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集體積小、反應(yīng)速度快、耐震性佳、可塑性高、組件壽命長等特點于一身的發(fā)光二極管（LightEmittingDiode,LED），是最先進且受期待之照明光源，各家廠商無不致力開發(fā)LED照明相關(guān)應(yīng)用。本文針對現(xiàn)今照明用LED技術(shù)民展與市場應(yīng)用趨勢及其特用電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格，作一系列分析整理，期能提供研究新時代LED照明之參考。
1、LED簡介
LED的發(fā)展歷史相當(dāng)早，早期以光通訊領(lǐng)域應(yīng)用為主，當(dāng)時常被用來替代雷射二極管作為光源�，F(xiàn)今LED應(yīng)用范圍則相當(dāng)廣泛，主流發(fā)展以發(fā)光波長落于可見光范圍之各色LED，較具發(fā)展?jié)摿Φ挠斜程蕴�、電子設(shè)備、室內(nèi)外看板或顯示器、汽車領(lǐng)域及新興的照明應(yīng)用等。而在非可見光LED則分為紅外線LED及光通訊LED；紅外線LED應(yīng)用于無紅遙控及信息設(shè)備、無線通訊及交通系統(tǒng)等新應(yīng)用的IRDA模塊。光通訊LED則以光通信模塊、條形碼讀取頭、CD讀取頭及半導(dǎo)體電射等用途。表一為LED分類及其應(yīng)用領(lǐng)域。
一LED分類及其應(yīng)用領(lǐng)域
分類材料應(yīng)用領(lǐng)域
可見光LED（450-780nm）傳統(tǒng)亮度GapGaAsPAIAS家電、信息產(chǎn)品、通訊產(chǎn)品、消費性電子產(chǎn)品
高亮度AIAS（紅、橙、黃光）大型看板、交通號志、背光源、汽車第三煞車燈
GaInN（藍、綠光）
GaInN+熒光粉（白光）照明用燈
不可見光LED紅外線LED（80-950nm）GaASGaAlAsIrDA模塊、遙控器
光通訊LED（1300-1550nm）GAlAS光通訊用光源
從LED應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢來看，背光源、室內(nèi)外顯示器及汽車這三部分的產(chǎn)值最高，但以未來成長率來觀察，則發(fā)現(xiàn)以照明應(yīng)用的成長性最高，從2002年到2004年的復(fù)合成長率高達42%，其次是顯示器有36%的成長率。這也是為何各家廠商都以白光LED為發(fā)展的重點。
2、白光LED
自1960年發(fā)展出第1顆LED，歷經(jīng)三十余年直到1996年日本日亞化學(xué)的中村先生發(fā)明藍光LED，突破長久以來的技術(shù)瓶頸后，白光LED就成為照明界所矚目的新興光源。過去LED普遍用于信號指示，如今已造成照明科技的指針。
LED發(fā)出白光的方式主要可分成兩種，如表2所示；一種是單晶型（SingleChip），這種方式與日光燈的發(fā)光方式一樣，就是把藍光加上黃色螢光粉或此外光LED加RGB三波長螢光粉來產(chǎn)生白光；另一種是多晶型（MultiChip），即利用互補的2色或把3色做混光而形成白光。除此之外，單芯片型最新技術(shù)動向是改變活性層的性質(zhì)，利用單純的半導(dǎo)體產(chǎn)生RGB三色光，進而獲得白光效果。
多芯片型方式凝于各顏色LED的驅(qū)動電壓、發(fā)光功率、配光特性的差異，以及溫度特性、組件壽命的相違，因此距離實用化還存有許多待解決。單芯片型因為組件種類單純，因此具有驅(qū)動電路設(shè)計容易等優(yōu)點。其中，有關(guān)近紫外LED激發(fā)RGB三色螢光體，具體方法是利用RGB三色螢光體的波長與近紫外差異很小的特性，獲得高效率的發(fā)光，并于flipchip結(jié)構(gòu)上均勻涂抺RGB三色螢光體，便可變成白光LED，此外不同種類螢光體的組合，可產(chǎn)生各種顏色的光線，所以近紫外LED可廣泛應(yīng)用于照明與顯示領(lǐng)域。
白光發(fā)光原理
方式激發(fā)源發(fā)光元素螢光材料發(fā)光原理
單晶型三波長發(fā)光層InGaNMQW利用三種活性層使RGB發(fā)光獲得直接白光
藍色LEDInGaNYAG黃色螢光粉以藍色光激發(fā)螢光粉（黃色發(fā)光）
紫外光LEDInGaNRGB三波長螢光粉以紫外光激發(fā)RGB螢光粉（原理同螢光燈）
多晶型藍色、黃綠色、藍綠色、橙色LEDInGaNGAPAIInGa
藍色、綠色、紅色LEDInGaNAIInGaPAlGaAS將3原色裝成一組
由于單體LED的光束很微弱，欲應(yīng)用于照明用途必需將復(fù)數(shù)個LED作系統(tǒng)最佳化的配列。日亞BY白光LED、21世紀光源計劃小組的RGB白光LED以及山口大學(xué)OYGB白光LED的室溫發(fā)光頻譜、發(fā)光效率、色溫、平均演色評鑒數(shù)Ra等照明光源必備的光學(xué)特性比較。其中，B表示藍色（Blue）、（Yellow）、R表示紅色（Red）、G表示綠色（Green）、O表示橘色（Orange）。
3、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況
由于白光LED嚴然成為照明科技的指針，在五年間，國家級的研究計劃有1998年4月日本開始執(zhí)行5年內(nèi)投入50億日元的“21世紀光計劃”，1999年美國“半導(dǎo)體照明光源白皮書”則預(yù)計十年投入5億美元的研發(fā)經(jīng)費。產(chǎn)業(yè)部分有世界三大照明廠所投資成立的半導(dǎo)體光電公司--OSRNMOptoSemiconductors(OSRAM)、Lumileds(Philips)、GELcore以及美國Cree與日本日亞化學(xué)(Nichia)、豐田（ToyodaGosei）、住友等白光LED的代表公司。
由表三可知各國在LED的投入及發(fā)展方向主要著重在材料以及制程技術(shù)的研發(fā)，并且以美國及日本較為積極，因其訂出的研究項目及技術(shù)指針較為明確，投入的資金也相對較大，參與廠商也是世界各地重量級的廠商，所以在未來5-10年仍然是以美日在LED市場的領(lǐng)先者。
在白光發(fā)光效率方面，因為白光LED的發(fā)光效率要超過100lm/W以上才能進入廣大的照明市場，對目前的日光燈（約60-100lm/W）才有取代的效果，所以各國均以達到100lm/W以上為目標。就單價來年，日本希望持續(xù)降低藍光LED晶粒的售價到5元日幣以下，換算臺幣約1-2元左右，可預(yù)見未來藍光LED仍有50%的下降空間。
另外，全球氮化鎵（GaN）的藍、綠光LED市場是由日本的Nichia、TyodaGosei及美國的Gree和歐洲的OSRAMOptoSemicondutors等廠商所掌握。其中在專利及技術(shù)最強的是Nichia，但最近Nichia的專利權(quán)已經(jīng)被突破，因此未來藍、綠光的競爭勢必更加激烈，相對的成長也會更為快速。而美國的Cree所生產(chǎn)的亮度雖然不知Nichia，但該產(chǎn)品具有低成本與單電極打線等優(yōu)點，所以成為一全球藍、綠光LED的最大產(chǎn)量的廠商。
為了規(guī)避Nichia專利，各國廠商開始往紫外光加上三波長螢光粉發(fā)出白光之技術(shù)發(fā)展，而紫外光LED以美國Cree技術(shù)層級最高，其發(fā)光效率已達21lm/W（為市售藍光LED約4-5倍）。若以紫外光專利數(shù)來看，目前研究紫外光LED專數(shù)目最多的是日本，以ToyodaGosei和Nichia發(fā)展的最積極，紫外光LED的專利數(shù)分別為15件及11件，在白光亮度領(lǐng)先的機會最大。
在白光LED封裝技術(shù)方面，主要的技術(shù)難度在如何耐高電流、具高散熱性及提高發(fā)光的亮度，所以發(fā)展出“低接觸阻抗電極”、“耐熱UV樹脂材料”來耐高電流及提高散熱性，并借“高反射率”、“高效率的螢光體合成法”以及“照明設(shè)計”等技術(shù)來提高發(fā)光亮度。
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