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減碳科技：點亮未來–LED照明

102/03/15 29956

康智傑｜南台科技大學光電工程系

在油電的喊漲聲中，各行各業莫不叫苦連天，但觀察到有一類商品賣得出奇的好，部分型號甚至出現缺貨現象，那就是輕鋼架LED（light emitting diode，發光二極體）燈具。一個動輒3,000～4,000元的LED燈具，怎麼那麼多人買得下手？而連帶的，做為其主要元件之一的電源供應器也出現了供貨緊俏的情形，有些廠牌在電子材料行竟也買不到。這雖出乎一般人的想像，但隨著電價的高漲，在荷包縮水的狀況下，似乎人們已經開始算計著如何才能真正地省錢。

似曾相識的場景又發生了，政府在繼兩波總額14億的節能家電補助後，經濟部又將推出10億的LED照明補助方案，預計補助家用LED燈泡半價。這可望把目前每顆單價高達300～600元的LED燈泡降為150～300元，這不僅使得LED燈泡在價格上足以跟平均單價100元的緊密型螢光省電燈泡（compact fluorescent lamp‭, ‬CFL）抗衡，且可提高一般人對LED燈泡的接受度。

雖和過去一只售價僅20～30元的白熾燈泡相較，價格仍相當高，但可預期的是，它將可大幅提升國內LED燈泡的滲透率，更進一步減少整體家庭用電。

其實為了節能減碳，早已有多個國家實施類似的補助方案。以日本為例，自2009年起已陸續實施了兩期的Eco-point節能家電補助。目前日本的LED燈具滲透率雖尚不足30％，但預計在2015年可把LED燈具滲透率提升至50％。這對經歷311核災，朝全面廢核邁進的日本而言，是非常重要的一步。其實根據統計調查，日本的高LED燈具滲透率並非全然是基於政府的補助，而是一般民眾經歷核災後環保意識的覺醒。

在美國推行的CFL節能燈泡補助，因CFL節能燈泡的色溫（color temperature‭, ‬CT）（註1）和價格都較白熾燈泡高，且民眾的環保意識還不夠強烈，雖然電廠免費贈送CFL節能燈泡給一般用戶，但CFL節能燈泡在美國的滲透率始終難以拉高，近幾年來一直維持在20％上下。
當然，日本的政策性補助LED燈具和美國多年來一直推動的CFL節能燈泡補助，無非是希望減少用電量，以避免新建電廠所需的龐大投資。

依據能源局估算，臺灣在民國101年照明用電高達260億度，約占臺灣總體用電量的10％以上。這已較數年前未開始限制（禁用）白熾燈泡時，照明用電約占總體用電的15～20％已改善不少。事實上，在節能減碳的措施上，自民國97年起，政府已開始實施為期5年的「585白熾燈汰換計畫」，短期是以CFL省電燈泡取代白熾燈泡，長期則以LED做為主要的照明燈具。

去年（2012年）開始，它更正式進入第二階段，凡消耗功率25瓦以上的白熾燈泡，未符合發光效率基準的，不得進口或銷售。因此，市面上幾乎已買不到白熾燈泡了。雖然廠商也開發出符合上述法規的改良型白熾燈泡，但事實上，政府的政策等於宣告白熾燈泡時代的結束，即使不至於完全消失。

然而臺灣地處亞熱帶，白熾燈泡的使用比率和國外相比本來就不高，螢光、日光燈反而是消費者使用的最大宗。目前正風行以T5省電燈管取代舊有的T8‭/‬T9燈管，但不管怎麼樣，它們都含有汞，違反環保的精神。其實，歐盟的危害物質禁用指令（Restriction of Hazardous Substance‭, ‬RoHS‭ ‬）雖給含汞螢光燈管留下一線生機，但如同各國政府在政策上限制白熾燈泡的使用，等於宣告白熾燈泡的末日一樣，螢光燈管最終還是得從歷史的舞臺上黯然退場。

依據上述，對從事LED研究、製造、銷售和關心LED發展的人士而言，只不過是依劇本演出的戲碼罷了。因為依據LED的技術發展藍圖，它終將超越其他的人工光源，獨領風騷，大放光明。

發展與前景

LED是一種會發光的二極體半導體元件，它是由P型和N型兩種半導體結合而成，可使通過的電流藉由N型半導體中的電子和P型半導體中的電洞，在PN接面的主動區內復合，部分轉換為光，當然在這過程中也會產生熱。早在上世紀初，就已發現這種電致發光現象，比愛迪生白熾燈的發明僅晚了不到30年，但LED商業化的腳步卻落後甚多。

第一顆實用的LED是單色紅光LED，是在60年代初期開發成功的。再經數年的功夫，直到60年代末期，第一顆商用單色紅光LED才正式問市，但其總出光量僅有0.0001流明（lumen‭, ‬lm）（註2）。

早期的LED單價高達一、兩百美元且效率不佳，因此鮮有商業上的應用。但隨著大量生產技術的開發完成，LED單價開始大幅下降，雖出光量仍僅有幾個毫流明（mlm），但在商品上的應用已漸漸展開，用於指示燈、早期的口袋型計算機和電子手表中的數字顯示，LED慢慢地滲入人們的日常生活中。

在整個70年代，橫跨80年代直至90年代中期，LED技術的發展是出光量和發光效能（註3）不斷地提升。例如，出光量3流明的單顆紅光LED的發光效能可達每瓦25流明，已可應用在汽車煞車燈和室外的（廣告）看板上。比起傳統的白熾燈每瓦10～15流明，其實在出光效率上已勝出了。

不同色彩的LED也陸續加入了照明的行列—淡黃色、綠色、藍色等。而事實上，讓LED往照明跨出一大步的是高亮度藍光LED的發明，亮度可達1燭光（candela‭, ‬cd）（註4），這讓LED照明不再是夢想，它變得觸手可及，並將進入每個人的生活中。

從90年代中期白光LED的發明直至今日，所發生的是白光LED技術的持續發展和它在照明上的應用。依生成的方式，白光LED主要可分成兩大類：由紅光、綠光與藍光三種單色LED直接混色，和由藍光或紫外線LED直接激發黃色螢光物質。這兩種方式互有優缺點，但單以出光效率來說，以螢光物質為基礎的白光LED事實上較三原色混色LED為佳，更適合於白光照明的應用。

而最近一、兩年來的發展是，美國LED大廠於2010年已成功開發並銷售出光亮度高達1,000流明的白光LED，它在3安培工作電流下的出光效率是每瓦100流明，當工作電流是350毫安培時，發光效能是每瓦160流明。2011年，這家廠商又使白光LED的出光效率往上提升，當工作電流是350毫安培時，發光效能是每瓦231流明。最近又繼續突破技術瓶頸，把白光LED的發光效能提高到每瓦254流明，這已慢慢逼近它的理論極限值—每瓦300流明。

隨著材料和製程的不斷改良，LED的出光量和發光效能也不斷突破。依據海茲定律（Haitz's law），過去40年來，LED出光量（流明）約每18～24個月可提升1倍，在往後的10年內，預計出光量可以再提升20倍，而單位成本（美元／流明）將降至現有的‭ ‬1∕10。

其實近幾年來，單顆封裝LED的出光量提升的速度已較海茲定律所預測的快，目前市面上已有超過10,000流明的產品。因此隨著時間的推移，LED的效能會變得更好，價格也會更便宜。當LED的平均單價逼近現在白熾燈泡的價格時，一般民眾會更樂意購買。

LED照明

在未來LED照明燈具市場中，LED燈泡和輕鋼架LED燈具會成為大宗。LED燈泡終將取代過去白熾燈泡和現在CFL省電燈泡在照明上所有的應用，輕鋼架LED燈具則會繼T5燈具後成為辦公室和工廠照明的主流，有機會在臺灣取代目前各場所（含居家）的螢光日光燈具。其他諸如LED嵌燈、LED枱燈、LED飾燈等在市場上也不會缺席。

LED燈泡　白熾燈泡較其他人造光源有更好的演色性，演色指數（color rendering index‭, ‬CRI）可高達99。演色指數是指物體在人造光源照射下，所顯現的色澤和在陽光照射下所顯現色澤的差異。演色指數值越高，被照物體就越能顯現其本來的色澤。

然而白熾燈泡通電後產生的能量，有90％轉換成熱而浪費掉了。傳統的100瓦白熾燈泡，放出熱量就高達90瓦，相較於發出相同亮度的26瓦CFL省電燈泡所產生的15瓦熱量多出6倍。而對比之下，現今一低於12瓦的LED燈泡就可產生同等的亮度。因此相較於白熾燈泡和CFL省電燈泡等人工光源，LED燈泡具有非常高的出光效能、使用壽命長（可達50,000～100,00小時）、不含汞等優勢，使它成為未來照明的不二選擇。

輕鋼架LED燈具　辦公室或工廠用的大尺寸燈具的光源，目前仍有許多是使用傳統的T8‭/‬T9日光燈管，但有越來越多人改用較省電的T5燈管。T5燈管的確有很多優點，比如使用壽命長（達20,000小時）、發光效能高（約90‭ ‬lm/W）、出光量大（14W‭, ‬1,250‭ ‬lm）、演色性佳（CRI達85以上）、單價低等，似乎唯一也是最大的缺點是使用汞，不符合愛地球的環保理念。

輕鋼架LED燈具目前分為兩大類：一是直下式，架構和輕鋼架日光燈管燈具相同，只不過光源是採用LED燈管，大部分由數十至數百顆LED沿直線排列而成；另一是LED平板燈具，基本上它是由液晶顯示器中所使用的光源—側光式LED背光模組—直接演化而來。在LED平板燈具的架構中，需有一塑膠材質製作的平板導光板來導引光，並使它均勻出光。其優點是厚度薄，但出光效率僅約50～60％。

相對於側光式光源具導光板的LED平板燈具，為能提升LED燈具的整體出光效率，近來也有幾款空腔式無導光板LED燈具的設計。它們都是利用反射底板進行初步配光，再經擴散板出光，都標榜高出光效率。比如美國LED大廠的CR系列LED燈具和筆者的研究團隊所設計的多邊形空腔式側光式LED燈具，兩種方式的出光效率都可達90％。

其中CR系列LED燈具著眼於一般直下式LED燈具一直有出光均勻性不佳，容易產生眩光的缺點，把LED置於燈具下方，朝上方反射底板出光。經底板反射後的光線再經擴散板均勻出光，就可得到一個非常均勻的高品質LED光源。整個想法相當簡單但高明。

筆者的研究團隊在輕鋼架LED燈具上的思維，則是針對LED平板燈具出光效率難有效提升（約50～60％），和有一塊看似不可缺少但又有那麼一點笨重的導光板，如能取代甚至移除它，並妥善控制出光的均勻性，應可大大提高出光效率，得到非常均勻的高品質LED光源。當然除了以上所提到的兩種設計思維外，未來在市面上應會出現其他類型的高品質、高效能LED燈具的設計。

LED智慧照明

「開燈！亮一點！再亮一點！暗一點！稍微亮一點！好！」檢視場景，房間中僅有一人，看似自言自語，但房間中燈光的亮度已在這短短的時間內變化多次了。這僅會出現於未來科幻片的情景，很有機會在未來幾年內出現在你我的日常生活環境中，不再是科幻，也不再是夢想。無論是擊掌、彈指或是語音都可當成聲控照明的訊號，當然，動作也可成為控制照明的訊號。

而以上只不過是涵蓋目前正如火如荼發展的智慧照明中的一部分，它是現在進行式，不是未來式。想像一下！照明可隨心情轉，這當然是在更遙遠的未來才會出現的。

其實只要結合網路和智慧型手機，舉凡燈具亮度、色度調控、遠端用電監控等，都可以很容易地建構在以LED技術為基礎的智慧照明應用上，這是白熾燈泡無法辦到的，甚至連CFL省電燈泡也無法比擬。臺灣的LED產業規模是世界第一，在智慧照明的發展上自是不落人後，目前已訂出智慧照明系統產業標準，這不僅可帶動國內智慧照明產業的發展，也能加速推廣智慧照明技術的應用。

今天的LED照明還稱不上普及，若以成本效益的角度來看，長時間使用照明的場合，例如路燈、交通號誌、24小時作業的工廠、賣場、百貨公司、飯店等場所，因投資回收時程較短，較易推廣。但家用照明，因LED售價還太高，消費者仍難接受。可是如延續LED技術發展藍圖和高科技產品價格持續下滑的市場法則，加上外在環境，如電價上漲、政府的補助政策、一般民眾環保意識的覺醒等，和智慧照明浪潮的興起，在未來幾年內，LED照明一定會點亮全世界。

註1：光源的色溫是對比於理想黑體輻射，當顏色相同時理想黑體的溫度，它是以凱式溫度（K）表示，例如白熾燈泡的色溫是2,800‭ ‬K。
註2：流明是光通量（功率）的單位，是單位時間內光源的出光總能量。它是人眼所能感覺到的單位時間可見光的出光能量，但並不涵蓋光源的全部出光光譜能量。雖然有些人用流明代表LED的亮度，流明數越大，亮度越高。但在實務上，流明並不是直接計算或度量亮度的單位。
註3：發光效能即電光轉換效率，每瓦消耗的電能所可產生的可見光出光量（流明）。
註4：燭光是發光強度單位，相當於一根蠟燭的亮度，是在特定的方向上，單位立體角內光源出光的流明數。傳統上，有人把燭光當作白熾燈泡的亮度單位。同樣地，在實務上，燭光也不是直接計算或度量亮度的單位。

資料來源

《科學發展》2013年3月，483期，40 ~ 46頁

照明(19) 色溫(4) 三原色(7) 電洞(21) 科發月刊(5210)

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