LED技術及應用

LED元件在2005年的全球市場規模約為57.4億美元，其中50%在日本，20%在臺灣。除了各種應用照明、戶外建筑及手機背光源等應用外，業界正在積極找尋各種新應用。本文介紹了LED的基本原理、技術趨勢，以及市場動態。 

LED產業趨勢 

發光二極管(LED是利用光輻射原理來發光的，其發光顏色與制作材料有很密切的關系。LED技術的開發，從早期的紅光、綠光，一直到開發成功藍光LED，才通過整合紅、藍、綠，或把藍光熒光粉與黃色熒光粉混合，成為白光LED。成功開發出白光LED的最大好處，是可以應用於多波長，讓運用領域變得廣泛而深遠。 
  
1、LED產業的發展 

早在1907年開始，人們就發現某些半導體材料制成的二極管在正向導通時有發光的物理現象，但生產出有一定發光效率的紅光LED已是1969年了。1994-1995年人們開發成功了藍光LED，并在1998年實現了真正商品化。2000-2002年間，研發人員不斷追求成本效益，使LED成功打入手機背光源市場。到今天，LED已生產了30多年，各種類型的LED、利用LED作二次

開發的產品及與LED配套的產品(如白光LED驅動器)發展迅速，新產品不斷上市，并已發展成為一種新型產業。

LED技術研發之路，最為人津津樂道的故事，就是開發藍光LED時，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩大門派之爭。這也是許多研發團隊辛勤投入開發藍光LED元件時，必須痛苦抉擇的兩條截然不同的道路。 

之前，全球許多大公司皆投入SiC研發，結果日本一家專門做熒光粉業務的公司——日本日亞化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研發人員中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化鎵(GaN)研究方面獲得重大突破，并取得震驚全球的專利。這位研發人員的重大突破，引發了包括Sony及Toshiba等大廠的最高主管都出面為自己所做的錯誤決策導致技術落後而道歉。這位Nakamura的技術突破，讓氮化鎵(GaN)陣營正式快速超越SiC。

原本做熒光粉業務的Nichia由於在藍光LED技術上的成功，使其年營業額從約1億美元快速發展到2003年的9億美元。而原本該公司準備發給Nakamura的專利獎勵金是日幣200萬元，經過一場官司後，Nichia被判定應該給這位研究人員日幣2億元。

           

繼藍光LED技術突破後，白光LED正式啟動了廣泛的LED應用風潮，從顯示、指示及手機光源，到正在醞釀中的LCD-TV背光源，各種新機會的大門不斷被創意敲開。

2、LED技術

LED是繼1950年代矽(Si)半導體技術後，由三五族(III-V族)化合物半導體發展的半導體器件。LED的發光原理是利用半導體中的電子和空穴結合而發出光子，不同於燈泡需要在3000度以上的高溫下操作，也不必像日光燈需使用高電壓激發電子束，LED和一般的電子元件相同，只需要2-4V的電壓，在常溫下就可以正常動作，因此其壽命也比傳統光源來得更長。

LED所發出的顏色，主要是取決於電子與空穴結合所釋放出來的能量高低，也就是由所用的半導體材料的能隙所決定。同一種材料的波長都很接近，因此每一顆LED的光色都很純正，與傳統光源都混有多種顏色相比，LED可說是一種數字化的光源。

LED晶片大小可以因用途而隨意切割，常用的大小為0.3-1.0mm左右，跟傳統的燈泡或日光燈相比，體積相對小得多。為了使用方便，LED通常都使用樹脂包裝，做成5mm左右的各種形狀，十分堅固耐震。

                                                                 LED的基本結構

值得注意的是，除了大家常見的可見光外，LED還有不可見光，如“紫外光”與“紅外光”等，例如電視遙控器就是一種紅外光應用，其波長約為900nm，而紫外光則因為具有殺菌功能，所以被廣泛應用在醫療用途上。

                            LED主要向大功率和小體積兩個方向發展

(1)提高發光強度及發光效率

作為指示燈方面的應用，有幾個mcd的發光強度也可以了，但由LED組成的數碼管或字元管則顯得亮度不足，若要用於戶外作信號或標顯示，則其亮度太低，不能滿足使用的要求。所以LED的主要發展方向是提高發光強度(也就是一般所指的提高亮度)。

InGaAlP和nGaN LED晶片發光效率的演變。其中，a為InGaN藍光LED，b為InGaN綠光LED

隨著半導體材料及半導體工藝技術、設備的發展，LED的亮度不斷提高，開發出高亮度及超高亮度LED，并且不斷創造新記錄。以Φ5標準封裝、發紅光、視角差別不大的LED為例，不同生產年份LED的發光強度如表1所示。

表1 不同生產年份LED的發光強度比較

從表1可以看出，近30年LED的發光強度提高了8000倍左右。1969-1987年LED的發光強度是很低的，發展很慢，但1994-2005年LED的亮度有很大的發展。表1列出的并非發光強度最高的。例如，在GaAs的襯底上采用AlInGaP工藝技術制成的Φ5、紅光LED，在小視角4°、50mA工作電流時，其典型發光強度為20000mcd。

                  以GaAs為襯底的LED結構

LED另一個重要性能指標是發光效率η，用lm/W來表達。各年份生產的LED發光效率如表2所示。從表2可以看出，這30多年來，LED的發光效率提高了250倍以上。1970-1990年LED發光效率提高較慢，1990-2005年則提高較快。例如，Cree公司生產的1W白光LED XL7090WHT，其發光效率可達60lm/W。

表2不同生產年份LED的發光效率比較

XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封裝的白光LED。XL7090WHT的發光強度大，電流350mA時的典型光通量為60lm，在瞬態脈沖電流700mA時典型光通量可達98lm，而目前一般1W白光LED的光通量為30-45lm)；XL7090WHT的發光效率高達60lm/W，視角寬達100°；封裝尺寸僅為9×74.3mm；工作溫度范圍是-20-+80℃。

由於XL7090WHT發光強度大、發光效率高，因此它適用於家庭、商業或公共場所明、DVD、筆記本電腦、電視機的彩色顯示屏的背光；廣告燈、路燈及標燈；汽車及運輸工具的內外照明及數碼相機的閃光燈等。

從表1和表2也可以看出，LED的發光強度及發光效率的提高主要取決於采用的半導體材料及其工藝技術的發展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導體材料)和GaAsP(三元素半導體材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半導體材料)後，其發光強度及發光效率有很大的提高。另外，在工藝技術上采用在GaAs襯底上用AlInGaP材料生產的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN材料生產的綠光、藍光LED，在發光強度及發光效率上有較大的改進。

(2)提高LED功率

我們知道，LED的發光強度與正向電流IF幾乎成線性關系，即增加正向電流IF可增加發光強度。但LED有一個最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF為正向壓降)，若過大地增加IF而使PD超過最大值時，LED會過熱而損壞。為了要提高發光強度，開發出中功率LED(一般為幾百mW)，其工作電流也提高到70mA。近年來，為進一步提高發光強度，開發出大功率LED，其功率一般為1-10W(有一些還大於10W)。它的工作電流一般為350-700mA，有些可達1A以上。

以American Opto Plus LED公司生產的5W的PU-5WXX系列為例，在700mA電流下，其結溫Tj為25℃，其典型發光強度如表3所示(大功率LED的發光強度用光通量表示)。

表3 PU-5WXX系列LED的典型發光強度

從表3可以看出，除藍光LED的發光強度及發光效率較低外，其他發光顏色的發光強度及發光效率都相當高。

早期生產的LED是小功率的(幾十至上百mW)，現在已能生產大於10W的大功率LED，在功率上增加了100倍以上。

雖然說小功率LED與大功率LED的發光效率是差不多的，但LUMILEDS公司的研究表明，大功率白光LED比Φ5白光LED的壽命更長。另外，采用很多小功率白光LED組成的燈泡可靠性也差一些，燈泡體積也較大。例如，用1W白光LED做成燈具，其尺寸為50.8×50.8×7.1mm，而采用Φ5白光LED來做，其體積則要大得多。但目前大功率LED投產時間不長，價位較高，所以目前大部分LED燈泡仍是用小功率LED做的。

3、白光LED時代的來臨

白光LED是LED家族中最後一個問世的，它的誕生是LED生產中一個重要的突破，它將成為新的照明光源。

白光是復合光，可以用紅、綠、藍(R、G、B)三基色LED混合成白光。1995年前後生產的一種集成LED白光燈(或稱全色LED燈)由2個高亮度藍光LED、15個綠光LED及5個紅光LED組成。這種白光LED燈尺寸大、白光純度不高、發光效率也不高。但這種三基色燈用單片機來控制可發出七色光及白光的變色燈，可用於娛樂場所，增加節日氣氛。另外，采用RGB三種管芯組成的RGB LED常用於手機的變色背光。

在上世紀末，可能受熒光燈的啟發，人們在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉，用藍光激發熒光粉發出白光的白光LED。采用不同的熒光粉，可發出冷白光(色溫為4500-10000K)及暖白光(色溫為2850-3800K)的白光LED。目前，白光LED的發光效率大都已超過30lm/W，某些產品已超過50lm/W的水準，它給用於照明的LED燈泡創造良好的條件。

(1)TFT-LCD背光照明

目前，CCFL是大尺寸LCD產品中應用最廣泛的背光技術。雖然從技術上來說CCFL已經相當成熟，無論是性能還是穩定性都久經考驗。但在NB產品、大尺寸LCD-TV產品日益強調輕薄短小、更高的色彩表現和更強的環保特性趨勢下，逐漸顯示出強大的應用前景。LED背光技術的優勢主要表現在∶

（A）使用壽命長

在發光壽命方面，LED背光技術將CCFL遠遠拋在後面。普通的CCFL背光源一般的使用壽命在3萬小時左右，一些頂級的CCFL背光的發光壽命也不過在6萬小時左右。這樣的壽命對於頻繁使用的用戶來說意味著使用2-3年後LCD的亮度就將會明顯下降，許多LCD產品在使用幾年後螢幕就會發黃、亮度明顯變暗，而不得不更換LCD的CCFL背光模組。而LED背光則完全沒有這樣的問題，現階段白色LED背光的壽命已經高達10萬小時。每天連續使用10個小時，可以連續用上27年，即使24小時不間斷使用，這樣的壽命也足夠使用5年！而且還有再次提升的潛力。

B、豐富的色彩表現力

在色彩表現力方面，LED背光也遠勝於CCFL。原有的CCFL背光由於色純度等問題，在色階方面表現不佳。這就導致了LCD在灰度和色彩過渡方面不如CRT。更重要的是，冷陰極熒光燈色域較為狹窄，會嚴重影響在LCD顯示器上顯示的色譜，導致幾乎所有的LCD顯示器都無法達到平面印刷的Adobe RGB色域標準。據測試，采用CCFL背光只能實現NTSC色彩區域的78%，近期少數面板廠商采用CCFL技術最高能夠達到92%NTSC，後續提升空間不大，而LED背光卻能輕松地獲得超過100%的NTSC色域表現。在色彩表現力和色階過渡方面，LED背光也有顯著的優勢，其色彩表現力強於CCFL背光源，色彩還原好，可對顯示色彩數量不足的液晶技術起到很好的彌補作用。

LED與CCFL背光之效能比較

C、體積縮小

LED作為LCD背光會帶來哪些好處呢？首先，采用LED背光的LCD的體積將進一步縮小。LED背光源是由眾多柵格狀的半導體組成，每個“格子”中都擁有一個LED半導體，這樣LED背光就成功實現了光源的平面化。平面化的光源不僅有優異的亮度均勻性，還不需要復雜的光路設計，這樣一來LCD的厚度就能做得更薄，同時還擁有更高的可靠性和穩定性。更薄的液晶顯示面板意味著筆記本電腦擁有更佳的移動性。例如，2005年10月SONY就推出了11.1英寸，使用白光LED的VAIO筆記型計算機TX系列，采用了厚度僅有4.5mm的LED背光液晶顯示屏，使NB重量下降到1.26公斤，且螢幕厚度也降到僅4.5mm，整體NB厚度更下降16%到21mm，亮度也增加30%，且由於使用白光LED也使電池續航力大幅提升。

對於背光模塊廠來說，LED背光模塊在結構上，主要的差異點在於LGP的改變。使用CCFL時，由於受限於CCFL管徑1.8mm，LGP入光側必須維持2.0mm左右，而成為一個楔形的板(斜式導光板，即導光板兩邊厚度不一)，這使得NB面板沒有辦法做得很薄。使用LED作背光源時，原來LGP之厚度限制已不存在，可以讓整個LGP厚度均勻且變薄，再加上玻璃的厚度約可從0.5mm降為0.3mm，因此可以滿足NB對於輕薄短小的追求。

開發NB用LED背光源，面臨的最大瓶頸，仍在於如何讓導光板的厚度變薄。一般導光板厚度多在2mm以上，而Sony以0.6mm厚度的導光板使用為主，因此背光廠商正積極開發更薄的導光板。

D、亮度和白平衡控制

實現LED功率控制很容易，不像CCFL的最低亮度存在一個門檻。因此，LED的亮度調整范圍大，無論在明亮的戶外還是全黑的室內，用戶都很容易把顯示設備的亮度調整到最悅目的狀態；LED背光可以調整白平衡，同時保證整體對比度。當用戶的視頻源在計算機和DVD機間切換時，可以輕松在9600K和6500K間調整白平衡，而且不會犧牲亮度和對比度。

E、均勻性

冷陰極熒光燈屬於管狀光源，要將所發出的光均勻散布到面板的每一個區域就需要相當復雜的輔助組件，螢幕的厚度也難以控制。而且隨著面板的增大，必須使用多條光源，這就要求來自這些CCFL的光還必須匹配。同時，CCFL背光源的能量利用效率低下。在光能從背光到螢幕的傳輸過程中，光能量損耗情況非常嚴重，最終大約有6%的光能可被真正利用。為了實現更高的亮度和對比度，廠商必須提高光源的輸出功率或增加燈管數目，而這樣帶來的後果就是整機功耗上揚。這對於桌面型LCD顯示器或液晶電視不會有多大的影響，但對筆記本LCD螢幕影響很大。LED可以為大尺寸螢幕提供連續面陣光源。LED是一種平面狀光源，最基本的發光單元是3-5mm邊長的正方形封裝後，所需的輔助光學組件可以做得非常簡單，極容易組合在一起成為既定面積的面光源，具有很好的亮度均勻性。

另外，LED使用的是5-24V的低壓電源，十分安全，供電模塊的設計也頗為簡單；LED光源沒有任何射線產生，也沒有水銀之類的有毒物質，可謂是綠色環保光源；平面狀結構讓LED擁有穩固的內部結構，抗震性能很出色。

LED背光技術就象許多新型技術一樣擁有許多誘人的優點，但LED要想占據大尺寸LCD背光源的主流，目前還需要解決一些技術難點，如功耗、成本、一致性等。

A、發光效率

CCFL仍是發光效率最高的主流光源技術，與之相比，LED的發光效率較低。作為背光源的LED器件以白光類型居多，而白光LED器件在開始時發光效率不高，致使螢幕亮度普遍偏低。比如在當前的LED技術中，不論螢幕的制造商是誰，LED組件的亮度都各不相同。目前CCFL冷陰極熒光燈的發光效

率可達到50-100lm/W，而白光LED器件在剛起步時發光效率僅為20lm/W甚至更低。不過，現在全球有大量的企業從事相關研究，該領域的技術進展非常迅速，白光LED的發光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前為止，白光LED器件的發光效率突破50lm/W，開始達到實用化水準。而業界希望在2007年之前，將白光LED的發光效率提高到75lm/W的高水準。

B、一致性

用LED作為背光源存在白光的一致性問題，這比起CCFL是個劣勢。RGB LED背光源時間一久會產生色移波長會隨溫度變化，產生不同顏色。這一問題導致了顏色偏移、不一致的色純度和質量低劣的真“白色”，這就注定LED在開始時并不適合作為LCD顯示器的背光源。為了消除這一問題，LED制造商們將晶片“分區”或分解成具有近似顏色和亮度的區塊。這種處理有一定的幫助，但仍有不足、亮度和顏色中仍然存在偏移。廠商最新又研發了彩色校正電路，通過對逐個圖元的控制，可以將顏色和亮度上的偏差控制在合理的范圍內。

               照明市場用高亮度發光LED市場規模

C、成本高

成本太高、價格昂貴，同等尺寸的背光源，LED是CCFL價格的4倍。對於目前價格競爭激烈的市場而言，讓廠家有些望而卻步。只有索尼為了圖像質量不計成本。當然，隨著工藝的成熟和生產規模的增加，LED背光的成本會逐步下降。

盡管LED優點多多，但短時間內還難以普及，比如LED背光源系統的成本要高於冷陰極熒光管。目前LED背光模組零組件的價格為CCFL的5倍左右，螢幕尺寸越大，采用LED背光技術的成本就越高。東芝U100之所以采用這種顯示技術，完全在於它只是東芝筆記本20周年紀念品才被應用。

值得欣慰的是，LED產業也存在類似微處理器產業中的“摩爾定律”——Haitz定律，以安捷倫（LED領域領導廠商）的前任技術科學家Roland Haitz命名。其內容是LED的價格每10年將為原來的1/10，性能則提高20倍。如果這個定律能夠不斷應驗，而隨著產能的增加，LED背光源的成本將快速下滑。預計到未來一兩年LED背光的售價可降到CCFL背光的2倍左右，距離大規模普及僅有一步之遙。

表5 發光二極管與其他光源特性比較

  
               人類照明技術的演變

從表6可知，白光LED燈泡的發光效率高於白熾燈泡，但低於熒光燈及節能熒光燈。白光LED的平均壽命最長的，比節能熒光燈高8倍，比白熾燈高33倍多。

家用照明燈發光效率和平均壽命的比較

三種照明燈在節電和經濟上的比較

目前國內已能生產1-3W由Φ5白光LED組成的白光LED燈泡(外形與白熾燈泡相同，球形外殼用透明塑膠做成，直徑約60mm，燈頭用E27螺紋燈頭)，其發光效率η超過35lm/W。2-3W的白光LED燈泡亮度與25W白熾燈泡差不多。另外，目前也能夠生產出12W白光LED的日光燈管，其光通量超過500lm，發光效率超過40lm/W。這兩種白光LED做成的燈壽命都超過50000h。這兩種燈都是用超高亮度Φ5小功率白光LED做成，目前售價較高，且尚未上市。

        
LED作為城市交通信號燈及標燈

白光LED做成的照明燈節能、長壽命。在使用中的節電及經濟性方面，3W的白光LED燈泡、5W的節能熒光燈和25W白熾燈泡的結果比較見表7。可見，從節電方面比較，同樣使用了50000h，白熾燈要用1250度電，而3W的白光LED燈只要250度電，相差1000度電。如果全國有1億蘋3W白光LED燈替代了25W白熾燈泡，則在50000h的使用時間中可節省1000億度電。另外，從經濟方面來比較，用1個3W白光LED燈點了50000h，總的花費是209元，若用25W白熾燈泡需花費688.4元，相差479.4元。

當然，由於白熾燈自發明以來已有150年歷史，白光LED燈泡生產才幾年。目前在市場上只有白光LED手電筒、白光LED礦燈等少數產品，家用白光LED燈泡目前還沒有上市，而且目前只能生產小功率的燈泡，在亮度方面還不如節能熒光燈亮，且價位還較高，普通家庭還難以接受。不過，若考慮使用壽命、省電效率及環保節能等要素，LED照明設備還是有其應用價值的。

                                                                  LED汽車尾燈

隨著半導體材料及工藝技術的進步，生產量的增加，LED照明燈的性能會進一步地提高，價格也會不斷地下降，并可能在3-5年後逐步地進入千家萬戶，成為大家節電、明亮的新選擇。

(3)閃光燈

數碼相機正逐漸替代用膠卷的相機，在數碼相機中采用超高亮度的白光LED替代了傳統的氙燈。采用超高亮度的白光LED作閃光燈不僅電路簡單、尺寸小、耗電省，而且無須充電時間。例如，前面提到的1W白光LED XL7090WHT，它在用作閃光燈時，700mA的脈沖電流時其典型光通量為98lm。
 

 

                  LED手電筒

 

5、結束語

LED元件在2005年的全球市場規模約為55億美元，其中50%在日本，20%在臺灣。目前LED大量應用在指示功能，而該領域也是LED最先進入的市場，如戶外顯示板、交通號燈及平面照明等。隨著高階手機采用LED當背光源後，LED又打開了新的應用領域。未來，LED最被看好的應用是在7-40寸的平面顯示器市場，一旦LED能夠成功成為平面顯示器的背光源，其市場產值將會大幅成長。