LED 產業文獻探討

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第二章 文獻探討

第一節 LED 產業文獻探討

本文第四章為產業技術個案研究探討應用於 LED 背光模組之大尺吋液晶電

視背光源技術，故於本節說明 LED 產業背景介紹。由於在 LED 產業中其必頇與 上下游廠商配合始得完成 LED 光源於各類型之應用產品，因此本節首先介紹整 個 LED 產業目前的市場及產品以及發展至今價值活動及技術演進過程；其次介 紹台灣 LED 產業於全球之地位；再者則說明 LED 應用產品之中大尺吋液晶電視 背光源主要的技術、主要競爭廠商之產品類型；最後則總結探討 LED 應用於背 光模組之大尺吋液晶電視背光源在未來發展若干關鍵因素。

壹、LED 產業背景介紹

ㄧ、LED 簡介

發光二極體(Light Emitting Diode, LED)是一種固態的半導體元件。其發光原 理為二極體內分離的 2 個載子，分別為帶負電的電子與帶正電的電洞，相互結合 的過程中剩餘能量會以光的形式釋放出來，也就是我們所知的光子，屬於冷光發 光，不同於鎢絲燈泡的熱發光原理，只要在 LED 元件兩端通入極小電流便可發 光。

LED 因其使用的材料的不同，其內電子、電洞所佔的能階也有所不同，能階 的高低差影響結合後光子的能量而產生不同波長的光，也就是不同顏色的光，如 紅、橙光、黃、綠、 藍或不可見光等。組成發光二極體的半導體材料可分為砷、

磷、鎵等三五族(III-V)或二六族(II-VI)的基本元素，由於二六族元素的光穩定較 差，故目前普遍用來作為 LED 半導體基板或發光層的材料多為三五族元素，如 砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)等。

LED亦可依波長、發光層材料、磊晶技術的不同，而可以區分不同的種類。

其中，依波長可分為可見光

²

(波長450~780nm)與不可見光(波長850~1550nm)兩大

2

可見光光譜的波長範圍為 380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、

藍、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如 LED 發的紅光的峰值波長為 565nm。

在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的複合光，

正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機中的白色光也是由三基色黃、綠、藍

‧

AlGaInP 及GaInN等材料做成，依不同的材料能做到的發光範圍較傳統亮度廣，

主要應用在大型看板、交通標誌、背光源、汽車第三煞車燈。且較成熟的 AlGaInP

5

液相磊晶(Liquid Phase Epitoxy，LPE)成長是從液相中直接利用沉積法，在晶質基板上成長磊晶 層，最早出現是Nelson 法(緩慢降溫法)，其方法簡單但磊晶厚度均勻性不高；接著發展的是含 浸法(Dipping)，優點為可任意調整成長時間；再者為溫度梯度法，可適用於量產。這種方法對 於砷化鎵(GaAs)的成長和其相關的III-V族化合物特別有用。目前較低亮度LED 及較成熟之LED 產品皆採用LPE 法。液相磊晶成長適合成長薄的磊晶(≧0.2μ m)，因為它具有低的成長速率，

所以較其他方法有用。

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波長 分類 基板 磊晶技術 發光層材料 發光顏色 應用領域

可見光 LED (450~780nm)

傳統亮度

GaP

VPE

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+ 擴散 GaAsP 黃～橙 (630~660nm)

家電、資訊產品、通訊 產品、消費性電子產品 LPE GaP 綠(555~565nm)

GaAs LPE AlGaAs 紅(660nm)

高亮度 GaAs MOCVD

⁷

AlGaInP 紅、橙、黃光 大型看板、交通號誌、

背光源、汽車第三煞車 燈

Sapphire

MOCVD GaInN 藍、綠光(400nm)

MOCVD GaInN+螢光粉 白光 LED 大尺吋背光源、一般照 明

資料來源：本研究整理

二、LED產品及市場

由於LED 具有低耗電、體積小、以及無汞、符合環保需求等特性，因此LED 應用領域不斷擴大。圖1所示為LED應用領域之發展，自1996 年貣，首先在指示 燈與信號燈的應用下，擴大至彩色手機取代黑白手機的應用。近年因高亮度LED 出現，範圍更進一步擴大至數位相機、照相手機、以及7以下中、小尺顯示器背 光源等。2007年高亮度LED產品將成為主流，應用領域有NB與LCD TV背光源、

未來照明、戶外看板、交通號誌等新應用，將持續帶動LED產業成長。

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氣相磊晶法(Vapor Phase Epitaxy/VPE)，包 LED 含 HVPE、MOCVD、MBE 三種方法，後二者為 目前磊晶製程發展的主流。雖然 MBE 所長成之單晶品質較佳，但 MOVPE 製程具有低成本、高 效率的優勢，故廣為 LED 業界所接受。以砷化鎵或磷化鎵等化合物為基板，放進磷砷化鎵作為 發光層，並採用 VPE（氣相磊晶）加上擴散法磊晶，透過調整磷和砷的混合比例，讓 LED 發光 的波長可包含紅、橙和黃色光，但這些光的光度都不到一燭光，這就是傳統型的 LED。

7

有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition)，最適用於 AlGaInP 和 GaN 的成長，發光顏色由藍-紅光， 波長由 470-644nm，發光亮度則由 2000-9000mcd，可製作 成較高亮度的產品。此製程的優點在於(1)材料品質及介面特性佳; (2)具有絕佳之再現性及量產性，

可容易形成 P 型或 N 型或半絕緣材料; (3)適合 AlGaInN 更短波長之磊晶成長。

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資料來源： 日經產業，本研究繪製

圖 1 LED 應用領域發展

(一) 全球LED市場應用概況

LED 產業與傳統照明源具有相當高的替代性，近年來隨LED 技術能力提升，

產品亮度提高及價格競爭優勢顯現情形下，LED 產品在手機、手持式電子產、

照明及汽車應用領域的滲透度逐年提升，圖2所示係依據研究機構大和總研之 GlobalEquity Research 之LED Section 資料估計，2006 年-2010 年LED 產業之 年複合成長率15%，且至2010 年LED 市場規模預估較2006 年將會有接近倍速 成長。足見LED實為未來一具有龐大潛力之商品，具有廣大之市場前景。

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圖 2 全球 LED 市場應用概況

資料來源：大和總研(Daiwa Institute of Research Ltd.)，Global Equity Research, LED Sector，

2007/10

再根據PIDA的統計資料，2007年因LED應用市場大幅擴大，全球各國均積 極擴增產能，因此各國LED產值均持續成長，其中台灣LED產業因具價格競爭力，

函上生產技術持續精進，同時在廠商購併整合效益發酵以及專利干擾問題減緩下，

廠商產值持續大幅成長，因此估計2007年全球市占率將提升至20.1%，居全球第 二大生產國。而中國因2008年將舉辦奧運，大型戶外廣告看板及路燈等應用市場 對LED需求市場大幅成長，函上中國手機市場需求亦大幅成長，因此帶動中國政 府大力扶植中游LED晶粒廠商大幅擴增產能，以及日本與台灣等外資廠商為降低 生產成本與就近供應下游市場所需，已積極移往中國生產，同時在基期較低的情 況下，估計2007年中國LED全球市占率將提升至8.4%。而日本雖然穩居全球第一 大生產國，全球市占率達37.1%。此外，美國在汽車照明、交通號誌及路燈等需 求帶動下，全球市占率將提升至13.2%，仍為全球第三大LED生產國，如圖3所示。

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0%

20%

40%

60%

80%

100%

中國 6.0% 5.8% 6.7% 7.6% 8.4%

台灣 17.1% 18.4% 19.1% 19.2% 20.1%

韓國 7.9% 8.7% 10.0% 10.8% 11.3%

歐洲 9.2% 9.4% 10.1% 10.0% 9.9%

美國 10.5% 10.6% 12.2% 12.9% 13.2%

日本 49.3% 47.1% 41.8% 39.4% 37.1%

2003年 2004年 2005年 2006年 2007年(e)

註：產值計算以境內生產為基準

資料來源：PIDA，Merrill Lynch(2007.05)，台灣經濟研究院產經資料庫整理。

圖 3 全球 LED 產值之市占率分布概況

由於可攜式裝置產品發展快速，自手機開始使用LED 為按鍵背光源開始，

成為高亮度LED 產品最主要的應用。高亮度LED應用領用有：行動裝置（含手 機面板及按鍵、PDA、數位相機等等）、顯示器、車用照明、照明、看板、交通 號誌、背光模組之背光源等，表2所整理為目前高亮度LED所使用之原材料氮化 鎵（GaN）的應用領域與市場性。根據Strategies Unlimited資料顯示，高亮度LED 應用領域之比重，如下圖4所示。

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表 2 氮化鎵（GaN）的應用領域與市場性

項目產品 應用領域或用途 市場性(最終產品)

ITO 藍/綠光LED 工業用、車用、交 通業、消費性產業

室內/外LED 看板、機場道路 夜間指示光源、汽車內間接 照明光源、交通號誌燈、手 機等按鍵背光源

紫 外 光 LED ( 波 長

~380nm)

醫療、偵測用途 醫療、高轉換效率白熾光

源、驗鈔筆、生物科技、殺 菌機構

覆晶式藍/綠光LED 液晶顯示幕之背 光源

LCD-TV、LCD 面板、PDA、

可攜式電腦、可攜式DVD POWER CHIP 藍 / 綠 光

LED

閃光燈、攜帶型照 明系統、固定式彩 色光源系統

數位照相機、頭燈、手電筒、

大型建築用裝飾光源 藍紫光脈衝雷射 光學存取系統 DVD Player 等光學存取系

統、醫療

資料來源：泰谷96年年報，本研究彙整

資料來源：Strategies Unlimited

圖 4 高亮度 LED 應用領域比重

在高亮度與超高亮度LED

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之產值比重，據iSupply市調資料顯示，如圖5所示，

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一般亮度的傳統 LED 主要由 GaP、GaAsP 等材料構成、高亮度的 LED 主要由 AlGaAs 材料構成，

而超高亮度 LED 之主要材料為 InGaAlP、InGaN 等材料構成 。

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2007 年高亮度與超高亮度比重合計達67%，預估2008年在背光源新應用持續發 展下，高亮度(HB LED)與超高亮度LED (UHB LED)比重將持續提升至70%。

資料來源：iSupply

圖 5 高亮度與超高亮度之產值比重

根據日本Fuji Chimera的預估

⁹

與PIDA 統計資料顯示全球白光需求市場從2006 年53億顆需求到2008 年成長至64 億顆需求，顯現白光LED的應用市場量仍會持續 的增函，2005年到2009年的白光年成長率的銷售數量為8％，但由於有許多廠商 投入白光LED的市場競爭，導致價格滑落，因此銷售金額年成長率將約有4％的 衰退。隨著白光LED發光效率的提升與技術之成熟，許多新的應用如LCD monitor、

TV的背光源及高凾率照明等市場，在價格趨於合理的條件下將有助於需求量提 升，因此，2009年貣白光LED市場將呈現數量與銷售值同步成長的機會，如圖6 所示。

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http://techon.nikkeibp.co.jp

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資料來源：Fuji Chimera／PIDA整理，2005/10

圖 6 全球白光 LED 市場

目前全球高亮度LED主要生產者有Nichia、Lumileds

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、Gelcore

¹¹

、OSRAM

¹²

、 Cree Lighting

¹³

、Toyoda Gosei

¹⁴

與台灣廠商等

¹⁵

。而日亞化學藍、綠光LED的市場 份額最大，全球市佔率達2 2％，其次為O s r a m佔1 0％，另全球市佔率達6 ％ 以 上的大廠有S t a n l e y（8％）、A v a g o（7％）、C i t i z e n（7％）及台灣的光 寶（6％）等，合計前六大廠商市佔率達六成。在市場競爭力與定位方面，日系 大廠在藍光、白光等技術領先，歐美大廠商則是定位在產業的垂直整合最完整。

台灣為全球藍光LED主要生產國，但由於受制於國外大廠仍擁有專利權的問題，

其主導權仍在國外主要五家大廠手中，而其中又以掌握50%市佔的Nichia為主，

其主導權仍在國外主要五家大廠手中，而其中又以掌握50%市佔的Nichia為主，

在文檔中 LED產業之專利佈局分析研究-以大尺吋液晶TV背光源技術為例 - 政大學術集成 (頁 21-53)