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高亮度LED讓台灣散發光與熱 p.88 

高亮度LED讓台灣散發光與熱  p.88 

被經濟部列為關鍵零組件之一的發光二極體( LED ), 在國內業者共同努力下,產量占全球一半,尤其在高亮度 LED 生產上,台灣更成為全球的製造中心。而根據工研院光電所的調查預測,一九九八至二○○○年間,我國 LED 產業的複合成長率高達二○%,其中,上游更以六○%的年複合成長率快速成長,儼然成為台灣明日的重要新興產業。

針對此一現象, 日前財訊文化的高科技論壇,即邀請到國內 LED 產業兩家公司代表, 晶元光電總經理李秉傑和鼎元光電總經理吳慶輝暢談 LED 產業,兩人雖各居產業鏈的不同位置, 但均一致看好整個 LED 產業的應用市場,更看好台灣在這方面的發展利基與前景,以下為講座內容摘要:

李秉傑:首先與各位談的是 LED 的市場,在一九九九年全球 LED 零組件的市場規模約二十三億美元,其中燈泡( lamp )占了十五億美元,顯示板( display)則占了八億美元。就其應用,這幾年市場有了相當大的變化,其中,通訊用及汽車用的市場, 成長相當快速, 另一成長快速的領域, 則屬訊息看板( signboard ),這部分則與全彩有關。

就零組件的供應量(營業額)來看,日本現在供應全球一半的產量,台灣約占了二○%,全世界目前每個月約產出四十億顆的 LED,其中,可見光的部分,每個月的產出三十四億顆,其中,傳統的 GaP 及 GaAsP 兩種材料約占了二十六億顆, 就這樣來看,高亮度的 LED 產出不是那麼大,似乎不是那麼重要,不過,若從以下兩個觀點來看,就可看出高亮度 LED 的發展性。


高亮度 LED 潛力大 具全彩功能以及省電兩大優勢


首先,就單價而言,高亮度 LED 的單價是傳統 LED 的數十倍,因此,雖然高度 LED 的量不大,但金額卻占相當高的比率, 其次,就現在技術能力來看,高亮度的 LED 很有潛力可以取代大部分傳統 LED 的用途,其中,現今科技的發展, 四元( InGaAlP )高亮度 LED 的亮度較傳統 LED 高出五倍,但實際生產成本卻只要增加五○%, 已看得到的市場,現今手機的背光板改採高亮度 LED 已相當大了,未來這樣的取代效應將隨著成本的降低而益加明顯。雖然就零組件的產值來看,台灣只占了全球的二○%,不過,若就產量來看,台灣則占了全球產量的一半。

回到 AlGaAs、InGaAlP、GaN 三種高亮度 LED 材料來講, 現今這三種材料所發出的顏色, 已能涵蓋所有的顏色,也因此,現今的高亮度 LED 有了全彩的功能,大大刺激了產業的發展與市場的應用。 除了全彩功能增加高亮度 LED 的應用外, 高亮度 LED 有另一項省電的功能,亦成為其發展應用上的一大競爭優勢。就現今的技術,高亮度 LED 的亮度, 可能較傳統高出十倍以上,換言之,如果要達到同樣亮度的效果,則高亮度 LED 可省下九○%以上的電力。 所以有關高亮度 LED 的應用,我們可以從高亮度的性能及省電兩個角度來思考。

就一九九七到二○○三年的預測, 整體 LED 產業的成長率約一○%,而高亮LED 的複合成長率,則超過二五%。 而探究高亮度 LED 的三種材料中,我們可進一步發現, 八○年代發展 AlGaAs 因可靠度比不上四元的 InGaAlP 及藍光的GaN,近年來市場甚至出現負成長, 但四元 InGaAlP 及 GaN 則呈現迅速成長的情況。

至於高亮度 LED 的實際應用,主要可分為兩個大類別, 其中第一個類別是用以傳遞訊息的,另一類則是照明使用。首先就訊息用的部分,第一種是一個一個燈泡用的,這部分的市場相當大,如家電、部分手機。第二種是近年來成長相當受重視的汽車市場部分,在這領域首先談的是汽車內部的使用,包括了儀表板、空調、音響等等所有的指示燈加起來,一部車大概要用掉一百顆 LED,就目前市場來講,包括奧迪、寶馬、福斯等品牌全系列車子內部,都全部採用高亮度 LED,另外,日本車廠中,豐田汽車也已開始將儀表板的背光板換成 LED,其他各車廠新款的汽車,也逐步改成 LED。就市場統計數據顯示,光是汽車內部燈光部分,複合成長率高達九○%。


汽車市場商機大 壽命長是主因


為什麼這些新車子都要將傳統燈泡換成 LED 呢? 主要的原因純然是實用性的考量。每一個燈泡的壽命大約是一千個小時,而每部車子平均以開五年來說,五年期間,每個人可能會遇上好幾次儀表板上的燈泡壞掉,雖是一個小小的燈泡,不換又覺得怪怪的,要換又得拆方向盤、儀表板,心裡更難過,於是,車廠就開始思考如何在車子的使用壽命內,讓燈泡都不會壞掉。於是,使用壽命長達十萬個小時(全天候使用可連續使用十一.五年)的 LED,就成了最佳解決方案,正因如此,所以大家決定將車子內部的燈泡換成 LED。另外,現今也有人開始考量到車子內部氣氛的營造,具全色系功能的 LED 可針對不同設計做適當的搭配。

除了汽車內部可使用 LED 外,另一個汽車用 LED 市場則是汽車外部的使用,部分特別是屬於高亮度 LED 所獨有的市場。 目前歐洲的車系,將第三煞車燈改成高亮度 LED 的比率已超過六○%,日本車系也超過二五%。 除了第三煞車燈外,像是側燈、尾燈,也都陸陸續續開始更換,以賓士S系列的新車而言,幾乎除了大燈以外,其他的燈泡都已更換成 LED。這部分大家可以想想看,全世界一年約生產二千多萬輛車子, 內部需要一百多顆 LED, 外部也需要一百多顆 LED,則整體的市場每個月大概需要好幾億顆 LED。

事實上除了功能考量不希望燈泡壞掉而更換成 LED 以外,還有其他的因素, 使得車子必須將燈泡更換成 LED。每部車子發電機只能產生六十安培的電流,如果我們在下雨而悶熱的晚上開車,除了開燈外,我們又開了雨刷、除霧和冷氣,這時候電流已耗得差不多了。當然在新車階段時,這些功能全開或許還能負荷,但過了一、二年後,發電機的效率降低後,就必須用電池內部的電,未來車子如果再加裝衛星定位系統等,則新增加的耗電要從哪裡來呢?

這時 LED 的省電功能,又提供車廠一個解決的方案。由於 LED 的耗電率只有傳統燈泡的十分之一,如果車上所有燈泡所需消耗的電力為三十安培,當換成 LED只要三安培,所節省二十幾安培的電力就可供其他系統使用,這就是為什麼汽車燈泡不管從功能的角度,或是不得已的考量,都必須更換成 LED 的原因。


交通號誌使用量大 家庭照明市場擴大


除了汽車外,第二個變化較大的市場,則是在交通號誌上。以美國為例,美國現在以 LED 取代傳統號誌的比率約四%,大約有十八萬組, 而全美約有三十萬個十字路口,一個十字路口約有十個號誌燈組,每個號誌燈組有三個燈來看,如果全美更換交通號誌為 LED,約需十八億顆,整體的產值在二十四億美元左右,若就節省能源觀點,全美一年可省下二億美元的電費。而在台灣,目前交通號誌換成 LED 較多的,除了園區外, 新竹市所有新裝的號誌都是 LED,而台北市今年約要花四至五千萬元更換, 而台灣有八千至一萬個十字路口, 若整體換成 LED,產值約八千萬美元。除了這些運用外,高速公路的情報顯示、汽車站牌的顯示、公車的顯示板,都已用到 LED。

至於在照明部分,除了手機背光板逐漸採用高亮度 LED 外,現在高亮度 LED 已漸取代霓虹燈及招牌,另外,在許多特殊而較難更換燈泡的地方、挑高地方,或很難每天維護的公共地方,如橋梁燈光,也可用 LED 做為照明設備。 在可預見的將來,LED 將朝一般家庭式照明方向發展。而根據日本二十一世紀的照明計畫中,已規畫出希望在二○○三年至二○一○年間, 把 LED 照明由實用化推動到普及化, 如果在未來五至十年 LED 照明能正式進入家庭,並在二○一五年達到一○%的更換率,則全球所節省下來的電力,將可達到四十座電廠。

至於台灣在高亮度 LED 產業的發展上,目前世界生產高亮度 LED 上游磊晶片的主流技術,都是以大有機金屬氣相沉積磊晶法( MOCVD )方式成長。 而國內的MOCVD 廠,一九九三年國聯光電率先成立,一九九六年又有晶元與全新光電成,一九九八至一九九九年間,國內約十家 MOCVD 的 LED 廠投入,就目前來講,台灣 MOCVD 的生產設備已超過八十套,新增加的更多達一百二十套, 這樣競相投入的結果,已使得台灣成為全球以 MOCVD 製造 LED 的中心,未來台灣生產技術若能繼續發展下去,則台灣勢將主導整個 MOCVD 的 LED 市場。

吳慶輝:誠如李總經理所言, 這幾年來 LED 的發展及應用,特別是高亮度 LED的應用, 愈來愈寬廣,不過,就 LED 產業的發展,我們可以發現,在早期,日本人控制全球九○%的 LED 市場, 而這幾年來台灣人挾著資金優勢及勇於投資的冒險精神,競相成立以 MOCVD 製造 LED 的工廠,不僅讓台灣成為全球 MOCVD生產 LED 成長最快的地區,更取代日本成為全球 MOCVD 製造 LED 的中心。 根據工研院的估計, 今年台灣 LED 的產值將達到三二九億元,相信在未來這一波LED 的蓬勃發展熱潮中,台灣的產業界會有相當大的發展機會。


LED 成本仍然較高 白光 LED 深具潛力


有關 LED 的應用,剛才李總經理已提了相當多了,也讓我們深知 LED 的發展潛力,不過,回到現實面,LED 要立即取代傳統燈泡成為照明設備,仍有其困難點。 其最重要的因素,就是在成本上的考量。現今 LED 的照明亮度約二十瓦,而燈泡為六十瓦, 換言之,LED 的功率僅有燈泡的三分之一, 而現今每單位 D的成本為三十五美分,燈泡僅要一美分,相較之下,LED 要達到與燈泡一樣的照明效果,則 LED 的成本是燈泡的一○五倍,因此,在 LED 成本未下降前,要取代燈泡, 有著實際上的困難, 因此,需要五至十年的時間,這也是為什麼 LED會從汽車先換。

接下來討論的是現今市場應用成長最快的白光 LED 部分,現今做白光 LED 有兩種方法,第一種方法是藍光加上螢光粉,就如同日光燈的原理一樣,不過,這種方法,日亞已申請了全世界的專利;另一種方式則是用混光的模式,做成白光。雖然日亞擁有螢光粉方式專利,不過,就將來商業使用來講,螢光粉法有其缺憾,首先螢光粉遇熱會變黑,就如同日光燈管兩頭容易變黑一樣,另外,螢光粉會吸光,透過螢光粉,亮度會減少三○%,再加上日亞專利的問題,所以現今愈來愈多人用混光的方式做白光 LED。

由於白光 LED 照明效果佳,其光線就像白天的自然光一樣, 又不會發燙發熱,非常適合用做汽車車廂內的閱讀燈( maplight ),就最新的市場情報,福斯汽車已決定在二○○二年將旗下所有汽車的車廂閱讀燈改成白光 LED,而寶馬及賓士車廠也正設計白光 LED 閱讀燈, 將來所有車上的閱讀燈也將換成白光 LED,所以,就未來整個市場的發展,白光 LED 也將是深具潛力的。

除了可見光 LED 外,在紅外線 LED 部分,應用也相當廣,只是一般人沒有注意到。現在許多家電都用到紅外線,如各式遙控器、滑鼠、電腦、傳真機等等,,其應用已與我們日常生活密不可分。不過,聽過或認識紅外線的人不多,倒是這一、二年來因藍芽計畫的發展,成為各方討論與關注的焦點,因此,我們就把藍芽與紅外線無線通訊( IrDA ),做一個特性的差異比較。


紅外線 LED 成長潛力驚人 與藍芽無線通訊各具優勢


首先在傳輸距離上,紅外線無線通訊可傳一至二公尺,而藍芽可達二十公尺以上,這部分藍芽較紅外線無線通訊來得強,不過,就傳輸的效率,紅外線無線通訊可達到 16Mb,而藍芽就僅能達到 1Mb,就體積部分, 紅外線無線通訊體積可以做得非常小,而藍芽體積卻相當大,另外,紅外線無線通訊成本約一.五美元藍芽卻高達二十至三十美元,當然,紅外線無線通訊有方向性,而藍芽則沒有方向性,不過,就防干擾性來講,紅外線無線通訊有較佳的抗干擾性,因此,雖近來藍芽是人們討論的熱門話題,不過,卻不代表藍芽能取代紅外線無線通訊。

事實上惠普在今年上半年,有關紅外線無線通訊產品的成長率達到五○%,證明了紅外線的應用仍是相當大。另外,從諾基亞手機也可獲得鮮明的事例,所有諾基亞手機上都有紅外線無線通訊的模組,就現實生活的應用層面,我們可以想像,當你想透過手機傳輸資料到電腦上時,你會站在二十公尺以外的地方傳,還在一公尺以內的範圍傳呢?另外,雖然紅外線無線通訊有方向性的限制,不過,就實用層面,當我們要用手機傳資料到電腦時,手機往往會對準電腦(只要在一八○度的範圍內即可),因此,此一方向的限制性,在實際應用上並不會造成困擾,所以我個人認為,藍芽遠距離的傳輸功能,在資訊家電部分是用不到的,倒是紅外線無線通訊應用相當廣泛。

除實用性的比較外,另一項因素則在安全上的考量,微波這些年來廣泛被應用不過,愈是學科學的人,愈是了解到微波對人可能造成的傷害,愈會覺得人們應該少用微波,因此,業者才會研發出許多號稱具防電磁波效果的貼布,而就這方面考量,紅外線無線通訊的光線對人體造成的傷害,遠比藍芽的微波訊號來得低。

另外,就軟體支援上,紅外線無線通訊是經過五、六年的發展,如今才獲得所有軟體技術支援,得以有今天全面性應用的規模,而藍芽技術現今仍屬萌芽階段,即使軟體系統想支援,至少還須花上三、四年的時間才得完備,再加上兩者之間的價格相差甚大,所以,藍芽無法取代紅外線無線通訊。當然,就中、長距離的傳輸,紅外線無線通訊就派不上用場,所以,紅外線無線通訊也無法取代藍芽的應用,彼此間各有應用的空間與領域。

因此,若說可見光的 LED 發展快,則紅外線的 LED 發展更快,這幾年來,紅外線無線通訊的應用市場幾乎是以三○%至五○%的速度快速成長,這其中,尤其在智慧型玩具(科技玩具)上,如新力的機械狗內部,就大量使用。紅外線無線通訊由於體積小,價格又便宜,因此,被大量運用,在未來隨著科技玩具的日益發展,紅外線 LED 的應用市場也將更大。

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