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*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）、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％的白炽灯泡被白光LED所取代，则每年可省下相当于1～2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Frost&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。
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 13 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
在照明市场方面，根据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。
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。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
1．GaN无机UV—LED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/$ 0．2个/$
2．高*作功率技术研发
出处：华东电子