科技廠房外牆炫目的藍色LED，讓夜晚的新竹街頭增添幾分現代科技感，但在今年（2011）底，各家面板大廠又陷入無薪假風暴後，也讓廠商的發展重點改弦易轍，漸轉往照明產業，並開啟新一代照明LED蓬勃發展的契機。
LED（Light-Emitting Diode）又稱為發光二極體，是近年來應用於照明產業上的熱門元件。傳統燈泡透過大量電流加熱燈絲到高溫而發光，但其中很大一部分的能量都由熱輻射散失掉了，而LED則是透過半導體材料中的電子與電洞復合而產生光，不需要大量電流即可發光。
節能但效能不佳
如此一來，LED燈具的耗電量比傳統燈泡少了好幾倍；而也由於使用的是相對穩定的半導體材料，LED燈具的壽命也是傳統燈泡的好幾十倍！很明顯的，LED照明會是在兼顧節能減碳下，未來照明產業發展的重點。
LED燈的原物料成本高，導致價格也不低，比一般省電電燈泡貴上約3.07倍，發光效率也有待突破。因此，要等到LED技術上持續發展，產業慢慢成熟，才能讓大眾逐漸接受LED為新一代的照明，讓它普及於家戶。
談到如何讓LED對節能減碳的助益更大，就讀交通大學光電系博士班的王朝勳認為，「LED的成本降低、發光效率比傳統光源更好」，才有達成普及的機會。
但是，目前仍有許多問題橫亙在前研究者前。就讀交通大學光電系博士班的王朝勳認為，LED技術上面臨的困難以及全力發展的方向就是發光效率的提升，此問題可從散熱問題的解決、磊晶品質的優化，以及克服效率滑落這幾個方向上，去提高LED發光的效率。
散熱成先天瓶頸
首先，散熱問題無法有效的解決，一直是LED最主要的瓶頸之一。以物理學的角度來看，LED是利用電子與電洞復合時產生光而發亮，然而，電子與電洞復合時也可能產生熱而不是光，便會造成LED變熱。溫度升高導致LED燈發光效率更差，因此若不能有效的散熱，會大幅降低LED的發光效率。
其次，是磊晶的問題。王朝勳解釋，磊晶是製作LED原物料的一種過程，原料品質的好壞也決定了做出來的LED的發光效率；而磊晶品質取決於專業技術，若製作出來的晶體中的缺陷多、品質差，發光效率就低落，因此各公司廠商都希望做到品質愈高愈好。
「但是，目前台灣磊晶品質的發展上卡在成本與專利的問題。」王朝勳進一步解釋，現在最常用的磊晶技術是使用藍寶石（Sapphire）做為基板，但由於藍寶石的晶格常數（lattice constant）較一般製造LED產品的半導體材料來的小，因此，在長晶的過程中會有壓縮應力影響晶格形成，造成產品產生先天缺陷。
若是使用另一種氮化鎵（Gallium Nitride, GaN）基板，王朝勳說，在價格上，兩吋大小的一片基板就比藍寶石基板貴了20倍，完全不敷成本。
隨著技術發展，目前出現了不更換基板、從改善長晶技術方面著手的「圖形化藍寶石基板技術」，此技術讓長晶過程中產生的缺陷都往固定方面偏折，減少晶體最上層的缺陷數目，最後再使用最上層缺陷少的部分做為LED的發光層，如此便可增加發光的效率。
專利權落國外廠
但是，目前像是圖形化基板這類技術的專利權都掌握在全球LED大廠手中。王朝勳表示，沒有經過授權使用的話，是會被索取權利金的，他舉例台灣的晶元光電是由日本豐田合成公司授權，只有在幫豐田合成代工製造產品時，才能使用這個圖形化基板的技術。王朝勳無奈的說，「因為專利傘保護，在台灣很多技術以及結構都沒辦法使用真正有利的技術。」
最後，是克服「效率滑落」的問題，王朝勳解釋，目前的LED產品都會有一種隨電流增加而發光效率滑落的趨勢，如何減少下降的幅度，甚至到不滑落，「這幾年很多期刊都在討論這個問題」。
近幾年將會是LED產業的一個轉捩點。王朝勳說，以往LED主要的客戶都是面板、背光源，但現在面板產業已開始疲乏，不堪虧損的LED廠又開始放無薪假。過去這些大廠投注較大的產能在面板，照明的比例較低，這波虧損潮有望讓照明的生產線比例提高。
AC LED產業新寵
產業面露出的曙光讓LED照明一躍為未來照明產業的重點，也更節能的交流電（AC） LED在這幾年漸受矚目。工研院電光所光電元件與系統應用組研發組長葉文勇說，全球其實有不少國家都在推動AC LED。
工研院電光所位於工研院中興院區內，是台灣研發LED的重鎮基地。
目前市場的主力仍為直流電（DC）LED，但現在幾乎所有電源系統都是使用交流電（AC）。因此，直流電（DC）LED用在一般傳統燈具必須有轉換器，不但增加成本，轉換過程也耗損能源。
電流轉換損能源
葉文勇解釋，日常生活中的各種插座、電源系統都是使用交流電，而且相對高壓；LED則需要較低電壓、直流的電源來驅動。因此，目前市面上大多數的LED電燈泡，都在燈座的部分，增加變壓器及整流器，讓交流電轉為直流電，電力轉換的過程會耗損能源，根據工研院計算，AC LED會比起DC LED省下額外百分之15至30電能。
為了突破這個限制，工研究院電子與光電研究所研發「晶片式交流電發光二極體照明技術」，解決這個問題。交流電就是一個電壓方向會隨時間改變的電源，AC LED最主要的概念是將數個LED元件，整合在一個LED晶片電路上，利用二極體單向導通的原理，不管兩端電壓極性方向為正或負，都會剛好有LED燈可以導通而發亮。
AC LED最主要的概念是將數個LED元件，整合在一個LED晶片電路上。
換句話說，儘管交流電流方向會隨時間改變，但總會有一部分LED保持發亮，也讓整個LED晶片維持發光的狀態。然而，這樣的設計在同一時間，整個晶片上只會有一半的LED發亮，也就是晶片的利用率只有百分之50。
電路系統搭座橋
因此，第二代AC LED在電路設計上動腦筋，採用惠斯通電橋（Wheatstone Bridge）的電路型態。就像是在電路系統搭了一座橋，這個設計讓同一時間內電橋中間橋接的部分會有較長時間處於發亮的狀態，同時讓發亮效益高於第一代。
上圖為第二代AC LED在電路設計，採用惠斯通電橋（Wheatstone Bridge）的電路型態。
另外，還有一個與AC LED操作十分類似的的高壓LED（HV LED），也是國內廠商開發的技術。HV LED是透過獨立於LED晶片外的「矽材料」，將交流電源整流為直流，整合後的電流送入LED晶片，讓燈泡發亮。
由於此技術能在高壓環境下操作，因此將國內通用的110伏特電流變壓轉換時能量耗損少，目前許多LED晶粒大廠都具有此類別的產品，也是將來十分有潛力的LED照明新星。
葉文勇指出，工研院目前仍持續研發第三代AC LED，叫做「蕭基式交流電發光二極體」，它是利用氮化鎵半導體材料具有寬能帶的特性，將材料的一部分做成整流系統，讓氮化鎵LED晶片同時兼具整流與發光的功能，尚在研發階段，但「目前看起來還不錯！」葉文勇有信心的說。
AC LED難全取代
葉文勇指出，目前AC LED的發光效率還不及DC LED，因此就算省去了變壓器與整流器，還是沒辦法完全取代DC LED。
另外，若要應用在燈具使用，除了要符合使用者要求、國際上安全規定外，在控制方面也需要更穩定的技術。葉文勇解釋，AC LED是用電壓操作，不同於用電流控制的DC LED，因此在電路的開發部分，DC LED的控制電路相對成熟的，短時間之內AC LED不可能取代DC LED，但是現在這種高壓、交流的概念逐步被大家採用。
除了技術上陷入瓶頸，葉文勇無奈的說「台灣的LED產業都在做代工、賺的是毛利」，因此工研院逐步將部分智慧財產權轉移給國內廠商，讓他們以此為籌碼，與國際大廠進行交互授權，換了之後在產品研發上才能有出路、突破，不然台灣產業要使用高技術的話，只能單方向取得外國廠商授權，如此一來會相對提高產品成本，也降低了競爭力。
葉文勇有信心的說，而當技術上都到了相當的水準時，AC LED晶片效率不比DC LED差時，AC LED不需要變壓、整流的元件的優勢，就是AC LED普遍發展的契機。
台灣積極開發新的LED技術，亟欲扭轉市場劣勢，除了擺脫純代工的路線，也將讓台灣的「綠色照明」於各個角落亮起來。
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