解析AC LED應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

以AC LED可直接在交流電下運(yùn)作的特性，配合特有插拔式散熱封裝，將對(duì)傳統(tǒng)LED在照明及相關(guān)應(yīng)用帶來(lái)沖擊，同時(shí)也為臺(tái)灣LED廠商發(fā)展另創(chuàng)新的商機(jī)。

一. AC LED利用交流電直接驅(qū)動(dòng)，顛覆傳統(tǒng)應(yīng)用

不論是家庭、工商業(yè)或公共享電，大多以交流電(Alternating Current，AC)的方式提供，主要是為了避免遠(yuǎn)距離的電力傳送會(huì)有多余損耗，才采用交流電的方式輸送到使用端，故電器必須設(shè)計(jì)成交流電驅(qū)動(dòng)使用，否則會(huì)因電壓不符而產(chǎn)生短路問(wèn)題。

傳統(tǒng)LED皆須以直流電(Direct Current，DC)做為驅(qū)動(dòng)，因此在使用一般交流電作為電源供應(yīng)的同時(shí)，必須附帶整流變壓器將AC/DC轉(zhuǎn)換，才能確保LED的正常運(yùn)作。而應(yīng)用上一直強(qiáng)調(diào)LED省電的特性，但在AC/DC轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，其實(shí)有高達(dá)15～30％的電力耗損，使用上依舊不具效率；因此，研發(fā)可直接用AC驅(qū)動(dòng)的LED就成了一個(gè)新構(gòu)想。

臺(tái)灣工研院成功研發(fā)出可在交流電110V下直接使用的AC LED，搭配特有的立體導(dǎo)熱和可插拔式封裝技術(shù)，于2008年榮獲美國(guó)Ramp;D 100國(guó)際大獎(jiǎng)肯定。AC LED除了增添應(yīng)用上的便利性外，更將為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展掀起一波新革命時(shí)代。

(一) 在照明燈源演進(jìn)上AC LED占盡優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)白熾燈因電光效率轉(zhuǎn)換差，且有環(huán)保上的問(wèn)題，在節(jié)能減碳風(fēng)潮帶動(dòng)下，2010年起全球?qū)⒓娂娊?，宣告LED照明普及時(shí)代已不遠(yuǎn)，唯目前仍需精進(jìn)白光LED發(fā)光效率和散熱設(shè)計(jì)。
LED在電流通過(guò)發(fā)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱能，而DC LED在AC/DC轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生更多熱能，因此散熱設(shè)計(jì)將是影響LED使用壽命的關(guān)鍵。一般設(shè)計(jì)是直接將LED和散熱基板焊在一起，當(dāng)LED燈源損壞時(shí)，必須整個(gè)基座汰換。而工研院研發(fā)的AC LED采用可插拔式立體導(dǎo)熱封裝技術(shù)，除增加導(dǎo)熱面積外，當(dāng)燈源損耗時(shí)可直接以插拔方式汰換，較DC LED便利，也因此特殊的插拔式技術(shù)獲得美國(guó)Ramp;D 100國(guó)際大獎(jiǎng)肯定。

圖一　燈源演進(jìn)及相關(guān)應(yīng)用特性 Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

AC LED透過(guò)特殊電路設(shè)計(jì)可直接使用交流電驅(qū)動(dòng)，不需配合整流變壓器也能正常運(yùn)作，所以在照明燈具設(shè)計(jì)上，體積及重量都能較一般DC LED燈具更有優(yōu)勢(shì)。但目前因發(fā)光效率仍比DC LED差，價(jià)格也較貴，在應(yīng)用推廣上仍需一段時(shí)間。

表一　LED光源特性比較

Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

(二) AC LED搭配可插拔式封裝，使用更為便利
工研院在此次得獎(jiǎng)的AC LED研發(fā)上有兩大主要技術(shù)，分別為「高效橋式AC LED芯片技術(shù)」和「低熱阻立體導(dǎo)熱插拔LED封裝技術(shù)」。

橋式AC LED芯片技術(shù)主要是利用橋式整流電路的設(shè)計(jì)，將AC電流導(dǎo)入后經(jīng)由轉(zhuǎn)換，會(huì)輸出DC電流；此外，工研院亦突破微晶粒制程技術(shù)，在單顆1mm2的面積內(nèi)排列出約百顆微晶粒，更有效提升整片AC LED芯片的發(fā)光效率。

圖二　AC LED Wafer和微晶粒結(jié)構(gòu)

Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

當(dāng)電壓為順向偏壓時(shí)，電流會(huì)順著某一方向流出，通過(guò)發(fā)光二極管使其發(fā)光；當(dāng)電壓為逆向偏壓時(shí)，電流往反方向流動(dòng)，使另一邊的發(fā)光二極管發(fā)光。原先輸入的交流電，透過(guò)橋式電路整流后會(huì)改變其波型；而橋式整流過(guò)程中會(huì)有漏電情形發(fā)生，輸出的電壓形式較接近直流電。

圖三　橋式電路整流示意圖


Source：拓墣產(chǎn)業(yè)研究所，2008/11

低熱阻立體導(dǎo)熱插拔LED封裝，則是此次工研院電光所獲得美國(guó)Ramp;D 100大獎(jiǎng)肯定的技術(shù)核心。國(guó)際上接口熱阻封裝安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不能大于3℃/W，電光所利用立體式導(dǎo)熱封裝的概念，將導(dǎo)熱的接觸面積增加為原本的10倍，散熱的體積也增加，使接口熱阻僅0.3℃/W，大幅改善LED最為人詬病的散熱問(wèn)題。因?qū)㈦娐泛蜕嵴显诜庋b內(nèi)部，亦搭配插拔式的外型，可直接在一般交流電的插槽更換使用，增添便利性。

圖四　立體式導(dǎo)熱封裝技術(shù)專(zhuān)利


Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

由于目前臺(tái)灣廠商生產(chǎn)的LED發(fā)光效率仍較差，在能量不滅的定理下，產(chǎn)生的熱能也較多，因此如何解決散熱問(wèn)題就更為重要。相對(duì)于發(fā)光效率較好的歐美日大廠LED產(chǎn)生的熱能較少，是否因?yàn)榕_(tái)廠有更好的散熱系統(tǒng)而將其市場(chǎng)侵蝕，仍需持保留的態(tài)度。但不可否認(rèn)的是，工研院將LED封裝型式設(shè)計(jì)為插拔式更換，不需將LED和散熱基板焊接在一起，大大提升了LED使用上的便利性。

二. AC LED相關(guān)應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展方向

在產(chǎn)學(xué)研積極合作發(fā)展AC LED產(chǎn)業(yè)之下，配合節(jié)能概念，目前已有相關(guān)應(yīng)用商品的誕生，而在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)應(yīng)早日在全球進(jìn)行專(zhuān)利布局，才能取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

(一) AC LED照明產(chǎn)品已可量產(chǎn)，背光源尚處于樣品示范階段
由于AC LED可直接用交流電導(dǎo)通，使用上可不需另置整流變壓器，在應(yīng)用便利性的發(fā)展趨勢(shì)上更是不容忽視。目前臺(tái)灣市面上已有AC LED商品嶄露頭角，主要是由液光固態(tài)照明公司(LIQUIDLEDS)生產(chǎn)，交由艾爾莎(ELSA)代理銷(xiāo)售。產(chǎn)品的規(guī)格以2W和4W為主，選用韓國(guó)首爾半導(dǎo)體的白光AC LED芯片，搭配特殊液態(tài)絕緣油散熱，光源經(jīng)由液體的光折射后更為均勻射出，在外觀上則選用玻璃封裝更可耐酸堿。

圖五　市售AC LED燈泡


Source：2008國(guó)際電子展液光固態(tài)照明新產(chǎn)品發(fā)表會(huì)；ELSA；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

表二　DC LED與ITRI AC LED照明應(yīng)用比較表


Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

而臺(tái)灣工研院所設(shè)計(jì)的AC LED規(guī)格是以5W為主，目前正在開(kāi)發(fā)8W和10W。于公開(kāi)舉辦的展覽會(huì)中已有相關(guān)的LED照明臺(tái)燈登場(chǎng)，由燈具設(shè)計(jì)更可見(jiàn)較傳統(tǒng)臺(tái)燈輕巧。工研院日前亦將AC LED用于42寸LCD TV背光模塊，已成功完成樣品機(jī)的示范，尚未進(jìn)入量產(chǎn)階段，主要在于技術(shù)和散熱問(wèn)題仍需克服。但AC LED體積小與重量輕的特性，在大尺寸面板背光源設(shè)計(jì)上將成為不容忽視的發(fā)展趨勢(shì)。

圖六　AC LED臺(tái)燈與傳統(tǒng)臺(tái)燈外型比較


Source：工研院電光所；Philips；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

(二) AC LED的專(zhuān)利布局
1996年日廠Nichia成功以藍(lán)光為基礎(chǔ)，搭配黃色螢光粉，開(kāi)發(fā)出白光LED取得相關(guān)專(zhuān)利，其它廠商為避免糾紛，也僅能以專(zhuān)利授權(quán)的方式生產(chǎn)，使Nichia在全球白光LED市場(chǎng)成為龍頭大廠。
目前全球LED市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的如火如荼，舊有LED廠商積極朝上下游垂直整合發(fā)展，而各大集團(tuán)也將其事業(yè)版圖拓展至LED產(chǎn)業(yè)，將LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展推向新的戰(zhàn)國(guó)時(shí)代。反觀AC LED的發(fā)展，除了臺(tái)灣以外，僅有韓國(guó)首爾半導(dǎo)體動(dòng)作最為積極，美國(guó)的研發(fā)僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，日本大廠則尚無(wú)任何相關(guān)布局。因此臺(tái)灣AC LED在專(zhuān)利上的布局應(yīng)更加快腳步，才能有機(jī)會(huì)在未來(lái)的數(shù)年內(nèi)成為AC LED產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭羊。

圖七　臺(tái)灣廠商在AC LED的專(zhuān)利布局現(xiàn)狀


Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

三. 以應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟方式催生AC LED產(chǎn)業(yè)

傳統(tǒng)的LED產(chǎn)業(yè)，根據(jù)不同的磊晶材料制程會(huì)產(chǎn)生不同的光色，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)型式封裝，產(chǎn)生一般常見(jiàn)的LED，如炮彈型LED和SMD型LED等。再根據(jù)應(yīng)用端所需的特性挑選適合的LED，像手機(jī)背光需要體積較小的LED，因此大多采用SMD型白光LED為主。目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是由上而下垂直分工，因市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，商品并無(wú)差異性而造成快速跌價(jià)，影響廠商營(yíng)運(yùn)，因此近期皆可見(jiàn)國(guó)內(nèi)外廠商采取垂直整合的方式布局。
目前的AC LED多是以應(yīng)用端的需求出發(fā)，根據(jù)不同的需求特性做出特有的封裝型式，商品更具差異化。因此當(dāng)廠商取得特有應(yīng)用封裝技術(shù)的專(zhuān)利，更容易在應(yīng)用市場(chǎng)上取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，此種觀念打破傳統(tǒng)LED標(biāo)準(zhǔn)封裝型式，也可免去廠商殺價(jià)競(jìng)爭(zhēng)而壓縮毛利的局面。

圖八　AC LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)畫(huà)示意圖


Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

不過(guò)，AC LED應(yīng)用的普及并不會(huì)完全取代傳統(tǒng)DC LED應(yīng)用市場(chǎng)，因?yàn)榭蓴y式產(chǎn)品仍舊需要依靠電池供電，而電池為直流電輸出，因此在使用LED的時(shí)候，DC LED依舊是最合適的選擇。就目前市場(chǎng)發(fā)展而言，全球背光源產(chǎn)值仍為最大宗，特別在手機(jī)市場(chǎng)及2009年積極成長(zhǎng)的LED NB和Netbook應(yīng)用，都明顯可知DC LED有其不可被取代的地位。

因此AC LED未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)專(zhuān)注于以交流電驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品為主，象是照明燈具、電視背光源、出入口指示燈及建筑景觀照明美化等應(yīng)用。廠商更需積極開(kāi)拓相關(guān)應(yīng)用市場(chǎng)，才能以其差異化的封裝技術(shù)與產(chǎn)品，取得在市場(chǎng)上的生存機(jī)會(huì)。

圖九　AC LED應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟發(fā)展過(guò)程


Source：工研院電光所；拓墣產(chǎn)業(yè)研究所整理，2008/11

因?yàn)锳C LED產(chǎn)業(yè)必須積極拓展應(yīng)用端需求，工研院與業(yè)界共同合作，在2008年10月成立「AC LED應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟」，目前在中上游端僅晶電和鼎元獲得工研院專(zhuān)利授權(quán)，封裝方面則由福華最先試產(chǎn)，隨后加入光寶和高基共同為封裝技術(shù)精進(jìn)。目前在應(yīng)用端僅有照明和背光源產(chǎn)品，未來(lái)仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

四. TRI 觀點(diǎn)
AC LED并非是創(chuàng)新的技術(shù)，但工研院全球首創(chuàng)熱插拔式AC LED，在照明產(chǎn)品應(yīng)用上，不僅比傳統(tǒng)DC LED和一般燈泡更為節(jié)能外，類(lèi)似于一般燈泡拆卸的更換方式，比DC LED使用上更為便利。而其立體式散熱封裝的構(gòu)想，也有效解決LED散熱的問(wèn)題，提升使用壽命。

因微晶粒的制程過(guò)程，提升AC LED的發(fā)光效率，加上不需要搭配整流變壓器的使用，可大幅縮減燈源大小，使燈具設(shè)計(jì)問(wèn)題與造型更為容易。而其用于42寸LCD TV的AC LED背光源也僅于實(shí)驗(yàn)室做出樣品，并未能達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。但AC LED用于大尺寸背光模塊的成功例子，更激勵(lì)廠商樂(lè)觀看待此市場(chǎng)發(fā)展。

擁有此項(xiàng)熱插拔式LED技術(shù)的工研院，藉由專(zhuān)利授權(quán)與技術(shù)移轉(zhuǎn)，垂直整合AC LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，臺(tái)灣AC LED在全球?qū)＠季志佑陬I(lǐng)先地位，國(guó)外僅韓國(guó)首爾半導(dǎo)體發(fā)展最為積極。藉由AC LED應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟發(fā)展，未來(lái)將利用AC LED技術(shù)取得全球LED產(chǎn)業(yè)最佳的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。