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作者:徐業良(2005-04-18);推薦:徐業良(2005-04-18);最近更新:徐業良(2005-04-20)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2005年五月號,史丹福專欄。

LED-汽車照明的新趨勢

1880年愛迪生發明電燈,一直是很棒的勵志故事,愛迪生和合作夥伴們不眠不休地嘗試了一千六百種耐熱材料,終於做出第一個白熾燈泡,絕對是人類文明史上最偉大的發明之一。

白熾燈泡照亮全人類一百多年之後,您有沒有發現,這幾年間一場「照明革命」正在風起雲湧地發生中,愛迪生偉大的發明逐漸要謝幕下台了,新一代的照明主角是「發光二極體(Light Emitting Diode)」,您比較熟悉的名字可能是英文縮寫LED

先把名詞解釋一下,二極體是由半導體材料製作的電子元件,功用就像是一個電路中的單行道,讓電流只能從單一方向流過。“發光”二極體則是在電流導通時會發光,常用於各種電子器材中顯示電路內部動作情形,像是您打開電視或電腦時亮起來的小綠燈,就是LED

沒錯,LED其實由來已久,不算是什麼新科技,除了電器中的顯示燈外,數字鐘、室內外看板、顯示幕,也常用到LED。除了可見光之外,LED也可以發射波長較長的紅外線,您家中電視的遙控器,和許多資訊及通訊產品的紅外線無線通訊的訊號發射與接收,甚至自動門及公共廁所自動沖水裝置之感測等,都用得上LED

LED的“多才多藝”還不止於此,將LED的亮度增加,所謂白光LED,或者「超高亮度LED(Ultra-High Brightness LED)」,在這一波照明革命中逐漸將要取代傳統燈泡,成為人類主要的照明工具。一個龐大的「半導體照明」產業正在快速形成,全球LED市場在2003年與2004年各有將近30%的高成長率,市場分析估計,LED市場未來將持續呈現成長,預估2008年時可望達到68億美元的市場規模,其中又以LED照明應用,包括手機、照相機用閃光燈、室內照明,以及本文的主題-汽車照明,最具成長潛力。

比較精確地說,汽車照明的需求其實還是分為“顯示”和“照明”兩種功能。在顯示功能上LED在汽車上取代燈泡的應用也由來已久,像是汽車後方中央的第三煞車,或汽車、巴士的轉向指示燈,都廣泛應用了LED燈。

您下回開車時盯著前車屁股仔細瞧瞧,第三煞車燈或轉向指示燈如果是一個一個小光點組成的,便是LED燈,甚至您會發現許多機車都已經採用帥氣的LED尾燈。據估計,歐洲車中80%的煞車燈和轉向指示燈已經被LED所取代,但是在美國車中,這個數字只有接近30%,主要的原因倒不是美國車主不喜歡LED,而是歐洲車主對新科技追求的需求更快更強。

然而LED在汽車真正的照明功能-也就是汽車頭燈的應用上,則還是一個尚未實現、眾家車廠競爭激烈的新興領域。

LED照明之所以會這麼“熱”,得先從LED的“冷”開始談起。

一般白熾燈泡藉由高電阻的燈絲燒得通紅來發光,除了發光之外也產生大量的熱,因此蠻耗電的。LED發光的原理主要是半導體材料中電子與電洞結合時,以發光顯示其所釋放出的能量,屬於「冷性發光」,先天上耗電量低。而和其他冷性發光的光源相比,像是日光燈或時下頗受歡迎的省電燈泡,LED在二極端子間通入極小的電流便可發出光亮,不需要暖燈啟動,反應速度快。再加上LED體積小、又容易配合產品造型組合成陣列方式,在產品設計面上增添不少彈性;LED壽命長、耐震性佳,例如應用在汽車第三煞車燈或指示燈車上,大幅降低了車主需要更換燒掉燈泡的成本和麻煩;LED很容易和電腦程式整合,由程式控制作不同組合的顯示,在交通指示燈的應用上,前一陣子大出鋒頭的「小綠人」、斑馬線穿越時間的倒數計時顯示器,乃至於交通號誌紅綠燈(有沒有注意到新的紅綠燈是由許多小光點組成的?)都是LED的應用。

回到LED在汽車照明的應用上。LED照明這麼多優點中光是省電一項,便已經讓許多車廠視LED頭燈為必殺科技。汽車上電子元件和電動馬達越來越多,已經將汽車電力系統使用到了極限。汽車上的電器用品第一耗電的就是汽車頭燈,一個鹵素頭燈需要5565瓦的電力,大約和您在家用的燈泡相當;昂貴的HID燈泡比較有效率一些,只需要35瓦的電力來產生光;而LED頭燈預期可以進一步降低耗電80%,需要的瓦數只有個位數字。

LED頭燈在造型設計上提供的設計彈性和科技感,也大大吸引了處心積慮想要“解放頭燈”的汽車造型設計師。前面提到LED體積小,常是以多個LED組成陣列的方式,可以配合產品外型做出多種形狀設計,再加上LED很容易由電腦程式控制,作亮度控制、甚至設定成彩虹中的任何一種顏色。

Nissan去年冬天在底特律車展發表了由Nissan新設立在密西根的設計室的第一部設計作品Azeal雙門跑車上,便丟掉了傳統的頭燈,裝置了LED的頭燈。底特律車展中福特公司也展出了一款Ford Shelby Cobra GR-1,算是車展中的明星之一,每盞頭燈也是由15LED分成三組組成,兩組成為汽車的遠光燈,另一組則是近光燈,而這些LED被安排成像是眼鏡蛇的眼睛的形狀。

Nissan和福特不是唯二對LED有熱情的車廠,LED頭燈最近似乎成為所有許多汽車設計室在頭燈方面的選擇,然而沒有任何一個現在車展旋轉台上展示的LED頭燈已經可以上路,汽車廠也沒有宣布LED頭燈商品化上市具體時程。LED頭燈有這麼多優勢,但還是有一些關鍵技術需要克服。

首先是亮度的問題。要能夠成為汽車的遠光燈,提供有效的照明,LED頭燈必須,Well,比現在亮很多才行。視LED頭燈為強勁對手的HID頭燈業者,便信誓旦旦地告訴他們的消費者,HID頭燈還是目前汽車頭燈的主流。HID一顆就能發出超過一般鹵素燈3倍的亮度,而現在這些車展概念車上的LED頭燈,所需要LED數量還要增加好幾倍,才有可能比擬一般的鹵素車燈,如此一來頭燈尺寸必須是現在3~4倍大才行。HID頭燈業者認為,LED要應用在汽車頭燈上,預計至少還要等個5~10年或更久。

看好LED頭燈的業者則認為改善LED發光率不是問題,目前技術上已經能做出足夠提供汽車的遠光燈亮度的LED頭燈,像是Nissan便組合了一組50LED,成為他們所謂的「強化燈束(amplified light jet)」,以產生足夠的亮度作汽車遠光燈的應用。但問題是目前LED生產成本還是明顯偏高,目前白光LED每流明生產成本大約1美元,相較於日光燈每流明不到0.01美元。不過車廠似乎不太擔憂這個問題,像所有半導體產品一樣,大量生產、且歐、日等大廠在專利授權態度逐漸轉向開放之後,車廠預期LED頭燈生產成本應該會大幅下降。

另一個工程上的挑戰是LED頭燈的散熱處理。LED發光時不太產生高熱,LED卻也不太耐熱,當LED的溫度達到華氏250度(大約攝氏120度)時,LED開始變暗,最後會逐漸熄滅。在LED頭燈上加裝風扇甚至水冷系統都被考慮過,但是兩種散熱方式都會影響LED頭燈原有的簡單性和可靠性。目前主要的研究方像是仿效電腦散熱的處理,將LED頭燈加上一些散熱鰭片來加強散熱。最後要讓所有的汽車廠同意一個共通的設計標準,也是LED頭燈能被量產應用前一個重要問題。

所以LED在汽車照明上的應用,您可以期待初期還是以第三煞車燈、指示燈等不需太高亮度的燈為主,LED頭燈這項killer application“殺手應用”,可能還要等一等,且由於LED頭燈初期成本很高,最先還是只會在豪華車款上出現。

LED頭燈出現之前,倒是先可以上些小菜。加拿大和一些北歐國家規定駕駛白天必須開大燈,而有所謂「日間照明系統(Daytime Running Light, DRL)」的研發。DRL被設計成在引擎啟動時自動開啟,讓車主不會因為忘記開大燈而觸犯交通法規。而DRL的設計需求是壽命長、低能源消耗、體積小、不會造成來車與行人眩光、亮度則不需要太強-聽起來正像是為LED頭燈量身訂作。由於北歐國家實施該政策後,有效減少交通死亡事故,其他歐洲國家也打算跟進,並且期望在2006年時達到全歐洲車輛100%使用DRL系統,採用LEDDRL系統似乎大有可為。像是目前Audi A8豪華轎車頭燈組中便有一組5LED作為DRL,只產生大約近光燈三分之一的亮度。

前些年有個智慧財產權上的重要判例,「東京地方法院宣判日亞化學公司之原研發人員,現任美國加州聖塔芭芭拉大學教授中村修二,對於其藍色LED發明可獲得200億日圓的補償金。由於該發明使LED可以顯現紅、黃、藍三元素,被喻為世紀性發明,其發明的重要性,甚至可使中村具有角逐諾貝爾獎的資格。」

所以您知道,LED照明應用,這位日本教授中村修二有重要貢獻。

不過我還是比較喜歡愛迪生發明電燈的故事。