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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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發現生活新「亮」點 開啟觀看新「視」界

文/陳帝鴻

隨著綠色環保議題日漸受到重視,一般人對LED的觀點,也由普通電子零組件轉為重要的節能產品。LED因具備低溫、省電、點燈快、體積小、不含汞、產品使用壽命長等環保特性,目前已成為全球最重視的綠源節能應用產品。

LED的應用層面非常寬廣,舉凡一切與光源相關的領域,不論是照明、顯示訊息、通訊傳輸、遙測感應等功能上,包括手機、車用、交通號誌、路燈、面板背光源、戶外照明、一般照明等皆可運用。從市場面來看,LED照明市場逐漸起飛,預估2010至2014年將邁入快速爆發期,因應市場需求成長,業界研發應用更趨多元。

從2010年台北國際光電週中,就可以看到這股新趨勢。工研院展示多項LED照明技術,包括可調換顏色的LED劇院投射燈、改善LED路燈光形的最新設計,甚至可利用磁能注入的方式,促使電流均勻分布,提升10%發光效率,為台灣LED產業增添新利器。

LED新應用1:多彩多智LED劇院投射燈具(Colorful and Programmable LED Cinema Projection Fixture)

只要一盞LED燈,不需要傳統色輪,就能在劇院展現千萬種色彩?沒錯!

傳統劇院投射燈不但體積大,還需要以高瓦數氣體放電式燈泡,搭配8至16種彩色濾光片形成色輪,然後再透過轉動色輪來調配顏色,不但較為耗能,燈具成本也居高不下,光是一顆高瓦數氣體放電式燈泡的價格,就要新台幣1.5萬至2萬元。

工研院電光所研發的「多彩多智LED劇院投射燈具」,不但體積只有傳統劇院投射燈的一半,總成本也不到傳統劇院投射燈的三分之一;採用高功率RGBW的LED陣列光源模組,不需要色輪,只要一盞LED燈,就可以直接進行混光,隨意改變照明的顏色與色溫,進行顏色的無段漸層變化。

如此一來,同樣一幅油畫,只要改變照明,就能夠一一呈現從黎明、正午豔陽到晚霞滿天的不同情境,真的非常神奇。甚至同樣一幅馬賽克圖案,在正常日光燈照明下看起來就像尋常的馬賽克色塊組合,但只要以「多彩多智LED劇院投射燈具」改變顏色與色溫,使特定的顏色浮現,就能夠讓肉眼看見特定的字母與符號,就像是在解碼一般。

由於該技術是採用多晶陣列LED燈在很小的面積中達到混光效果,所以首先要克服的,就是散熱問題。再者是要建立均勻的混光模組,讓影子是黑色的,才能達到良好的劇院效果。在投射模組方面,還要做到能夠聚光、變焦,讓發光角度可以在±10度至±30度之間進行變換。融合了光學設計、散熱設計、流道設計與LED封裝設計等技術,具有高量度、變焦照明、高演色性、廣色域、色溫可調與低成本等特點。

在應用面方面,「多彩多智LED劇院投射燈具」也有無限可能。可以用做舞台投射燈;也可以全部使用白長光,當做遠距離探照燈來使用;也很適合應用在電視或電影的攝影棚中,隨時可任意調整出演員所需要的特定蘋果光;也可以調整輸出功率,做大型劇院照明或大樓投射燈使用。

工研院電光所表示,「多彩多智LED劇院投射燈具」等於是將很多不同燈具的特色集於一身,目前最大輸出功率為150瓦,未來可以依照不同的特定使用場所與使用需求,讓亮度更亮、輸出功率更大,進行客製化量身訂做。

LED新應用2:HV LED可調光形路燈(The variable light pattern of HV LED street light)

需要夜間照明的十字路口,若想要打出十字形光形,至少需要四盞路燈才能辦得到;但若採用工研院最新發表的「超高效率暖白色高壓發光二極體(HV LED)可調光形路燈」,只需要用一盞燈,就可以達到同樣的照明效果。不但光形明確,減少光害污染;模組化方式組裝不但組裝方便,也同時減少燈桿使用,直接降低照明建置成本。

要達到這樣的突破,必須透過不同的專利透鏡組合,來達到不同的光形變化,藉由更換對稱與非對稱的模組化透鏡組合,達成應用於各種特殊地形的照明。除了最基本的矩型與圓形之外,還能夠精準地變化出十字形、一字形、L字形、T字形等不同光形。

此外,為了延長電路板的壽命,在驅動電路方面,特別採用不含電解電容的設計。工研院電光所指出,電解電容有一個很大的致命傷,就是容易受到溫度的影響,若溫度太高,電容很容易炸掉;所以利用特殊的電路設計,把電容拿掉。雖然在成本上,採用特殊的免電解電容電路設計,與使用傳統電解電容差不多,但是由於電路板壽命得以延長,因此得以直接延長路燈的使用壽命,達到節約的目的。

更重要的是,HV LED能夠達到最新法規的節能要求。過去用在LED照明的藍光LED晶片是3V,遇上400V電壓,就要加一個電路去調變,在這個過程之中就會造成能量損耗。但工研院所使用的HV LED燈泡,一顆是110V,3顆是330V,有60V到70V可以去做調變,不需要轉換器,就可以將效能調整到最好。

LED新應用3:超薄化可區域控制AC LED廣告燈板(Ultra-thin local dimming AC LED signage)

現今的廣告看板,大多使用日光燈管,不但厚度相當厚,亮度更是固定的,沒有辦法做調整,發光的區域也沒有辦法做局部調控。

工研院研發的「超薄化可區域控制AC LED廣告燈板」,不但可以直接使用AC直流電,發亮的區域可任意選擇,就連亮度也可視白天與晚上的不同需要做調整。更重要的是,在達到180公分乘以90公分的大面積的同時,還能夠做到超薄,使整體厚度小於1公分。其中,以鋁基板埋嵌LED晶粒的封裝厚度小於2公釐,搭配上專利設計的導光擴散膜片與散熱片,使整體厚度縮減在1公分以內。

要達到超薄,除了LED晶粒本身要薄,封裝的厚度也要向下突破,薄膜貼覆所使用的黏膠也要夠薄,就這樣一點一滴地將厚度給縮減下來。

在應用方面,除了廣告燈箱、一般照明、數位電子看板之外,也可以使用在間接照明上。目前所使用的間接照明,都是將日光燈管安裝在承載板上,往往造成亮度太亮,形成資源浪費;若以AC LED廣告燈板取代,就可以自由調控所需要的亮度,達到節能效果。

LED新技術1:磁能LED(Magnetic-field Enhanced LED Light Power)

當磁鐵遇上LED,會產生什麼魔法?工研院首創利用磁場改變LED電流,促使LED發光效率大幅提升10%,成功克服傳統高亮度LED電流分散不均、發光效率差、亮度不均勻的問題。

這項技術的原理,是利用磁能注入的方式,使電流均勻分布,成功改變電流局限於電極下方的發光模式,讓出光效率最高的區域,不再被金屬電極遮蔽,使LED均勻分散出光效率,使發光效率提升。

目前這項技術為全世界獨家,並已完成全球專利布局,未來希望能夠做到發光效率提升20%或更高,也能進一步降低發光時所耗費的電能。

LED新技術2:奈米碳球散熱塗裝粉體(CNC Thermal dissipate power coating materials)

傳統的熱對流散熱方式,是透過增加表面積,然後用風扇去吹,來達到散熱效果。不但散熱效果差,還需要另外再耗能,用電風扇去促進空氣對流。

由工研院南分院奈米粉體與薄膜科技中心所提出的奈米碳球散熱塗裝粉體技術,是將這種乾式粉體材料,藉由靜電粉體塗布在金屬材表面,然後透過將熱轉變為光能,以紅外線輻射的方式去做散熱。

工研院南分院奈米粉體與薄膜科技中心鍾丰元指出:「我們目前測試下來,平均都可以降溫達6度以上。」相對於濕式的塗料,乾式粉體材料不但施工容易,不會有塗布厚薄不均的問題,厚度更可以薄到只有20micro左右。不像濕式塗料那樣容易被刮除,耐用性會有問題,乾式塗料的硬度可達6H,幾乎是刮不掉。

鍾丰元表示,目前我們所使用的許多電子元件,都有散熱問題,比如說現今的電視都要求畫面要流暢無殘影,因此會需要很快的運算速度來達成,「而運算速度加快的同時,會使熱一再累積,便會產生溫度過熱的問題。」目前這項技術已應用在奇美的56吋電視背板,整個噴塗之後,便可以有效地將熱給導出來。此外,LED大型戶外廣告看板、LED散熱燈罩、太陽能電池模組散熱等,都是可以預見的應用。

鍾丰元指出:「雖然目前這項粉體材料是以靜電的方式來塗布,但我們中心在發展這個技術的時候,還是朝向將這個技術發展成『二代塗料』或『三代塗料』。我們目前正在進一步研發油墨式的散熱方式,希望未來這項材料能夠像蠟筆一樣,看哪裡需要散熱,就可以直接往上塗。」

《其他光電新技術1》 雙螢幕鮮彩電子書—雙模式軟性顯示器技術(Hybrid Flexible Display)

覺得單色電子書的黑白螢幕太無聊,但又嫌iPad這種彩色電子書看久了眼睛會累,怎麼辦?工研院發表的雙螢幕鮮彩電子書,既能呈現彩色動畫,又能展現靜態文字,會是最佳解答。

目前市場上的電子書產品,像Amazon的Kindle採用的是E-ink技術,所以是以單色螢幕呈現,好處是較不耗電、不需要背光,但缺點是沒有辦法呈現彩色圖片和動畫。為了做到能夠流利地呈現彩色動畫,iPad乾脆採用傳統LCD技術,但缺點是需要背光、較為耗電,並且看久了眼睛會累,長時間持續使用,反而干擾閱讀。

其實,就閱讀者的電子書實際使用需求來說,我們既需要觀賞流暢的彩色動畫,又需要不刺眼的長時間持續閱讀,為什麼不能將兩者「雙效合一」呢?工研院顯示中心的雙螢幕鮮彩電子書技術,就在這樣的需求下應運而生。

雙螢幕鮮彩電子書是結合以上兩者優點的軟性電子紙,在同一張電子紙上,可以同時以AMEPD顯示低耗能的靜態文字,然後以AMOLED呈現高畫質的動態影像畫面,耗電量介於LCD與E-ink之間,又兼顧輕薄、可曲折、攜帶方便等優勢。

工研院顯示中心經理李中禕表示:「我們所採用的AMOLED,是自發光的技術,不但所呈現出來的色彩比較鮮豔,也會比傳統LCD省電,所以很適合在電子書上使用。AMEPD則是和E-ink是一樣的。」

不過,要讓兩者同時在同一個螢幕上呈現,卻不是一件容易的事。李中禕解釋:「由於AMEPD與AMOLED在製程上完全不一樣,所以如何讓兩者在同一塊基板上共存,就是我們掌握的獨家『共基板』技術。」

「好比說,AMEPD比較不怕水氧,但AMOLED非常怕水氧,所以在製程當中就要將AMOLED給保護好。而且在保護AMOLED的過程,還要做到不干擾AMEPD的製程,兩邊的厚度也不能有太大的落差;因此在過程之中,要經過許多對位與調整,總體來說,非常不容易。」

最重要的是,既有的顯示器廠商,只要透過技術移轉,在調整配方與參數後,就能夠用既有的機台設備與製程,生產製造這樣的新世代雙螢幕鮮彩電子書,不需要重新購置機台,也不需要從頭建立一條新的生產線。

李中禕指出,目前工研院所能掌握的技術,不但支援二代線機台沒有問題,也已經能夠支援基板面積更大的未來四代線製作。

《其他光電新技術2》 大面積壓力感測陣列(Large Area Pressure Sensing Array)

長期臥床的病患,要是能擁有一張智慧型壓力感測床墊,可以感測長期受壓的部位,做為褥瘡的預防與治療,該會有多好?利用工研院所研發的印製與連接技術,單一的感測單元已經能夠連結成以216顆感測單元組合成的80公分乘以210公分大面積壓力感測陣列,形成一個像床墊一樣的大型壓力感測。

除具備可撓曲與多點感測特性外,這個技術的最大特點,就是可以做到「力量灰階感測」,感測壓力範圍由0至20psi。當你施力在某一個感測壓力點上,透過每秒鐘20次的密集掃瞄,可以即時提供訊號給電腦做分析比對,感測壓力的灰階變化。此外,相對於傳統的薄膜開關與微機電式壓力感測技術,大面積壓力感測陣列更擁有製造成本低與厚度較薄的優點。

在應用方面,更是充滿無限可能。若使用在床墊上,可以成為醫療用的健康照顧墊;若使用在汽車座椅的椅背上,在高速轉彎時,可以透過椅背感測到駕駛人左右側壓力是否平均,當壓力不平均的時候,就會啟動安全氣囊,成為汽車被動安全裝置。若使用在遊戲操作介面上,便可依使用者的施力大小,提供不同反應的遊戲畫面。

針對大面積壓力感測陣列,工研院的未來發展目標,將放在透明度與解析度的提升。如此一來,就可以進一步應用到手機的觸控螢幕上;當我們在用手機玩「打地鼠」遊戲的時候,隨著手指施力大小的不同,螢幕上地鼠的反應也會不同。



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