名人講堂 : 研晶總經理魏志宏 , LED 發光效率與製程快步提升

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LED進入照明應用日趨成熟，目前國外大廠已發展至100 lm/W的水準，但奇特的是，目前LED照明率先應用於路燈等戶外照明領域，其傳統燈具的發光效率較高，如高壓鈉燈發光效率約達100 lm/W，反而是室內傳統燈具的發光效率較低，如鎢絲燈僅達10 lm/W，探究為何LED卻難以取代室內照明，其根本原因與成本和LED光品質息息相關。

小標：每年125億顆鎢絲燈泡需求  LED優先搶佔30%低瓦數市場

在探討LED照明商機時，應關注於3大面向，分別為LED將先取代哪些應用？LED的技術發展與成本降低以及LED要如何進入照明市場。據統計，鎢絲燈泡在全球每年約有125億顆的需求量，在重視能源效率與環保的趨勢下，鎢絲燈雖然價格便宜，但陸續遭到各國政策禁止，如紐西蘭、加拿大等地政府，這也提供LED切入照明市場的空間。

但LED並非唯一的選擇，省電燈泡的強項在於其成本比LED更低，不過節能燈泡含汞的特性，對環境污染有疑慮，反之，LED具有光源指向性、無輻射熱度、熱度低、省電且壽命長等特性，其技術發展的關鍵在於LED發光效率何時能超越現有傳統燈源。

進一步分析LED照明的商機規模，以美國為例，全國3億多人口中，約有1.1億個家庭，以每1家戶平均約有50個插座來計算，相當於有55億美元商機，非節能的舊式照明可望在2012年逐步淘汰，目前的節能燈可切入70%市場，其餘30%就是LED應用的機會，尤其是針對低瓦數的照明，市場規模也高達16.5億美元，因此LED並非一定立即要取代節能燈，而有其特殊應用的市場。

小標：2010年突破100 lm/W關卡  LED照明應用時代將來到

LED不斷提升效率，100 lm/W或110 lm/W是LED重要發展的關鍵點，當達到此水準時，LED的發光效率已經超過目前所有傳統燈源，但這並不代表LED可以取代全部照明應用，另一個重點在於成本必須有效降低。

美國能源部門在2007年進行預估，冷白光LED照明在2008年可到100 lm/W，暖白光則介於70~80 lm/W；但由於多數歐美市場偏愛在室內照明採用暖白光，故若要用在室內照明，暖白光要達到100 lm/W，預估需等到2010~2011年，目前冷白光與暖白光的發光效率相差30%的差距，但技術改良可以縮短差距至10%。目前業界預估LED發展的極致，2014年暖白光可達到170 lm/W，冷白光預計2020年達到220 lm/W。

目前LED與節能燈、螢光燈的成本相差甚遠，鎢絲燈每千流明成本約0.3美元，螢光燈每千流明僅約0.6美元，LED卻高達近20美元，隨著技術演進，在2010年，LED每千流明成本將降至10美元，相當於每流明0.01美元的價格。由於LED成本偏高，不可能馬上取代節能燈，但2010年將是LED照明時代的引爆點，2013年將是LED與節能燈的黃金交叉點，為了順利跨入2010年的分水嶺，LED產業必須在2008~2009年加緊準備，預作暖身。

小標： 2015年LED照明燈具效率  將提升至41%。

如何能達到預定的目標，可從技術觀點來分析，將LED燈具拆開來，分為LED裝置、驅動器、光學與燈具設計3部分。目前LED驅動器多使用於背光應用，但用在照明領域上，其信賴度與使用壽命均有待改進，使驅動效率可從目前85%提升至90%；照明燈具也會造成LED光源效率的損失，透過光學改良設計可望將效率從75%提高90%。

不過重點仍在於LED裝置的效率提升，由於在種種製程中，LED會遭遇光效率損失的情況，其中在封裝過程會受到散熱、螢光粉激發等影響，約有50%光效率被損失，而LED晶粒的外部量子效率目前約40%，未來目標需再提升一倍，儘管目前LED的取光效率僅發揮16%，但已相當於70~80 lm/W，若能經由技術改良將可取光效率發揮至50%水準。

然而，16%的取光效率仍未考量LED燈具的因素，在綜合上述LED驅動器、光學設計以及LED裝置後，2007年LED照明的光源效率僅有11%，也就是相當9成能源是無法轉換為有效光，但相較於目前傳統鎢絲燈包含燈具的有效光效率僅有不到2%，其餘轉換為熱能的使用情況來看，LED仍有發揮空間，且業界預計到了2015年，LED照明燈具的有效光效率將可由11%大幅提升至41%。

若討論到R、G、B 3色混光的LED照明，其有效光源效率比冷白光更低，2007年僅約9%，但未來也有4~5倍的成長空間，預計2015年可提升至45%，但目前傳統光源的效率已經不會再提升了，這也是LED照明的發展優勢。

根據美國能源部門預測，2010年時，當LED裝置的冷白光LED效率在商業應用達到147 lm/W，其LED照明燈具的效率可達到97 lm/W，而暖白光LED效率提升至122 lm/W時，則LED照明燈具的發光效率可達81 lm/W。

小標：技術瓶頸待突破 高功率LED封裝成本有望降低

但即使LED發光效率順利提升至100 lm/W，在製作應用為商業成品的發展過程中，仍有不少瓶頸待挑戰。例如高功率LED封裝的原材料太貴，而製程複雜，難以透過大量製造來降低成本，一般人偏愛的暖色系白光以及高演色性的要求，將造成發光效率較差。另外，除了探討單顆LED燈的成本和效能問題外，多晶粒封裝造成良率較低，且LED光色一致性的問題仍是目前產品發展的弱點等。

作為LED封裝廠，必須提出新型的LED封裝製程以突破現今技術瓶頸，縮小LED封裝體積，並提高演色性，目前LED應用在手機產品上，封裝製程約佔產品成本的20~25%，但高功率LED的封裝成本卻占40%以上，因此LED封裝廠應思考將如何封裝成本降低，在2010年左右降至25%的比重。

LED應用產品多元，但過去多半著重於背光領域，如今要搶進照明市場，必須克服商業模式的差異，不僅是LED產業本身的提升，後段製程的模組、光學、散熱技術都必須進行整合，此外，最重要的部分在於行銷通路，傳統照明的通路市場網絡嚴密，LED必須光源改變為照明燈具市場，從製造端跨入商業產品，進而打入賣場、深入家庭。

消費者的使用習慣不可能為了遷就LED的缺點而改變，LED照明必須發揮其特點，2008年已經出現LED照明商品，作為照明市場的先鋒，未來進展將是突飛猛進，業界不應將傳統的燈泡工業套入LED照明發展，而要想像是具有光速前進的產業，2010年照明應用的引爆點即將來到。(...

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