照明应用不是梦 工研院AC LED技术揭密

近几年国内外固态照明喊的震天响，但在2004年之前，LED只能在DC 4V/2V下驱动，AC LED的存在只能说是照明产业的梦想，因为半导体产业直觉的技术限制，让这项产品迟迟未被开发出来。

近期全球AC LED技术突破性发展，首见于2005年1月26日韩国汉城半导体公司及美国 III-N Technology的公开发表会。但2004年年底工研院光电所光电半导体及系统应用技术组(光电所W组)以既有之半导体技术基础创新出发，早已成功开发出蓝光及绿光AC LED制程技术，并且已进行技术转移及授权予国内业者，图1即为工研院光电所研发成功之AC LED。

早期白光LED的顺向电压通常被规范成「20mA时，最小为3.0V，最大为4.0V，约0.08W」，近年来大功率LED的发展1W/3W/5W效率也从15 lm/W，提升到40～60 lm/W甚或更高，乐观的看法是半导体产业进入照明产业的脚步似乎越来越近，但务实的问，LED进入照明产业商品化真正的瓶颈为何？

首先会想到的LED价格与亮度问题，从早期蓝光晶粒0.5美元，到现在1.0～0.5台币(以0.3mm x 0.3mm晶粒)，下降的过程几乎是几年间发生的事情，不禁想问台商晶粒厂如何办到的？加上近几年LED亮度成长的速度，这些问题似乎是在很短的时间内可以解决的。2004年工研院就针对市售LED灯具制成品作分析，揭露白光LED灯具与发光效率部分来参考(原本包含各色波长与寿命及散热相对关系，在此仅揭露白光LED)，从中或许可看出端倪来(参考表1)。

从表1可发现2003年部分市售LED灯具效率AC-DC电源转换效率侵蚀效率百分比都在50%以上，很可惜的是，取样中的AC 12V对应机种只有AC 220V非AC 110V机种，但也说明含AC220V TO DC电源转换的LED灯具发光效率仅剩原来LED单体原发光效率16%，也就是说在市售产品中，系统电压与LED操作电压差距越大效率越低。或许会有人会质疑，可设计效率较高的电路或有其它选择，但这又牵扯成本的变动因素，因此我们尽量以已商品化的观点从市售产品中寻找LED进入照明产业发展的可能问题(目前电子安定器转换效率约在90%以上)。

高功率LED为照明产业要角

近期LED产业进入照明产业被关注的另一重要产品就是高功率LED，而高功率LED结构与热阻/散热非本文主要论述，此部分我们就不谈，仅就高功率LED发展方向与照明产业需求相关特性探讨，最主要的方向有二，一是提高单颗LED消耗功率与单颗LED发光光通量，因为在现行的材料技术下，增加单颗LED的消耗功率可直接提升单颗LED的光输出，在晶粒电流密度未饱和前，LED亮度与电流成正比，因此提升LED输入电流就变成LED提高功率最常见的方式。采用的LED厂商有CREE、OSRAM、LUMILEDS与Nichia(图2)。二是提升高功率LED信赖性产品寿命相关特性，以达到降低使用成本，而覆晶及加装ESD逆向保护组件是较常见的手法，目前国外LED厂LUMILEDS寿命条件皆优于传统的中低功率LED。

然而在许多高功率LED应用产品故障检修中却常发现高功率LED并未故障，而是电源控制电路故障，仔细推敲个中原由可发现，现行LED驱动电流由原先20mA已发展到350mA甚至1A，造成控制电路之电路损耗较大而极易发热过热，引起部分电子零件损坏及失效；又由于成本的关系，此类电路LED多采串联回路，因此当LED一颗失效便引起数颗LED一起失效，与原先照明产业期望采用LED多点光源个别失效的想法大打折扣。因此就在大电流低电压的高功率LED之外就有另类思考，高电压低电流的高功率LED因此产生，最初发表的是2002年光鼎电子DC 80V LED(采用的是LIMIT CHIP 5mA/80V/0.4W)，蓝光晶粒逆向耐压高达400V，相对于150mA、0.4W的LED，其零件电流已明显下降97%。很遗憾的是，此产品还是直流驱动，在交流电源环境底下属半波点亮，不然就需外加整流电路(图3及图4)。

采微晶粒制程技术  工研院开发出AC LED

2004年末，工研院采用微晶粒制程技术，成功开发出AC LED，其双向I-V曲线如图5，顺向偏压与逆向偏压皆处于发光型态，起始点亮电压约在100V，市电110V交流峰值电压约在158V，此时电流约在2.5mA，蓝光晶粒因此可在交流有效区间操作，因正反向偏压为导通特性，也就没有蓝光晶粒常见的ESD逆向击穿问题。

因此AC LED可以用很简单的线路被驱动在交流市电AC 110V的环境底下，甚至不需外加任何电阻等消耗性组件(图6)。不过因V-I相位相同较属电阻性元功率消耗，其它应用方式也可以透过控制导通时间的方式控制LED的亮度(图7)，及使用较高频率的AC电源(图7)来控制AC LED达到LED高亮度或应用效率改变。

工研院AC LED已技转业者

工研院光电所W组之「AC LED晶粒开发计划」初步已开发AC110 V 蓝光晶粒及AC 220V绿光晶粒(图8)，主要对象合作厂商为LED晶粒生产厂商，2004年已有厂商技转授权中。而国际上目前已发表同类型产品还有韩国首尔半导体(原汉城半导体)2004年1月26发表的AC LED(图9)，与美国IIIN公司发表的AC LED(图10)。另一方面，工研院亦正积极研究AC LED应用与封装等相关技术信息，并在不涉及授权下提供相关数据给下游先期参与厂商了解，以期加速未来产业对此项技术的发展与应用。

工研院及早布局  免去国外授权金的剥削

AC LED以功能特性来分，具备体积小又不需额外电路就可驱动在AC 110V 60/50Hz电源的特性，现阶段可应用于工业及民生用小型指示灯，如开关电源指示灯/寺庙用途非照明功能小灯/电机设备控制指示灯等；高压低电流低线路损耗优点，现阶段可应用于霓虹灯/大楼外墙装饰灯具，比使用DC LED时的线路损耗降低百分之50%，不需依赖电源供应器接续施工的困扰，并提供远距接续能力以及降低成本，而这些大大改善LED用于照明应用产业的竞争力。另一方面，其适合高频率交流切换的使用特性，亦可用于需与其它高频组件连动的产品，如液晶电视背光光源，可与视讯搭配闪烁控制，改善电视整体耗电量。

对于未来直接照明的应用与影响，在晶粒亮度足够之后，AC LED将可提供廉价LED电源使用效率的方案；再加上低电流操作特性可降低控制组件的损耗与发热问题，又将再一次降低控制线路成本。最后，又因为工研院光电所的提早布局，未来固态照明产业可摆脱国外高额授权金剥削的阴影，同时也更加速固态照明时代的来临。