（卢庆儒）长久以来，固体照明光源都被称为具有高能源效率、低维护成本，寿命长、广泛的设计适应性、对环境危害小等优点。关于固体照明光源技术的开发和商品化，美国能源署和光电子工程学产业开发协会（OIDA）的Schedule计划表和Roadmap也长期被业界所关注。但直到今天依靠产业界共同努力进行的计划和研究，实际上是否产生了商品或得到其应用呢？生产LED的企业和照明系统开发业者是否开始向实际社会导入呢？此答案是正确的。

大约从十多年前开始，汽车、娱乐、以及小型产品采用多色彩LED的数量愈来愈多，凭借着LED及封装技术的进步，白光LED在电梯和疗养设施乃至飞机的机舱、食品店的入口等的室内照明应用，可以发现有增加的趋势。

浅显的说，固体照明是将高亮度LED作为光源，来代替传统的白炽灯和荧光灯。据美国调查公司Strategies Unlimited的研究报告中显示，高亮度LED的市场，因为交通讯号和装饰照明等方面的彩色LED应用的带动下，自1995年以来，每年以接近50%的速率持续增长，到了2007年预计将达到5亿美元。

现在的固体照明其主要应用上，包含了彩色光的照明，但是白光的照明则是LED业界的最终目标。1990年代末出现的白光LED，在最近这几年性能及流明方面有显著的提升，现在几乎快要超越白炽灯了。而在初期阶段的应用，当时仅拥有发光效率及成本效果等方面的优势，但随着技术进步之后，相信白光LED将逐渐进入总量达到120亿美元的照明市场。

 

图说：因为交通讯号和装饰照明等方面的彩色LED应用带动下，1995年来每年以接近50%的速率持续增长。（资料来源：红点科技）

 

对急速增长的LED照明市场而言，白光LED的加入具有非常大的价值。现在大多数的彩色照明用LED依旧使用红蓝绿（RGB）的LED。如果照明或建筑的相关人员认识到所谓LED是什么、LED有什么用途，则LED作为一般照明的观念将可被接受。当然这个过程需要一定的时间，但是在抢进一般照明市场之前，白光LED将有机会完全发挥在特定的技术、设计性等的用途上。

 

了解每瓦特的流明和价格重要性

LED最初的开发是在1960年代，当时是运用在交通信号和交通标识等指示用途上，直至最近才在照明上使用。照明系统用的LED 的材料有两种。一种是红、橙以及黄色LED用的AlGaInP四元材料，另一种是绿、蓝及白光LED用的InGaN氮化物材料。这两种材料由于组成不同，可以变化出不同的发光色彩。白光LED可以透过红、绿及蓝色LED混合，蓝色LED和荧光粉组合，或者利用紫外光LED和复合荧光粉组合的方法制造。以今天来说，业界的目标是期望能够达到照明用200lm/W一半的效率。

最近业者所发表的LED，已经能够达到25∼50lm/W的水平，并在价格方面也减低到室内可接受的范围内。但在另一方面的比较考虑下，白炽灯能达到12∼15lm/W，而小型荧光灯（CFL）能达到50lm/W，再加上75W的白炽灯一般的价格为1美元以下，同等的CFL价格约为5美元。但反观现在的白光LED产品价格，100lm约在每1,500美元以上，（不同方向的思考，这也是理所应当，LED光源拥有至少35,000小时的寿命，与传统的光源约1,000小时的寿命相比，这就高达35倍之多）。所以白光LED是否能够被利用在传统的照明用途上，根据上述的判断，即可了解到每瓦特的流明和价格是非常重要的。

 

图说：白炽灯能达到12∼15lm/W，而小型荧光灯至少能达到50lm/W。（资料来源：红点科技）

白光LED照明已由实验性质跨入生活圈中

因为LED的使用进而创造出新造型的光源，而照明的方式也将得到改变，对于想提早使用白光LED做为照明用的使用者而言，是相当具有吸引力的。例如，LED从很久以前开始，就已当做照明用途来使用，如在飞机机舱内的「禁烟」和「系好安全带」等标识，另外，白光LED技术的发展，也开始被飞机制造者高度关注着，现在正考虑是否能够应用在乘客用的读书灯等用途上，让飞机内能源消耗得以减低。

Color Kinetics的Chromacore系列是使用，经常供应飞机机舱的内部照明的B/E AIROSPACE所制造的电子照明系统。这个系统是由微处理器控制LED，产生出可程序化的色彩效果，也适用于一般的机内照明，例如QANTAS航空在头等舱的照明中使用LED，或者空中巴士（Air Bus）也只采用白光LED作为机内读书灯，目前美国Rensselaer大学（RPI）的照明研究中心（LRC）的技术员们也正在和波音共同开发最新型的飞机用LED照明光源。

 

图说：白光LED技术的发展，也开始被飞机制造者高度关注着，由微处理器控制产生可程序化的色彩效果，也适用于一般的机内照明。（资料来源：Securaplane）

 

除此之外，LRC也同时对商用冷藏陈列柜，开发能够使用白光LED的相关技术，LRC的这个项目也与美国GE的子公司GELcore、超级市场的Price Chopper、以及Taylor Refrigeration一起合作。这个研发团队，从2004年开始将配有LED照明系统的4门冰箱，设置于Price Chopper位于纽约州市场的冷冻食品区，以评估其性能和消费者的反应。就技术上来看荧光灯，多少会受低温的影响，但是因为LED不会有这个问题，所以使用LED的冰箱，当内部长期使用时能够节约能源和维护费用。

对白光LED来说最初的大型市场应该是电梯用照明，因为LED具备了震动和上下运行耐牢性，所以LRC也开始发展用以替换电梯内部的低效率白炽灯，对薄型LED天花板灯进行开发和评估，并且在加利福尼亚州能源委员会的公益能源研究项目，和美国工业能源公司的资金援助下进行了2年的研究项目，提供LRC的研究小组与OTIS共同对电梯的天花板板进行设计开发。LRC相信将成为电梯用的理想的光源，并且把以往的电梯和采用薄型LED的电梯进行了对乘客抽访的比较，当结果出现时，发现无论是从哪个角度来比较，乘客都判定采用薄型LED的电梯具有更好的识别性、舒适性、色彩和魅力度。

 

图说：对白光LED来说最初的大型市场应该是电梯用照明，因为LED具备了震动和上下运行耐牢性。（资料来源：Ledeffects）

 

白光LED实际应用开发课题

对于白光LED的开发课题来说，不仅是亮度的提高，包括均一性、演色性、长寿命化等等多个方面也都是需要强化与努力的，在过去，模拟白光的LED由于无法解决颜色的问题，所以产业界不断地提出各式各样的技术和材料，然而在白光的这个领域中成为研发焦点的，并非是LED芯片本身的效能，而是包括模块技术、封装技术，以及荧光粉和封装材料等等的问题才是重点。

 

提高光输出功率是重要课题

白光LED 的制造技术，从以往的蓝色LED和黄色YAG荧光粉组合成仿真白光，朝向各种不同的方向不断努力发展。以前的制造方法导致LED发光的均一性低、封装材料寿命短、更没有可耐久使用的LED特色、红色（R）及绿色（G）的成分少使得演色性下降等问题。此外对于白光LED的应用来说，不仅仅是一般照明用灯，应用包括已经扩展到行动电话用的背光、键盘背光、照相机的闪光灯、LCD-TV背光、汽车用的头灯，医疗用灯等等，所以随着应用范围的日益广泛，生产出适合不同领域的白光技术，就变得相当重要也是大家所关心的发展趋势。

这些年来，白光LED的发光效率本身确实有所上升。根据LED照明推进协会（JLEDS）的蓝图，预计在2009年左右，白光LED发光效率将有机会达到100lm/W，所以相当多的业者依照这样的期望加速开发出高于蓝图规格的新一代白光LED产品出来。以目前的制程与材料技术来看，白光LED的基板材料已经朝向采用GaN材料，来代替蓝宝石或SiC来做为芯片，期望藉此能够大幅度的提升内部量子效率，因为注入电子数相对应放出光子数的外部量子效率，是由内部量子效率和光的输出功率的乘积所决定，在材料特性的关系下，因此产业界都对于GaN基板抱有很大的期待。

不过虽然GaN材料具有高度的内部量子效率的特性，但是由于GaN基板的高成本关系，使得成本成为大量采用GaN材料做为基板的最大瓶颈，因此普及化的可能性在目前来说依旧不明朗。与此同时，另一方面由于期望藉由封装技术的进步来提高外部量子效率，LED业者正全力提高光的输出功率，所以如何降低LED芯片的光损失，就成了努力的目标，不断的对封装技术提出更先进的期望要求。

 

LED芯片和封装的技术都需要再提升

为了达到更高的光输出效率，利用基板的蓝宝石凹凸结构、覆晶的封装来提高光的输出效率正被业界积极开发中，而包括LED芯片表面的构造和光子晶体构造也有多家业者投入研究。例如，OSRAM OPTO Semiconductors所开发的「ThinGaN」LED，是在InGaN层上形成金属膜和导电载子（Carrier）的蓝宝石基板，利用金属膜所产生的镜面作用，激发出更多的光得以输出，因此根据OSRAM的推估，利用这样的方式下，LED芯片的输出功率被提高到75%。

虽然这样的制程可以改善LED芯片输出功率，但是如果在封装阶段，因为设计或采用材料不良而造成光损失增加的话，那就辜负了前段制程所做的努力。日本OMROM则是开发出新一代的封装技术制程，利用平面光源的结构来大幅度的提升外部量子效率，进而增加整体LED的光输出量。OMROM是利用透镜光学构和反射光学结构来进行组合，让芯片所产生的光，透过引导至被称为「Double Reflection光学结构」的方式，使得炮弹式LED经常因为广角造成的光损失可以藉由这个机制向外输出。OMROM更在结构表面的网眼上，进行2层反射镜构造的加工，让光行进的路线能更进一步得到提升，而获得更高的光输出效果。

 

封装材料和荧光粉的重要性日益增加

一般的白光LED是在陶瓷封装等的中间装配LED芯片，并且在LED芯片的周围灌入混合荧光粉的树脂，混合树脂的目的是让荧光粉的间隙被填满，并且让LED芯片所发出的热，被散热鳍片（Heat Sink）和线架（Lead Frame）等吸收，让封装内部不至于过热。这是因为用于封装材料的环氧树脂抗热性较差，往往在LED芯片本身的寿命耗尽之前就出现变色的情况，因此需要依靠散热结构的提高，使得LED芯片流过更多的电流，来增加光输出的可能。

目前已经有业者开始研究采用硅材料的可能性，因为硅材料的耐热性更高，即使在150∼180度的情况下也不会出现变色，所以正逐步代替环氧树脂用于LED的封装材料，采用硅材料的特色不仅如此，还包括400nm的短波长光线都不会被材料吸收，这对于利用紫外光LED搭配RGB荧光粉来达到散发白光的产品，是相当适合的。除了用于封装材料外，硅材料也可作为透镜、透镜固定接着剂、散热材料等等使用，对于不同材质的硅材料可以针对不同的需求来使用。

关于提高Ra的方面，荧光粉就占了相当重要的角色，为了补充模拟白光LED中缺少的R和G，目前有相当多的业者开始开发，在蓝色LED搭配使用红色及绿色的荧光粉，以及利用在紫外光LED中加入红蓝绿荧光粉的技术，藉此提高Ra值，来达到高演色性的目标。

 

图说：利用在紫外光LED中加入红蓝绿荧光粉的技术，藉此提高Ra值，来达到高演色性的目标。（资料来源：Roithner-laser）

 

对于使用复合荧光粉的情况下，不能简单的将各个颜色混合，必须要考虑当遇到蓝色光时，什么样的调配比例才能最接近自然白光。韩国的Seoul Semiconductor的「New White LED」，为了抽出红色的成分，将荧光粉透过特殊制程后使用，因此达到了在色彩再现性上，与NTSC相比达到92%的水平。此外，松下电工在2006年3月所发表的照明用LED「MFORCE」中，凭借蓝色LED和红、绿荧光粉的组合，让Ra值从原来的约80%成功的提高到90%以上。因此藉由荧光粉的努力，可以让模拟白光的使用荧光粉LED，有机会能够达到和自然光的表现水平和特殊特色性，并且也能够因此而扩大应用范围，例如在颜色检查、临床检查、美术馆、甚至于道路的照明等方面，这些使用复合荧光粉的白光LED，相信在未来的用途将进一步扩大。

 

图说：藉由荧光粉的努力，有机会能够达到和自然光的表现水平和特殊特色性，并且能够因而扩大应用范围，例如在颜色检查、临床检查、美术馆、甚至于道路的照明等方面。（资料来源：SF-LED）

 

就次世代的技术而言，业者不仅利用荧光粉和熟知LED的混合方式来获得高演色性的模拟白光LED，OSRAM更进一步开发了在LED芯片上，直接涂抹荧光粉的「Chip Level Conversion」技术，这个方法的优点是，黄光不会由于荧光粉而分散，因此能从狭小范围内输出，可以防止颜色的模糊和扩大所带来的损失。由于强光能在狭小的范围内射出，封装的光学机构控制也变得很简单，因此在需要高亮度的汽车头灯等方面的应用是相当适合的。

 

仍有很多挑战性课题

在一般照明的领域，开始大规模的以LED照明来置替换以往的照明光源，在这一点上，虽然仍然留有很多挑战性的课题，这些课题不仅包括性能和成本的问题，还包含了亮度的分级未完全确立其标准化，所以仍需长期的培养用户能够了解到LED照明的潜在价值，并支持这项新技术转换的基础应用机会。（参考数据：Laser Focus World）
 

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