LED光源——从显示到照明.doc

LED光源从显示到照明文/台湾交通大学光电工程学系暨显示科技研究所 田仲豪发光二极管（LED）近几年因为发光效率急速的提升，以及环保节能的需求下，从初期的电源指示灯渗透到显示器的背光领域，进而扩展至一般的照明市场。然而，LED光源的发光频谱特性，和过去传统白炽光源（Incandescentlamp）、气体放电灯 （Gas discharge lamp） 的光谱能量分布相比有很大的差异。本文主要即在介绍LED做为一般显示器背光与照明光源使用，在哪些方面与传统光源比较上具有其独特的优势，而又在哪些方面，必须符合现有的一些限制与规范。LED显示与照明产业趋势根据工研院IEK 2007资料，LED产业在2011年整体市场规模可望达114亿美元，2006年至2011年五年的复合成长率为13%，主要原因即为白光LED的发光效率（luminanceefficiency）超乎预期，这个参数代表每单位的电能（单位为瓦特Watt），在光源可以产生多少的光能（单位为流明lm）。而这也是以往LED技术发展上，最常被使用的一个参数，以目前实验室的白光发光效率已经可以在150 lm/w以上，而商品化的发光效率也达100 lm/w，相较于一般光源已具有其优势，因此逐渐被广泛使用在显示与照明产业上。在显示器背光模块部份，小尺寸的市场虽面临同样具有薄形、省电特性的EL、OLED等新兴科技的挑战，但因为LED技术已相当成熟，具低价吸引力，未来应将持续成为主流，以手机用光源为例，市场占有率高达95%以上。至于中型尺寸显示器，主要包括车用显示器（car Navigator）、数字相框（Digital Frame）、可携式媒体播放器（Portable Media Player，PMP）、超可携式个人计算机（Ultra Mobile Personal Computer，UMPC）与笔记型计算机等，其显示尺寸介于715英寸间，LED背光模块的渗透率约为21%。在大尺寸显示器方面，于2004年底，Sony推出全球第一款40 英寸及46 英寸LED背光模块液晶显示器电视”QUALIA 005 ”，如图一所示，皆使用三色LED，耗电量分别为470W及 550W，虽然色彩饱和度高达NTSC（NationalTelevision System Committee，美国国家电视委员会电视系统标准）所制定标准的105%，但仍有其价格过高与散热，色均匀等技术成熟度上的问题，且背光模块总厚度高达10公分，故销量不高，近来电路控制技术与其它显示技术的搭配使得LED背光LCD TV的问题正积极改善中。在照明产业部份，在全球每年逾七百亿美元的照明市场中，目前LED照明仅占两亿美元。根据国际能源总署（IEA）的估计，2005年全球照明总发光量为134.7千兆流明小时（petalumen-hours），估计全球所需要花费的照明成本为3650亿美元才能支撑上述如此庞大的发光量，换算之下约占全球GDP的1.2%，而CO2排放量约19亿吨，相当于全球七成的轻型车排放量。在2005年照明系统的平均发光效率50 lm/w，但照明效率提升速率与其它光源领域相较之下仍属偏低，相较之下，LED照明相较于传统照明光源的好处很多，但不可讳言，目前在价格、可靠度及系统整合等条件上仍然比传统光源逊色。然而，不管是政府或是民间企业都在LED产业投入大笔资源，对于LED普及于照明市场的推进不遗余力。而工研院IEK认为，在技术与经济层面要符合LED照明技术的产品，至少必须具有以下特点：（1）对光通量的整体要求为中低度，例如夜灯。（2）充分掌握半导体照明所强调的指向光优点，以减少光源的损耗，如厨柜用嵌灯。（3）提升对高色温光源的接受度或开发其优势。（4）灯具可维持长时数的使用。（5）灯具使用寿命长，同时必须可减少维修费用，如大楼航空灯。（6）可调控亮度或可承受频繁的开关动作。（7）灯具须通过低温环测，如冷冻柜照明。（8）要求几乎或完全不发出红外及紫外光，如博物馆展示灯。（9）具小巧外型且高度经济价值。（10）补强现有光源技术的严重缺点，如白炽灯的效率不佳、卤素灯的色彩质量低。而在照明市场持续开拓之下，工研院IEK预估，2011年全球LED照明经济规模将达9.85亿美元，2006年至2011年的市场复合成长率则达37%。LED于背光模块的应用LED的发光原理为半导体材料间电子电洞的结合。产生的光波特性，由材料能隙决定，而单一LED芯片，使用相同的主动发光材料，因此光源的频谱，具有窄频宽的特性，平均频谱的半强度宽（Full Width at Half Maximum），约在20nm左右。而传统的一般光源，发光原理为热辐射方式，因此发出的能量较为连续，而具有连续分布的频谱，或是荧光灯（Fluorescent）与高压气体放电灯系光源（High IntensityDischarge）如水银灯（mercury vapor, MV）、复金属（metal halide，MH）及高压钠灯（high pressure sodium，HPS）等具有不连续的宽发光频谱。白光LED产生的方式主要分为两种，第一种是使用短波长的LED（蓝光或紫外光），然后在封装时掺入黄色或者红、蓝、绿等多色的荧光粉，前者借由蓝光搭配互补的黄光产生白色（如日亚化的InGaN蓝光搭配YAG荧光粉），后者则是利用紫外光激发多种荧光粉，产生频谱较宽广的白光光源。而第二种白光LED，则是使用红蓝绿三种或更多种的独立LED，使用外部电路控制其混光比例，再配合适当的混光机制，产生特定的白点（white point）。目前市面上的白光LED大部分都采用荧光粉搭配波长转换的方式形成白光，因为其操作上只需点亮蓝光或紫外光LED，混光比例由当初荧光粉的调配决定，不需额外的电路控制，且由于封装在同一芯片中，短距离内便可达成不错的混光效果。而后者在驱动电路和混光机制上，需要较复杂的设计，不过由于采用电路控制，因此可以动态的调整采用的混光比例，产生不同色温的光源，这是使用固定荧光粉比例和传统光源皆无法做到的。一般LCD用的背光模块可分为直下式与侧光式，主要是由导光板、扩散片、聚光膜、反射板及光源所构成，其中光源是整体背光模块的关键角色，目前背光所使用的光源种类主要有冷阴极灯管（CCFL）、外部电极荧光管（EEFL）、有机发光二极管（OLED）、平面光源（FFL）与LED，皆有各自的特性与优缺点。以现有最为普及的CCFL虽有稳定性佳、技术成熟等优点，然而具有汞污染的环保疑虑，必须高压启动操作，并且其色彩表现取决于光源本身频谱与彩色滤光片频谱的乘积，虽然近来彩色滤光片材料上已有一些进展，但总合来说并无法将可表现的色域提升太多，同样的于白光LED及彩色滤光片的搭配上也有相同问题，但一般来说色域可达NTSC的90%以上。由于LED窄频宽的特性，相对应于CIE色坐标上其色点较接近马蹄形边缘的单波长，亦即色彩饱和度较高，使用三原色LED搭配色序法及区域控制，使亮度与对比度可以有效提升，色序法亦即不使用彩色滤光片，直接利用三原色的画面在人眼积分时间内快速切换，以达到全彩的效果，其色域表现范围可达NTSC标准的120%以上。而区域控制则是经由判读影像亮暗信息后LED可随影像做动态光源点灭，此种方式可同时降低LED的耗电量与发热量。上述的说明也点出LED具有快速反应的优点。另一方面，无论是直下式或是侧边式的背光模块所需的是一个均匀的面光源，而相对于传统CCFL的线光源而言LED是一个点光源，不同形式的LED更有其特殊的投光分布方向，在设计上需要有较多的考虑。LED于照明设计的考虑室内照明设计中，主要考虑的因素可分为两个，第一个是亮度，第二个是光源和环境的一些交互特性。对于亮度，主要是符合不同的工作环境和使用者，会有一些大约的数值的设定。而光源与环境的交互特性，则主要是在探讨光源的摆设方式，对使用者可能产生的一些影响，以及光源照射在物体上，可能产生的一些现象。光源亮度的设定，主要是由所在环境的功能和使用者来决定的，一般而言，居家室内环境和餐厅等环境，亮度都是设定在200500（lx）左右，而若是卖