LED產業報告─白光LED發光題材下的LED產業

結論與建議

1.LED主要分為可見光與不可見光，其中可見光LED產品包括紅、黃及橘光等LED產品，應用面主要為背光源、汽車用等，而不可見光LED包括 IrDA、VCSEL及LD等，應用面以通訊為主。觀察近幾年來LED應用市場成長以可見光LED(含白光LED)較為明顯，其中又以白光LED最具高成 長，至於不可見光市場規模則較為平穩。

2.目前白光LED的應用，在照明方面，主要是供汽車內閱讀燈、裝飾燈等使用，其餘約有95%以上是供LCD背光源使用，且因發光效率與壽命問題，目前該 產品主要是供小尺寸背光源使用，就應用面來看，明年白光LED市場以彩色手機之螢幕背光源及手機附數位相機之閃光燈最為看好，後續來看，白光LED目標將 在大尺寸LCD背光源以及全球照明光源替換市場。

3.整體LED市場仍將持續成長，明年以具有手機替換市場的高亮度的白光LED成長性最佳，在此之下，選股將以明年具有白光LED成長實力的廠商為主，建議標的為下游廠商-億光、佰鴻、宏齊以及上游廠商-晶電、璨圓。

一、LED簡介

發光二極體(LED)是一種固態的半導體元件，利用二極體內分離的2個載子(分別為負電的電子與正電的電洞)相互結合而產生光，屬於冷光發光，不同於鎢絲 燈泡的熱發光，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。LED產品優點為壽命長、省電、較耐用、耐震、牢靠、適合量產、體 積小、反應快。


LED產業結構分為上游的磊晶片形成、中游的晶粒製作、下游的封裝成各式各樣應用產品，各層的狀況概略如下：

1.上游概況：LED在上游的產品主要為單晶片及磊晶片，以砷、鎵、磷等Ⅲ-Ⅴ族化物作材料的基板，在上成長多層的磊晶，也就是磊晶片使用的方法有下列幾 種：(一)LPE法(液相磊晶法)、(二)VPE法(氣相磊晶法)、(三)MOCVD法(有機金屬氣相磊晶法)，目前MOCVD法為生產高亮度產品的主流 製作方式，以AlGaInP材料生產紅、黃、綠光，以GaN材料生產藍光，至於LPE法則為成本效率較高，但產品以中低亮度為主，此外IrDa的晶粒也是 採用LPE法。


2.中游概況：主要的產品為晶粒切割，製造過程為：依LED元需求作磊晶片擴散，然後金屬蒸鍍，之後在磊晶片上光罩、作蝕刻、熱處理，製成LED兩端金屬電極，接著將基板磨薄、拋光後再作切割。


3.下游概況：下游主要是將晶粒封裝，將晶粒黏於導線架，依各類產品的不同應用將晶粒封裝成不同的LED，目前封裝後的產品類型有Lamp(子彈型)、集 束型、數字顯示、點矩陣型與SMD(表面黏著型)，其中SMD型LED的體積較其他傳統型LED小，因此SMD型主要用在手機的螢幕背光源及手機的按鍵， 故受手機的需求影響甚大。

 

二、市場應用與規模

LED主要分為可見光與不可見光，其中可見光LED產品包括紅、黃及橘光等LED產品，應用面為手機背光源及按鍵、PDA背光源、資訊與消費性電子產品的 指示燈、工業儀表設備、汽車用儀表指示燈與煞車燈、大型廣告看板、交通號誌等，而不可見光LED包括IrDA、VCSEL及LD等，應用面以通訊為主，主 要分為二種，短波長紅外光應用在無線通訊用(如IrDA模組)、遙控器、感測器，長波長紅外光則用在短距離中通訊用光源。

觀察近幾年來LED應用市場成長以可見光LED(含白光LED)較為明顯，根據富士Chimera總研預估值，預計2004年LED整體市場量年成長率約 17%，其中可見光年成長約17.7%，而可見光中的白光LED年成長率卻高達29.9%，預計2005年LED整體市場量年成長率約14.6%，其中可 見光年成長約15%，而可見光中的白光LED年成長率約28.6%，據上所述，白光LED為近幾年LED產業中成長較高的領域，甚至以 PIDA2003/6資料指出，預估2004年白光LED全球需求量為65.91億顆，較今年成長61%，預估2005年年成長率仍有45%。


另外，據富士Chimera總研02年底資料指出，不可見光市值2001年為469億日圓、2002年為370億日圓，預估2003年為395億日圓、 2004年為422億日圓，市場量2001年為26.49億顆、2002年為20.89億顆，預估2003年22.59億顆、2004年24.49億顆， 近幾年不可見光市場規模則較為平穩。


依據主要研究機構資料顯示，2002年全球LED下游封裝產值41.65億美元，其中高亮度LED應用市場約18億美元，比重約43%，高亮度市場規模成 長幅度明顯高於整體市場，而高亮度LED應用市場中又以背光源、顯示器、汽車三項為主要應用市場，其中以背光源應用成長最高。如據Strategies Unlimited預估值來看，其預估05年高亮度LED市場規模將達30億美元，如此來看高亮度LED市場02至05年之三年成長率高達67%，對照於 整體市場成長率31%，可知未來幾年LED市場仍以高亮度LED成長幅度較高。

三、高亮度LED市場

早期的LED結構以磷化砷鎵(GaAsl-xPx)的三元結構為主，並以控制砷與磷比例的方式，使LED發光波長涵蓋紅外光譜至可見綠光的範圍，惟波長最 短的磷化鎵(AsP)亦只能達到綠光，欠缺藍光，使LED產業無法順利突破全彩顯示技術，到了1990年左右，業界以磷化鋁鎵銦(AlGaInP)的四元 結構，研發出亮度在1cd/m2以上的高亮度可見光LED，其波長包含了570nm的黃光、590nm的橙光以及620nm的紅光，1995年業界又研發 出高亮度藍光LED結構氮化鎵(GaN)，波長包含450nm的藍光、525nm的藍綠光。後續更有業者以GaN藍光LED為基礎藉由佈上發光磷粉的方 式，將藍光轉成白色光源。值得注意的是白光LED的出現，使得高亮度LED應用領域跨足至全彩背光源市場，以及高效率的照明光源市場。

★高亮度LED主要應用市場：

1.通訊產品市場：就手機上應用LED來說，主要可分為三大類，第一類為來電指示燈(Call Indicator)約使用1顆，第二類為螢幕背光源(Backlight)約使用2-4顆，第三類為按鍵背光源(Keypad)約使用8-10顆，另 外，值得注意的是傳統白光LED若要達到20lux照度，電流量必須高達240mA，對手機電源系統是考驗，但在現行技術已有突破，白光LED已推出具有 28lux照度、只需80mA電量，符合手機用閃光燈所需要的20lux照度且耗電量又能在手機負荷要求內，使得手機附數位相機搭配閃光燈已是設計上的趨 勢，根據資料，目前日本數位相機已有九成附LED閃光燈，而手機用閃光燈約需3-4顆LED晶粒。由於近幾年手機替換市場以全彩面板以及附數位相機為趨 勢，而該趨勢下之產品使用以白光LED為主，也因此未來幾年通訊產品用又以白光LED成長最大。


2.顯示器市場：高亮度LED由於具備足夠的輝度，因此只要按照CRT顯示原理，將其三原色相間方式排列構成顯示素子，就可發揮全彩顯示功能，惟因目前 LED顯示器之顆粒較粗，多僅適用於戶外顯示幕，市場侷限於商業用途，目前戶外全彩大型顯示幕，在全球各地的大型體育場，幾乎已成為標準配備，除此之外， 各地繁華市區的重要建築、廣場或交通要道，也都可以見到全彩大型LED顯示幕，如紐約時代廣場、東京新宿站前廣場、台北新光三越站前廣場等，後續LED欲 進攻室內市場仍有待LED顆粒尺寸縮小以及顯示技術的提升。


3.車用市場：目前每輛汽車內裝約需使用100顆LED，充作儀表板、面板等照明燈，或者是後座閱讀燈等用途，而車用LED市場主要由HP及Osram市 佔最高，其他參入者則有Siemens等，汽車外裝市場方面，第三煞車燈早已大量應用高亮度紅光LED，而尾燈、方向燈、側燈等，都有機會轉採用LED， 外裝車燈轉用LED，初期以高級汽車市場為主，目前已有BMW、Benz等車廠採用，此外，本田、山葉也開始在部份重型機車上使用LED外裝燈號。


4.照明市場：根據Frost&Sullivan的預估，全球照明光源市場每年以5%的成長率穩定成長，其中白光LED較易進入的是民生照明市場 的白熾燈泡及螢(日)光燈，該兩項產品合計在全球照明市場佔有率有超過五成，兩項產品的市場值在1999年是42.7億美元，在2000年仍有43億美 元，相較於2000年全球可見光LED市場值17億美元而言，後續白光LED最看好的市場是在照明替換市場。

四、白光LED市場

目前白光LED生產方式有許多種，其中主流生產方式為藍光LED晶粒(460nm)結合YAG黃色螢光粉(555nm)，其發光效率最佳，為 30lm/W，但其光譜的紅色波段較弱，將此白光LED照射紅色物體會呈現弱橙色，若要用於LCD背光源，必須在彩色濾波器上做處理，以解決色偏問題，該 產品為日本Nichia專利，至於ZnSe白光LED則為日本住友電工於1999年1月開發，為其專利，該產品是在ZnSe基板加上藍光發光層，不需螢光 粉(較GaN具價格優勢)，可在低電壓(2.5V)(GaN需電壓3.5V)及低電流(10mA)操作下得到白光LED，但其發光效率8ml/W及壽命 8000小時仍低於Nichia的白光LED，且其色差略有偏黃，另外，也有不需專利的方式，如UV-LED是紫外光或紫光LED加上RGB三色螢光粉， 但因發光效率僅有藍光LED的一半，因此如何提高UV-LED的亮度仍有改進的地方，至於RGB混光方式由於做出來的產品不容易一樣白，且由於利用RGB 三原色所組成，藉由調配各色比例而得到各種中間色的多彩LED，如粉紅色、紫羅藍、蘋果綠等特殊色均可得到，也因此該產品不能用於全彩的背光源，多用於多 彩的背光源，且RGB多晶型方式由於驅動回路的設計較複雜，生產成本也較高。


目前白光LED的應用，在照明方面，主要是供汽車內閱讀燈、裝飾燈等使用，其餘約有95%以上是供小尺寸LCD背光源使用。

1.明年白光LED市場以彩色手機之螢幕背光源及手機附數位相機之閃光燈最為看好

雖然白光LED號稱壽命可達十萬小時，但是必須在低電流的環境下操作，因此因發光效率與壽命問題，目前該產品主要是供小尺寸背光源使用，就各應用市場來 看，由於彩色螢幕手機需要搭配白光LED為背光源(但彩色手機用按鍵則不一定要完全用白光LED)，而彩色手機又是未來幾年手機替換市場的趨動力，依各家 機構預估值來看，今年彩色手機比例約四成，明年則預估將達55%至60%，如以手機一年需求量約4.5億支及螢幕用背光源需2-4顆來估，彩色手機用螢幕 背光源一年需求約4.95-10.8億顆，另外，由於白光LED已開始採用於手機附數位相機的閃光燈，今年手機附數位相機比重約15%，明年則預計將提升 至20%，如以閃光燈約需3-4顆估，則一年需求量約2.7-3.6億顆，其次，在PDA及數位相機用背光源方面，根據工研院經資中心預估值來看，PDA 在2003年的出貨量約2549萬台，以替換率二成、每台約使用6-8顆LED來估算，約需3059至4078萬顆，若以數位相機來看，全球2003年數 位相機出貨量約2896萬台，以每台使用4-6顆估，需求量約1.15至1.74億顆。以此來看，明年白光LED需求仍將以手機替換市場為主。


2.白光LED目前以小尺寸LCD背光源為主，未來將朝大尺寸LCD挑戰CCFL

CCFL相較於其他光源技術具有亮度較亮且發光效率高的優點，但由於製造小管徑的CCFL技術難度較高，因此CCFL多使用於4吋以上的顯示器(手機用螢 幕尺寸多在1.5吋至2.2吋間)，現階段由於CCFL在大尺寸所需之輝度及價格方面具有絕對優勢(以27吋為例，LED背光源價格16000元但 CCFL背光源約5000元)，也因此在LCD背光源的分界，小尺寸多使用白光LED，大、中尺寸則多使用CCFL，後續白光LED目標在輝度改善及成本 進一步降低後將朝大尺寸CCFL的替換市場邁進。


3.照明替換市場為其後續看好的潛力市場

白光LED後續最為看好的是全球照明光源替換市場，目前白光LED發光效率已可達30lm/W(白熾燈泡發光效率為15lm/W)，但真正具有取代傳統照 明市場實力仍需待白光LED發光效率提升到日光燈60-100lm/W時方有機會，從發光效率來看，白光LED一旦超過60lm/W後(相當於20W日光 燈)，在照明市場便可開始普及化，若能將效率提升至80lm/W，則將普及到一般家庭各式燈具，除了發光效率及功率仍有極大的改善空間外，未來如何能快速 降低成本也是關鍵，在發光成本上，2001年白光LED的成本約1美元/lm，2002年降至0.1美元/lm，未來若能將成本降至0.01美元/lm則 預計將可完全取代現有照明市場。


＊目前LED的發光效率與功率數仍有極大改善空間

~目前LED發光效率： GaN+螢光(10LM/W)、四元紅黃光(20 Lm/W)、高亮度( 30Lm/W)

~目前LED功率數： 一般產品： 0.04W，高功率產： 2W~ 5W

~一般照明標準 4000Lm = 100Lm/W * 40W

1200Lm = 60Lm/W * 20W

＊白光LED若能達到60Lm/W，LED燈具將開始普及化，然後逐漸提升至80Lm/W，普及至一般家庭。預計白光LED在照明市場需求開始明顯增加要到2005年時。


~低照度(LCD背光源) ： 10Lm/W 目前

~中照度(檯燈)： 20~30Lm/W 預計2004年

~高照度(所有照明)： 80~100Lm/W 預計2005~2007年

＊成本的下降為普及化的另一因素


4.市場主要競爭者與專利權之議題

目前全球高亮度LED主要廠商： Nichia、Orsam、Matsu*****a、Lumileds、Toyota Gosei、Stanley、Toshiba、Citizen。在市場競爭力與定位方面，Nichia、Toyota Gosei、Cree在藍光、白光等高階技術領先，而歐美大廠Lumileds、Osram，則在垂直整合上最完備，由於LED具有在照明、大型看板、車 用等多方面應用的發展，因此市場趨勢、行銷通路及上游原材料的掌握將是廠商致勝的關鍵。


另外白光LED牽涉專利問題，Nichia在1993年11月成功量產GaN藍光LED，幾乎獨佔整個藍光市場，但隨著Toyota Gosei與Cree藍光LED品質提升，Nichia倍受威脅，1996年起市場掀起一連串專利訴訟紛爭，接著下來Nichia在訴訟案中屢嘗敗 績，2002年中開始陸續與Osram(02/6)、Toyota Gosei(02/9)、Lumileds(02/10)、Cree(02/11)達成和解，開始做專利權交叉授權並可使用雙方特定專利技術，結束長達六 年的訴訟。其中2002年10月Osram又將白光LED製造技術授權給Rohm，而觀察近年來Nichia並沒有因此而控告Osram及Rohm。


值得注意的是，近期台灣廠商億光也已取得Osram白光LED正式授權，後續國際大廠對外授權白光LED的腳步將會開始加快，未來國內LED廠商將會陸續取得，有助台灣廠商進軍白光LED市場。