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實戰LED照明應用與設計   【作者： 王岫晨】   2009年03月08日 星期日

瀏覽人次：【9061】 LED技術再怎麼夯，最終還是要得普及化並應用到真實生活中，否則一切終將是空談。LED能應用之領域非常廣泛，可以說只要牽涉到「光」的應用，LED都能軋上一角。而且這樣還不夠，這些應用未來也都能被LED給取而代之。而從LED照明產品問世的開始，也象徵著白熾燈的時代即將進入尾聲，LED即將全面進佔人類生活的所有角落。 當然，這算是後話了，畢竟以LED照明目前發展上種種亟待克服的問題，要真能滲透並普及到生活中的每個角落，還得再期待一段時日。先撇除價格、效率、發熱、專利等問題不看，目前已被開發出來的LED照明產品還真是不勝枚舉。本文也將透過廠商實際開發之產品，說明LED照明產品目前之應用現況與設計挑戰。 台達一小步 台灣一大步 台灣發展LED照明的優勢在於上、中、下游產業鏈十分完整，因此若能善用這樣的優勢整合資源，則在LED照明產業中將如魚得水，而台達電子（Aelta）正是這麼一家在LED照明產業中擁有高度整合能力的廠商。台達電子一直致力於落實產品的節能減碳，因此目前可再生能源應用及LED應用便成為該公司技術創新的兩大主軸。也隨著LED產品快速融入日常生活，加上環保節能意識高漲、以及經濟不景氣加速低耗電新興產品的需求，台達電子以其環保節能的企業經營理念，結合多年來於電源、散熱、光學與機構等領域的技術能力，推出一系列戶外與室內的LED照明新產品。 《圖二　台達電子推出的LED路燈，圖中可見其耗電量僅79W》

將環保理念導入產品設計

台達電子企業開發總經理暨副總裁蔡榮騰表示，台達電子研發製造了許多產品，主要根植於兩項重要的技術能力，一是交換式電源供應器，另一則是可應用於包括電腦、電子、通訊、網際網路與汽車的無碳直流風扇。而近年來開發的許多視訊產品更是大量應用台達開發的多項技術，例如背投影電視中的色輪、光機、光學儀器等。

台達電子的商業模式一直隨著市場腳步進行調整，也因此都能夠符合該公司創辦人「環保、結能、愛地球」之發展理念，將這些理念導入產品設計當中，並發展新能源替代方案的產品。因此近年來也開始注重LED市場走向、發展與應用狀況。而台達致力於發展LED照明的另一個主要原因，是因為台達協助美國廠商GE Lighting製作燈泡中的安定器，已有超過20年的合作經驗，並在大約2005年開始協助GE Lighting做LED的電源驅動器。自此開始，台達規劃了一系列不同的LED應用產品線。

《圖三　台達電子之路燈模組特寫》

視訊應用含括戶外顯示、背光與投影

在視訊應用方面，目前包括戶外顯示看板、投影機光源與LED背光板等台達都已有相關產品的推出。戶外LED顯示看板是高單價且具有高度市場商用價值的產品，這種LED顯示看板亮度高，置於室外既使是在大白天也依然清晰可見，目前台北商業區許多精華地段，以及高雄的世運主場館等都已經開始應用這種LED看板，而台達目前也積極跨入此一應用領域。而在LED視訊應用的另外產品線，則是台達與歐洲廠商合作的前投式投影機高亮度光源，以及LCD TV使用的LED背光板。台達過去便已有CCFL冷陰極管的背光源產品，CCFL眾所皆知，視使用的產品不同，所使用的燈管數量也不同，例如大尺寸的電視螢幕比起NB或PC顯示器所使用的燈管數量當然會更多。這樣的情況，在成熟且價格便宜的CCFL燈管上並不是問題，但在發展LED背光源時便成了最大的問題。原因在於發展LED背光源，若以42吋LCD TV為例，其背光板所需要使用的LED數量超過2000顆，而目前LED發展初期最大的問題也正是成本問題，一旦應用於消費性產品市場上，價格將非常昂貴，因此就目前來看，LED背光應用只能說是叫好不叫座，重點仍然必須等待量產成熟且價格降低之後，才有商用化價值。然而LED背光板除卻價格的劣勢之外，事實上優點是非常多的，例如LED背光能讓LCD顯示器的色彩飽和度更高、壽命可長達十倍，耗電量也僅需CCFL背光的一半。

《圖四　路燈模組背後為散熱片》

從路燈切入照明市場

當然LED最主要的應用還是在於照明，且因為新能源節約方案的關係，許多廠商積極爭取這樣的商機。而照明應用最多廠商搶食的市場就是路燈照明，這也是台達電子目前非常具備市場競爭力的LED照明產品項目之一，而台達的LED路燈發光效率經過工研院認證測試高達97％，是台灣同級功耗量產路燈實測最高效率的戶外照明路燈，僅80W的功耗便可發出相當於目前200W路燈的亮度。另外，台達也開發出全球第一個具備全幅無段相位式可調光（Full-Range-stepless phase-dimming）的LED照明燈。這些照明產品包括室內、戶外與功能性等照明，或可取代家用照明的省電燈泡。

LED照明產品優點很多，唯一的缺點就是太過於昂貴。但這與過去省電燈泡發展的例子非常類似，也是剛推出時都非常貴，在量產成熟與使用者普及之後價格也趨於合理，市場接受度也才廣泛。畢竟價格越低，也越具備競爭能力。台達與許多廠商一樣，最先發展路燈照明產品，這是因為政府有義務與責任推廣對的產品，並兼具環境保護與減碳的功能，而LED絕對是一個正確的選項。在LED價格偏貴，一般使用者不敢興趣的情況下，由政府單位來推廣並採購路燈是個很好的開始。

《圖五　可調式LED燈。由圖中可比較台達電子之可調式LED燈（左）亮度較市售LED燈光更亮，耗電量卻更低僅約10W。》

兼具效率與便利之設計理念

在產品設計上，台達開發的LED照明產品不單從效率、安全、低成本、材料回收、及外觀設計為出發點，同時也特別著重人性化使用，大幅縮短科技與人性間的距離，提昇社會使用該產品之便利。台達2009年年初一系列LED照明新產品發表特別區分為三大主題，包括戶外照明、功能照明、與室內照明，皆具高效率節能與便利使用之優勢。

戶外照明

《圖六　台達發表之高亮度LED燈泡，其上為與市售燈泡之規格比較表。》

《圖七　台達發表之LED煞車尾燈》

功能照明

台達電子推出的功能照明產品主打高亮度均勻光型、內建全幅無段相位式調光器（直接使用一般燈具即可調光）、全系列選擇、與功率因數修正（Power Factor Correction；PFC）。

《圖八　從桌上型檯燈到交通號誌燈，台達的LED產品應用種類非常齊全。》

《圖九　台達電子的高亮度戶外顯示看板》

室內照明

另稱泛用照明，產品為一般辦公建築或家庭使用。台達電子室內照明產品涵括辦公室天花板燈、T8燈管、與E27鎖頭燈泡等，皆為高度取代原燈具設計，便利一般消費者直接替換現有其他光源。與所有台達電子其他LED照明產品相同，這些室內照明產品也具有高功率與優良流明效率及光型之優勢。E27鎖頭燈泡也內建了全幅相位調光功能，而辦公室天花板燈能段落式調光（三段式調光），皆為使用者可自行調整亮度。而比起省電燈泡更佳的光電效率，以及增加照度的指向光型，也都為LED照明增加了更大的應用潛力。

NS全面驅動LED照明市場

自從LED的發光用途被廣泛應用之後，照明的歷史也進入新的里程。LED發光效率大大優於傳統燈泡，再加上壽命長、反應快、顏色鮮明、發熱度低等特色，因此被稱為新一代綠色環保光源，近年來更隨著可攜式產品的輕薄化而受到市場青睞。如何正確挑選LED產品，並針對不同需求設計LED解決方案，已成為設計工程師的一大挑戰。

根據研究機構PIDA的統計資料，至2008年時，LED在背光源與照明應用的產值將會成長至12％左右，而至2009～2010年之後，其年增率更可達到15％及18％，並進入快速成長的成熟階段。預計2011年LED照明市場規模將達9.8億美元，且主要成長來源為建築照明及商業照明。

《圖十　美國國家半導體亞太區電源管理產品行銷經理吳志民》

美國國家半導體（NS）亞太區電源管理產品行銷經理吳志民表示，LED具備低電耗、低功率、壽命長、體積小、耐震動、無紫外光、快速反應及低壓驅動等優點，非常適合作為照明使用。與傳統的白熾燈泡相比，LED可減少80％～90％的耗能，並同時提供相同的流明數。一個120W的LED燈便可以取代150W的白熾燈泡。此外，LED起動非常快速，無需暖機便可達到一定的亮度，較白熾燈泡快了250毫秒（ms），對於汽車照明應用非常重要。

吳志民說，現今的LED範圍非常廣泛，包含汽車照明、背光源、可攜式產品照明、一般室內照明、號誌與看板照明等，都有使用LED的空間，因此未來的市場規模十分可觀。加上目前高亮度LED的技術愈漸成熟，未來在照明上的應用將會更佳普遍，並出現大幅的成長。

目前NS的LED產品線幾乎涵蓋整體LED應用市場，包括手機應用的背光、娛樂燈飾與閃光燈；照明應用的MR16、路燈照明與建築照明；車用照明的煞車燈、頭燈與日間照明燈；顯示器應用的LCD背光照明、投影機等應用。

而LED照明除了在光源端著手改進之外，負責點亮LED的驅動IC也扮演關鍵的角色。吳志民表示，根據他實際與LED照明廠商合的經驗來看，目前很多的LED照明廠商都不是傳統的照明商，而是新投入該領域的業者。但無論是新廠商或者傳統業者，對於LED的電路設計都不是太熟悉，都非常需要有專業的技術人員進行協助，這點也是NS最能著力的地方。

吳志民指出，目前在LED照明的驅動IC端的技術已相當的成熟，加上電路多使用既有的電路設計，因此並沒有太多的困難存在。現今LED照明最主要的困難點還是市場價格的問題，另外，LED的亮度與散熱也是另一個關鍵點。

《圖十一　NS推出的Webench網頁可協助LED應用設計》

目前NS為了協助LED照明相關產業的工程師在設計LED系統時能更有效率，因此推出了一款「WEBENCH」的設計工具，其特點是可協助工程師篩選二百多款高亮度發光二極體，而且確保整套燈光系統設計可在最短時間內完成。WEBENCH 設計工具涵蓋Avago Technologies、Cree、Lite-On、Nichia、OSRAM 及 Philips Lumileds 等公司推出的發光二極體產品，比較它們之間的參數，其中包括燈光輸出、顏色、大小、視角、電流及額定功率等。

吳志民最後也說明，LED解決方案的設計必須顧及整體系統需求，因此NS特別開發了一套WEBENCH設計工具來協助工程師設計LED系統。這套LED設計工具的特點是可以協助工程師篩選二百多款高亮度LED，而且確保整套燈光系統設計可在最短時間內完成。

工研院推動LED產品高值化

由於LED具備體積小、壽命長、省電及環保等優點，成為眾多高能源效率光源中最被重視的產品。儘管LED發光效率在實驗階段的應用雖已可達一般照明功能之要求，但成本仍遠高於現有省電燈泡，因此LED在一般照明應用難以普及。儘管如此，LED市場因應節能應用概念興起，逐漸延伸在特殊照明利基型市場嶄露頭角，包括LED路燈、商用看板的投射燈、室內球場燈及LED醫療照明等應用的擴展。工研院目前便配合政府『白光政策型計畫』積極開發LED光源高附加價值節能產品的政策，致力於LED特殊照明光源模組自主技術研發，將台灣LED產業與特殊照明設備廠有效成功跨異業的整合，除了對特殊照明及相關市場產業的貢獻外，也扮演白光LED特殊照明創新運用火車頭的角色，引領台灣LED光電產業以低成本、高價值的優勢加速在特殊照明領域發展的速度。

碳排放量的減少有著顯著的幫助。

《圖十二　工研院電子與光電研究所光電元件應用部經理胡鴻烈》

特殊照明應用成果豐碩

工研院電子與光電研究所光電元件應用部經理胡鴻烈指出，工研院在針對特殊照明應用之產品開發成果非常豐碩。所謂的特殊照明，是將一般LED照明之外的應用全歸類為特殊照明，例如汽車頭燈、醫療照明等。針對醫療照明這個市場大致分為三大類，分別為醫療照明、醫療診斷與治療三個層級，各層級所需之照明需求也不盡相同。工研院在LED醫療照明應用關鍵技術的研發是以LED光源之冷光、高演色的特性，作為LED手術燈、牙科燈的醫療光源，相較於現有鹵素燈LED長壽命及較佳光品質優勢，此技術未來更可提升人類醫療品質。

工研院LED元件封裝與應用技術團隊針對手術燈、牙科燈所需的高演色、低色溫、高聚光、與無影度等需求，除了已經成功開發出適用於IEC60601-2-41規範的LED無影手術燈，與適用於ISO9680（1993）規範的LED牙科燈，以及演色性高於90的LED光源，並已在高演色LED光源（CRI>90）與高均勻出光螢光粉塗佈技術、半反射高聚光模組、可變光形與變焦無影系統、低EMI之PWM控制系統等都有重點的專利佈局。

這些光源與燈具技術雖尚處於實驗室開發階段，目前已藉由經濟部先進醫療照明業界科計畫，由國內LED封裝生產廠東貝光電為主導，與手術醫療設備廠鼎眾進行LED光源與無影燈具進行可量產化的共同開發研究，預期台灣於高附加價值的LED醫療照明應用與產業將會有全然創新與應用，特別是針對有高經濟產值的LED牙科燈與LED手術燈，不論是在產品面或技術面都有相當程度的創新與準備，更能提升LED光源應用層次及提升醫療照明品質，不論是對於人類福祉、能源應用及提昇台灣LED產業的經濟面與應用面等都將有莫大貢獻。

在車燈方面，LED相較於傳統車用光源具有下列優點：

由於汽車前照燈所使用的瓦數比煞車燈與方向燈更大，所消耗的能源以及所造成的二氧化碳排放量也更大，若能將前照燈也一併更換成LED對於環保、節能更能盡一份力量。早在2003年世界汽車展覽中就已經出現了第一組白光LED前照燈雛形，2005年起許多高階車種陸續採用LED頭燈，如Audi推出使用白光LED之日行燈（DRLs），Porsche於2006年推出黃光LED的前方向燈；2007年第二季Lexus推出了全世界第一輛使用白光LED當作車用前照燈光源之近光燈車款-LS600h，Audi也於2008年初推出前照燈全LED化之R8車款，這都開啟了人們對於白光LED應用於汽車前照燈的重視。

LED光源使用於前照燈除了上面所提及之優點外，LED又具有下列之優點：

《圖十三　AC LED晶圓》

此外，經濟部技術處也持續推動LED汽車照明創新應用，結合汽車產業與工研院電光所研發團隊，歷時2年的努力，整合台灣LED上、中、下游及汽車產業聯合成立『車用先進環保光源技術開發聯盟』，由大億交通主導，結合華創、佰鴻、億光、璨圓、鼎元、力致以及宏惠等八家廠商，並借重工研院電光所之技術能量，投入LED車燈的研發，充分整合上中下游的關鍵技術與產品，以滿足車廠對於先進環保光源車燈的要求，為台灣自主性的LED光源應用燈具產業注入生命力，使台灣LED相關產業與車燈產業於LED汽車頭燈開發技術能力能與國際接軌。

《圖十四　AC LED檯燈》

從第三煞車燈、煞車燈到前頭燈等，LED在車用市場已經逐漸廣泛。另外在探照應用方面，工研院已開發出100瓦具小角度光束的LED強光探照燈具，除了具有無風扇、防雨功能外，用於球場照明的照度與使用傳統燈具的照度相當，且省電效率可達44％。

另外，針對LED的散熱方式，胡鴻烈也說明，一般LED散熱方式有兩種，一是系統端散熱，一是熱源端的解熱。系統端散熱就是透過風扇等簡易方式散熱，並無特別之處。而最困難的地方就在於熱源端的解熱。工研院針對熱源端散熱開發了橫向導熱架構，是針對由LED晶粒所直接發出之熱源加以解熱。胡鴻烈強調，所有散熱方式中，離發熱源最近、最早的解熱方式才是最好的散熱法。而橫向導熱裝置也正是針對這樣的目的而設計。

《圖十五　高亮度LED應用於汽車照明頭燈》

AC LED創造省能新模式

液晶顯示器之產品如手機、數位相框、電腦螢幕及家用電視等，已成為台灣高科技產業發展之重點，而背光模組為液晶顯示器重要關鍵零組件，對液晶顯示器的製造成本及品質影響極大，利用LED光源製作的背光模組，預計能成為今後以環保與省能開發主題的重點。

在技術處指導下，工研院從2004年開始致力於LED背光模組的開發。2005年把光、機、電、熱的人才與技術整合在一起，研發出十多台不同種類的LED 背光電視，尺吋從19吋至42吋機型，顯示亮度從戶內500 nits至戶外1000 nits的需求皆有。其中色彩自動控製技術，克服了一般LED背光模組在長時間顯示時下的色座標漂移，使色彩更能穩定。但耗能比一般同等的CCFL背光模組為高。

《圖十六　可熱插拔的AC LED燈模組》

有鑑與此，工研院在2006年開發更先進的LED光源及背光模組。在光源部份，一般LED為DC LED，則利用直流電源驅動的LED，而家用電源多為交流電。所以要先把交流電轉為直流電要經過變壓器，電流經過變壓器後大約會有30％變熱損耗掉。電光所開發AC LED可把LED直接連接交流電點亮，溫度及壽命都比DC LED低及長。

在背光部份，工研院成功研發AC-LED背光模組電視，體積更輕薄、色彩更鮮明。在交流電驅動及控制AC LED電路，耗能跟同等的CCFL背光模組一樣，但電路板的面積節省三分之二，且無需電源供應器，使厚度更薄，僅約2cm。為了提高液晶電視的對比度和更省能，也成功研發出區域控制線路，可接收電視的影像訊號，同時作出配合影像明暗度的顯示。這可比CCFL背光模組對比度高出10倍，約為20000：1。可省能一半無需風扇散熱，若跟液晶面板反應速度約1ms結合，加上色彩自動控製技術，可省能達四分之三，是極具潛力的綠色環保電視。工研院除了落實技術的開發，更把技術與專利授權給台灣多家相關廠商。使其大大提昇面板產業國際競爭力。

《圖十七　LED晶粒之橫向導熱散熱架構示意圖》

當然AC LED技術不只可用於背光板，一般的LED照明應用也非常適合。工研院晶片型交流電發光二極體照明技術（On Chip AC LED Lighting Technology）以簡單的「直接用交流電驅動」觀念作研發設計，取代傳統LED的直流電驅動晶片發光，以交流電驅動晶片上微晶粒（micro-diode），不用整流變壓器，大幅縮小 LED 的體積和重量，與傳統照明相容，應用更彈性，系統壽命更長。同時也應用可插拔式立體封裝，突破LED封裝限制，加大熱傳導接觸面積，LED元件與散熱系統間之介面熱阻係數可達0.3℃/W以下。此外，因有簡易更換的特點，在燈具及顯示器的外觀設計上可提供極大發揮空間，目前已應用在閱讀燈及顯示器背光模組上。

《圖十八　工研院的On-Chip AC LED Lighting Technology獲選為2008全球百大最創新技術之一》

工研院除了研發上的突破外，晶片型交流電發光二極體照明技術在專利佈局上，亦已掌握關鍵高價值專利，從AC LED元件結構、晶片、封裝與應用端，完成全球AC LED先期的整體專利佈局。2008年10月3日工研院更整合台灣光寶、晶電等19家上中下游國內廠商，共同組成AC LED應用研發聯盟，發展AC LED應用產品，快速推動AC LED照明市場新發展。

《圖十九　LED專業手術燈讓醫師判斷更準確》

值得一提的是，而工研院的晶片式交流電發光二極體照明技術（On-Chip AC LED Lighting Technology）也獲選為2008全球百大最創新技術之一，與Intel、杜邦（Dupon）、美國阿岡實驗室（Argonne National Laboratory）、美國太空總署（NASA）等知名機構齊獲此一殊榮。On Chip AC LED以創新晶片式交流電操作，加上立體插拔式（hot swapping）散熱的研發創意，在來自世界的創新技術激烈角逐中，被評選為今年度全球100項最具創新能力的科技之一。

採用交流電直接驅動LED晶片發光，不需整流變壓器，較傳統LED節省15～30％電力，搭配立體導熱、可插拔封裝技術，體積小等特性，較容易進行多變化的照明設計。

《圖二十　LED裝飾燈》

結語

不論是台灣或全球市場，許多研究報告都指出，LED應用與目前的經濟景氣衰弱正好呈現相反走勢，不論零組件或成品與應用等，LED的市場調查都呈現成長趨勢。現今的LED應用範圍非常廣泛，包含汽車照明、背光源、可攜式產品照明、一般室內照明、號誌與看板照明等，都有使用LED的空間，因此未來的市場規模十分可觀。加上目前高亮度LED的技術愈漸成熟，未來在照明上的應用將會更佳普遍，並出現大幅的成長。我們或許可以這樣說，在沒有其他更好的照明解決方案出現之前，LED絕對將是未來照明應用最強勢的主流技術。

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