什麼是LED?

LED是發光二極體( Light Emitting Diode, LED)的簡稱,也被稱作發光二極管,這種半導體組件發展以來一般是作為指示燈、顯示板,但目前隨著技術增加,已經能作為光源使用,它不但能夠高效率地直接將電能轉化為光能,而且擁有最長達數萬小時~10 萬小時的使用壽命,同時具備不若傳統燈泡易碎,並能省電,同時擁有環保無汞、體積小、可應用在低溫環境、光源具方向性、造成光害少與色域豐富等優點。

隨著白光LED的出現與更多科技的導入,目前在家用電器及筆記本電腦的指示燈、汽車防霧燈、室內照明等照明設備日漸蓬勃,LED的應用越來越普遍。

LED的發明

在1955年時,美國無線電公司(Radio Corporation of America)的Rubin Braunstein發現了砷化鎵(GaAs)與及其他半導體合金的紅外線放射作用,而1962年美國通用電氣公司(GE)的Nick Holonyak Jr則開發出可見光的LED。不過,LED真正的起飛是在1990年代白光LED出現後,才開始漸漸被重視,而應用面越來越廣。

LED的發光原理

LED是一種可以將電能轉化為光能的電子零件,並同時具備二極體的特性,也就是具備一正極一負極,LED最特別的地方在於只有從正極通電才是會發光,故一般給予直流電時,LED會穩定地發光,但如果接上交流電,LED會呈現閃爍的型態,閃亮的頻率依據輸入交流電的頻率而定。LED的發光原理是外加電壓,讓電子與電洞在半導體內結合後,將能量以光的形式釋放。目前全球產業所發展出的不同種類LED能夠發出從紅外線到藍之間不同波長的光線,而業界也有紫色~紫外線的LED,近年來LED最吸引人的發展是在藍光LED上塗上螢光粉,將藍光轉化成白光的白光LED產品。LED之所以被稱為世紀新光源,原因在於LED具備點光源與固態光源的特性,能夠節省能源、高耐震、壽命長、體積小響應快速、並且色彩飽和度高。

LED的顏色:

由於隨著LED的製造材料不同,產生出來的光子擁有的能量也不同,故業界透過製造材料來控制LED發光的波長,進而產生擁有不同光譜與顏色的各種LED。

全球第一顆LED採用的材料是砷(As) 化鎵(Ga),工作電壓為1.424V,其發出的光線為紅外光譜。之後,業界發展出以磷(P)化鎵(Ga)作為LED的材料,工作電壓為2.261V,發出的光為綠光。業界早期就透過這2種型態LED所需的材料,調配出從紅外線到綠色光範圍內所有波長的LED產品,發展出常見的紅光LED、黃光LED、橙光LED等等,這3大類LED因為使用了鎵、砷、磷3種元素,故被稱為3元素LED,而藍光LED、綠光LED與紅外光LED則被稱為2元素LED。業界後來發展出採用混合鋁(Al)、鈣(Ca) 、銦(In)和氮(N)共4種元素的4元素LED,就能夠發出所有可見光範圍與部份紫外線光譜的光線。

LED的亮度:

在討論LED產品時,我們會注意的發光亮度有3種單位,分別是照度單位勒克司(Lux)、光量單位流明(Lumen;lm)、發光強度單位燭光(Candle power;CD),3種單位各自有適合使用的領域,但是在數值上是互通的。

1 CD表示完全輻射的物體,在白金凝固點溫度下,每六十分之一平方公分面積的發光強度。適合用在主動發光燈具領域,如白熱燈泡。

1 lm表示1 CD光照射在距離為1公分,面積為1平方公分平面上的光量。適合用在反射燈具與穿透燈具領域,如投影機。

1 Lux表示指1 Lm光量均勻分佈在1平方公尺面積上的照度。適合用在攝影領域。

一般而言,單一LED的發光強度以CD為單位,並配上視角參數,而LED的發光強度從各位數mCD到5,000mCD不等。廠商在標示LED單一產品時,其發光強度規格是說LED在20mA電流下點亮時,最佳視角上和中心位置上發光強度最大點的發光強度。

LED的節能效益

基於環保立場以及節約能源訴求,全球各國政府重視LED與節能燈具帶來的經濟與節能效益,而廠商也看好這次照明革命的商機而紛紛投入。除了歐盟與美國國會均 進行階段性禁止白炙燈泡的使用外,目前已經有加拿大宣佈2010年全面禁用白炙燈泡,而美國加州在內的部份州,也要在2012年禁止白炙燈泡,而澳洲則宣 佈在2010年全面禁止販售白炙燈泡,中國、日本也有LED的獎勵方案在規劃中。

雖然目前市面上已經有另一種節能燈具產品省電型螢光燈 (CFL),但由於其照明品質仍舊不夠,啟動時間較一般白炙燈泡長,而且不能調整光源輸出亮度,普及度仍不夠高。LED則具備更多的節能效益,並且藉由技術的提昇,亮度已經達到讓人滿意的程度,但價格高昂是一大問題,未來隨著全球LED廠商的量產腳步加快,價格降低後可加速LED燈具的普及程度。

LED的壽命:

一般LED的發光壽命很長,產品大多標明為100,000小時以上,但事實上LED的亮度是會衰減的,在運用一段時間後,亮度會衰撿到原本的一半或甚至更少。但所幸隨著業界技術的進步,減少LED亮度衰減問題的方案很多。在生產過程中,選用如4元素LEC材料能夠擁有較久的亮度衰減週期,而廠商使用的LED製程與成品究竟能耐用多久有很大的關係,配色也是LED廠的生產關鍵。

LED的使用壽命,比一般白炙燈泡的1,000小時、日光燈具的1萬小時,LED使用壽命號稱可達5萬小時(但實際上要看搭配電子零件的壽命,如驅動IC、電源),大幅降低燈具替換的成本。這項特性幫助LED燈具在價格競爭上,有了將一般燈泡替換成LED的好理由,更可藉由這項優勢,讓許多原本因經濟考量而不能全天開啟的環境,藉由LED照明讓公共或私人場所 更安全。比如說公共停車場、冰箱等等應用範圍,美國最大零售業者威名百貨(Wal-Mart),就已經將該公司的冷凍設備改採省電的LED產品。

LED較明顯的缺點就是散熱問題,不當的散熱將導致LED燈具的光度與使用壽命衰減,所幸這部份藉由新技術的加持,漸漸也有了顯著的改善。

LED的應用:

除了我們熟知的各種電子產品上面的LED指示燈外,LED螢幕、LED照明、液晶螢幕用的LED背光源、手機上按鍵的LED背光、新世代的OLED螢幕、PLED螢幕等等各式各樣關於LED的應用正逐漸穩定的發展中,部份領域的LED應用因為市場發展趨於成熟,普及的速度開始加快,也無形中創造出驚人的商機。

目前高亮度白光LED光源,是目前美歐日LED大廠競相研發的重點,預估到了2011年後,LED將在一般照明市場中大規模普及。雖然亞洲廠商在高亮度的生產規模佔全球最高比例,不過白光LED光源專利為日本的日亞化(Nichia)和T.G.、美國的Cree以及歐洲的Philips Lumileds和Osram五大廠所掌握;中游模組雖無標準規格,但仍為國際大廠包括National、Laminar、Osram、Lumiled、 Vishay所主導;歐洲、美國與日本也開始積極制訂照明應用器具安規及能源標準。

LED現階段最大的應用是手機按鍵的背光源,各種電子展品的指示燈,而最近應用在廣告看板的大型LED螢幕,還有應用在液晶螢幕的背光源也越來越受到矚目,再來就是建築照明、室內照明、商用照明等等,LED的應用面日趨廣泛。

未來的發展端看各國政府積極應用LED於公共事業的速度,可望加速LED價格的下滑,當消費者採用的程度也提高,屆時產生的經濟效益與節能效益很可觀。

日本廠商推出採用LED背光源的液晶電視。

LED的全球市場發展:

在2005年時,全球高亮度LED市場規模達58億美元,2006年達到66億美元,預估2011年可增加到106億美元,平均年複合增長率(AAGR)為10.2%。高亮度LED的出貨量2005年達到48億個,2006年增加到65億個,預估2011年達到88億個,平均年增長率為10.3%。2005年LED的基板材料銷售額超過10億美元,2006達到11億美元,預估2011年18億美元,平均年增長率為9.7%。

台灣方面在2006年的LED照明光電產值為新台幣210億元,2010年將提升到930億元,2015年更可達到5400億元。在上游光源部分,台灣產量為全球第一,2006年高亮度LED產值不含手機應用高達新台幣150 億元。

台灣上游LED光源產業居全球重要地位,因為在紅、綠光LED技術上處於領先位置。下游應用台灣照明生產品質佳,價格與全球通路是優勢。台灣廠商在液晶面板(LCD)的背光模組全球市佔率達到48%,故台廠藉此切入開發LED背光模組也是一項優勢,而車用LED產品也被視為重點項目之一。

從2007年起LED照明將可逐步代現有白熾燈,2011年起逐步取代螢光燈。歐盟自2007年起逐步淘汰白熾燈泡,澳洲宣示從2010年起全面禁用白熾燈泡,故LED市場前景十分值得期待。未來5年市場應用應以LED看板或顯示的背光源、車用與一般照明為市場發展主力。

在2010年會大幅成長的,將是高流明輸出的商業等級LED照明系統,這是因為家用LED照明對於大多數消費者來說仍是昂貴許多,在長期使用效益、 節能環保訴求與租稅減免優惠的帶動下,商業空間照明採用LED的比例會大幅增加,特別是停車場照明、辦公室照明、工廠照明、倉庫照明等區域。LED照明可 取代高壓鈉燈、鹵素燈、白炙燈泡以外,也已經在某些領域可取代CFL節能燈、螢光燈。

LEDinside預估2010年到2011年將是LED商用照明快速成長與普及的二個年頭,而LED在家用照明的應用起飛則要等到2011年、2012年以後,特別是2012年是個關鍵年。

2010年LED光源在照明市場的滲透率可望達到3.7%,從2009年到2013年將有32%的年複合成長率。(Figure 1)

Figure 1: WW LED Light Source Market

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