LED專利分析與技術預測之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

LED 專利分析與技術預測之研究

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2212-E-151-007- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學機械工程系 計畫主持人： 賴榮哲 計畫參與人員： 盧文翰 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 8 月 17 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

LED 專利分析與技術預測之研究

計畫編號：NSC 94-2212-E-151-007

執行期限：94 年 8 月1 日至 95 年 7 月31 日

主持人：賴榮哲 國立高雄應用科技大學

計畫參與人員：盧文翰 國立高雄應用科技大學

一、中文摘要 本計畫藉由專利分析與生命週期理 論，針對白光LED產業之相關技術，進 行專利之檢索、分析與研判，整理相關 技術發展狀況並製作專利地圖與技術功 效矩陣，此外，藉由白光LED歷年專利 累計件數繪製白光LED產業之技術生命 週期曲線，並運用TRIZ提出可能之技術 創新途徑，提供國內白光LED產業合作 或發展新技術時之參考。 關鍵詞：生命週期理論、專利分析、發 光二極體、TRIZ、技術創新。 Abstract

This project aims at the study of White LED technology using patent analysis and life cycle theory. The patent maps, especially the means-effect matrix would be put forth. Based on the number of patents issued, the life cycle curve would be studied. Besides, the inventive problem solving theory (TRIZ) is applied. All the findings are offered to the domestic White LED industry to develop new technology.

Key words：LED、Patent Analysis、Life Cycle Theory 、 TRIZ 、 Technological innovation

二、緣由與目的

發光二極體（light emitting diode, LED）之發光原理為施加電壓於化合物 半導體P-N界面上，經由電子電洞之結 合，將剩餘能量以光的形式激發釋出。 不同於一般白熾燈泡，發光二極體係屬 冷發光，具有耗電量低、元件壽命長、 發熱量低、反應速度快等優點[1]。LED 早在1970年代就已經發明，然而存在甚 多技術瓶頸。1990年中村修二（Shuji Nakamura）於日亞化學任職期間成功解 決氮化鎵（GaN）磊晶（epitaxy）的諸 多問題，製造出世界上第一顆穩定發光 的藍光二極體，正式揭開白光固態照明 源（solid state lighting source）發展的序 幕[2]。 根據美國Strategies Unlimited 公司 2005 年的調查結果，白光LED市場自 1995 至 2004 年間，其產值成長數十 倍，如圖一所示。2004 年之總產值達37 億美金。其應用範圍也從傳統的顯示應 用擴大至手機上各種背光、交通號誌、 汽車用燈以及特殊照明等新用途，尤其 手機上之應用佔 58%，成長最為快速， 如圖二所示。若以顏色區分，白光LED 佔50%左右，顯然已經成為市場之主流 產品[3]。在台灣白光LED產業方面，據 光電科技工業協進會 (PIDA) 指出，我 國光電半導體產業發展已有二十六年，

上、中及下游產業結構已相當完整，如 圖三所示[4]。近年來隨著白光LED問 世，我國LED廠商的生產重心亦從早年 的封裝代工，逐漸轉移至與白光LED相 關的藍光LED磊晶片的生產上[5]。台灣 在發展白光LED技術方面，受限於國外 廠商之專利，為求突破，PIDA在2003年 5月邀集白光LED之業界專家、學者商討 對策，認為國內廠商單靠授權付權利金 方式仍有諸多限制，唯有積極研發各種 創新技術，重視專利佈局和專利分析， 才能避免國外廠商所埋下之專利地雷 [6]。 本計畫針對白光LED透過專利內容 之檢索、分析與研判，整理出白光LED 專利技術分佈，並提出技術創新途徑， 以提供欲投入此一領域的廠商之參考。 三、結果與討論 本研究分為三部分：專利資料檢索 及統計分析、技術創新、技術生命週期 分析。由於大部分廠商都在美國申請專 利，本研究利用美國專利商標局(United States Patent and Trademark Office, USPTO)專利資料庫檢索相關專利。透過 USPTO所提供之專利進階檢索功能，針 對出現在專利摘要（abstract）、專利範 圍（claim）部分之關鍵字， 以布林運 算方式（AND/OR）獲得相關專利。所 用之檢索式為： ABST,ACLM/((" white light" ) AND ("LED " OR "light emitting diode " OR "light emitting device" )) 。檢 索期間涵蓋1977年11月8日至2006年1月 10日，共獲得392件與檢索式相符之專 利，經由專利內文判讀，並排除與本研 究不相關之專利後計260件。將其整理並 摘要如表一所示。 從專利資料顯示：日亞化學Nichia 在1997年7月29日所申請之專利(專利號 US 5,998,925)為製造白光LED的關鍵技 術，係利用藍光LED晶粒搭配能產生黃 光之螢光材料YAG(釔鋁石榴石，化學式 為Y3Al5O12)，混合形成白光，相較於早 期利用紅黃藍LED混合形成白光方式簡 單且易量產。日亞化學此項技術成功後 引起相關業者效法，例如:德國Osram公 司在1998年(專利號 US 6,066,861)提出 類似YAG之螢光粉體TbAG(石榴石磷光 物質，化學式為Tb3Al5O12)，美國General Electric公司在1998年提出由藍光晶粒搭 配 紅 綠 螢 光 粉 ( 專 利 號 US 6,252,254) 、及UV LED搭配紅綠藍色三 種螢光 體(專利號 US 6,294,800)，在 2000年提出UV LED搭配橘黃色螢光體 與 藍 綠 色 螢 光 體 ( 專 利 號 US 6,501,100)，日本Sumitomo Electric公司 在 1999 年 提 出 ZnSe 單 晶 基 板 上 形 成 CdZnSe薄膜，通電後薄膜產生藍光，同 時一部分藍光照射於基板上而發出黃光 (專利號 US 6,337,536)。 台灣光寶科技也提出一種黃色螢光 粉體搭配藍光LED激發螢光粉體發出白 光(專利號 US 6,753,646)。 分析專利資料後，進行統計分析。 首先係歷年專利件數發展趨勢，如圖四 所示，由核准件數來看1999年為分界 點，在這之前專利數不多。在1999年後， 專利核准數量急速成長。由專利申請數 來看，1994年到2001年逐年成長但在 2002年之後下降。由於專利從申請到公 開及核准公告約需18至24個月，因此 2002年以後專利申請數的下降並不代表 真正的情況。從技術發展的趨勢來看， 白光LED技術處於成長階段，在專利技 術發展上仍有許多空間。 從圖五之競爭國家分析得知，我國 所獲得專利件數佔總數的11％與日本 (15％)、加拿大(14％)相差不遠而美國約 佔53％遙遙領先其他國家。另透過發展 時間分析如表二所示，可知日本最早投 入LED相關研究(1991年)，其次是美國

(1994年)，台灣起步較晚，在1999年才 開始產出相關專利。表三所示為前十家 主要競爭公司，前十家公司主要為美國 (6家)、日本(3家)、荷蘭(1家)三國，其中 美國General Electric公司擁有最多專利 31 件 ， 日 本 日 亞 化 學 Nichia Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha雖僅6件專利但 台灣廠商目前皆被日亞化學專利所箝 制。 在引證分析方面，表四左邊表該件 專利被引證之總次數；表四右邊為該專 利被本研究檢索所取得專利引證之次 數，透過兩表格間交叉比對得知，US 5,998,925 號與 US 6,252,254 號皆多次 被其他專利引證，顯示兩專利之重要 性，其中US 5,998,925 號為日亞化學取 得，是製造白光LED的基礎專利。圖六 為專利交互引證分析，其中，日亞化學 佔 兩 件 ， (US 5,998,925 、 US 6,069,440) 、美國General Electric公司佔 三件(US 5,851,063、US 6,252,254、US 6,294,800) ，飛利浦 (US 6,084,250)、加 州 大 學 (US 5,966,393) 、 惠 普 (US 5,959,316)各佔一件。日亞化學兩件專利 技術特徵皆為使用釔鋁石榴石螢光粉 (YAG)與氮化物二極體(藍光LED)配合 之概念，且所揭露內容包括YAG系列螢 光體之配方和光譜。美國General Electric 公司為迴避日亞化學專利，採取不同技 術 特 徵 ， 其 中 ， US 6,252,254 、 US 6,294,800已如前述，而US 5,851,063號專 利技術主要為紅黃藍LED混合產生白 光。US 5,998,925 號專利不但被相關專 利 引 證 次 數 最 多 ， 更 為 美 國 General Electric 公 司 US 6,252,254 號 、 US 6,294,800 號專利所引證，而該兩件專利 被本研究檢索所得專利引證十次以上， 充分顯示日亞化學在LED技術領域影響 範圍之廣泛。 進一步以國際分類號IPC分析，如圖 七、圖八、圖九所示，其中以H01L (半 導體元件有97件) 所佔比例最大，其次 是F21V (一般照明裝置有61件) 和H01J (電子管或放電燈有47件)。 H01L33/00 (一個電位勢障或表面勢障之適用於光 發射) 和 H01J1/62 (螢光屏) 在1999年 開始有專利產出，然後逐年成長，相對 地F21V9/00、F21V33/00 (照明裝置) 在 2000年到2005年專利件數零星且成長緩 慢。可知現今LED之研發方向主要集中 於 製 造 半 導 體 或 固 體 之 方 法 （ H01L 33/00）及使用螢光粉搭配LED發光之方 式（H01J 1/62）兩大方向。 透過閱讀專利說明書，針對專利技 術功效分析，如圖十所示，以發光效率 與提高演色性為主；探究原因在於目前 是以藍光LED +YAG螢光粉技術為主 流，雖具有製造成本低、可大量生產… 等優點，但其發光效率和演色性仍待提 升，故為LED最需克服之難題，也是各 公司積極投入研究之領域。 由於美國專利分類號(UPC)較國際 分類號(IPC)詳細，為清楚區分技術差別 起見，本段特以UPC討論。針對發光效 率與高演色性所研發之技術當中，利用 LED磷光粉成分與LED結構以提高發光 效率之技術在1997年後大量產出。如表 五所示，為藉由改變LED磷光粉成分來 提 高 演 色 性 者 。 從 1998 年 起 為 UPC 257/E33.061類 (於外層混合發光材料， 如圖十一所示)、UPC 257/98類 (將光學 材 料 運 用 封 裝 方 式 結 合 ， 如 圖 十 二 (a)、(b)、(c)、(d)所示)兩大方向。如表 六所示，係透過運用LED磷光粉成分以 提高發光效率之技術。在1997年後其相 關技術主要為UPC 257/E33.061類 (於 外層混合發光材料，同圖十一所示)；另 一方面，透過改變LED結構來提高發光 效率之技術未見明顯之趨勢變化，如表 七所示。由上述可知，目前LED領域主 要是以改變外層混合發光材料來達成提 高發光效率與演色性。

在技術創新方面，本研究藉由TRIZ 理論找出可能之創新途徑。 TRIZ 理論 將問題存在之矛盾分為物理矛盾與技術 矛盾，進而採取不同解決方式。在物理 矛盾方面，依問題分為『時間』、『空 間』、『物質的物理狀態』三方面分離， 加以解決。技術矛盾層面之問題藉由 Altshuller分析 歸納 的三 十九 個系 統 特 徵，尋找對應解決方案的四十項原則， 加以解決[7]。 實際應用情形，乃透過閱讀專利說 明書找出相對應之參數，再於矛盾表中 找出可能之解決原則。以 US 6,069,440 號專利為例，如圖十三所示，先前技術 之問題在於螢光材料受熱影響 (例如 : 陽光 ) 、材料本身穩定性不夠使螢光材 料惡化導致演色性下降，而以其他螢光 材料替代可能會影響LED效率，故欲改 善參數為13 (物體的穩定性) 、17 (溫 度)、27 (可靠度) ，惡化參數為31 (有害 的副作用) ，對應矛盾表可應用之改善 原則有2 (移除)、22 (將害處轉為益處)、 26 (複製)、27 (便宜)、35 (改變參數)、 39 (非活性環境)、40 (複合材料)。該專 利採用在螢光材料中添加Sm以達到在 高溫時穩定發光，相當於「複合材料」 原則之應用。其餘原則提供技術創新參 考方向，可進一步檢視其他專利做為比 較。 根據技術生命週期理論，專利活動 反映技術發展情況 (萌芽期、成長期、 成熟期、衰退期)，而呈現不同的態勢如 圖十四[8]所示。本研究以專利取得件數 為樣本資料，運用成長曲線法進行技術 預 測 ， 套 用 較 為 常 見 之 三 種 模 式 ( Pearl-Reed、Gompertz、revised Pearl)， 其 結 果 如 圖 十 五 所 示 。 依 據 先 前 對 TFT-LCD產業之技術生命週期之研究發 現[9]，技術從邁入成長期經歷成熟期至 開始衰退之時間約為10年。2004年起 LED 專利取得件數大幅成長，研判從 1998年到2009年為LED技術成長階段， 預計2009年專利取得件數將達到1000件 左右。從2009年到2013年專利件數之成 長趨於平緩，應為成熟期。此外，經由 Loglet Lab 軟 體 模 擬 之 結 果 亦 得 到 在 2009 年白 光LED 將由成長期轉為成熟 期。依前述技術預測結果，顯示未來還 有寬廣發展可能。 本研究藉由S-curve探討白光LED技 術成熟度，之後，運用TRIZ理論有關技 術演化的八種模式，進一步分析白光 LED技術可能的演化趨勢，以提供未來 研發方向。 由S-curve表示之特徵曲線圖與白光 LED 相關數據所建立之曲線圖互相對 照 ， 可 得 知 目 前 技 術 發 展 所 處 階 段 [10]。在單位時間內之專利數曲線圖方 面，如圖十六所示，第一件白光LED相 關專利出現在1997年，故專利數時間範 圍設定為1997年到2005年。單位時間內 之銷售金額、性能曲線圖，如圖十七、 圖十八所示，主要針對1997年到2005年 白光LED市場銷售金額和發光效率。單 位時間內之專利級別曲線圖，如圖十九 所示，係以1997年到2005年白光LED專 利被引證次數區分專利級別。同一年度 若出現兩件以上專利，則以被引證次數 最多之專利為代表。綜合前述特徵曲線 圖得知目前白光LED技術處於成長期。 就台灣而言，主要在於發展白 光 LED封裝技術。封裝技術依八種模式中 的『增加理想化』方式演進：燈泡→Lamp 封裝→SMD(Surface Mount Device)封裝 →覆晶(Flip Chip)封裝，如圖二十所示。 早期為改善燈泡製作之複雜性，採用較 為簡單、便宜的Lamp封裝方式，但Lamp 封裝無法滿足體積小之條件，因此研發 出SMD技術。惟Lamp、SMD封裝技術 一樣有散熱問題，乃採用覆晶(Flip Chip) 封裝方式。未來封裝技術演化會朝向更

有效解決散熱方式，如改善Epoxy材料發 展。白光LED材料之演化趨勢亦可比照 相同方式推測限於篇幅不再贅述。 四、參考文獻 [1]台灣發光二極體產業發展趨勢與展 望/林志勳/工業材料雜誌/203期92年 11月 [2]電子材料/謝煜弘編著/新文京開發 出版/民國93年 [3]白光LED發展概論/許榮宗/工業材 料雜誌/229期95年1月 [4]發光二極體/蕭元忠/產業調查與技 術/140期91年1月 [5]白光發光二極體製作技術 : 21世紀 人類的新曙光/劉如熹, 王健源編著/ 全華科技圖書出版/92年3月 [6]台灣發展白光LED瓶頸與策略探討/ 李季達/光連雙月刊/49期93年1月 [7] Altshuller, Genrich, “And Suddenly

the Inventor Appeared”, 2nd ed. 1996 [8] Ernst, H., “The Use of Patent for

Technological Forecasting: The Diffusion of CNC-Technology in the Machine Tool Industry,” Small Business Economics, Vol. 9, pp.361-381, 1997

[9]賴榮哲, 2004, ”低溫多晶矽TFT-LCD 專利技術與技術創新之研究”,國科會 專題研究計畫（計畫編號

NSC93-2212-E-151-011）

[10] Jorg Stelzner, Carlos Palacios, Tobias Swaton, “TRIZ on Rapid Prototyping -a case study for technology

foresight”,2003(http://www.triz-jour nal.com/) 圖一 高亮度及白光LED市場過去十 年之成長情形[3] Total : $3.7 Billion 手機應用 58% 標誌 13% 汽車用燈 13% 其他 9% 照明 5% 交通號誌 2% 交通號誌 照明 其他 手機應用 標誌 汽車用燈 圖二 (a)2005年高亮度及白光LED產 值分布情形：依應用分類[3] Total : $3.7 Billion 紅光 15% _多晶片 6% 藍/綠光 29% 白光 50% LED背光模組 按鍵背光模組 照相機閃光燈 裝飾燈 照明 圖二 (b)2005年高亮度及白光LED產 值分布情形：依顏色分類[3]

圖三 LED產業結構[4] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 件數 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 年份 Application Issue 圖四 歷年專利活動統計 兢爭國家分析 53% 15% 14% 11% 7% US JP CA TW DE 圖五 競爭國家專利比例 US5851063 US6299338 US6299498 US6350041 US6404131 US6525464 US6604971 US6653765 US6758586 US6809347 US6596195 US5959316 US6163038 US6175408 US6234645 US6409938 US6504301 US6509651 US6541800 US6641448 US6642652 US6686691 US6700322 US6812500 US6903380 US5966393 US6696703 US6717355 US6909123 US6919584 US6939481 US5998925 US6411046 US6469322 US6508564 US6603258 US6616862 US6621211 US6630691 US6777724 US6794686 US6825498 US6853131 US6936857 US6069440 US6452217 US6513949 US6084250 US6522065 US6538371 US6580097 US6604847 US6635557 US6639360 US6642618 US6650044 US6685852 US6759804 US6765237 US6791259 US6850002 US6858456 US6890085 US6252254 US6294800 US6501102 US6501100 奇異 奇異 奇異 惠普 日亞化學 加州大學 日亞化學 飛利浦 圖六 專利交互引證

IPC(3碼) 31% 20% 15% 8% 8% 7% 6% 5% H01L F21V H01J G02B B60Q A61B H05B G03B 圖七 IPC三碼所佔比例 IPC歷年件數 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1990199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005 年代 件數 H01L33/00 H01J1/62 F21V9/00 H01L27/15 B60Q1/00 F21V33/00 圖八 IPC五碼歷年件數 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 A61B 3/10 B60Q 1/00 B60Q 1/26 F21V 33/0 0 F21V 7/04 F21V 9/00 G01B 9/02 G02 F1/133 .5 G08B 5/00 H01 J1/6 2 H01J 63/04 H01L 21/0 0 H01L 27/1 5 H01L 33/0 0 H05B 33/14 件數 數列1 圖九 IPC累積件數 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 件數 主要功效件數 高演色性 混色 發光效率 壽命 亮度 色溫 製程簡化 量子效率 替代性白色光源 光譜範圍 成本降低 材料安定性 量產 可靠性 散熱效率 高功率 圖十 主要功效件數 圖十一 6,596,195號專利 圖十二 6,717,355號專利實施例 (a) 圖十二 實施例 (b)

圖十二 實施例 (c) 圖十二 實施例 (d) 圖十三 6,069,440號專利 圖十四 技術生命週期 - S曲線 LED技 術預 測 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007200920112013 年代 件數 Pearl-Reed Gompertz revised Pearl 累 計件 數 圖十五 LED 技術預測曲線 圖十六 專利數-時間曲線 圖十七 銷售金額-時間曲線 圖十八 性能-時間曲線 圖十九 專利級別-時間曲線

圖二十 白光LED封裝技術演進圖 表一 專利分析摘要 表二 主要競爭國家發展時間比較 表三 主要競爭公司（前十名） 表四 引證次數統計 表五 LED螢光成份改善演色性歷年專利件數

表六 LED螢光成份改善發光效率歷年專利件數