的接受度。而未來白光LED的應用市場非常廣,包括手電筒、裝飾燈、LCD背光源、汽車內部照明市場、投影燈源等,不過最被看好的市場還是取代白熾鎢絲燈泡及日光燈。

表二:白光LED照明效益分析

地區|條件和效益 條件 能源節約 降低二氧化碳排放
台灣 25%白識燈泡及100%日光燈被白光LED取代 省下110億度電力,約合一座核能電廠發電量  
日本 100%白識燈泡被白光LED取代 可減少1-2座發電廠電量 每年節省10億公升以上的原油消耗
美國 55%白識燈泡及55%日光燈被白光LED取代 每年節省下350億美元電費 每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。

如表二所示,對於十分仰賴能源進口的國家如日本,發展白光LED在照明市場取代部份傳統照明器具是一項極價值的計劃,若是其100%的白熾燈泡被白光LED所取代,則每年可省下相當於1∼2座發電廠的發電量。間接減少大約10億公升的耗油量,而發電過程中排放的二氧化碳也會減少,抑制地球的溫室效應擴散,因此白光LED有其市場空間。而日本通產省已在1998年主導「21世紀光計畫」中,針對新世紀照明用LED光源進行實用化研究(光電協會)。

在台灣方面對能源進口的依賴與日本相當,近期更因核四廠興建問題,掀起巨大的政治風波,開發新能源及提高能源使用效率,便成為當前重要的課題。而白光LED發展被寄以厚望,據PIDA預估,若是台灣25%的白熾燈泡及100%的日光燈被白光LED所取代,每年可省下110億度電力,約1座核能電廠每年的發電量。以台灣反核聲浪高漲及其他電廠興建也不易,節約能源可能是短期最有效的方法,而白光LED在照明市場的潛力更是值得期待。

白光LED的應用與市場規模

白光LED與一般照明設備比較,除了省電外還有壽命長、不發熱等優點,對於廢棄物的回收問題,也比現行日光燈少,可說是既安全又環保,目前尚未成熟的只剩價格因素,所以各界對白光LED寄以厚望,有[綠色照明光源]之稱。未來應用領域也非長廣泛,如小型手電筒照明、LCD背光源(汽車、音響儀表板、手機背光板)、交通號誌及指示板、室內照明、船、飛機、汽車內照明等。

表三:白光LED市場概況 單位:百萬美元

年份 1998 1999 2000 2001 2002 2003
汽車用 10 13 18 23 31 41
電腦用 13 16 21 28 37 49
民生用 19 24 32 42 55 73
工業用 6 8 11 14 18 24
軍事/天文用 6 7 9 12 16 22
通訊用 13 17 22 30 39 51
其他 3 4 5 6 8 11
總計 70 88 118 156 204 270

資料來源:ReedElectronicsResearch,1999/7

在照明市場方面,根據Frost & Sullivan的預估,2000年白熾燈泡及日光燈的全球市場規模約為43億美元,每年成長率約為5%,是2000年全球可見光LED市場規模的2.5倍左右,因此照明市場的發展空間頗大。再根據Reed Electronics Research統計,99年全球白光LED市場有8800萬美元的市場,估計2000年將可成長至1.18億美元的規模,未來3年均將保持40%左右的成長速度,在2003年可達到2.7億美元的市場規模。未來在白光LED成本進一步降低、照明應用領域陸續開發的情形下,白光LED估計從2004年開始,還會有更為可觀的市場規模突破,顯示此一產品具有相當大的市場爆發力。(電子時報)

白光LED未來研發動向

未來白光LED在技術上有朝三波長全彩發展的趨勢,在亮度上目前每瓦15流明,未來目標是達到每瓦50流明;在價格上現階段每個20元台幣,未來目標降至5元台幣;因此三波長全彩、高流明、低成本是白光LED的發展趨勢,目前全球大廠也積極努力中,預估在2010年前可達成此目標。

表四:白光LED未來研發動向

發展方向 目前現況 未來目標
發光效率的提升 15 1m/W 50 lm/W
1.GaN無機UV-LED之短波長激發光源之研發 460nm 254nm
2.高外部能量轉換效率之研發 10% 40%
3.高螢光材料能量轉換效率研發 60% 90%
成本的降低 2 lm/﹩ 2000 lm/﹩
1.無機LED晶粒成本降低問題解決 ﹩1/個 ﹩0.2/個
2.高操作功率技術之研發 IF=20mA IF=80mA
3.大面積無機LED晶粒製程與熱分佈問題解決 0.1m㎡ 1 m㎡

資料來源:工業材料

結論

白光LED是21世紀照明市場的新希望,眾多的優點預告其未來將逐步取代傳統照明設備,但目前仍有價格過高、專利權壟斷、使用特色等問題待改善。我國在白光LED的研發起步較晚,但憑藉著完整的LED產業體系,再加上龐大資金匯集在上游原材料的發展上,相信未來在白光LED上會佔有一席之地,而相關廠商如國聯、億光等發展動向也值得密切注意。