解析AC LED应用与发展趋势

    一. AC LED利用交流电直接驱动，颠覆传统应用 

    不论是家庭、工商业或公共享电，大多以交流电(Alternating Current，AC)的方式提供，主要是为了避免远距离的电力传送会有多余损耗，才采用交流电的方式输送到使用端，故电器必须设计成交流电驱动使用，否则会因电压不符而产生短路问题。

    传统LED皆须以直流电(Direct Current，DC)做为驱动，因此在使用一般交流电作为电源供应的同时，必须附带整流变压器将AC/DC转换，才能确保LED的正常运作。而应用上一直强调LED省电的特性，但在AC/DC转换的过程中，其实有高达15～30％的电力耗损，使用上依旧不具效率；因此，研发可直接用AC驱动的LED就成了一个新构想。

    台湾工研院成功研发出可在交流电110V下直接使用的AC LED，搭配特有的立体导热和可插拔式封装技术，于2008年荣获美国R&D 100国际大奖肯定。AC LED除了增添应用上的便利性外，更将为LED产业的发展掀起一波新革命时代。

    (一) 在照明灯源演进上AC LED占尽优势
    传统白炽灯因电光效率转换差，且有环保上的问题，在节能减碳风潮带动下，2010年起全球将纷纷禁用，宣告LED照明普及时代已不远，唯目前仍需精进白光LED发光效率和散热设计。
LED在电流通过发光时会产生热能，而DC LED在AC/DC转换过程中产生更多热能，因此散热设计将是影响LED使用寿命的关键。一般设计是直接将LED和散热基板焊在一起，当LED灯源损坏时，必须整个基座汰换。而工研院研发的AC LED采用可插拔式立体导热封装技术，除增加导热面积外，当灯源损耗时可直接以插拔方式汰换，较DC LED便利，也因此特殊的插拔式技术获得美国R&D 100国际大奖肯定。



    AC LED透过特殊电路设计可直接使用交流电驱动，不需配合整流变压器也能正常运作，所以在照明灯具设计上，体积及重量都能较一般DC LED灯具更有优势。但目前因发光效率仍比DC LED差，价格也较贵，在应用推广上仍需一段时间。



    (二) AC LED搭配可插拔式封装，使用更为便利
    工研院在此次得奖的AC LED研发上有两大主要技术，分别为「高效桥式AC LED芯片技术」和「低热阻立体导热插拔LED封装技术」。

    桥式AC LED芯片技术主要是利用桥式整流电路的设计，将AC电流导入后经由转换，会输出DC电流；此外，工研院亦突破微晶粒制程技术，在单颗1mm2的面积内排列出约百颗微晶粒，更有效提升整片AC LED芯片的发光效率。


    当电压为顺向偏压时，电流会顺著某一方向流出，通过发光二极管使其发光；当电压为逆向偏压时，电流往反方向流动，使另一边的发光二极管发光。原先输入的交流电，透过桥式电路整流后会改变其波型；而桥式整流过程中会有漏电情形发生，输出的电压形式较接近直流电。


    低热阻立体导热插拔LED封装，则是此次工研院电光所获得美国R&D 100大奖肯定的技术核心。国际上接口热阻封装安规标准不能大于3℃/W，电光所利用立体式导热封装的概念，将导热的接触面积增加为原本的10倍，散热的体积也增加，使接口热阻仅0.3℃/W，大幅改善LED最为人诟病的散热问题。因将电路和散热整合在封装内部，亦搭配插拔式的外型，可直接在一般交流电的插槽更换使用，增添便利性。


    由于目前台湾厂商生产的LED发光效率仍较差，在能量不灭的定理下，产生的热能也较多，因此如何解决散热问题就更为重要。相对于发光效率较好的欧美日大厂LED产生的热能较少，是否因为台厂有更好的散热系统而将其市场侵蚀，仍需持保留的态度。但不可否认的是，工研院将LED封装型式设计为插拔式更换，不需将LED和散热基板焊接在一起，大大提升了LED使用上的便利性。 

    二. AC LED相关应用与未来发展方向 

    在产学研积极合作发展AC LED产业之下，配合节能概念，目前已有相关应用商品的诞生，而在技术发展的同时应早日在全球进行专利布局，才能取得竞争优势。

    (一) AC LED照明产品已可量产，背光源尚处于样品示范阶段
由于AC LED可直接用交流电导通，使用上可不需另置整流变压器，在应用便利性的发展趋势上更是不容忽视。目前台湾市面上已有AC LED商品崭露头角，主要是由液光固态照明公司(LIQUIDLEDS)生产，交由艾尔莎(ELSA)代理销售。产品的规格以2W和4W为主，选用韩国首尔半导体的白光AC LED芯片，搭配特殊液态绝缘油散热，光源经由液体的光折射后更为均匀射出，在外观上则选用玻璃封装更可耐酸碱。



    而台湾工研院所设计的AC LED规格是以5W为主，目前正在开发8W和10W。于公开举办的展览会中已有相关的LED照明台灯登场，由灯具设计更可见较传统台灯轻巧。工研院日前亦将AC LED用于42寸LCD TV背光模块，已成功完成样品机的示范，尚未进入量产阶段，主要在于技术和散热问题仍需克服。但AC LED体积小与重量轻的特性，在大尺寸面板背光源设计上将成为不容忽视的发展趋势。


    (二) AC LED的专利布局
    1996年日厂Nichia成功以蓝光为基础，搭配黄色萤光粉，开发出白光LED取得相关专利，其它厂商为避免纠纷，也仅能以专利授权的方式生产，使Nichia在全球白光LED市场成为龙头大厂。
目前全球LED市场竞争的如火如荼，旧有LED厂商积极朝上下游垂直整合发展，而各大集团也将其事业版图拓展至LED产业，将LED产业发展推向新的战国时代。反观AC LED的发展，除了台湾以外，仅有韩国首尔半导体动作最为积极，美国的研发仅停留在实验室阶段，日本大厂则尚无任何相关布局。因此台湾AC LED在专利上的布局应更加快脚步，才能有机会在未来的数年内成为AC LED产业的领头羊。


    三. 以应用研发联盟方式催生AC LED产业 

    传统的LED产业，根据不同的磊晶材料制程会产生不同的光色，经过标准型式封装，产生一般常见的LED，如炮弹型LED和SMD型LED等。再根据应用端所需的特性挑选适合的LED，像手机背光需要体积较小的LED，因此大多采用SMD型白光LED为主。目前的产业发展是由上而下垂直分工，因市场竞争激烈，商品并无差异性而造成快速跌价，影响厂商营运，因此近期皆可见国内外厂商采取垂直整合的方式布局。
    目前的AC LED多是以应用端的需求出发，根据不同的需求特性做出特有的封装型式，商品更具差异化。因此当厂商取得特有应用封装技术的专利，更容易在应用市场上取得竞争优势，此种观念打破传统LED标准封装型式，也可免去厂商杀价竞争而压缩毛利的局面。


    不过，AC LED应用的普及并不会完全取代传统DC LED应用市场，因为可携式产品仍旧需要依靠电池供电，而电池为直流电输出，因此在使用LED的时候，DC LED依旧是最合适的选择。就目前市场发展而言，全球背光源产值仍为最大宗，特别在手机市场及2009年积极成长的LED NB和Netbook应用，都明显可知DC LED有其不可被取代的地位。

    因此AC LED未来发展的趋势，应专注于以交流电驱动的产品为主，象是照明灯具、电视背光源、出入口指示灯及建筑景观照明美化等应用。厂商更需积极开拓相关应用市场，才能以其差异化的封装技术与产品，取得在市场上的生存机会。


    因为AC LED产业必须积极拓展应用端需求，工研院与业界共同合作，在2008年10月成立「AC LED应用研发联盟」，目前在中上游端仅晶电和鼎元获得工研院专利授权，封装方面则由福华最先试产，随后加入光宝和高基共同为封装技术精进。目前在应用端仅有照明和背光源产品，未来仍有相当大的发展空间。

    四. TRI 观点
    AC LED并非是创新的技术，但工研院全球首创热插拔式AC LED，在照明产品应用上，不仅比传统DC LED和一般灯泡更为节能外，类似于一般灯泡拆卸的更换方式，比DC LED使用上更为便利。而其立体式散热封装的构想，也有效解决LED散热的问题，提升使用寿命。

    因微晶粒的制程过程，提升AC LED的发光效率，加上不需要搭配整流变压器的使用，可大幅缩减灯源大小，使灯具设计问题与造型更为容易。而其用于42寸LCD TV的AC LED背光源也仅于实验室做出样品，并未能达到量产标准。但AC LED用于大尺寸背光模块的成功例子，更激励厂商乐观看待此市场发展。