解析AC LED應用與發展趨勢

以AC LED可直接在交流電下運作的特性，配合特有插拔式散熱封裝，將對傳統LED在照明及相關應用帶來沖擊，同時也為臺灣LED廠商發展另創新的商機。

一. AC LED利用交流電直接驅動，顛覆傳統應用

不論是家庭、工商業或公共享電，大多以交流電(Alternating Current，AC)的方式提供，主要是為了避免遠距離的電力傳送會有多余損耗，才采用交流電的方式輸送到使用端，故電器必須設計成交流電驅動使用，否則會因電壓不符而產生短路問題。

傳統LED皆須以直流電(Direct Current，DC)做為驅動，因此在使用一般交流電作為電源供應的同時，必須附帶整流變壓器將AC/DC轉換，才能確保LED的正常運作。而應用上一直強調LED省電的特性，但在AC/DC轉換的過程中，其實有高達15～30％的電力耗損，使用上依舊不具效率；因此，研發可直接用AC驅動的LED就成了一個新構想。

臺灣工研院成功研發出可在交流電110V下直接使用的AC LED，搭配特有的立體導熱和可插拔式封裝技術，于2008年榮獲美國Ramp;D 100國際大獎肯定。AC LED除了增添應用上的便利性外，更將為LED產業的發展掀起一波新革命時代。

(一) 在照明燈源演進上AC LED占盡優勢
傳統白熾燈因電光效率轉換差，且有環保上的問題，在節能減碳風潮帶動下，2010年起全球將紛紛禁用，宣告LED照明普及時代已不遠，唯目前仍需精進白光LED發光效率和散熱設計。
LED在電流通過發光時會產生熱能，而DC LED在AC/DC轉換過程中產生更多熱能，因此散熱設計將是影響LED使用壽命的關鍵。一般設計是直接將LED和散熱基板焊在一起，當LED燈源損壞時，必須整個基座汰換。而工研院研發的AC LED采用可插拔式立體導熱封裝技術，除增加導熱面積外，當燈源損耗時可直接以插拔方式汰換，較DC LED便利，也因此特殊的插拔式技術獲得美國Ramp;D 100國際大獎肯定。

圖一　燈源演進及相關應用特性 Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

AC LED透過特殊電路設計可直接使用交流電驅動，不需配合整流變壓器也能正常運作，所以在照明燈具設計上，體積及重量都能較一般DC LED燈具更有優勢。但目前因發光效率仍比DC LED差，價格也較貴，在應用推廣上仍需一段時間。

表一　LED光源特性比較

Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

(二) AC LED搭配可插拔式封裝，使用更為便利
工研院在此次得獎的AC LED研發上有兩大主要技術，分別為「高效橋式AC LED芯片技術」和「低熱阻立體導熱插拔LED封裝技術」。

橋式AC LED芯片技術主要是利用橋式整流電路的設計，將AC電流導入后經由轉換，會輸出DC電流；此外，工研院亦突破微晶粒制程技術，在單顆1mm2的面積內排列出約百顆微晶粒，更有效提升整片AC LED芯片的發光效率。

圖二　AC LED Wafer和微晶粒結構

Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

當電壓為順向偏壓時，電流會順著某一方向流出，通過發光二極管使其發光；當電壓為逆向偏壓時，電流往反方向流動，使另一邊的發光二極管發光。原先輸入的交流電，透過橋式電路整流后會改變其波型；而橋式整流過程中會有漏電情形發生，輸出的電壓形式較接近直流電。

圖三　橋式電路整流示意圖


Source：拓墣產業研究所，2008/11

低熱阻立體導熱插拔LED封裝，則是此次工研院電光所獲得美國Ramp;D 100大獎肯定的技術核心。國際上接口熱阻封裝安規標準不能大于3℃/W，電光所利用立體式導熱封裝的概念，將導熱的接觸面積增加為原本的10倍，散熱的體積也增加，使接口熱阻僅0.3℃/W，大幅改善LED最為人詬病的散熱問題。因將電路和散熱整合在封裝內部，亦搭配插拔式的外型，可直接在一般交流電的插槽更換使用，增添便利性。

圖四　立體式導熱封裝技術專利


Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

由于目前臺灣廠商生產的LED發光效率仍較差，在能量不滅的定理下，產生的熱能也較多，因此如何解決散熱問題就更為重要。相對于發光效率較好的歐美日大廠LED產生的熱能較少，是否因為臺廠有更好的散熱系統而將其市場侵蝕，仍需持保留的態度。但不可否認的是，工研院將LED封裝型式設計為插拔式更換，不需將LED和散熱基板焊接在一起，大大提升了LED使用上的便利性。

二. AC LED相關應用與未來發展方向

在產學研積極合作發展AC LED產業之下，配合節能概念，目前已有相關應用商品的誕生，而在技術發展的同時應早日在全球進行專利布局，才能取得競爭優勢。

(一) AC LED照明產品已可量產，背光源尚處于樣品示范階段
由于AC LED可直接用交流電導通，使用上可不需另置整流變壓器，在應用便利性的發展趨勢上更是不容忽視。目前臺灣市面上已有AC LED商品嶄露頭角，主要是由液光固態照明公司(LIQUIDLEDS)生產，交由艾爾莎(ELSA)代理銷售。產品的規格以2W和4W為主，選用韓國首爾半導體的白光AC LED芯片，搭配特殊液態絕緣油散熱，光源經由液體的光折射后更為均勻射出，在外觀上則選用玻璃封裝更可耐酸堿。

圖五　市售AC LED燈泡


Source：2008國際電子展液光固態照明新產品發表會；ELSA；拓墣產業研究所整理，2008/11

表二　DC LED與ITRI AC LED照明應用比較表


Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

而臺灣工研院所設計的AC LED規格是以5W為主，目前正在開發8W和10W。于公開舉辦的展覽會中已有相關的LED照明臺燈登場，由燈具設計更可見較傳統臺燈輕巧。工研院日前亦將AC LED用于42寸LCD TV背光模塊，已成功完成樣品機的示范，尚未進入量產階段，主要在于技術和散熱問題仍需克服。但AC LED體積小與重量輕的特性，在大尺寸面板背光源設計上將成為不容忽視的發展趨勢。

圖六　AC LED臺燈與傳統臺燈外型比較


Source：工研院電光所；Philips；拓墣產業研究所整理，2008/11

(二) AC LED的專利布局
1996年日廠Nichia成功以藍光為基礎，搭配黃色螢光粉，開發出白光LED取得相關專利，其它廠商為避免糾紛，也僅能以專利授權的方式生產，使Nichia在全球白光LED市場成為龍頭大廠。
目前全球LED市場競爭的如火如荼，舊有LED廠商積極朝上下游垂直整合發展，而各大集團也將其事業版圖拓展至LED產業，將LED產業發展推向新的戰國時代。反觀AC LED的發展，除了臺灣以外，僅有韓國首爾半導體動作最為積極，美國的研發僅停留在實驗室階段，日本大廠則尚無任何相關布局。因此臺灣AC LED在專利上的布局應更加快腳步，才能有機會在未來的數年內成為AC LED產業的領頭羊。

圖七　臺灣廠商在AC LED的專利布局現狀


Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

三. 以應用研發聯盟方式催生AC LED產業

傳統的LED產業，根據不同的磊晶材料制程會產生不同的光色，經過標準型式封裝，產生一般常見的LED，如炮彈型LED和SMD型LED等。再根據應用端所需的特性挑選適合的LED，像手機背光需要體積較小的LED，因此大多采用SMD型白光LED為主。目前的產業發展是由上而下垂直分工，因市場競爭激烈，商品并無差異性而造成快速跌價，影響廠商營運，因此近期皆可見國內外廠商采取垂直整合的方式布局。
目前的AC LED多是以應用端的需求出發，根據不同的需求特性做出特有的封裝型式，商品更具差異化。因此當廠商取得特有應用封裝技術的專利，更容易在應用市場上取得競爭優勢，此種觀念打破傳統LED標準封裝型式，也可免去廠商殺價競爭而壓縮毛利的局面。

圖八　AC LED產業發展規畫示意圖


Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

不過，AC LED應用的普及并不會完全取代傳統DC LED應用市場，因為可攜式產品仍舊需要依靠電池供電，而電池為直流電輸出，因此在使用LED的時候，DC LED依舊是最合適的選擇。就目前市場發展而言，全球背光源產值仍為最大宗，特別在手機市場及2009年積極成長的LED NB和Netbook應用，都明顯可知DC LED有其不可被取代的地位。

因此AC LED未來發展的趨勢，應專注于以交流電驅動的產品為主，象是照明燈具、電視背光源、出入口指示燈及建筑景觀照明美化等應用。廠商更需積極開拓相關應用市場，才能以其差異化的封裝技術與產品，取得在市場上的生存機會。

圖九　AC LED應用研發聯盟發展過程


Source：工研院電光所；拓墣產業研究所整理，2008/11

因為AC LED產業必須積極拓展應用端需求，工研院與業界共同合作，在2008年10月成立「AC LED應用研發聯盟」，目前在中上游端僅晶電和鼎元獲得工研院專利授權，封裝方面則由福華最先試產，隨后加入光寶和高基共同為封裝技術精進。目前在應用端僅有照明和背光源產品，未來仍有相當大的發展空間。

四. TRI 觀點
AC LED并非是創新的技術，但工研院全球首創熱插拔式AC LED，在照明產品應用上，不僅比傳統DC LED和一般燈泡更為節能外，類似于一般燈泡拆卸的更換方式，比DC LED使用上更為便利。而其立體式散熱封裝的構想，也有效解決LED散熱的問題，提升使用壽命。

因微晶粒的制程過程，提升AC LED的發光效率，加上不需要搭配整流變壓器的使用，可大幅縮減燈源大小，使燈具設計問題與造型更為容易。而其用于42寸LCD TV的AC LED背光源也僅于實驗室做出樣品，并未能達到量產標準。但AC LED用于大尺寸背光模塊的成功例子，更激勵廠商樂觀看待此市場發展。

擁有此項熱插拔式LED技術的工研院，藉由專利授權與技術移轉，垂直整合AC LED產業的發展，臺灣AC LED在全球專利布局居于領先地位，國外僅韓國首爾半導體發展最為積極。藉由AC LED應用研發聯盟發展，未來將利用AC LED技術取得全球LED產業最佳的競爭優勢。