本帖最後由 小小蔡 於 11-05-17 11:14 編輯
電子工程專輯 5月月刊 http://www.eettaiwan.com/
作者：羅克鈴
隨著更高效節能的LED燈逐漸取代白熾燈、鹵素燈與小型螢光燈(CFL)，以及OLED照明即將在2020年以前投入使用，全球照明產業正歷經一場數位革命！
這一場數位革命將為全球照明產業開啟1,000億美元以上的市場。具有更高效率的LED燈由於能夠取代白熾燈與鹵素燈發光發熱的燈絲，以及CFL的耀眼亮光，正受到早期採用者的青睞，他們看好節能的大好前景而堅定的做出決定，並為此付出不菲的代價。甚至是超高效率的T8螢光燈管也受到通用電氣(General Electric)、歐司朗(Osram)和飛利浦(Philips)等產業巨擘的青睞，這些公司正持續關注於可採用OLED實現低成本塑膠照明面板的連續式(R2R)捲筒印刷製程。
傳統照明無需使用電子元件，但電子技術正改變著照明市場。如同現代汽車已成為一個電子化平台一樣，未來的照明方案也將是電子元件的天下——從基礎半導體發射器元件到可為一天中各時段、各類型任務以及不同元件生命週期持續進行色溫與組成最佳化的智慧補償電路等，電子技術都將大行其道。
固態照明已在建築、安全、工業和娛樂照明等細分市場取得成功。這些特殊應用市場證明了目前價格仍高的固態照明物有所值，特別是固態照明具備無需預熱、整合的數據訊號傳輸以及混合紅、綠、藍三色產生純淨色彩的性能，因而能取代高能耗的白熱光弧搭配彩色濾光片的方法。
在商用照明市場中，LED也正開始滲透至特定應用領域。例如，丹尼餐廳(Denny’s Restaurants)基於節能環保的考量，宣佈其於加拿大境內的所有分店都將採用LED燈，以取代所有的投射燈。
“LED燈的壽命通常較標準白熾燈高出25到50倍，卻能發出相同的光色，且具有同樣的發光品質──最重要的是，其功耗還更低20%，”Cree公司LED行銷經理Paul Scheidt表示，Denny’s餐廳採用的就是Cree所製造的投射燈。
由於LED所發出的燈光較螢光燈更舒適，即使是小型螢光燈(CFL)的用戶們也開始升級至LED燈。T8規格的螢光燈泡最終也將被固態照明所取代。
不過，固態照明的缺點就是價格過高。目前，替換使用一顆飛利浦AmbientLED A19 LED燈預計得花上40美元(預期在2012年時可降低到10美元)，而白熾燈泡還不到1美元。目前雖然已經出現一些T8 LED原型燈了，但只有採用捲筒壓印技術製造的OLED才可能提供能與超高效率螢光燈匹敵的價格——但這或許要到2020年以後才可能實現吧！
“近期來看，一般LED的成本可望驟降，而OLED的成本仍居高不下，”Veeco Instruments公司MOCVD事業群行銷副總裁Jim Jenson表示。Veeco是一家有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)設備製造商，大多數的LED都採用這種設備製造。
至少在2020年以前，LED可能持續作為主流的固態照明技術——僅從一個氮化鎵(GaN)晶片中，就能與鹵素燈或白熾燈一樣發出光源。根據應用需求為LED燈進行專門設計，它就能完成與現有燈泡一樣的工作，不過，LED具備更高效率與更豐富的選擇，包括電子可調色彩(溫度)和組成(由CRI顯色指數測得)；另外，也許有一天，甚至還可藉助可見光通訊透過網路對其進行控制。
成本/效益均勢
然而，固態照明普及的速度將取決於它能多快降低擁有成本。目前典型的LED替代燈泡所節約的能源已遠超過其生命週期，但仍不足以彌補其最初的投入成本。美國桑迪亞國家實驗室(Sandia National Labs)估計，目前，LED照明生命週期的擁有成本的分別是白熾燈和螢光燈照明的2倍和10倍。該實驗室預計，從2020年開始的十年中，固態照明的生命週期成本將分別達到白熾燈和螢光燈的1/10和1/2。
固態照明成本降低的主要推手與降低任何半導體技術成本是一樣的——提高良率、減少材料使用，以及採用更大的晶圓。據Veeco表示，近期來看，成本居高不下的主要因素是——製程的不一致性影響了良率。事實上，目前的LED生產也面臨許多這種不一致性問題，因而必須對其色彩、亮度、正向壓降以及其它變異等各方面進行測試與分類，這些狀況甚至是在幾百層半導體材料經過長達10小時與幾千度溫度的真空沈積過程中累積起來的。針對此一問題，Veeco的MOCVD設備最近還採用‘均勻流動法蘭’(uniform flow flange)技術進行升級，該公司聲稱，升級後的設備能對溫度、流量與材料組成進行更嚴格的控制，可在5nm誤差範圍內，讓LED製造商實現高達90%的良率。
Veeco和其它MOCVD製造商們都將繼續逐步提高良率，如德國Aixtron SE和日本Taiyo Nippon Sanso等公司；其組裝、封裝以及LED驅動晶片還在不斷改進中。同時，固態照明先驅們也正研發多層LED架構，他們認為這種新架構將可避免目前在良率與誤差方面的問題。
Cree是目前固態照明的主要廠商之一，它在開發多層LED架構方面領先了一步，這可歸功於其研發作為手機背光的白光LED技術。事實上，Cree還擁有可防止其它LED廠商使用其獨門秘器的專利技術——碳化矽(SiC)晶圓。由於這種晶圓具有與氮化鎵晶格無法匹配的特性，Cree聲稱將使該公司能較採用藍寶石晶圓的競爭對手更具優勢。
這種可用以規避良率和誤差問題的架構特性，使Cree能在結合LED與多晶LED元件前，預先在內部為其進行檢測。Cree同時使用兩項架構——TrueWhite和EasyWhite的方式，“使我們幾乎可利用每個所製作的LED，”Scheidt說，“把原來不符合檢測規範的LED與同一封裝中的其它LED混合後，這些原本不盡完美的LED仍可再加以利用。”
TrueWhite是一種採用螢光粉轉換型LED (pc-LED)的混合方法，調整LED發出綠光，並與另一款獨立的紅光LED互相搭配。Cree聲稱，這兩款LED結合後所提供的暖白色光可在0到100的CRI範圍內實現90%的演色指數，甚至比一些昂貴的鹵素燈所發出的光更有魅力。由Cree投射燈銷量超過所有其它固態照明燈具的總和來看，證明了採用這種TrueWhite架構可帶來的市場潛力。
對於較不昂貴的燈具來說，Cree的EasyWhite架構將經篩選為偏紅和偏綠的LED匹配起來，然後將一打或更多的互補晶片整合在同一封裝內，使其能以更低的成本發出賞心悅目的白光，演色指數並可達到約80CRI。
要降低LED成本的最後障礙在於如何以大型晶圓投產——只有在固態照明的產量提高到可充分滿足製程轉型所需的程度時，才足以克服這一挑戰。在目前約100億美元市場上銷售的LED都採用2到4吋晶圓製造(一個4吋晶圓約有10,000個LED)。隨著LED產量的提升，業界目前正計劃朝向6英吋、8英吋和更大尺寸晶圓過渡。
“目前，LED所面臨的工程問題主要在於降低成本，由於其亮度已接近150流明/瓦的水準了，這使其成為現有可用的最亮光源，”Luminus Devices公司CTO Alexei Erchak說。“不幸的是，LED仍比傳統照明技術更貴得多，不過，其差距也正在縮小中。”
Luminus Devices公司已經採用4英吋藍寶石晶圓製造LED，並將在未來數年內轉做6英吋晶圓。該公司選擇採用超大晶片而使每個燈泡中所需LED數更少的方法來降低成本，而非在單一封裝內使用多個LED晶片。
Luminus公司最初以製造投影機起家，並因而累積了啟動投影機所需的超大型LED製造經驗與專業技術。該公司借鑑以往的技術經驗於固態照明領域，期望能讓白熾燈或鹵素燈替代燈泡盡可能使用最少的LED晶片數——最好每個燈泡只用一個。
根據美國能源部(DoE)的《固態照明研究與發展：製造發展藍圖》(Solid-State Lighting Research and Development: Manufacturing Roadmap)來看，整個產業的最終發展目標是在2020年時，使LED的成本降低5倍。
2020年以後
長期來看，固態照明技術可在價格上擊敗螢光燈的最佳機會是採用連續式壓印製程的可印製OLED發光面板。借鑑方興未艾的OLED顯示器產業，諸如通用電氣等量產市場製造商希望能以比螢光燈更低的成本生產出外形像紙一樣薄的可散射高效光源。
目前，用於顯示器面板的OLED是以熱蒸汽式製程所生產，它採用精細的金屬光罩將有機材料印製在玻璃基板上。但通用電氣與杜邦合作，則採用成本更低的液相放射性材料，開發一種連續式製造架構。
“在杜邦公司中，我們已經開發出一系列專業技術，可結合先進的OLED材料和液相製程技術以用於製造OLED顯示器，現在我們也將它用在固態照明中，”杜邦公司全球業務經理John Richard說。Richard目前正主導一個杜邦公司力推的計劃，期望以其液相化學專業技術來改善OLED的缺點，使其可媲美成熟的LED。
“如果OLED照明要取得成功，勢必得大幅降低其製造成本，”Richard說。“在連續式製程中使用的液相OLED材料將在未來製造具成本效益的大尺寸OLED燈方面發揮舉足輕重的作用。”
OLED面板採用的捲筒印刷製程僅存的最大障礙是需要一種高阻隔的聚合物薄膜材料，以便裹封用於製造OLED時所用的精密化學元素。當今的OLED基板採用的無法捲曲的玻璃材料。
“目前，所有的聚合物基底薄膜在某種程度上都具有透氧或透水性，而OLED材料則對氧氣和水分非常敏感，”Richard說。“若未能採用可撓曲的阻障層，就無法將目前可實現5,000小時左右的使用壽命延長到像傳統照明所具有的20,000小時或更長。”
儘管以OLED用於固態照明的前景尚無定論，但包括通用電氣、Konica Minolta、歐司朗(Osram)和飛利浦等業界巨擘均正致力於技術突破，以實現商用OLED照明面板的夢想。。
然而，現階段來看，OLED面板的生產仍僅限於GE美國紐約州的全球研究中心以及Konica Minolta日本大阪技術中心等地的產線試行