挑戰LED發光效率的極限- L+B 2016 德國法蘭克福展場直擊

LEDinside訪談2016年法蘭克福建築與照明大展,發現若談到各家LED廠商的技術進展,其實本次展會看不到革命創新的技術。多半還是在既有的技術上頭去做優化與提升。但是總結了一下,大致上從技術端還是可以發現一些方向。

導入特殊材料來提升效能,GaN on GaN LED,或是GaN IC等應用,包括可撓曲的LED燈絲等等。

∙ 透過各種材料與製程的改良,在既有的產品上去做優化,例如將發光效率發揮到極致的中功率LED,或是CSP LED。

∙  特殊應用,如紅外線虹膜辨識與紅外線生物感測器

我們就來看看LED產業有哪些新的重點:

GaN on GaN LED

SORAA為展場當中,展示出GaN on GaN LED的代表廠商。而本次也有榮幸與SORAA共同創辦人,諾貝爾獎得主中村修二先生請教未來LED產業的進展方向。中村先生強調GaN on GaN LED能夠打造出完美的LED光源。目前SORAA所製作的紫色LED採用GaN基板製造的,也就是所謂的「GaN on GaN」LED。由於GaN類半導體材料與GaN基板結合,可以有效地降低晶格位錯密度。因此不但發光效率高,而且效率的提高速度快。

2014年諾貝爾物理學獎得主,SORAA共同創辦人,中村修二先生。(所有圖片來源:LEDinside)

 

採用GaN on GaN技術的紫光LED晶片。

除此之外,SORAA的LED燈還具有以下特點,即從LED燈發出的光(光束)的亮度比較均勻、可自由改變光束形狀。甚至開發出名為「SNAP」的光學套件,在拆卸部配置了磁鐵,只要該光學套件與燈具結合之後,就可以改變光束形狀,還能改變色溫。該光學套件對於使用者來說,使用上十分具有彈性,能隨著各種商用場合去任意變換發光角度與色溫。

SORAA開發出各種可以改變光束形狀,還能改變色溫的SNAP光學套件。

SORAA的LED搭配SNAP光學套件,可以讓光線精準地改變角度,照射到另一個需要投射的物體。

GaN IC Driver

晶元光電在本此法蘭克福展會當中所展示出的GaN功率元件(GaN IC Driver),展場詢問度也頗高。傳統以矽功率元件設計的電源供應器或電源轉換器,體積皆很大且能源效率提升有限,若改用GaN功率元件,則可大幅縮小電源設計尺寸,同時提高能效,進而可開創出更多新應用的可能性。

DOB模組,搭配傳統矽功率元件,上頭仍需要相當多的電阻與電容等保護電路。

 

DOB模組,搭配GaN功率元件,因材料特性可以承受較大的電壓,將可以減少相關的保護電路元件,有效的縮小體積。

 

挑戰LED發光效率的極限

本次展會當中,各家LED廠商紛紛展示高光效的LED產品。從小功率LED到COB,其發光效率紛紛挑戰技術極限。由於LED的技術發展已經達到了相對成熟的階段,各家廠商的LED效率其實都已經相當接近。

由三星LED展示出全系列LED產品的發光效率,同時也幾乎可以代表各家廠商的技術進展。

 

 

200LM/W的中功率LED紛紛問世

 

如億光與首爾半導體,三星LED紛紛推出200LM/W的中功率LED。不約而同的這幾家公司紛紛宣稱今年的5630系列產品將會達到220LM/W的發光效率。

 

各家廠商推出全系列的CSP LED

各家廠商紛紛推出全系列的CSP LED,目前1W規格的CSP LED多半在140LM/W,包括日亞化的DMC(Direct Mountable Chip)系列,還有隆達的1616 CSP LED。

隆達的0.2W CSP LED可達210LM/W,0.9W的CSP LED約140LM/W。

而LEDinside也觀察到越來越多LED廠商推出利用單顆CSP LED所組成的集成式CSP LED模組,目標取代COB LED。

晶電的集成式CSP LED模組,可以透過單顆CSP組成20~40W的模組,提供客戶COB以外的另一個選擇。
Citizen的roadmap也計畫推出第五代的COB LED,光通量高達3749LM的COB,光效高達150LM/W。

 

光品質的堅持不能妥協

由於LED價格競爭激烈,部分LED廠商紛紛選擇走向另外的高端市場,來做出產品差異化。例如來自美國矽谷的XICATO就展示出利用Remote phosphor技術的打造的光源模組,能夠有效地將色容差控制在1~2個麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)以內。由於該公司產品採取精品路線,目前XICATO的產品已經獲得許多歐洲高端照明品牌廠商的採用。

XICATO的行銷方式,利用XICATO MAN來打擊各種光品質不良的問題。

 

 

而光品質不佳以及頻閃等現象引起的視覺幻象(TLA, temporal light artefacts)問題,這幾年來也逐漸受到照明業界的重視。展會當中,許多LED廠商紛紛提出來解決方案。包括XICATO以及SORAA都推出無頻閃的LED燈。所謂的頻閃效應可以從一些現象中觀察到,最簡單的就是用手機對準光源拍照,有頻閃的光源會出現水波紋。光源的低頻閃爍容易對於某些特定族群容易造成負面影響,包含孩童、自閉症患者、偏頭痛患者、癲癇患者,長期在有頻閃的光源下工作,也容易加速眼睛的疲勞。

有頻閃的光源除了利用手機來測試是否有水波紋,也能夠用高速旋轉的轉盤來看觀察到。
SORAA採用作兩級架構的電路來打造零頻閃的優質LED光源。

燈絲燈普及後,延伸的專利地雷需要小心

本次展會中也可以觀察到燈絲燈已經逐漸普及在歐洲市場。從原本都是亞洲LED製造商在展示的產品,到現在一些歐洲燈具製造商攤位當中都可以看到,而燈具種類也逐漸多元化,甚至都會搭配可以調光的燈絲燈。顯示歐洲人對於類似傳統白熾燈泡的照明型態還是情有獨鍾的。但由於許多LED廠商都有其專利主張,因此近年來燈絲燈的專利訴訟糾紛層出不窮。

目前LED燈絲燈的設計型態不外乎是將多根LED燈絲,透過不同的排列方式來達到全周光效果。同時也會在玻璃泡殼內灌入各種氣體,來增加導熱效果,延長燈絲燈的壽命。而燈絲的製作方式普遍上都是將LED晶片打在各種的基板上,包括藍寶石基板,玻璃基板,或是陶瓷基板。基板的用途還是以兩面出光以及具有熱傳導的能力為考量。但是LEDinside也在展會中觀察到已經有廠商將LED晶片打在軟性透明基板上頭。來自台灣的Liquileds Lighting展示出可撓曲的燈絲燈,主打Curve is better,並且將軟性的燈絲可撓成各種形狀,效果更接近傳統的白熾燈泡。

歐司朗展示出可以調光的E27燈絲燈。
 
晶元光電對於燈絲燈的專利主張,目前僅授權晶揚(COSMOSLED)、立達信(LEEDARSON)、FSL(佛山照明)。

 

 
來自台灣的Liquileds Lighting展示出可撓曲的燈絲燈,展會當中的歐美廠商詢問度頗高。

 

 

 

特殊應用逐漸受到市場重視

OSRAM是本次展會當中,少數展示出先進技術的紅外線解決方案。包括生物感測器,以及虹膜辨識等感測器。特別是虹膜辨識系統是目前最普遍且具高安全性的生物辨識方式,透過虹膜辨識,可找出約2,000個不同的特徵點,與指紋約100個特徵點相比,準確性來的更高。

由於紅外線LED市場應用相當廣泛,包含影像感測、體感/移動偵測、光遮斷感測、近接開關、位置感測、生物辨識、脈搏血氧偵測等。未來紅外線LED在手持式應用裝置方面的應用,包含資訊安全與健康管理等與其附加價值,獲利空間可期,可望帶動紅外線LED市場穩健發展。

歐司朗推出的紅外線虹膜辨識感測器。

 

歐司朗展示的可測心跳與血氧的紅外線生物感測器,可搭載於各種穿戴裝置。

 

 

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