【2017年整理】LED光源——从显示到照明.docVIP

LED光源——从显示到照明 文/台湾交通大学光电工程学系暨显示科技研究所 田仲豪 发光二极管（LED）近几年因为发光效率急速的提升，以及环保节能的需求下，从初期的电源指示灯渗透到显示器的背光领域，进而扩展至一般的照明市场。然而，LED光源的发光频谱特性，和过去传统白炽光源（Incandescentlamp）、气体放电灯 （Gas discharge lamp） 的光谱能量分布相比有很大的差异。本文主要即在介绍LED做为一般显示器背光与照明光源使用，在哪些方面与传统光源比较上具有其独特的优势，而又在哪些方面，必须符合现有的一些限制与规范。 LED显示与照明产业趋势 根据工研院IEK 2007资料，LED产业在2011年整体市场规模可望达114亿美元，2006年至2011年五年的复合成长率为13%，主要原因即为白光LED的发光效率（luminanceefficiency）超乎预期，这个参数代表每单位的电能（单位为瓦特Watt），在光源可以产生多少的光能（单位为流明lm）。 而这也是以往LED技术发展上，最常被使用的一个参数，以目前实验室的白光发光效率已经可以在150 lm/w以上，而商品化的发光效率也达100 lm/w，相较于一般光源已具有其优势，因此逐渐被广泛使用在显示与照明产业上。在显示器背光模块部份，小尺寸的市场虽面临同样具有薄形、省电特性的EL、OLED等新兴科技的挑战，但因为LED技术已相当成熟，具低价吸引力，未来应将持续成为主流，以手机用光源为例，市场占有率高达95%以上。至于中型尺寸显示器，主要包括车用显示器（car Navigator）、数字相框（Digital Frame）、可携式媒体播放器（Portable Media Player，PMP）、超可携式个人计算机（Ultra Mobile Personal Computer，UMPC）与笔记型计算机等，其显示尺寸介于7~15英寸间，LED背光模块的渗透率约为21%。在大尺寸显示器方面，于2004年底，Sony推出全球第一款40 英寸及46 英寸LED背光模块液晶显示器电视”QUALIA 005 ”，如图一所示，皆使用三色LED，耗电量分别为470W及 550W，虽然色彩饱和度高达NTSC（NationalTelevision System Committee，美国国家电视委员会电视系统标准）所制定标准的105%，但仍有其价格过高与散热，色均匀等技术成熟度上的问题，且背光模块总厚度高达10公分 根据国际能源总署（IEA）的估计，2005年全球照明总发光量为134.7千兆流明小时（petalumen-hours），估计全球所需要花费的照明成本为3650亿美元才能支撑上述如此庞大的发光量，换算之下约占全球GDP的1.2%，而CO2排放量约19亿吨，相当于全球七成的轻型车排放量。在2005年照明系统的平均发光效率50 lm/w，但照明效率提升速率与其它光源领域相较之下仍属偏低，相较之下，LED照明相较于传统照明光源的好处很多，但不可讳言，目前在价格、可靠度及系统整合等条件上仍然比传统光源逊色。然而，不管是政府或是民间企业都在LED产业投入大笔资源，对于LED普及于照明市场的推进不遗余力。而工研院IEK认为，在技术与经济层面要符合LED照明技术的产品，至少必须具有以下特点： （1）对光通量的整体要求为中低度，例如夜灯。 （2）充分掌握半导体照明所强调的指向光优点，以减少光源的损耗，如厨柜用嵌灯。 （3）提升对高色温光源的接受度或开发其优势。 （4）灯具可维持长时数的使用。 （5）灯具使用寿命长，同时必须可减少维修费用，如大楼航空灯。 （6）可调控亮度或可承受频繁的开关动作。 （7）灯具须通过低温环测，如冷冻柜照明。 （8）要求几乎或完全不发出红外及紫外光，如博物馆展示灯。 （9）具小巧外型且高度经济价值。 （10）补强现有光源技术的严重缺点，如白炽灯的效率不佳、卤素灯的色彩质量低。 而在照明市场持续开拓之下，工研院IEK预估，2011年全球LED照明经济规模将达9.85亿美元，2006年至2011年的市场复合成长率则达37%。 LED于背光模块的应用 LED的发光原理为半导体材料间电子电洞的结合。产生的光波特性，由材料能隙决定，而单一LED芯片，使用相同的主动发光材料，因此光源的频谱，具有窄频宽的特性，平均频谱的半强度宽（Full Width at Half Maximum），约在20nm左右。而传统的一般光源，发光原理为热辐射方式，因此发出的能量较为连续，而具有连续分布的频谱，或是荧光灯（Fluorescent）与高压气体放电灯系光源（High IntensityDischarge）如水银灯（mercury vapor, MV）、复金属（metal halide，MH）