名人講堂-研晶光電總經理魏志宏
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
魏志宏現任研晶光電總經理,曾任璨圓光電協理,畢業於台灣大學工學士、美國布朗大學材料科學碩士及博士。 |