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解析AC LED应用与发展趋势

2008年9月,工研院以「芯片式交流电发光二极管照明技术(On Chip AC LED Lighting Technology)」获得美国R&D; 100 Awards肯定。2008年10月更与厂商合作成立「AC LED 应用研发联盟」,透过产业垂直整合发展,积极在全球布局AC LED相关专利。以AC LED可直接在交流电下运作的

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解析AC LED应用与发展趋势

出处:拓扑产业研究院 发布时间:2008-12-04 点击:5423 我要评论 评论条数:0

       

        2008年9月,工研院以「芯片式交流电发光二极管照明技术(On Chip AC LED Lighting Technology)」获得美国R&D 100 Awards肯定。2008年10月更与厂商合作成立「AC LED 应用研发联盟」,透过产业垂直整合发展,积极在全球布局AC LED相关专利。以AC LED可直接在交流电下运作的特性,配合特有插拔式散热封装,将对传统LED在照明及相关应用带来冲击,同时也为台湾LED厂商发展另创新的商机。

  一. AC LED利用交流电直接驱动,颠覆传统应用

       不论是家庭、工商业或公共享电,大多以交流电(Alternating Current,AC)的方式提供,主要是为了避免远距离的电力传送会有多余损耗,才采用交流电的方式输送到使用端,故电器必须设计成交流电驱动使用,否则会因电压不符而产生短路问题。

        传统LED皆须以直流电(Direct Current,DC)做为驱动,因此在使用一般交流电作为电源供应的同时,必须附带整流变压器将AC/DC转换,才能确保LED的正常运作。而应用上一直强调LED省电的特性,但在AC/DC转换的过程中,其实有高达15~30%的电力耗损,使用上依旧不具效率;因此,研发可直接用AC驱动的LED就成了一个新构想。

       台湾工研院成功研发出可在交流电110V下直接使用的AC LED,搭配特有的立体导热和可插拔式封装技术,于2008年荣获美国R&D 100国际大奖肯定。AC LED除了增添应用上的便利性外,更将为LED产业的发展掀起一波新革命时代。

(一) 在照明灯源演进上AC LED占尽优势

       传统白炽灯因电光效率转换差,且有环保上的问题,在节能减碳风潮带动下,2010年起全球将纷纷禁用,宣告LED照明普及时代已不远,唯目前仍需精进白光LED发光效率和散热设计。

       LED在电流通过发光时会产生热能,而DC LED在AC/DC转换过程中产生更多热能,因此散热设计将是影响LED使用寿命的关键。一般设计是直接将LED和散热基板焊在一起,当LED灯源损坏时,必须整个基座汰换。而工研院研发的AC LED采用可插拔式立体导热封装技术,除增加导热面积外,当灯源损耗时可直接以插拔方式汰换,较DC LED便利,也因此特殊的插拔式技术获得美国R&D 100国际大奖肯定。

 

图一 灯源演进及相关应用特性

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

 

       

        AC LED透过特殊电路设计可直接使用交流电驱动,不需配合整流变压器也能正常运作,所以在照明灯具设计上,体积及重量都能较一般DC LED灯具更有优势。但目前因发光效率仍比DC LED差,价格也较贵,在应用推广上仍需一段时间。

表一 LED光源特性比较

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

(二) AC LED搭配可插拔式封装,使用更为便利

        工研院在此次得奖的AC LED研发上有两大主要技术,分别为「高效桥式AC LED芯片技术」和「低热阻立体导热插拔LED封装技术」。

        桥式AC LED芯片技术主要是利用桥式整流电路的设计,将AC电流导入后经由转换,会输出DC电流;此外,工研院亦突破微晶粒制程技术,在单颗1mm2的面积内排列出约百颗微晶粒,更有效提升整片AC LED芯片的发光效率。

图二 AC LED Wafer和微晶粒结构

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

        当电压为顺向偏压时,电流会顺著某一方向流出,通过发光二极管使其发光;当电压为逆向偏压时,电流往反方向流动,使另一边的发光二极管发光。原先输入的交流电,透过桥式电路整流后会改变其波型;而桥式整流过程中会有漏电情形发生,输出的电压形式较接近直流电。

图三 桥式电路整流示意图

Source:拓墣产业研究所,2008/11

        低热阻立体导热插拔LED封装,则是此次工研院电光所获得美国R&D 100大奖肯定的技术核心。国际上接口热阻封装安规标准不能大于3℃/W,电光所利用立体式导热封装的概念,将导热的接触面积增加为原本的10倍,散热的体积也增加,使接口热阻仅0.3℃/W,大幅改善LED最为人诟病的散热问题。因将电路和散热整合在封装内部,亦搭配插拔式的外型,可直接在一般交流电的插槽更换使用,增添便利性。

图四 立体式导热封装技术专利

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

        由于目前台湾厂商生产的LED发光效率仍较差,在能量不灭的定理下,产生的热能也较多,因此如何解决散热问题就更为重要。相对于发光效率较好的欧美日大厂LED产生的热能较少,是否因为台厂有更好的散热系统而将其市场侵蚀,仍需持保留的态度。但不可否认的是,工研院将LED封装型式设计为插拔式更换,不需将LED和散热基板焊接在一起,大大提升了LED使用上的便利性。

二. AC LED相关应用与未来发展方向

        在产学研积极合作发展AC LED产业之下,配合节能概念,目前已有相关应用商品的诞生,而在技术发展的同时应早日在全球进行专利布局,才能取得竞争优势。

(一) AC LED照明产品已可量产,背光源尚处于样品示范阶段

       由于AC LED可直接用交流电导通,使用上可不需另置整流变压器,在应用便利性的发展趋势上更是不容忽视。目前台湾市面上已有AC LED商品崭露头角,主要是由液光固态照明公司(LIQUIDLEDS)生产,交由艾尔莎(ELSA)代理销售。产品的规格以2W和4W为主,选用韩国首尔半导体的白光AC LED芯片,搭配特殊液态绝缘油散热,光源经由液体的光折射后更为均匀射出,在外观上则选用玻璃封装更可耐酸碱。

图五 市售AC LED灯泡

Source:2008国际电子展液光固态照明新产品发表会;ELSA;拓墣产业研究所整理,2008/11

表二 DC LED与ITRI AC LED照明应用比较表

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

       而台湾工研院所设计的AC LED规格是以5W为主,目前正在开发8W和10W。于公开举办的展览会中已有相关的LED照明台灯登场,由灯具设计更可见较传统台灯轻巧。工研院日前亦将AC LED用于42寸LCD TV背光模块,已成功完成样品机的示范,尚未进入量产阶段,主要在于技术和散热问题仍需克服。但AC LED体积小与重量轻的特性,在大尺寸面板背光源设计上将成为不容忽视的发展趋势。

图六 AC LED台灯与传统台灯外型比较

Source:工研院电光所;Philips;拓墣产业研究所整理,2008/11

(二) AC LED的专利布局

       1996年日厂Nichia成功以蓝光为基础,搭配黄色萤光粉,开发出白光LED取得相关专利,其它厂商为避免纠纷,也仅能以专利授权的方式生产,使Nichia在全球白光LED市场成为龙头大厂。

       目前全球LED市场竞争的如火如荼,旧有LED厂商积极朝上下游垂直整合发展,而各大集团也将其事业版图拓展至LED产业,将LED产业发展推向新的战国时代。反观AC LED的发展,除了台湾以外,仅有韩国首尔半导体动作最为积极,美国的研发仅停留在实验室阶段,日本大厂则尚无任何相关布局。因此台湾AC LED在专利上的布局应更加快脚步,才能有机会在未来的数年内成为AC LED产业的领头羊。

图七 台湾厂商在AC LED的专利布局现状

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

三. 以应用研发联盟方式催生AC LED产业

       传统的LED产业,根据不同的磊晶材料制程会产生不同的光色,经过标准型式封装,产生一般常见的LED,如炮弹型LED和SMD型LED等。再根据应用端所需的特性挑选适合的LED,像手机背光需要体积较小的LED,因此大多采用SMD型白光LED为主。目前的产业发展是由上而下垂直分工,因市场竞争激烈,商品并无差异性而造成快速跌价,影响厂商营运,因此近期皆可见国内外厂商采取垂直整合的方式布局。

       目前的AC LED多是以应用端的需求出发,根据不同的需求特性做出特有的封装型式,商品更具差异化。因此当厂商取得特有应用封装技术的专利,更容易在应用市场上取得竞争优势,此种观念打破传统LED标准封装型式,也可免去厂商杀价竞争而压缩毛利的局面。

图八 AC LED产业发展规画示意图

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

       不过,AC LED应用的普及并不会完全取代传统DC LED应用市场,因为可携式产品仍旧需要依靠电池供电,而电池为直流电输出,因此在使用LED的时候,DC LED依旧是最合适的选择。就目前市场发展而言,全球背光源产值仍为最大宗,特别在手机市场及2009年积极成长的LED NB和Netbook应用,都明显可知DC LED有其不可被取代的地位。

        因此AC LED未来发展的趋势,应专注于以交流电驱动的产品为主,象是照明灯具、电视背光源、出入口指示灯及建筑景观照明美化等应用。厂商更需积极开拓相关应用市场,才能以其差异化的封装技术与产品,取得在市场上的生存机会。

图九 AC LED应用研发联盟发展过程

Source:工研院电光所;拓墣产业研究所整理,2008/11

        因为AC LED产业必须积极拓展应用端需求,工研院与业界共同合作,在2008年10月成立「AC LED应用研发联盟」,目前在中上游端仅晶电和鼎元获得工研院专利授权,封装方面则由福华最先试产,随后加入光宝和高基共同为封装技术精进。目前在应用端仅有照明和背光源产品,未来仍有相当大的发展空间。

四. TRI 观点

      AC LED并非是创新的技术,但工研院全球首创热插拔式AC LED,在照明产品应用上,不仅比传统DC LED和一般灯泡更为节能外,类似于一般灯泡拆卸的更换方式,比DC LED使用上更为便利。而其立体式散热封装的构想,也有效解决LED散热的问题,提升使用寿命。

       因微晶粒的制程过程,提升AC LED的发光效率,加上不需要搭配整流变压器的使用,可大幅缩减灯源大小,使灯具设计问题与造型更为容易。而其用于42寸LCD TV的AC LED背光源也仅于实验室做出样品,并未能达到量产标准。但AC LED用于大尺寸背光模块的成功例子,更激励厂商乐观看待此市场发展。

        拥有此项热插拔式LED技术的工研院,藉由专利授权与技术移转,垂直整合AC LED产业的发展,台湾AC LED在全球专利布局居于领先地位,国外仅韩国首尔半导体发展最为积极。藉由AC LED应用研发联盟发展,未来将利用AC LED技术取得全球LED产业最佳的竞争优势。

 

 

 

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