搶食傳統燈具大餅　LED商用燈金光閃閃

根據經濟部能源局預估，2009年全球發光二極體(LED)照明市場規模將超過5億美元，較2008年成長25%，而2010年則可望持續擴大。看好市場發展前景，各界廠商紛紛投入並積極布局，如近期台塑和裕隆兩大集團即宣布攜手進軍LED照明、台達電和宏齊轉投資艾笛森，以及隸屬友達集團的佳世達積極卡位LED市場等，顯見LED照明商機處處，前途一片光明。
 

在眾多的照明應用中，未來3年仍將以裝飾用途或重點照明的LED商用燈為主，而這也成為台灣廠商首先切入的領域，如LED大廠光寶即因商用燈訂單增加而締造營收倍數成長的紀錄。相較於消費性電子，商業領域的價格敏感度偏低，遂成為LED最大宗的應用市場之一，根據市調機構Strategy Unlimited資料顯示，2007～2009年商用和工業用LED產值年複合成長率高達58%，僅次於家用與戶外照明的102%和99%。不過在發光效率、電源驅動IC及燈具維修等方面仍存在諸多技術挑戰，有待業者一一克服，才能順利開拓LED照明新藍海商機。

LED商用燈磊晶技術　推陳出新

圖1　璨圓光電磊晶處處長武良文指出，LED為單一指向性光源，為解決光直射問題，台灣廠商已發展獨有的基板表面粗化與圖案化技術，可讓LED適用於各種應用。

LED過去予人印象為發光效率不高，是因當時磊晶技術無法提供高品質的異質接面材料特性，但隨著磊晶技術不斷的成熟，LED發光效率已明顯改善。在色彩方面，目前白光LED由藍光LED中塗布黃色螢光粉即可發出白光，璨圓光電磊晶處處長武良文(圖1)表示，從CIE-1931色度圖可看出，在LED磊晶製程中，調整色溫與色度即可獲得所要的顏色，也因此LED才可具備多種顏色，符合在商用燈應用中，裝飾、廣告等色彩豐富的需求。

慎選LED磊晶基板

除了色彩的調配外，整體LED磊晶製程架構是影響發光效率與品質的重要因素，LED磊晶包括基板、緩衝層、n-GaN層、發光層、電子阻障層、p-GaN層與p-電極(p-electrode)層，每一部分皆不可或缺，其中基板的選擇須考慮晶格常數(Lattice Constant)、熱膨脹(Thermal Expansion)、熱穩定性(Thermal Stability)、成本與晶體結構，如此才能與上層的結構有效密合。現今磊晶基板的材料有氧化鋁(AL2O3)，即一般所稱的藍寶石基板，碳化矽(SiC)、矽(Si)、氮化鎵模板(GaN Template)、鋁酸鋰(LiAlO2)與自支撐(Free-Standing)GaN等，武良文表示，藍寶石基板為現階段最常用的LED基板；碳化鉀模板為同質磊晶構成，因此具備高效率；而自支撐GaN基板優點為易與玻璃結合，缺點則為易水解。
 

在晶格常數的考量上，雖然藍寶石基板與磊晶晶格有13.6%不匹配的缺點，但由於其成本較低，因此目前LED廠商仍採用藍寶石基板，武良文表示，每個磊晶晶格若與基板不匹配，則兩者電子與電洞的結合將不會產生光子，會變成熱能，造成LED發光效率不佳外，也會增加熱能產生過多的問題，而近期中央大學教授研發的新型20吋LED磊晶基板，相當適用於商用燈應用，但此基板卻有塗上拋光液時，表面易產生缺陷的缺點。
 

發光層取決於波段
 

有關LED磊晶發光效率的良窳，發光層扮演舉足輕重的角色。武良文表示，發光層的發光顏色與波段有很大的關係，發光層能隙越小，則波長就更短，就能使發光層發出藍光、綠光等波長較短的顏色。發光層主要材料為銦(Indium)，而溫度會影響銦的發光波段，如於30℃的溫度變化中，波長將由460毫米(mm)變為436毫米。此外，銦的組成也可改變發光層的發光波長，因此，製作不同顏色的LED磊晶時，廠商可利用溫度、能隙的變化，開發各種不同顏色的LED產品。
 

影響LED發光效率因素很多，除了上述的發光層外，電子阻障層能讓電子與發光層互動，使發光層發出的是光能而非熱能，武良文進一步說明，每一顆封裝完成的LED產品，其外部量子效率與內部量子效率的乘積，即等於LED產品的發光效率，內部量子效率與LED磊晶製程關係密切，而外部量子效率則須考慮如何將LED的光導引到外部，降低光損耗。
 

事實上，在製程每一個階段，甚至到封裝都會發生光損耗，所以LED光效率也會因此較預期的低(圖2)，武良文解釋，一顆LED成品的發光效率由最初的100%降至23%，最大原因即在於製程各階段都無可避免光損耗問題，實際上，損耗掉的光效率都轉為熱能，由於熱能未可有效轉換為光能，因此也突顯出散熱的重要性，若廠商採用垂直LED設計架構，則可克服此問題，而在LED製程設計上將更簡單，也可同時提升LED發光效率。

資料來源：璨圓光電(11/2009) 圖2　製程各階段光損耗統計

安全/效率/調光/恆流驅動為LED驅動IC效能要求

為符合招牌/看板、賣場/餐廳照明、冷凍空調燈、零售商品展示燈、商業建築、商場室內/外裝飾燈等商業照明對於節能、氣氛及資訊媒介的要求，LED驅動IC的設計皆須達成安全、高轉換效率、高精準調光控制、恆流驅動等效能。
 

圖3　聚積技術市場部專案副理蘇醒指出，LED具備的節能、高精準顏色控制及高穩定性三大優勢將為驅動商業應用需求的關鍵。

LED驅動IC效能與LED驅動IC架構息息相關，現階段，LED驅動IC架構區分為分離式(又稱為二段式)與整合式(又稱一段式)兩大類，可視不同應用取決採用的類別。分離式為交流對直流電源轉換器(AC-DC Power Conversion)與LED驅動IC各自獨立，其強調高安全性和高彈性優勢，適用於更高功率輸出應用，須搭配功率因素校正(PFC)；反之，整合式則是將AC-DC電源轉換器及LED驅動IC整合，該方案具備更高系統效率、更便利操作及小體積特點，適用於小功率輸出市場，PFC為選擇方案之一。
 

另外，因應不同功能的需求，LED驅動方式可歸納為鎮流電阻(Ballasting Resistor)、線性穩壓器(Linear Regulator)及交換式穩壓器(Switching Regulator)，各有其優缺點(表1)。其中，交換式穩壓器因兼具高轉換效率、低功耗、可調光等特性，因此在商業應用市場普及率持續攀升。交換式穩壓器可區分為降壓(Buck)、升壓(Boost)及升降壓三大類型(表2)，聚積技術市場部專案副理蘇醒(圖3)認為，降壓拓撲方案具備電流源的安裝簡易、高轉換效率及輕鬆達成調光設計的優點，為最佳方式。

至於為實現精準調光控制，目前市場主要分別透過脈衝寬度調變(PWM)、類比式調光兩大方案達成。前者具設計簡單、LED色溫恆定特點，惟當PWM頻率低時，容易產生音源雜訊；而後者則擁有低雜訊優勢，但當色調改變時，LED需要較高輸出電流驅動才能獲得更高的亮度，例如LED被1安培輸出電流驅動時，較被350毫安培輸出電流驅動的LED亮度高。
 

眾所周知，每顆LED的特性如光強度、顏色波長、參考電壓、色溫等皆不盡相同，此將影響LED照明的性能。為克服此一弊病，現今透過將LED諸多特性進行等級排列後，會產生不同的順向電流，其將因不同的溫度與電流驅動變化，有鑑於此，恆流驅動的重要性益發突顯。
 

隨著多彩化LED應用需求持續增溫，例如酒吧、戶外看板等需要色彩的變化，將帶動紅綠藍組(RGB Cluster)方案盛行，LED驅動IC業者亦趁勢推出配套產品，如聚積的相對應方案除了透過恆流驅動達成準確控制紅綠藍光的亮度與畫素外，並採用標準的通訊埠作為燈源控制。蘇醒說明，標準的通訊埠可滿足長距離的通訊連接；不過頻寬低、價格昂貴及限制控制的畫素為三大缺點，因此通常高畫素應用時，會採取非標準通訊埠方案進行控制。
 

LED成本/規格/維修問題待克服
 

根據法國市場研究公司Yole Developpement統計，2012年，全球整體LED市場將達到103億美元。其中，高度和超高亮度LED合計將達44億5,000萬美元，幾乎是2007年預估7億8,300萬美元的5.5倍。而單就中國大陸的LED銷售額來看，2010年產值就已超過人民幣1,500億元(圖4)，LED潛在商機讓業者競相投入。

圖4　2001～2010年中國大陸LED銷售預估

圖5　真明麗集團總經理鄭建文表示，針對中國大陸LED路燈市場，該公司仍持保留態度，目前將LED路燈計畫暫時延後。

然而，雖LED商機無限，且具備體積小、低汙染、耗電量低、發熱量低、高使用壽命與反應速度快及色溫多樣化等特性，但仍有單價過高、規格不一、維修不易等問題待克服。真明麗集團總經理鄭建文(圖5)表示，LED市場潛力雖然大，但是現階段仍難以解決上述問題。以LED商用燈為例，就規格而言，業者依據現有燈具規格或結構而制定，並沒有統一的標準，也就無法檢驗產品好壞，因此導致品質難以控管。
 

由於LED屬於新興產業，世界各國尚未普遍建立起完整的標準檢驗規章，導致現有LED燈具仍多以傳統燈具的標準申請檢驗或甚至不經檢驗程序，因此品質參差不齊。在傳統燈的市場，燈泡本身是不用申請UL或GS標準，只要燈具的安全性足夠即可，但LED燈卻不一樣，這也是未來各國標準要面臨的一個難題。再加上LED維修不易，不同於傳統燈泡可以由消費者自行更換，一旦遇到LED故障問題，經銷商是否有能力維修，業者能否提供龐大的後續維修服務，皆是拓展LED商用燈市場的重要關鍵。
 

鄭建文指出，儘管LED尚有亟待克服的問題，但LED勢必成為日後照明的發展趨勢。早期以傳統燈具為主的真明麗，也隨著此潮流於2000年開始從傳統燈具切入LED燈具業務，主要區分為室內、室外、專業及零售用途，至今LED燈具與傳統燈具的比重各半。鄭建文進一步表示，高成本、高獲利的LED市場較小，對產品銷售數量的幫助不大，但若將價格與品質定位於中間市場，先找出傳統燈具與LED燈具市場重疊的部分，再逐步擴大高階與低階LED燈具的覆蓋率，慢慢開發原本不會使用LED的廠商或用不起LED的客戶，此方式正是真明麗推動LED商用燈市場所主張的市場策略。
 

此外，面對LED燈具的成本問題，晶片、封裝技術與方式、散熱的材質與結構、燈具材質與設計、電源的選用都是影響的主要因素，鄭建文強調，目前真明麗也已投入封裝市場，可有效將成本降低10～20%，有利於日後增加更多LED燈具應用產品的可能性。
 

鄭建文認為，LED商用燈如何與傳統市場接軌已是重要課題，整合晶片、封裝、燈具應用的上下游產業鏈將是降低成本的關鍵。未來，如何把LED變成一顆燈泡並與傳統燈具市場接軌是業者努力的目標，他也指出，以傳統照明的市場來看，白熾燈不可能被LED燈完全取代，因此LED更需要模組化，讓LED燈如同傳統燈泡一般，方便維修與應用，以進一步拓展LED商用燈市場。