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產業技術評析

由美國DOE研發計畫,看LED技術發展方向
發表日期:2020-06-17
作者:黃孟嬌(工研院)
摘要:
LED發展歷史已近五十年,白光LED問世之後,隨著白光LED發光效率持續提高,應用市場逐漸擴大,發展至今已無所不在,再加上效率仍持續提升中,未來技術發展仍具一定潛力。

全文:

一、LED元件技術發展概述
 

從1968年第一個商品化GaAsP紅光LED問世至今,LED發展歷史已近五十年,但是商品化白光LED發展卻一直到1993年GaN系藍光LED被開發出來後,才正式展開序幕。白光LED問世之後,隨著白光LED發光效率持續提高,應用市場逐漸擴大,發展至今已無所不在,再加上效率仍持續提升中,未來技術發展仍具一定潛力,詳如圖1所示。
 

圖1 LED發光效率與價格走勢

資料來源:美國DOE(2020)
圖1 LED發光效率與價格走勢
 

二、美國DOE LED技術發展方向
 

(一)CM-LED正式被納入研發計畫
 

由2019年初美國DOE技術發展藍圖預測可以發現,與過去最大不同在於技術發展將CM-LED(color-mixed LED)開始納入技術發展藍圖中。PC-LED(phosphor-converted LED)為目前常見白光LED,主要是採用藍光LED加上螢光粉後產生白光;CM-LED則是採用綠色、紅色、藍色等LED直接混光而形成白光,不需要螢光粉,因此使得封裝製程上與PC-LED有所不同,詳如圖2所示。
 

圖2 PC-LED與CM-LED差異

資料來源:美國DOE(2020)
圖2 PC-LED與CM-LED差異
 

就發光效率預測上,PC-LED冷白光以及暖白光發光效率最終目標將達250 lm/W,不過CM-LED最終發光效率將可達325 lm/W,主要是因為CM-LED由LED晶片直接混光而形成白光,少了螢光粉以及後段封裝膠材所造成的耗損所致,因此可以超越PC-LED技術障礙,進一步大幅提高發光效率,詳如圖3所示。
 

圖3 白光LED元件發光效率預測

資料來源:美國DOE(2020)
圖3 白光LED元件發光效率預測
 

(二)優先發展方向
 

美國DOE於2019年1月公布優先投入方案的七大項目包括:1.發光材料(Emitter Materials)、2.先進LED架構(Advanced LED Architectures)、3.能階降轉介質(Downconverters)、4.電源(Power Electronics)、5.先進LED照明概念(Advanced LED Lighting Concepts)、6.先進製造(Advanced Manufacturing)以及7.跨領域照明研究(Cross-Cutting Lighting R&D),詳如表1所示。
 

表1 美國DOE優先發展項目
技術項目 技術內容
LED元件/模組 1.發光材料
  • 採用先進發光材料以及結構,提升內部量子效率(IQE)、外部量子效率(EQE)以及改善光效下降現象。
2.先進LED架構
  • 透過新材料以及新元件架構,進一步提升發光效率。
3.能階降轉介質
  • 開發新的高效率波長轉換材料,以利於暖白光LED發展,並可提高熱穩定性以及使用壽命。
驅動控制 4.電源
  • 開發具高效率、高可靠度以及最小尺寸與重量的電源供應器。
  • 利用新的零組件、設備、材料、電路和系統設計,並鼓勵將寬能隙材料納入。
下游應用 5.先進LED照明概念
  • 2025年燈具效率目標為225lm/W。
  • 開發完全優化之CM-LED(color mixed LED)模組或燈具。
  • 開發利用LED獨特性的照明系統架構,以改進照明應用效率。
  • 提升光譜效率。
6.先進製造
  • 可提高LED照明製造價值鏈的任何一段大量生產製造之技術。包括晶圓級封裝、電源零組件和模組化製造、快速創建光學,散熱或外殼的製造工具、靈活生產照明產品。
7.跨領域照明研究
  • 了解光對人類生理影響。
  • 了解照明應用效率(包括光源效率、光傳輸效率、光譜效率以及強度效率) 。

資料來源:美國DOE(2020)
 

首先,在LED元件技術部分, DOE開始將CM-LED技術發展納入,認為待技術發展更為成熟後,可較PC-LED發光效率高出30%。不過CM-LED需依靠各色LED晶片直接混光而形成白光,使得各色LED晶片的性能將是發展重點,尤其是紅光、綠光以及琥珀色等。
 

另外,電源技術發展朝開發具高效率、高可靠度和輕量化發展,利用新零組件、設備、材料、電路和系統設計等,並鼓勵將寬能隙材料納入發展重點。先進製造部分,則透過晶圓級封裝、電源零組件和模組化製造、快速創建光學,散熱或外殼的製造工具、靈活生產照明產品,其中包括3D列印製造技術導入等。
 

最後,不同於過去研發計畫,首度將跨領域照明研究納入,技術開發主要包括:1.了解光對人類身心影響,2.了解照明應用效率(包括光源效率、光傳輸效率、光譜效率以及強度效率),期望可以找出照明最佳應用效率框架和模型。
 

綜觀上述DOE優先發展項目可以發現,提高LED元件發光效率仍為技術最主要發展方向,此與DOE期望藉由固態照明技術發展進一步達到節能效益不謀而合,不過LED技術發展至今,發光效率已凌駕於其他傳統光源,即便未來發光效率仍有持續提高的空間,但技術成長速度將無法像過去來得快,成長幅度也有限。因此近幾年DOE也逐漸開始著眼於以系統角度發展,期望帶來更大節能空間。
 

三、結論
 

DOE正式將CM-LED技術發展納入,且認為待技術發展更為成熟後,將有機會較PC-LED發光效率高出30%,不過元件結構不同於PC-LED,因此仍需要投入研發資源發展。此外,隨著川普政府態度改變以及經費限制等問題,DOE已宣布新一期固態照明計畫研發主題為用於固態照明的新材料與製程,因此整體而言,DOE未來幾年固態照明計畫將會更加著重於CM-LED與材料技術發展。
 

而我國封裝廠商發展主要是以快速跟隨者角色為主,較少投入研發,但近年來面臨中國大陸廠商崛起以及國際大廠砍價兩面夾擊之下,廠商要持續維持高成長已屬不易。再加上LED元件價格持續下滑也成為不變趨勢,因此若持續發展大宗化商品,將會使得營收成長受到侷限,因此建議我國廠商仍須投入前瞻技術,並關注相關研發計畫投入重點,做為未來技術研發參考依據。此外,全球LED照明持續成長,因此對於照明需求與特性顯的日益重要,建議我國廠商可投入提升光品質以及可靠度上;且在智慧照明風潮下,可以持續投入高度整合的光模組/引擎產品開發,以利下游應用廠商使用。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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