LED色彩控制影响未来发展空间

2005北美照明展 LED色彩控制影响未来发展空间
2005年北美照明展LED相关产品展示后，LED未来相关发展动态更为清楚；LED应用于照明，具有发光颜色多样化、省电、体积小、寿命长、污染低、设计空间广、模块弹性大等众多优点，因此各大照明厂商皆在此次照明展中展出其LED相关产品。
　
此次照明展除有许多LED灯具厂商参展外，世界各LED大厂也积极参与本次照明展，展出他们最先进之技术成果，以下便说明LED厂商们相关技术现况。

Lumileds今年展品分为新产品Luxeon K2展示、LED照明与LED背光三大部分。Lumileds今年推出Luxeon K2，如图1(左)所示，芯片可工作温度高达185℃，优于其它市面上LED产品，且比Lumileds以往产品高了将近50℃，如图2(右)，而K2可直接配置在PCB板上，以400mA的高电流驱动，当环境温度40℃时，不需额外再加散热片即可顺利工作，总体来说具有下列特色：
．芯片工作温度高达185℃
．以350 mA工作时，产生效率60 lm/W、色温6500K之白光
．最高操作电流为1500 mA
．热阻值9℃/W
．通过Jedec 2a测试
．通过无铅制程
．1000mA工作50,000小时，亮度维持原来70%

LED背光适用于建筑美化看板

Lumileds利用如图2(左)所示的红、蓝、绿侧射式LED，加上透镜导引LED光线从透镜侧边出来，进而混光产生从白光到其它可见光波段颜色，可应用在如图2(中)之建筑美化看板上，以同一面板产生多样化色彩，或是当作电子器件如图2(右)所示大型LCD TV的背光板上，呈现更佳之色彩饱和度、控制性与再现性。

LED最终标的市场在照明，而Lumileds今年展出其产品在一般照明之应用成果；他们使用单一芯片配搭不同组成的荧光粉，从而产生各种不同色温与演色性之白光用于景观照明，如图3所示。再者，从Lumiled展出的产品目录得知其灯具形状分别为长条形或圆形，规格特性示于图4与图5，色温介于3200～5000K，演色性为75～90，寿命皆高达50,000小时，而灯具光通量依条形或圆形灯具差异从270 lm到700 lm不等。

LED大厂技术现况

Gelcore赋予画作生动效果

美国通用电器为世界三大照明厂之一，其与Emcore所合资的Gelcore，也在今年照明展中展示其LED现在与未来的相关产品。现有产品(Tetra)专注在看板显示上，颜色从白光到可见光相当多样化，大部分用于各式广告招牌上；至于未来之新产品Gelcore则展示了1W和4W封装的高功率LED，相关规格特性如图6所示，1W产品内含一颗1×1(mm)芯片，而4W之LED则配置了3颗芯片，与其它厂商产品最大的差异在于Gelcore使用波长为405nm之UV光芯片去激发荧光粉产生光谱横跨可见光的白光，且由于该UV光芯片并不参与白光混光，所以因芯片差异所产生白光之变化不大，减小了光斑的问题。

再者，Gelcore利用各色荧光粉混拌比例调配，赋予该公司白光LED各种不同色温(3000K、3500K、4100K、5000K、6000K)与演色性(CRI＝70～95)，并增加其效率至25 lm/W，工作寿命达20,000小时。而较具代表性之作品则分别是其1W与4W的产品，当工作功率1W时，LED可产生光通量40 lm、色温4100K与演色性80之白光；如提高功率至4W时，则产出90 lm、色温3500K与演色性90的白光。相关实品如图7(左)所示，而会场实际展示则如图7(右)所示，利用各种不同色温之白光LED照明，促使景物呈现不同风采，并赋予画作更生动的效果。

Cree ED为一般灯泡耗电量的一半

Cree原本为专业芯片商，不过近年来也开始推出一些LED封装产品；今年在会场用Xlamp 7090 LED组成各式灯具，总共产生超过3500的高亮度，如图8所示，而其会场LED灯具产生190K lm之光通量，总耗电量为6500W，为一般灯泡耗电量的一半。
会场用的Cree Xlamp 7090，如图9(左)所示，尺寸为7mm×9mm，将芯片被黏着在内含金属之高导热性电路板，外部配制塑料棱镜，最高芯片工作温度125℃，整体热阻17℃/W，而其构装形式示于图9(右)，以350mA电流与功率1.8W驱动LED，放出色温介于4000K～6800K之白光，而总光通量为60 lm，换算后效率大约是30 lm/W。

Nichia1展现不同色温白光LED

日亚化学为LED相关产品的领导厂商之一，于此次照明展也展出其LED产品与应用近况；较有特色的如图10(左)之Jupiter与Rigel，大小为11.2mm ×7.2mm，使用耐热性佳的树脂混拌荧光粉封装后，黏着在内含铝材之高导热电路板上，以350mA、3.8V驱动LED，工作功率1.3W，发出光通量约42 lm之白光，换算后效率为32 lm/W。此外，日亚化学也展出其各种不同色温的白光LED，示于图10(右)，以厚度0.8mm之0.6W Rigel LED，调配荧光粉混拌比例，增减红色荧光粉浓度，变化色温从2500K～10000K不等，发光效果遍布冷、暖色系白光；不过因为红色荧光粉转换效率较差，所以一般来说暖色系白光效率低于冷色系LED，依照日亚会场人员说法，就冷色系4100K的白光LED而言，效率约略30 lm/W，若色温降低至3500K时，效率下滑至28 lm/W，而于色温2800K之暖色系白光LED系统，效率则只有24 lm/W；最后日亚则将24颗暖色系白光LED组装成可携带式掌上型灯具，耗电量为10W，点亮后结果示于图11。

Lamina维持高功率下良好发光效能

相较于其它大厂，Lamnia规模并不大，但其今年所推出之LED照明模块，在北美照明展得奖获得许多青睐；底下便稍加介绍其展出产品特性与技术特色；首先以今年获奖的产品BL4200为例，如图12(左)所示，大小为20mm的圆形，厚度仅4mm，以6颗蓝光芯片焊着在Lamina高导热金属陶瓷基板(LTCC-M)上，表面披覆黄色荧光粉，操作功率5.3W，可放出色温介于4000～10000K、演色性62～78、通量120 lm之白光，而基于LTCC-M优良之散热性，让该LED构装模块整体热阻下降至2.5℃/W，使他在高功率工作情况下，芯片依然维持良好的发光效能。

另外，Lamina先前也推出一组不错的白光LED数组模块BL3000，功率高达26W，如图12(右)所示，置入小芯片于LTCC-M基板的洞中，并在上层披覆黄色荧光粉，混色产生色温5500K、演色性78、通量567 lm之白光，其中最关键的在于其导热技术，让BL3000即使在26W的高功率下操作，依然能正常工作。

Osram展示阅读灯或特殊号志应用模块

Osram为世界三大照明厂之一，在此次照明展中展出LED相关产品与应用，其中包含白光LED近况及其使用在各式看板与装饰灯源的成果；以白光LED产品Golden Dragon为例，示于图13，将芯片构装黏着在铝基板上后予以接线，而外壳则利用如epoxy或silicone之树脂模封材料加以封装，操作电流最大为500mA，功率高达2.3W，宣称其效率21 lm/w，色温变化从4700K～6500K不等，演色性指数80。再者，Osram展出Dragon LED模块，如图14(左)所示内含3颗LED，功率介于2.4W～3.6W，光通量最高达85 lm，可应用在阅读灯或特殊号志上，使用寿命高达50,000小时；同样地，Osram也将6颗Dragon LED组装在Tape式可挠基板上，操作功率7.2W时，光通量最高达150lm，应用于背光或其它面状灯具上。

提升LED亮度为当务之急

以上便是2005年北美照明展中LED灯具与LED展出情况，经由审视这些LED展品相关特性与未来照明需求之差异，进而可整理出LED将来可能的发展趋势。

从会场产品得知在相同操作功率下，大部分照明用LED亮度皆高于灯泡，但相较于荧光灯具而言，亮度效能仍显不足，因此，如何有效提增LED亮度，实为刻不容缓之课题，而一般来说，提升LED亮度有两种途径，一为提高效率，二为增加功率（即高功率LED；Power>1W）。

就提高效率而言，目前效能最大的障碍在于外部取光效率低落，而其原因主要归咎于不同介质间之全反射损失与构装材料本身的吸收，以LED组件来看，经由电子、电洞接合，光从LED芯片活性层(Active Layer)发出后，经过封装材料才到达空气，而光必须经过许多折射率不同之介质，如磊晶层或封装材料层等，若光从高折射率材料进入低折射率介质时，界面就会发生全反射现象，使光波无法有效导出，降低LED亮度。由此可知，若要增加外部取光效率，则须调变构装形式或封装材料来将光导出组件；在改变构装形式的部分，可在构装中设置反光板(镜子)，使镜子凹面朝向封装表面，让LED芯片发出之光受到镜面反射，照射到封装表面，将光波导出LED组件外部，增加整体亮度。再者，芯片表面粗化或建构光子晶体也是目前提高外部取光效率之热门方式，其最主要利用周期性折射率分布而使光线发生衍射，进而从芯片内部发射到外部的光线就会增加。

而Lumileds则藉覆装芯片(Flip Chip)，如图15(左)所示，一方面使光从折射率较低(n=1.8)的蓝宝石(Sapphire)射出，减少芯片与封装材料间之全反射损失，另一方面移去晶线并添加下方反射层来提增封装结构外部取光能力；从实验结果中发现，如图15(右)所示，加置反射层的覆晶式构装出光效率的确高于传统构装，且效果以银反射层之效果最好。除上述方法外，目前尚有其它LED大厂藉改变芯片形状、粗化芯片表面、增加窗口层、使用透明基板等手段来提升外部取光效率，增加LED发光效能。

除改变构装形式可增加LED效率外，封装材料光学特性调整也有助于LED亮度提升，其中以高折射率与折射率稳定性高为未来重点发展方向。一般来说，LED芯片折射率(n=2～4)远高于封装材料之折射率(n=1.53)，因此当芯片发光经过封装材料时，会在其接口间发生全反射效应，造成大部分的光线反射回芯片内部，无法有效导出，亮度效能直接受损。为解决此问题，则须提高封装材料的折射率，来减小全反射损失；以工研院光电所软件仿真之研究结果来看，随着封装材料折射率增加，将可使得LED亮度获得上升，就红光LED组件而言，当封装材料折射率1.7时，外部取光效率可提升44%，而根据会场Lumileds工程师的说法，该公司较前瞻性之产品已开始使用高折射材料于LED外部封装上，因此，开发高折射率透明封装材料来缩小芯片与封装材料间的折射率差异，重要性可见一斑。另外，封装材料折射率之稳定性也会影响LED组件最终出光亮度，若封装材料内部折射率变异过大，则会有光散射的问题，导致其光波穿透率下滑，所以减小封装材料内部折射率差异也为增加LED效率之重要课题。

功率增加可提升亮度

提升LED亮度的另一种方式则是增加组件工作功率，若LED组件效率不够时，欲在低功率下产生高亮度有极大之困难，因此为了让发光二极管发出足够的亮度，须提高其操作功率。以Lumiled的高亮度LED来说，其功率最高便增加至5W，然而在此种操作环境下所衍生之温度极高，可能会对芯片或周遭封装材料产生伤害，导致封装材料黄变(Yellowing Issue)、尺寸安定性变差(Dimension Stability Issue)、使用寿命下降(Lifetime Issue)等问题，所以LED构装形式或使用材料势必得作调整，以Lumileds高亮度LED为例，其构装形式改变后如图16所示；直接将芯片黏着在导热性较好的硅基板上，并在硅片背后加上一块导热铜片，将芯片产生之热量透过基板后由铜片导出，再则于芯片上方填充柔软的硅胶当作缓冲层，借着应力松弛(Stress Relaxation)释放材料间因热膨胀系数差异所累积的应力，减少断线或是脱层发生之可能性；另外为了减少构装内部所产生的热量，则以覆晶(Flip Chip)方式将芯片固定在硅基板上来缩短导线路径，避免了在传统构装中因晶线线路较长产生高热之现象。

综观上述现象，得知功率增加可提升亮度，但因此所产生的高热对发光二极管会产生严重之致命伤，所以如何在LED高功率的状态下避免其效能与使用寿命下滑等问题，成为高功率LED未来发展之重要方向。

LED数组模块化为未来LED重要趋势

为了减少制程、结构复杂性与有效整合LED和灯具，LED数组模块化为未来LED照明应用的重要趋势，以今年会场多家厂商之产品可隐约感觉到这股潮流；如Lamina将数十颗LED配置在同一块基板上，如图17(左)所示，利用高导热技术，维持LED工作效能发出相当高的亮度，以他们今年2月之展品为例，示于图17(右)，将1120颗色温5500K、演色性80的白光LED，群组在5英吋见方之高导热基板(LTCC-M)上，在1400W的操作功率下，放出28,000 lm之光通量，换算后效率为20 lm/W。

Light Fair 2005除了有白光LED数组化展品外，其它颜色的LED数组模块也出现于会场中，以Opto Diode的产品为例，示于图18，将99颗高亮度LED放置在高导热基板上，以17W功率操作，放出从红光到蓝光等之有色光。

此外，VS-Optoelectronic也推出一组RGB COB LED数组模块，如图19所示，在88mm × 75mm之导热性基板上黏着56颗LED，在24V之电压操作放光用作指示光源。

高散热化提升LED效能

经由上述介绍可知就高亮度或数组化LED而言，散热优良与否决定了LED组件或灯具工作效能；以芯片放光为例，其发光效率随温度增加而下滑，一般来说超过125℃，就无法顺利工作，尽管目前已有LED厂商将芯片工作温度拉高至185℃，大幅拓展LED组件对热量之容忍度，但对LED整体构装效能与使用寿命来说，高热依旧是LED的致命伤，因此如何有效导引LED发光所产生之热量是大家急于解决的问题。

而今年北美照明展会场，也有多家厂商针对LED散热技术进行展示；以Foshan Nationstar Optoelectronics之LED探照灯为例(图20左)，为了让多颗高功率LED能正常运作，在LED灯具模块下方加上金属导热片后，再装上散热风扇，以致产品体积巨大；然而Lamina产品，如图17右所示，将LED直接黏着在以Cu/Mo/Cu组成之高导热性基板(LTCC-M)上后再加金属散热片，便有不错的散热效果，大幅缩小了LED灯具产品体积，示于图20(右)，其中最关键之角色莫过于高导热性基板了，相较于其它热导材料，LTCC-M的热导性仅次于铜或铝材，呈现170～210 W/m℃的高导热系数，结果示于图21；然就铜或铝材而言，他们与LED芯片热膨胀系数差异过大，所以无法直接当作LED基板，只能用于散热片，而Lamina之高导热基板，热膨胀系数为5.8ppm/℃，与LED芯片相当接近，所以LTCC-M除可扮演散热材之角色外，尚可直接充当基材，在不影响效能下，缩小LED模块体积。

由上可知，LED基板材料对LED工作效能影响甚大，除了Lamina的高导热陶瓷基板外；本展览中也有厂商展示其它热导与热膨胀系数符合需求之高导热基板；如Heatron展出内含钢材、铝材，表面涂布陶瓷的高导热基板，如图23(左)所示，详细结构示于图23(右)，相关材料特性示于图24，热导系数依照方向介于6～57W/m℃不等，而热膨胀系数则为13.3ppm/℃。

高色彩控制化呈现照明效果

面对LED未来一般或特殊照明之应用，LED在色彩能力上的控制相当重要，以这次会展为例，多家LED大厂分别强调其在色彩或色温之控制能力，其中又以色温控制能力为盛；如Lumileds、日亚化学、Osram等分别展示不同色温的白光LED，范围遍布冷、暖色系，另外，以Color Kinetics设计的LED灯具iW MR而言，示于图25，利用四颗白光LED精准表现出3000K、3500K与6000K种色温，演色性范围介于75～85；相同地Gelcore也利用荧光粉比例调配，变化出如图26般不同之白光LED，由左到右分别呈现出3000K、3500K、4100K、6500K的色温，演色性指数70～95。而色彩控制能力之重要性，可从图26中不同色温白光照射相同景物所呈现观感的差异得知，随白光色温变化，被照物视觉效果会有极大差异，因此如何控制LED照明模块的色彩稳定性就非常重要了，如果在照明灯具中LED群组发光之效果(波长、色温等)不一，最后LED灯组则无法精准呈现出预期的照明效果。

而白光LED色温稳定性往往跟芯片效能与荧光粉混拌比例有极大关系，以Lumileds所做的实验为例，示于图27，若芯片周围荧光粉分布不均，使其各方向之蓝黄光混色配比不一致，白光LED各角度所发出白光色温变化起伏甚大，引发所谓的光斑；反之当荧光粉以规则型态覆盖于芯片周围时，对芯片任何角度发出的蓝光而言，与之作用的荧光粉数目一定，促其色温稳定，达到色彩控制性。综上所述，LED色彩控制能力绝对影响未来LED发展之空间与市场，因此势为LED将来重要的研发课题。

可设计化成为LED最佳优势

相较于其它灯源而言，LED体积小可设计性高，从今年展场产品不难发现许多厂商皆掌握LED这项优点，提供其它光源无法表现的设计性，未来LED将继续维持高设计性优势，赋予LED终端应用产品，如汽车、装潢灯具等更多意想不到之特色。以Ardee lighting展品为例，如图28所示，将白光LED整合进橱柜中，以薄型灯源呈现不同效果；另外LED结合软线或软板也是今年装饰照明灯具大宗，如图29所示，Gelcore将白光LED以软线串接起来，可依客户要求弯曲呈现不同形状，应用在广告看板或其它装饰光源，具有薄型化和设计性高等特点。而Foshan NationStar Optoelectronics将炮弹型LED结合在软板上，如图30(左)所示，挠曲角度超过180°；VS-Optoelectronic则同样以软板为基板，将SMD COB之LED黏着在基板上，增加挠曲性，示于图30(右)。

经由2005年北美照明展LED相关产品展示后，更清楚LED未来相关发展动态；LED应用于照明，具有发光颜色多样化、省电、体积小、寿命长、污染低、设计空间广、模块弹性大等众多优点，因此各大照明厂商皆在此次照明展中展出其LED相关产品，并戮力研发厚植其在LED照明领域之实力；而经由各项LED产品特性整理，得知LED未来将朝高亮度、数组化、高散热、高色彩控制性与可设计化等方向发展，我国势必得针对上述领域进行相关研发突破，以期在21世纪LED照明的领域占有一席之地。