如何执行LED照明系统的创新性设计

　　白炽热灯泡的发展更可向前推至1850年，亦即Joseph Wilson Swan于1878年取得首项专利，并实现首个商品化的灯泡，甚至早在1805年的Humphry Davy所研发的艺术灯源，由此钨丝灯泡的创新，加上前后经过将近60余年的研发，才看到今日钨丝灯泡商业化的成果。

　　创新LED照明时代正式展开

　　100多年后的今天，进入发光二极体（LED）照明时代，虽然白光LED的发明仅仅19年，试过的材料也还不及爱迪生的六千余种，加上在21世纪知识开放、技术进步之时谈创新，或许不比19世纪容易，但LED商业化的脚步已积极进入市场，甚至许多产品早已悄悄的结束短暂的市场生命。虽然在地球暖化节能趋势等议题的迫使下，各国开始禁产或禁用白炽灯泡，但仍预期白炽灯泡将会继续存在于你我生活周遭达数10年之久。

　　由以上两项创新例子观之，创新或许就在周遭生活中易由灵感而生，并在商业市场产生重大价值，但灯泡的创新就足以称为是一个系统整合应用的艰难工程。

　　LED照明系统设计在现今确实须要相当积极地投入人才、设备及具有开创性思维的想法与作法，才有可能达到创新的目的。然而今天能称得上创新的LED照明寥寥可数，因为要创造产品须要丢掉旧有思维和包袱，并兼顾市场的商业性，往往让人却步。而任何创新背后必须先结合产品分析调查，作为商品化成功的立论基础。再加上创新的成果必须有专利的保护才能保障其价值及商业利益，为达到此目的，其背后资源的支撑是相当可观的。

　　至今，大多数的LED照明设计不是修改、抄袭或称之为逆向工程，就是想走开发捷径，套用现有的灯具规格。或许是因为缺乏整合性，碍于技术瓶颈，仅就造型变更，又或许LED照明市场尚未标準化，市场规模也尚未成熟，致使以市场测试实验性质的思维製作出改良式的照明产品居多。当然部分的LED照明产品，在某种程度上还是加入使用需求上的方便性、改良性或新颖性。在某种程度上不能说没有达到创新，但面对不久的将来，若LED系统照明要能够在商业市场占有一席之地且继续茁壮，确实须要整合创新的布局及执行能力才能面对往后更严苛的市场挑战。

　　目前的创新须以符合大众市场需求及创造大量商业价值为前题，小众市场的创新设计已蓬勃发展中，但姑且称之为艺术价值高于实体应用价值所设计出的产品。

　　因为LED照明所追求的并不完全在于技术指标，照明本身的功能也并不全然是为须要照亮而亮，当然创新包括在光机电热技术的整合突破，另外亦须兼顾消费者在视觉、触觉等感官的价值。目前动辄新台币数万元的LED桌灯、檯灯或投射灯，在产品的背后所要呈现的仍多半在于表达视觉创新、触觉价值或经由控制达到精神感官的创新互动。LED售价并非过于昂贵，而是在商品化后设计创新的附加价值所使然。

　　LED的应用範围极为广泛，现就针对照明应用系统创新设计的相关问题及开发的方向一一探讨。

　　不同照明应用的LED性能要求迥异

　　为扩大LED光源市场接受度，其须达到功能性要求的必要性，并不是每种LED照明光源都必须追求最高发光效率、最低价格、最高演色性、最长寿命等，而是依据应用不同而有所差异，现以室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场为例谈起。

　　对于LED光源首要追求的是达到最佳的性价比，在安全无虞的情况下，得到最高的流明输出、最小的消耗电能及最低的价格。因为对于消费者大众而言，比较传统其他光源，花最少钱能买到最具经济效益的产品是购买的主要动力之一。至于是否达成无紫外线、不含汞、高演色性、5万小时寿命等行销的附加价值并非扩大市场接受度的主因。当然品牌代表某种程度的品质信赖，此外视觉感官对于颜色喜好也会有所影响，因此如何创新设计适合市场需求的LED光源，将是技术面要探讨的课题。

　　LED光源的发光效率发展至今，已超越绝大部分传统光源（图1、2），唯独少部分低压或高压放电光源的效率可以一较高下，但就电源控制和驱动上，体积与温度又各自有其优缺点，以下将就LED照明系统设计的每一环节说明。

　　图1　1995～2020年LED发光效率演进

　　图2　LED照明利基市场

　　创新製程/AC LED实现高效能晶片

　　现阶段市场上的LED磊晶片，无论是Cree的垂直元件、飞利浦（Philips）Lumileds的覆晶元件或日亚（Nichia）、晶元光电等平面式的元件，为求优化晶片本身的效能，不外乎利用不同的基材（透光、导热考量）搭配光学反射层的效率（反射出光）；上/下粗化结构（改变反射、折射增加出光）；线路光罩设计（增加出光面积改善电流分布密度，以降低驱动电压增加出光效率）；晶片尺寸最佳化的调整；再加上磊晶製程参数变异调整等来达到晶片最高的光电转换效率，在每一製程中钻研材料和製程所能提供增加转换效率的方法。

　　至于哪种结构是最佳的创新设计？就发光效率而言，或许垂直元件较优；但就室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场的製造成本而言，台湾目前平面式晶片则在性价比上远优于国外大厂。另外，在晶片端的应用结构设计创新，除了由製程改善去创新整体晶片效益外；交流电（AC）LED的诞生，使LED照明应用不仅有直流晶片串并联的选择，而能有交流市电直接驱动，因此可减少变压器的成本、产品内部空间、驱动电路规格迥异、变压器效率损耗及品质寿命等问题，大大简化模组及产品设计端的问题。然而目前在市场消费端面临的创新所衍生的其他问题也随之而来，其一为产生因创新导致消费者出现陌生的疑虑，而在消费行为上迟疑胆怯，此消费群未必是终端消费大众，而是LED照明产品供应链中的中下游购买者，其会对产品因陌生而迟疑、对交流电性的不了解或对产品风险的不确定性，而不敢创新产品的开发；其二是创新令消费大众观望，但却令消费族群中的嚐鲜族雀跃。然而前两者问题可在LED中下游供应链中透过创新设计及严谨的测试手段釐清疑虑，进而创造产品市场区隔和竞争优势。