以全新思維另謀LED照明設計出路　避免削價競爭的惡性循環

晶元光電副總經理 謝明勳。

晶元光電副總經理謝明勳表示，受到全球暖化所帶來的溫度效應，以及環保議題日益受到重視的影響，低碳經濟已成為目前照明市場發展的主軸。根據IEK研究資料顯示，為了減少碳排放量，各國政府除了可採用碳捕獲與封存(19%)、核能發電(6%)、再生能源(21%)及提高發電效率(7%)…等項目之外，「增加能源使用端的效率」(47%)還是最主要且有效的減碳之道。而其中又以LED照明設備產品的發展最受人們矚目。「這也是在半導體及照明市場擁有優勢的台灣廠商，可以深入著墨的領域。」

參考網路上及一般坊間的資料，全球未來若能全面汰換既有照明裝置成LED，每年將可減少6億萬噸的二氧化碳排放量(相當於162萬座大安森林公園)，減少18億桶原油用量及節省新台幣6兆元的能源耗費。而台灣若也能採用相同方式，則每年可減少300萬噸的二氧化碳排放(約等同於7,800座大安森林公園)，節省新台幣300億元的能源耗費及相當於1座核能發電廠所產生的電力。「也因此目前世界各國紛紛採行相關政策，禁止繼續使用白熾燈泡，並積極計劃改以LED等具較高效率的照明光源來取代。」

LED光源是未來照明發展趨勢 但目前價格仍偏高

Display Search 2010年的報告指出，在2015年時，LED在電視、監視器及筆記型電腦…等產品上的滲透率分別可望達到91%、84%及100%的水準；至於J.P. Morgan 2010的研究亦顯示，2015LED燈泡在全球照明市場的滲透率可達40%，約近40億顆的銷售量；並預計在2018年前達到75%的滲透率。「現在市場上已有不少供應商開始生產製造各種不同類型的LED燈泡，以便供消費者進行選擇。」謝明勳說，但由於光通量等同40W、470 lm白熾燈泡的LED燈泡，目前1顆即要價20美元，而相當於60W、800 lm白熾燈泡的LED燈泡，其價格更是高達每顆40美元，這使得一般民眾對LED燈泡的接受度仍不高。

謝明勳表示：「改善之道要由LED燈泡的成本結構開始著手。」根據SSL製造成本的柏拉圖分析資料顯示，光是Thermal and Metal Bending、Driver/Power Supply、LED Back-End Process這3項與散熱及驅動裝置相關的零組件，就佔去1顆LED燈泡高達80%的成本；而其餘的Luminaire Optics、Luminaire Assembly、Phospor…等項目，其總和則不到成本的20%。「至於實際與LED相關的零組件，更是佔不到5%的比例。」謝明勳強調，以往LED照明業者老是強力要求LED產品供應商降低供貨售價，根本就是搞錯方向，對於LED燈泡價格的改善是於事無補。「如何思索新的設計模型，以便在兼顧效能與成本的需求下，發掘出最合理的LED燈泡新BOM表，才是值得業者投入的方向。」

提高WPE值 以節省LED燈泡散熱元件成本

而這當中又以LED產生熱量的處理方式最為重要。晶元光電實驗室曾經做過一項試驗，在相當於60W 800流明白熾燈泡的環境下，在WPE值為0.5，Driver及Optical的功效均為80%的條件之下，每當溫度上升1度時，效率下降0.21%，因此LED燈泡的熱效能若僅58%時，其最終流明值經計算僅為594；而相反地，若其熱效能可達到78.2%時，則最終流明值即有800的水準。也因此有不少LED燈泡設計廠商會不斷地著墨在散熱元件，以期望獲得更好的散熱效能。「但是如果能將WPE值提升至70%，即可大幅減少LED熱量的產生，從而減少散熱所產生的問題與成本。」

以晶元光電本身LED的研發設計為例，「以往傳統光源，如白熾燈泡、CFL及HID，只需額外加上Switch/Dimmer即可進行照明。」但LED燈泡無論是採Horizontal Type、Horizontal PSS、Vertical Type…等類型的晶片，卻都需再配合Converter/Adapter及控制電路…等組件，將交流電(AC)轉換成直流電(DC)並驅動LED發光後才能產生作用，而這不僅會大幅增加LED燈泡的成本，也會使其用電效率下降。為此晶元光電在設計其LED晶片產品時，即直接整合External Bridge Diode與Monolithic Chip組件，讓LED也能如同傳統光源一般，可直接利用高壓交流電驅動其發光。謝明勳說：「在同樣的面積與分電狀況下，HVLED的發光效率可增加20%。」

此外，為讓LED光源能呈現人們在家庭、宿舍及賓館所普遍偏好的暖白，晶元光電也在其結構上多所改進。「傳統LED激發螢光粉結構雖然其相對功效最高，但其色溫(CCT)高達5,700K，較接近於冷白的自然光，演色性指數(CRI)亦僅有70%，無法真實反應物體在太陽光底下的顏色。」而如果改用紅色加黃色熒光粉的設計方式，則LED色溫雖可達到暖白(2,700K)，但其相對於5700K效率只有65%及CRI值(82)也都會跟著降低。「幾經試驗的結果，最後我們決定改採Hybird結構，由2顆藍的加上1顆紅的，再搭配黃色熒光粉。」這除了可讓LED光源維持在2,700K的暖白之外，CRI值亦可達到90，相對6500K功能達到98%的雙高標。

不同照明設備類型 對於LED的需求亦會有所差異

近年來，晶元光電也針對Candle、A-Bulb、GU10、MR16、PAR、Downlight、辦公室照明、街燈、廣場、公園、人行道…等不同類型的照明設備，開發各式多種類型HV(高壓)及LV(低壓)的LED晶片，以便讓客戶可選擇以離散封裝(Discrete Package)或多晶片COB的型式，應用到其所開發生產的燈具當中。謝明勳建議：「在MR16當中，由於晶片與其距離較短，散熱空間有限，使用HV的解決方案較為適宜。」至於Downlight則因為其空間較大，安放周邊配件至為方便，因此採用LV的解決方案即可。「街燈則因其整燈效率需達到80 lm/w的緣故，採用大顆LED，低電流LED較佳。」

另一方面，有些廠商因為節省產品成本因素的考量，因此在設計與生產LED燈泡時，常會選用某些市場價格相對較低廉的元件製造產品。「但是這種照明產品最終的光效能值經常不甚正確，以同樣的晶片面積來計算，其lm/w值就可能相差到30~40%，因而無法真正達到設計師所期待的，對於照明設備的要求。」因此謝明勳表示，在比較元件的成本時，應該要在相同lm/w環境的條件下進行，不然所生產製造出來的產品，其成本結構很容易因比較基礎不同而受到嚴重扭曲，產生不正確的結果。

受到技術限制的影響，目前市場上可見其他廠牌所生產的LED燈泡，大多僅等同於40W、450 lm的白熾燈泡。「不過晶元光電現在已經有等同60W、800 lm及75W、1,100 lm白熾燈泡，可供室內主照明使用的LED燈泡出現。」而根據晶元光電實驗室的測試，800 lm的LED燈泡僅需使用8.7W的電力，即可達到102.1 lm/w、CCT值2,613與CRI值91.1的照明效果；而最新發展出的1,100 lm的LED燈泡，亦僅需使用9.44W的電力，其光效能值、CCT及CRI則分別為124.4lm/w、2,643K與93.9。

從新的設計角度重新思考

謝明勳建議業者在思考LED照明設備的設計方式時，可採多方面的觀點切入，如藉由提高功效來減少熱能產生、取消binning、增高CRI值、減少Driver與PKG成本、增加電流密度、採全周光而非指向性設計、強化功能與造型設計加入流行元素…等方式，以創造比Direct Red、HV、COB…等傳統做法更好的效果。「千萬不要只是追隨其他人所提出的既有藍圖，而是要設法改變遊戲規則。」就像Apple以產品概念發想取代以往IT業界只談規格的方式，為整體產業帶來新的衝擊。謝明勳強調：「要勇於轟掉過去的自己，並想像全新的自己會怎麼做。」如此才能避免落入一昧殺價的紅海市場，為企業開創新的藍海效應。