語言
首頁    |    LED Q&A
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。

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。
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優點及產業分類
LED是通電時可發光的半導體材料製成的發光元件,材料使用III- V族化學元素(如:磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等),發光原理是將電能轉換為光,也就是對化合物半導體施加電流,透過電子與電洞的結合,過剩的能量會以光的形式釋出,達成發光的效果,屬於冷性發光。

LED最大的特點在於:無須暖燈時間(idling time)、反應速度很快(約在10^-9秒)、體積小、用電省、污染低、適合量產,具高可靠度,容易配合應用上的需要製成極小或陣列式的元件,適用範圍頗廣,如汽車、通訊產業、電腦、交通號誌燈、液晶面板用背光源、LED螢幕等。

LED產業主要可以分成上、中、下游三類。上游為單晶片及其外延,中游為LED晶片加工,下游為封裝測試以及應用。其中,上游和中游技術含量較高,資本投入密度大。從上游到下游,產品在外觀上差距相當大。LED發光顏色與亮度由磊晶材料決定,且磊晶占LED製造成本70%左右,對LED產業極為重要。

上游是由磊晶片形成,這種磊晶片長相大概是一個直徑六到八公分寬的圓形,厚度相當薄,就像是一個平面金屬一樣。常見的外延方法有液相外延法(LPE)、氣相外延法(VPE)以及金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)等,其中VPE和LPE技術都已相當成熟,可用來生長一般亮度LED。而生長高亮度LED必須採用MOCVD方法。上游磊晶制程順序為:單晶片(III-V族基板)、結構設計、結晶成長、材料特性/厚度測量。

中游廠商根據LED的性能需求進行器件結構和製程設計,通過晶圓擴散、然後金屬鍍膜,再進行光刻、熱處理、形成金屬電極,接著將基板磨薄拋光後進行切割。依照晶片的大小,可以切割為二萬到四萬個晶粒。這些晶粒長得像沙灘上的沙子一樣,通常用特殊膠帶固定之後,再送到下游廠商作封裝處理。中游晶粒制程順序為:磊晶片、金屬膜蒸鍍、光罩、蝕刻、熱處理、切割、崩裂、測量。

下游包括LED晶片的封裝測試和應用。LED封裝是指將外引線連接到LED晶片的電極上,形成LED器件,封裝起著保護LED晶片和提高光取出效率的作用。下游廠商封裝處理順序為:晶粒、固晶、粘著、打線、樹脂封裝、長烤、鍍錫、剪腳、測試。