新次代固態照明光源LED之發展與應用
蕭弘清 劉冠顯
Hsiao, Horng-Ching Liu, Kuan-Hsien
台灣科技大學電機工程系
摘 要
現今全球受到石油、原物料上漲以及受到鉅大的經濟壓力的衝擊，加上環境
的惡化所導致溫室效應，終於喚醒全球注重『節能與環保』的問題。然而照明工
程亦屬於耗能之重要環節，約佔全球發電能量的15 %，因此在照明節能技術上
的開發已被視為重要課題；隨著新次代固態照明光源LED(Light-emitting diode,
LED)的發展；其具備體積小、發光效率佳、壽命長、操作反應速度極快、可靠
度高、不易破損且無熱輻射無水銀和有毒物質的污染等優點，目前已成為全球注
目的焦點。本文主要針對目前LED的發展趨勢與應用層面，做一統合的探討。
1. 前言
隨著半導體技術的發展以及發光二極體( light-emitting diode，LED )的開發，
不但為照明工程注入一股新的活力；近年來由於全球面臨能源短缺及環境污染的
問題，使得綠色節能議題逐漸受到重視，現今全球掀起了LED應用於照明之熱
潮。LED與傳統光源比較具有許多優勢[1-2]，包括體積小、發光效率佳、壽命
長、操作反應速度極快、可靠度高、不易破損且無熱輻射無水銀等有毒物質的污
染。
目前LED的典型應用80 %仍集中在手機、汽車、消費性家電產品顯示器、
及顯示應用(包括室內外廣告顯示屏幕與景觀照明)等方面；日常生活中，LED應
用之領域相當廣泛，諸如交通號誌、背光模組或是景觀照明..等，皆與LED之研
究發展有關。就現階段而言，白光LED可提供較佳的發光效率，此乃LED應用
於照明領域的一項重要元素，故目前大多數的LED照明或背光模組皆採用白光
LED作為其主要光源。而基於節能、環保、壽命長的光源未來趨勢，許多LED
大廠均投入白光LED的應用開發，開始嘗試使用LED於許多照明設計及產品開
發，例如路燈與隧道照明，這對於LED的演進史是一項重要的里程碑。此外，
也有多項生物研究[2-4]探討光線對人們的生理或心理層面之影響，同時在動植物
培養的過程中亦有深切的之影響。
因此固態照明光源LED已被認為節約照明用電的重要技術之一，美國能源
部也將LED訂定為未來照明器具的主軸，估計至2025年固態照明可因此節省
50%的照明用電(760 GW)以及減少2.6億公噸之碳化物排放和133座發電廠，並
可省下1150億美金[5]。
2. LED發展趨勢
最早的LED誕生在1968年，初期僅有的單一幾種顏色的LED被開發出來，
直到1993年由日本日亞公司開發出高效率藍光LED，便為LED的發展寫下嶄
新的一頁，此後LED的發展便進入全彩階段，許多種光色的LED皆陸續被開發
出來，自從1996年日亞化學量產白光LED後，其發光效率研究至今不斷的提升，
使得在某些應用逐漸被白光LED取代，今日許多的大廠也分別加入白光LED的
開發包括Agilent、OSRAM、GELcore等。
如圖1所示，隨著LED的發展，這幾年漸漸被應用於消費性電子家電產品
上如手機、戶外廣告看板、液晶顯示面板的背光或前光源、車用LED頭燈、室
內照明等。使得在某些領域有取代傳統光源的趨勢。目前全球LED市場預測如
圖2所示，2006年全球LED市場為61.7億美元，預計2011成長至125億美元。
圖 1 LED應用領域
(資料來源：工業技術研究院)
圖2 全球LED市場預測(資料來源：工業技術研究院)
3. LED的典型應用
發光二極體(LED)，是一種將電能轉換成光能之半導體元件，主要係以化學
元素週期表上的Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅳ族，化合物半導體GaAs、GaP、AlxGa1-xAs、
ZnSe…等為材料，作成具有發光功能的P-N接面二極體。其發光原理如圖3所
示，若對P-N接面之LED二極體施加順向電壓(V)，將使P-N接面中的P區的
電洞往N區移動；而相對的N區的電子則往P區移動，這項動作將使得電子與
電洞於接面之空乏層(Depletion Layer)相互結合，在此接面區因電子轉換能階的
過程而產生過剩之能量，並且以光的形式釋出能量，則此稱為LED之發光原理。
此外由於不同的半導體材料發出的光波長不盡相同，因此材料決定LED製品之
波長與光色如表1所示。
------++++++pn+-
V
圖 3 LED發光原理
表1不同材料所製程出不同波長與色光之LED (資料來源：工業技術研究院)
材料/基版 磊晶製程 波長(nm) 光色
GaP/GaP LPE 565~700
紅、黃、綠
GaAsP/GaP VPE 630~650
紅、橙、黃
AlGaAs/GaAs LPE 660
紅
ZncdSe MBE 565
綠
InGaAlP/GaAs InGaAlP/GaP InGaAlP/sapphire InGaAlP/Silicon MOCVD 570~645
黃綠~紅
InGaN/sapphire InGaN/Silicon InGaN/SiC MOCVD 430~525
藍、藍綠、綠、
白(藍光＋螢光粉)
根據LED所發出不同波長之光色與其所產生的特性，我們可依波長的不同
針對光源作為分類，分別為波長380~700nm的可見光及波長850~1550nm的不
可見光。在可見光的應用可做為指示照明設備、車用頭燈、背光源等，而在不可
見光LED應用方面，可分為使用於紅外線無線通訊、遙控器、光通訊等之短波
長紅外光LED(波長850~950nm)，以及通訊用之長波長紅外光LED(波長
1300~1550nm)。
若依亮度發展，可分為傳統亮度LED和高亮度LED，隨著LED的出現，1970
年開始於工業用途，傳統亮度LED係以GaP、GaAsP和AlGaAs等材料作成，
主要發出黃色、綠色及紅色的光，直至今日隨著LED發展技術創新，高亮度LED
主要以AlGaInP和GaInN等材料作成，依材料的不同能做到的發光範圍也較廣，
是目前LED廠紛紛投入研發的目標。圖4 為LED之分類圖。
LED
可見光
不可見光
可見光
可見光
短波長紅外光
長波長紅外光
(380~700 nm)
(850~1150 nm)
(1300~1150 nm)
(850~950 nm)
圖 4 LED之分類
目前隨著LED發光效率的提升，其應用之層面亦越來越廣泛，以下將針對
目前LED的數個主要應用做較具前瞻性的介紹[2]。
(1) LED用於交通號誌上
由於LED效率的提昇以及使用成本逐年下降，使得LED號誌燈市場大幅成
長，主要是應用LED高輝度的光源特性取代傳統的號誌燈。由於LED在強烈日
照下不會有傳統號誌燈箱霧化的情形產生，其擬似亮點的情況對於交通安全有相
當大的好處。未來則看好LED取代霓虹燈市場，由於霓虹燈點燈電壓高、光源
效率低，相較之下LED驅動電壓低、輝度高且具有多種光色變化，加上光源體
積小可組成各種變化的廣告圖案，應用在廣告招牌可產生豐富的效果。若LED
日後價格降低，新式LED招牌能取代大部分傳統的霓虹燈。
(2) 車用照明及號誌燈的應用
近年來汽車方向燈、煞車燈亦逐漸使用LED作為光源，LED除了省電、體
積小外，點燈速度及耐強震是LED在汽車照明中取代傳統鹵素燈泡的主要優
勢。目前LED除了方向燈、煞車燈的應用外，現在也逐漸將LED應用在車內照
明，由於LED較傳統燈源省電，故應用在車頭燈或是車內照明可節省汽車能源
以及減少維修成本，然而頭燈所造成的強烈眩光則是有賴克服的障礙。
(3) 平面顯示器背光模組的應用
自白光LED被開發出來後，白光LED立刻被應用在小型LCD螢幕的背光
模組、手機面板及數位相機的閃光燈等，帶動的白光LED龐大的市場。但是目
前使用LED作為背光源，仍有許多問題需要克服，如不同顏色的LED壽命衰減
速度不同和LED的熱處理等，皆是未來值得探討研究之處。
(4) 生物科技領域上之應用
LED單色波長之特性適合應用於生物科技領域，因植物的生長方式可藉由
控制其光環境來改變，故目前主要應用在植物的栽培方面；在其他生物應用研究
中， LED亦逐漸應用於治療惡性腫瘤的光動力療法上，用以取代傳統的雷射光。
綜合上述生物科技的應用，大都利用LED單色光的特性應用各種顏色，組合而
成的光環境系統[3-4]，因應生物對光學的生理反應進行生物改造及治療。
(5) 商業照明的應用
由於LED的發光效率不斷提升，演色性指數也可高90%，雖具有取代傳統
光源的能力，但是目前LED仍不適合用作主要照明光源，然而LED卻可當補助
性商業照明。結合不同各種顏色的LED並搭配調光系統，調配出不同色溫的照
明環境，由於不同色溫可以改變人類的情緒及人眼對物體的視覺感觀[6]，若於
商品展示時因應商品使用的情境，配合適當的照明環境將有助於商品的銷售。
4. LED現行技術的待克服的問題
先進國家的電能消耗統計資料顯示，假若LED照明可以朝正確而具優勢的
照明應用方向發展，逐漸替代部份光源，例如鎢絲燈、螢光燈等，則對於節能與
減少CO2的排放與地球暖化會有一定的貢獻；但能否一如能源專家所宣稱2025
年LED發光效率可達200 lm/W估計、而每年將節省350億美元的能源消耗，則
可能是期許精神多於務實評估。儘管從照明需求的潛在市場看，LED照明的前
景一片光明，LED照明應用已在全球掀起一陣風潮，隨著LED發光效率的提昇
並進入一般照明應用的同時，仍有許多方面的問題需克服，目前LED照明應用
在LED本身上存在亮度和散熱這兩大問題首先需待克服。
(1) 亮度
LED雖然具有相當多的優點，但是面對照明應用所需的光源，其發光效率
仍然有段差距，目前LED轉換效率不佳，約20 %電轉光、80 %電轉熱。因此，
發展LED在照明上之應用，必須有效提高光亮度，亮度提升關鍵，可朝三個部
分努力，首先是晶粒方面，晶粒本身決定最後LED產品80 %亮度，提升晶粒的
亮度須從內部量子效率提升著手；另外在元件封裝製程方面亦嚴重影響LED的
發光效率，透過較佳光學設計可有效提高20 %發光效率，或是選用不同封裝材
料、結構設計等皆可改善發光效率；此外螢光粉的選擇也可有效提升亮度。
(2) 散熱
散熱的改良對LED發展有關鍵的地位，也深深影響是否能提高LED在各產
品的滲透率。散熱不佳會造成幾個嚴重的現象，首先會造成波長的改變；其次會
造成亮度降低，因晶片溫度升高導致LED內部量子轉換效率降低，降低LED發
光效益及顏色穩定性；最後還會影響產品可靠性，因此散熱效果的好壞嚴重影響
LED的壽命。目前各廠商所宣稱的高發光效率(100 lm/W)仍都屬於實驗室程度，
且均處在低功率與短時間輸出而已，要達到與螢光燈管競爭仍有待努力。
5. LED應用面上的限制與問題
目前LED照明應用喊得很響亮，但仍缺乏具競爭力之LED照明應用燈具
成功上市，各廠商所推出的LED照明燈具大致上仍屬創意構想，以本人國內外
演講、參訪及觀察多年之經驗，主要在於對於照明工程的需求要什麼搞不清楚，
