LED照明技術發展趨勢

▓撰文／圖片提供：陳勇全、鄭名山

LED源起於1907年，一路發展至今高亮度LED已廣泛出現在各種不同的產品上，由於其效率高與壽命長等優勢，已漸漸取代傳統光源成為新一代的主流光源。高亮度LED市場是逐年成長，而在產品分布方面2009年時高亮度LED產品占手機產品的比重最大，而近期可發現顯示器的比重大幅增進，除此之外還有一個不可忽視的產品市場則是在照明方面，照明產品的市場會逐年穩健的成長。

LED照明燈具技術

LED照明燈具技術為一種系統整合的概念，其系統中心為LED光源，LED光源技術目標為提供更好的發光效率，更低的熱阻，更佳的光譜特性，如演色性及相關色溫等，以光源為主體可將LED照明燈具展開4項技術的整合，分別為光學、電控、散熱與機構，光學技術目的為替照明燈具設計符合需求的燈具光型，透過光學分析及模擬並且利用光學元件將光源的光型轉換為燈具需求的光型；電控則可大致分為電源驅動及控制系統，電源驅動目的為將外部電源轉換為LED所需求的電壓或電流，控制系統則可以讓燈具結合傳輸及數位化操作，賦予燈具生命；由於LED光源在發光的同時也產生大量的廢熱，因為散熱結構設計將使得LED燈具與光源保持適當的溫升，以避免減低效能及壽命；由於LED燈源體積小，使用變化大，因此機構設計可以讓LED燈具有別於傳統螢光燈或HID燈具，展現更多樣化的連接方式，因此LED照明燈具不論是如圖1的取代式燈泡或者是圖2新一代的LED照明模組，皆為上述技術的整合，由於LED產品的普及率尚未達到飽和，所以各家廠商在光源及光機電熱的技術都在繼續不斷的改良及進步中，以下將簡單介紹目前各項技術的最新發展情況。

LED晶粒

目前高功率高亮度LED晶粒為一般所熟知的約3V電壓驅動的低壓LED以及前陣子所推出的AC LED，近期晶電提出的HV LED為利用自身研發的倒裝焊大功率高壓LED芯片模組，其特色在於並沒有利用金線互連，HV LED單元間的互聯是利用基板上的布線完成的，因此能有簡單的封裝製程及低廉的封裝成本，此高壓低電流的設計產生更佳的發光效率，在與封裝廠的合作下晶電宣稱此產品能達到162 lm／W的冷白光以及150 lm／W的暖白光，HV LED暖白光為使用紅光整合藍光晶粒，此款暖白光的效率比起傳統的藍光激發暖色系螢光粉更能兼顧高效率及演色性，其效能大約能增進20～30％。由於HV LED的推出，使得不同瓦數的燈具可以選擇其適合的LED晶粒，AC LED的市場主要集中在2W以下，由於瓦數小導致廢熱少，因此在市電直接供應下可以維持一定的穩定性；HV LED則由於發光效率較高，因此可以承擔2W至10W的任務，此階段瓦數多為燈泡型燈具；而高瓦數的燈具可由DC LED繼續來扮演光源的角色，因此 AC LED、DC LED與HV LED將有各自發揮的市場。

LED基板

目前大部分製作LED所使用的基板為藍寶石（Sapphire）與碳化矽，此兩者的技術已經很成熟，而晶圓尺寸也愈來愈大，從2005年至今晶圓直徑從2吋擴大至4吋，並且未來朝向6吋為主流，由於大基板的成本高、加工困難以及貨源不易取得，因此使得LED成本至今無法如傳統光源一般，但是對於矽基板而言，卻早已達到大尺寸的水準，因此目前許多廠商漸漸朝向矽基LED的方向前進，美國LED大廠Bridgelux所生產的矽基板LED已達成135 lm／W，預計未來矽基LED產品的低成本優勢將使得其占有率愈來愈高。

LED螢光粉

傳統的LED封裝螢光粉塗抹方式是將螢光粉直接塗抹在藍光晶粒上，而近期則有遠離螢光粉技術（Remote Phosphor），其螢光粉塗抹於擴散板上，相較於傳統的塗布方式，這項技術的加工較簡單，能將稀土金屬的磷化物嚴格控制在同一封層（Bin）內，並且可以避免螢光粉受到晶粒的廢熱影響，此外由於螢光粉的壽命不如LED晶粒本身，所以一旦光源出現老化現象只需換掉擴散板便可繼續使用，除了以上所提到的優勢之外，這項技術可以消除因光波波長不同的干擾，比起傳統方式有更佳的顏色一致性，未來LED在某些應用產品端能大量使用此封裝技術。

智慧照明

傳統的LED供應鏈從元件端一路擴展到整體燈具，在整個供應鏈中每項技術都在不斷的發展當中，就如同本文前面所敘述的，在技術以及成本都還有進步的空間，然而未來燈具系統發展則會朝向智慧照明前進，智慧照明可分為幾個層面，但一切都是以人為出發點，自古以來人長期於日光下工作，直至日落而息，人工光源的出現使得人們的生活可延伸至夜晚，因此智慧照明的目標之一為提供人們如同日光般的人工光源，此光源必須擁有平滑的光譜曲線，除此之外整體照明空間的照度規劃以及眩光控制也是必須被重視的，此層面著重於人因工程（是指研究產品對人的身心影響而加以設計）；另一方面，則是提供人們便利性的智慧照明，未來照明融入感測技術、傳輸技術以及控制技術，感測器感測照明環境的各項資訊，將此資訊經由控制策略處理後藉由傳輸介面送至燈具，以達到自動控制的目的，智慧照明的自動感測及自動控制有助於智慧節能的推動。

結論

本文針對LED從元件到系統端簡介了其最新技術發展與未來趨勢，由於照明產業不同於一般IT產業，人們無法短期間改變對照明的習性，因此各個研究單位及廠商仍在努力的推展固態照明，並且重點已從產品的性能慢慢轉向為適合人的照明，因此LED等固態照明產業的崛起將會帶給照明重大的革新。（作者任職於工研院綠能所智慧節能系統技術組）