1、21 世纪的光明白光 LED 产品发展简析摘要：本文简介白色 LED 的技术和发展前景，白色 LED 的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白识灯的水平，实验室的白色 LED 发光效率接近荧光灯的水平，并在稳步增长之中。由于它还具有无污染、长寿命、耐震动和抗冲击的鲜明特点，白光 LED 是 LED 产业中最被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光 LED 在照明市场的前景备受全球瞩目，欧、美及日本等先进国家也投注许多人力，并成立专门的机构推动白光 LED 研发工作。它将成为 21 世纪的新一代光源-第四代电光源，以替代白帜灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，白光 LE
2、D 孕育着巨大的商机。 白光 LED 的技术概况 自从出现发光二极管 LED 以来，人们一直在努力追求实现固体光源，随着发光二极管 LED 制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，使发白色光的 LED 半导体固体光源性能不断完善并进入实用阶段。白光 LED 的出现，使高亮度 LED 应用领域跨足至高效率照明光源市场。曾经有人指出，高亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大的发明之一。所谓白光是多种颜色混合而成的光，以人类眼睛所能见的白光形式至少须两种光混合，如二波长光(蓝色光+黄色光)或三波长光(蓝色光+绿色光+红色光)，目前已商品化的产品仅有二波长蓝光单
3、晶片加上 YAG 黄色荧光粉，在未来较被看好的是三波长光，以无机紫外光晶片加 R.G.B 三颜色荧光粉，此外有机单层三波长型白光 LED 也有成本低、制作容易的优点。预计三波长白光 LED 今年有商品化的机机会，未来应用在取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及 LCD 背光源等市场，对白光 LED 的市场成长有很大的帮助。 在技术方面白光 LED 目前主要分为两种发光方式:目前主要的商品化作法是日亚化学(Nichia)以460nm 波长的 InGaN 蓝光晶粒涂上一层 YAG 荧光物质，利用蓝光 LED 照射此一荧光物质以产生与蓝光互补的 555nm 波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混
4、合，便可得出肉眼所需的白光。白光 LED 开发基础在于蓝光技术，目前在蓝光 LED 技术方面仍以日亚化学领先，拥有众多专利权。第二种是日本住友电工亦开发出以 ZnSe 为材料的白光 LED，不过发光效率较差，但由于目前白光 LED 市场热销，仍呈现供不应由求现象。 业界概况 在 LED 业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度 LED，以及蓝紫光半导体激光（Laser Diode；LD），是业界握有蓝光 LED 专利权的重量级业者。在日亚化学取得兰色 LED生产及电极构造等众多基本专利后，坚持不对外提供授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光 LED 价格高昂。但其他
5、已具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系 LED 业者认为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光 LED 竞争中，逐步被欧美及其他国家的 LED 业者抢得先机，届时将对整体日本 LED 产业造成严重伤害。因此许多业者便千方百计进行蓝光 LED 的研发生产。目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商 Cree，全球 3 大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及 HP、Siemens、 Research、EMCORE 等都投入了该产品的研发生产，对促进白光 LED 产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。 白光 LED 的特色 白光 LED 是最被看好的 LED 新兴产品，其
6、在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，LED 具有体积小(多颗、多种组合)、发热量低(没有热幅射)、耗电量小(低电压、低电流起动)、寿命长(1 万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染)、可平面封装易开发成轻薄短小产品等优点，没有白炽灯泡高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞污染的问题等缺点，是被业界看好在未来 10 年内，成为替代传统照明器具的一大潜力商品。表一:白光 LED 与现行照明设备比较照明方式 特 点白光 LED具有发热量低、耗电量少（白炽灯泡的八分之一，荧光灯泡的二分之一）、寿命长（数万小时以上，是荧光灯的 10 倍）
7、、反应速度快、体积小可平面封装等优点，易开发成轻薄短小的产品，是被业界看好在未来 10 年内，成为替代传统照明器具的一潜力商品。荧光灯 荧光灯省电，但废弃物有汞污染、易碎等问题。白炽钨丝灯泡 低效率、高耗电、寿命短、易碎。目前白光 LED 仍处于初期发展阶段，在使用寿命上仍待改进，但基本上没有白炽灯泡、荧光灯的缺点，价格过高是未能普及的主要原因。据日本业者估计，LED 晶粒成本需由 99 年的每颗 1 美元降至0.2 美元以下，市场才有更高的接受度。未来白光 LED 的应用市场将非常广泛，包括手电筒、装饰灯、LCD 背光源、汽车内部照明市场、投影灯源等，不过最被看好的市场以及最大的市场还是取代
8、白炽钨丝灯泡及荧光灯。 表二:白光 LED 照明效益分析 地区条件效益 条件 能源节约 降低二氧化碳排放美国 55白炽灯及 55日光灯被白光 LED 取代 每年节省 350 亿美元电费。 每年减少 7.55 亿吨二氧化碳排放量。日本 100白炽灯被白光 LED取代 可减少 1-2 座核电厂发电量。 每年节省 10 亿公升以上的原油消耗。台湾 25白炽灯及 100日光灯被白光 LED 取代 节省 110 亿度电，约合1 座核电厂发电量。表二所示是对白光市场的经济和环境效益预测，对于十分依赖能源进口的国家如日本，发展白光LED 在照明市场取代部份传统照明器具是一项极有价价值的计划，若是其 100的
9、白炽灯泡被白光 LED所取代，则每年可省下相当于 12 座发电厂的发电量。间接减少大约 10 亿公升的耗油量，而发电过程中排放的二氧化碳也会减少，抑制地球的温室效应扩散，因此在日本对白光 LED 的研发有着及其重要的作用和地位，日本通产省早在 1998 年就主导编制了21 世纪光计划，针对新世纪照明用 LED光源进行实用化研究。白光 LED 的应用与市场规模新世纪照明主流是高亮度白光 LED 的终极目标。对白光 LED 而言，照明替换市场是相当有潜力的。过去常规 LED 只能在产品上充当指示灯号，而今随著技术进步、亮度提升，高亮度白光 LED 正一步步进军潜力庞大无比的灯光照明市场。根据 Fr
10、ost&Sullivan 的统计，当前全球照明市场的年均成长率约为 5.5，2000 年市场规模达 45 亿美元，是可见光 LED 的 2 倍以上。若以每年白光 LED 发光效率平均成长 60的速度开发下去，要达到大型化、低价化、使用寿命长的照明用光源并非不可能。业界一般认为，白光 LED 照明市场可望在 2010 年左右趋于成熟。目前日亚化工、丰田合成、SONY、住友电工等业者都已有初步的照明产品问世，唯因价格与常规灯泡相比仍有很大的差距。预计未来 10 年内，高亮度 LED 对全球照明工业将造成巨大的冲击。正因为此，各界都对白光 LED 寄以厚望，有绿色照明光源之称。在照明市场方面，根据
11、Reed Electronics Research 统计，99 年全球白光 LED 市场有 8800 万美元的市场，估计 2000 年将可成长至 1.18 亿美元的规模，未来 3 年均将保持 40左右的成长速度，在2003 年可达到 2.7 亿美元的市场规规模。未来在白光 LED 成本进一步降低、照明应用领域陆续开发的情形下，预计白光 LED 从 2004 年开始，还会有更为可观的市场规模突破，显示出此一产品具有相当大的市场爆发力。表三:白光 LED 市场概况 单位：百万美元年份 1998 1999 2000 2001 2002 2003 汽车用 10 13 18 23 31 41 电脑用 1
12、3 16 21 28 37 49 民用 19 24 32 42 55 73 工业用 6 8 11 14 18 24 军事/天文用 6 7 9 12 16 22 通讯用 13 17 22 30 39 51 其他 3 4 5 6 8 11 总计 70 88 118 156 204 270 资料来源：ReedElectronicsResearch，1999/7另外，车用市场亦将是白光 LED 的高成长领域。以 2000 年全球新车市场需求约 5,300 万台计算，每辆汽车内装约 100 颗 LED，用于仪表板、空调音响面板等照明灯、后座阅读灯等用途，则可得出车用 LED 市场年需求约为 53 亿颗。
13、当前车用 LED 市场主要由 HP 及 Osram Opto 占有大部分，其他加入业者有 Siemens 等。未来白光 LED 在技术上有朝三波长全彩发展的趋势，在亮度上目前每瓦 15 流明，未来目标是达到每瓦 50 流明；在价格上现阶段每个 20 元台币，未来目标降至 5 元台币；因此三波长全彩、高流明、低成本是白光 LED 的发展趋势，目前全球大厂也积极努力中，预估在 2010 年前可达成此目标。表四:白光 LED 未来研发动向发 展 方 向 目前指标 研发目标 提高光效率 15 lm/W 100 lm/W 1GaN 无机 UVLED 短波激发光源研发 460 nm 254 nm 2外部能量转换效率研发 10% 40% 3高荧光材料能量转换效率研发 60% 90% 降低成本 2 lm/$ 2000 lm/$ 1无机 LED 晶体成本 1 个/$ 02 个/$ 2高操作功率技术研发
