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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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點滴累積技術能量 推動台灣 LED 產業發光

魏茂國

LED在台灣發展三十餘年,
工研院投入LED的領域也有二十多年,
但是在節能與環保的潮流影響下,
可說大約進入二十一世紀後,
LED才普遍受到重視;
也由於LED的發展腳步驚人,
想要在全球產業中占有一席之地,
技術研發的支持與重要性便不言而喻。

技術的突破與效能的提升,是LED在節能減碳趨勢下獲得重用的關鍵。其實,早年LED的發光效率極差,就算用肉眼直視也不會感到刺眼。即使後來有國外業者開發出以藍光元件搭配黃色螢光粉,發出白光的方式,看起來更像個照明燈源,但顏色還是很暗淡,因此也漸漸地不受重視,研發與專利的投入愈來愈少,使得台灣在LED的發展陷入停滯。
直到2000年左右,效率經過大幅提升的LED愈來愈亮,讓人注意到它的存在,市場也才逐漸打開。在用途上,過去LED原本多是做為各種儀器上的顯示元件,後來則運用到手機與筆記型電腦等IT產品上,除了省電之外,亦增加了產品的質感;成為照明元件的應用則是另一個轉捩點,不僅用途更廣,讓一般人都能享受到LED的優點,也突顯出LED的未來價值。

二十多年前的先頭布局

LED的研究在工研院中算是歷史悠久,而且經過多次的轉變。1981年設置第一個LED實驗室,研究重點是LED以電力操作的特性。而隨著研發重點由上游的磊晶材料成長,轉為強化應用的概念,LED實驗室也在約1994年開始著重在LED元件與系統的發展。

雖然說是往應用端發展,但在LED效能不彰的年代,實際能夠發想出的應用也有限。當時較為顯著的成果是引進亞洲第一台MOCVD(有機金屬磊晶成長系統)機台,同時成功開發了MOCVD技術,並技轉至台灣的廠商,成為至今台灣LED業界的主要生產方式;後來更於1996年與廠商合作成立晶元光電,投入LED上游磊晶元件的製造。

1984年進入工研院服務,現為工研院電子與光電研究所光電元件與系統應用組組長的朱慕道指出,當LED的發光效率經過改善後,不僅產業看待LED的態度不同了,工研院也才從以前零星的研究中跳脫出來,開始急起直追,希望能趕上歐、美、日等國。

尤其LED的應用範圍相當廣泛,從照明、背光源,到各類的電子用品,其結構本身也包含了封裝、材料、結構、散熱等不同的技術,使得進行LED相關研究的已不只是光電,還包括材化、能環等單位,都希望能夠以不同的領域及技術,找到LED的應用方式。

直到後來透過工研院內的焦點計畫,將各所及各團隊發展LED的計畫與資源加以整合,使得技術上有了交流,執行起來也更有效率。工研院電光所光電元件與系統應用組光電元件製程及封裝部專案經理林明德就表示,工研院有較完整的上、中、下游技術能量,也就利於像LED這樣具備多樣特性的技術發展。

產值未能與產量比肩

二十多年前就開始進行的相關研究,為我們的LED產業打下了今日的基礎,目前台灣在LED的產量上已是全球第一大。但美中不足的是,由於我們未能握有關鍵性的專利,因此業者得付出大筆的授權費用,而且即便生產與品質做得再好,利潤仍是相當微薄;產量雖大,但產值卻不如其他先進國家。

儘管如此,LED的未來性與趨勢仍不可忽視。在一片方興未艾的情勢中,工研院於2003年發起為時兩年,具有指標意義的「白光照明光源開發技術業界科專計畫」,邀集了國內LED上、中、下游的廠商共同開發,也加速了LED技術的提升與導入,並且拉近與國際領先技術的距離。

然而,在LED產業規模逐漸形成的情況下,關鍵技術的發展方向,以及工研院的角色該如何調整,卻很少人能夠預見、擘畫。工研院電光所所長詹益仁認為,當LED產業擴大之後,面對的國際競爭其實更為激烈,特別是在專利的議題上,並沒有得到有效的解決,業界廠商仍舊處在技術授權的壓力下,是個相當令人頭疼的問題。

新方向、新機會與新商機

ED應用在背光源、車燈、號誌等用途上時,利用LED做為照明燈源的想法,也已在產業內討論許久;然而,基本上傳統LED以不同於一般家庭使用的直流電(DC)操作特性,卻很少人觸及,更不用說深入研究或加以改良。因此當工研院電光所提出AC操作LED的概念後,外界的反應並不熱烈。

「有的人很不以為然,也有人認為這個技術與概念太簡單,沒什麼特別,甚至還表示根本不需要這麼麻煩。」朱慕道回想當時受到的批評與對待,對照今日「晶片式交流電發光二極體照明技術」(On-Chip AC LED Lighting Technology,簡稱AC LED)獲得國內外各界肯定的成果,心中的感受真是五味雜陳。

在不獲重視的情況下,AC LED只能靠團隊成員在資源匱乏的環境下,一點一滴將技術累積起來。工研院電光所光電元件與系統應用組副組長葉文勇說,過去約十年來,LED的重要發展議題並不多,當初成員們看到AC LED這樣一個新的概念時,就好比挖到了寶一般,而且認為是有希望的、是可以研發的方向。

林明德也說,AC LED可說是個「純種」,完全由工研院獨創的技術,對於自始就參與其中的他來說,有如是自己生的小孩;同時在研發過程中,主管不放棄的一路支持,也是造就AC LED終能實現的主因之一。

創造產業效益

以照明應用的角度,AC LED不需要轉換電源的設備,也沒有複雜的零件,同時還方便更換與選擇燈具,這些都是傳統LED所不及的。朱慕道分析,在個人或家庭的使用下,這種差異感受或許還不會太過深刻;若以整體照明市場來看,當採用AC LED的燈具數量愈多時,光是省下的轉換設備就十分驚人,相對上亦是環保節能的表現。

AC LED顯現足以改變產業的影響力,並且和以往工研院其他的LED計畫最大的不同,即在於AC LED具備了前瞻性的觀點。自認為投入AC LED的研發,想起來實在是「膽子很大」的朱慕道,特別強調「定位」的重要。工研院在技術上要思考的,應該是有什麼和跟別人不一樣的東西,要不斷地尋求差異化,並找到自己的價值,而AC LED就是一個可以創造領先的技術。

詹益仁也認為,生產方面的規格與品質,工研院是無法與廠商抗衡的,反而應該著重在創新的想法落實,或是難度較高的技術層面。以LED為例,一般簡單的小瓦數燈泡,廠商可以透過生產流程與管理等方面的精進,提高產品品質與生產效率;像是特殊用途的高瓦數探照燈,因技術門檻更高,就可以由工研院來進行。

此外,整合業界與政府的資源,創造產業的效益,不僅是工研院的優勢,也是責無旁貸的任務。AC LED計畫引進了廠商共同合作開發的機制,為研發資源注入活水,並在主要的技術研發與專利布局上規劃營造先機,將有助於台灣LED產業地位的提升,也足以提供未來技術發展的借鏡。

目前LED在照明推廣上的最大障礙,就是價格過高。可是以近年來LED晶片效能提升,價格卻下降的走勢,再加上節能減碳的風潮,LED成為照明市場的主流,以及真的能夠減碳、省電的主力,是可以期待的,對於AC LED的未來發展也更有利。

持續研發動能

LED的熱潮持續發酵,目前在工研院電光所中,有八成的研發計畫都與LED有關。例如在應用方面,過去傳統手術燈重量重、溫度高、並且會造成陰影;新開發的「LED無影手術燈」則不會產生紅外線幅射熱,重量也變得更輕,容易調整聚焦與光形,同時透過LED的調色與病變組織對不同顏色光的反應,可以很快速地鑑別出病變組織的部位。類似的技術,也應用在「LED牙科手術燈」上。

另外在全光譜對人體的影響上,則是因應傳統光源僅能調整明暗,LED卻可調整顏色的特性,當人體感應到環境中的光譜改變時,在知覺與心理等層面上也會有所作用,相關研究亦正進行中。除了電光所本身外,於工研院院內跨單位的合作,也為LED的技術與應用創造更多可能。

台灣產業界的製造能力,是全世界有目共睹的,但往往受制於技術的開發與專利,使得經營加倍艱辛。工研院在LED領域的研發上,持續關注在趨勢及環境的變化,期以提供有效的解決方案,協助產業發展,也希望能夠在更多產業與政府的資源結合下,開創更多像AC LED這樣的技術,同步引領產業向前。

「 計畫主持人與工程師們的熱忱與堅持,是AC LED計畫成功的最主要原因。」在目前LED市場激烈的競爭中,能夠研發出AC LED技術並布局專利,工研院電子與光電研究所所長詹益仁認為,除了天時地利之外,同仁們的奉獻與承諾是很重要的。

整合帶動產業升級

受限於企業規模與市場競爭,對於台灣以中小企業為主的產業界來說,通常是在既有的技術基礎與軌跡上,尋求效能的提升與改良。也就是說,由於持續專注在生產效率的精進,產業沒有餘力可以做進一步的開發,因此也就缺少創新性與突破性的技術。

「與台灣的產業結合,是工研院最擅長的部分。」詹益仁表示,不像一些國際大型企業擁有完整的部門與豐富的資源,容許長期投入研究發展;台灣產業需要的是革命性的技術與改變,藉以實現厚實競爭力的目的,而這一點正好可以透過工研院扮演積極的角色,帶動產業一起達成。

具備關鍵性與前瞻性的AC LED技術,無疑地就是協助產業提升的重要力量。詹益仁指出,靠著工研院裡各種的專業人才,才有辦法研發出像AC LED這樣的上位技術,滿足產業實際應用時的狀況,並延伸出產業上、中、下游的利益。同時,和過去技術授權方式不同,AC LED在研發階段就邀集產業參與,讓廠商更有機會掌握技術與專利的核心。

不過詹益仁也說,台灣的產業垂直分工情況相當明顯,製造訂單與成本的壓力非常高,於是愈往系統端與應用端發展時,廠商的態度也就愈保守。因此儘管AC LED具有許多優勢,在推動時卻仍然不容易,必須花許多時間說服,因為台灣的廠商通常要等產業興起或技術成熟後才願意投入,但卻因此更容易淪為代工的位置。

複製AC LED經驗

尤其從LED跨越到照明領域,已不只是元件而已,而是一個包含光學、材料、散熱、電控、設計等部分的系統。同時,燈具產業的標準界定不易,不像資訊、通訊,或TFT-LCD產業,在每個介面與標準上都訂定得很清楚,因而在生產流程上進行分割的可能性較高。「在各別的技術上,台灣的LED產業並不落後,但卻缺乏整體的串連,」詹益仁憂心地說。

另外,詹益仁還認為,台灣的LED產業缺乏像IC產業那樣的明確政策與完整規畫,只能用土法煉鋼的方法,有如打游擊戰般一步步攻城掠地。事實上,如果沒有工研院將人才與技術移轉至產業裡,就不會有現在的成績,甚至連游擊戰都沒辦法打。

但是相對而言,「當初如果能有正規的布局與發展,今天就不會走得這麼辛苦。」特別是在資源不足的環境中,詹益仁深深地感受到參與AC LED計畫同仁表現出「非做好不可」的態度,因此能夠得到R&D 100 Awards,以及透過專利與技術授權獲得實質獎賞,都是最直接的激勵,也鼓舞了其他人,「連人員流動率都變低了,」詹益仁笑著說。

「愈簡單、愈顯而易見的專利,愈有價值;AC LED就是個很簡單的idea。」在產業與政府的關切和挹注下,工研院還需要更多像AC LED這樣的技術開發,為台灣產業發展不斷創造新機與無限的價值。



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