挑战LED发光效率的极限 - 德国法兰克福展场直击

LEDinside访谈2016年法兰克福建筑与照明大展,发现若谈到各家LED厂商的技术进展,其实本次展会看不到革命创新的技术。多半还是在既有的技术上头去做优化与提升。但是总结了一下,大致上从技术端还是可以发现一些方向。

导入特殊材料来提升效能,GaN on GaN LED,或是GaN IC等应用,包括可挠曲的LED灯丝等等。

♦  透过各种材料与制程的改良,在既有的产品上去做优化,例如将发光效率发挥到极致的中功率LED,或是CSP LED。

♦  特殊应用,如红外线虹膜辨识与红外线生物感测器

我们就来看看LED产业有哪些新的重点:

GaN on GaN LED

SORAA为展场当中,展示出GaN on GaN LED的代表厂商。而本次也有荣幸与SORAA共同创办人,诺贝尔奖得主中村修二先生请教未来LED产业的进展方向。中村先生强调GaN on GaN LED能够打造出完美的LED光源。目前SORAA所制作的紫色LED采用GaN基板制造的,也就是所谓的“GaN on GaN”LED。由于GaN类半导体材料与GaN基板结合,可以有效地降低晶格位错密度。因此不但发光效率高,而且效率的提高速度快。



2014年诺贝尔物理学奖得主,SORAA共同创办人,中村修二先生。(所有图片来源:LEDinside)

采用GaN on GaN技术的紫光LED晶片。

除此之外,SORAA的LED灯还具有以下特点,即从LED灯发出的光(光束)的亮度比较均匀、可自由改变光束形状。甚至开发出名为“SNAP”的光学套件,在拆卸部配置了磁铁,只要该光学套件与灯具结合之后,就可以改变光束形状,还能改变色温。该光学套件对于使用者来说,使用上十分具有弹性,能随着各种商用场合去任意变换发光角度与色温。



SORAA开发出各种可以改变光束形状,还能改变色温的SNAP光学套件。



SORAA的LED搭配SNAP光学套件,可以让光线精准地改变角度,照射到另一个需要投射的物体。

GaN IC Driver

晶元光电在本此法兰克福展会当中所展示出的GaN功率元件(GaN IC Driver),展场询问度也颇高。传统以矽功率元件设计的电源供应器或电源转换器,体积皆很大且能源效率提升有限,若改用GaN功率元件,则可大幅缩小电源设计尺寸,同时提高能效,进而可开创出更多新应用的可能性。

DOB模组,搭配传统矽功率元件,上头仍需要相当多的电阻与电容等保护电路。



DOB模组,搭配GaN功率元件,因材料特性可以承受较大的电压,将可以减少相关的保护电路元件,有效的缩小体积。

挑战LED发光效率的极限

本次展会当中,各家LED厂商纷纷展示高光效的LED产品。从小功率LED到COB,其发光效率纷纷挑战技术极限。由于LED的技术发展已经达到了相对成熟的阶段,各家厂商的LED效率其实都已经相当接近。



由三星LED展示出全系列LED产品的发光效率,同时也几乎可以代表各家厂商的技术进展。

200LM/W的中功率LED纷纷问世

如亿光与首尔半导体,三星LED纷纷推出200LM/W的中功率LED。不约而同的这几家公司纷纷宣称今年的5630系列产品将会达到220LM/W的发光效率。

各家厂商推出全系列的CSP LED

各家厂商纷纷推出全系列的CSP LED,目前1W规格的CSP LED多半在140LM/W,包括日亚化的DMC(Direct Mountable Chip)系列,还有隆达的1616 CSP LED。

隆达的0.2W CSP LED可达210LM/W,0.9W的CSP LED约140LM/W。

而LEDinside也观察到越来越多LED厂商推出利用单颗CSP LED所组成的集成式CSP LED模组,目标取代COB LED。

晶电的集成式CSP LED模组,可以透过单颗CSP组成20~40W的模组,提供客户COB以外的另一个选择。

Citizen的roadmap也计划推出第五代的COB LED,光通量高达3749LM的COB,光效高达150LM/W。

光品质的坚持不能妥协

由于LED价格竞争激烈,部分LED厂商纷纷选择走向另外的高端市场,来做出产品差异化。例如来自美国矽谷的XICATO就展示出利用Remote phosphor技术的打造的光源模组,能够有效地将色容差控制在1~2个麦克亚当椭圆(MacAdam Ellipse)以内。由于该公司产品采取精品路线,目前XICATO的产品已经获得许多欧洲高端照明品牌厂商的采用。



XICATO的行销方式,利用XICATO MAN来打击各种光品质不良的问题。

而光品质不佳以及频闪等现象引起的视觉幻象(TLA, temporal light artefacts)问题,这几年来也逐渐受到照明业界的重视。展会当中,许多LED厂商纷纷提出来解决方案。包括XICATO以及SORAA都推出无频闪的LED灯。所谓的频闪效应可以从一些现象中观察到,最简单的就是用手机对准光源拍照,有频闪的光源会出现水波纹。光源的低频闪烁容易对于某些特定族群容易造成负面影响,包含孩童、自闭症患者、偏头痛患者、癫痫患者,长期在有频闪的光源下工作,也容易加速眼睛的疲劳。



有频闪的光源除了利用手机来测试是否有水波纹,也能够用高速旋转的转盘来看观察到。



SORAA采用作两级架构的电路来打造零频闪的优质LED光源。

灯丝灯普及后,延伸的专利地雷需要小心

本次展会中也可以观察到灯丝灯已经逐渐普及在欧洲市场。从原本都是亚洲LED制造商在展示的产品,到现在一些欧洲灯具制造商摊位当中都可以看到,而灯具种类也逐渐多元化,甚至都会搭配可以调光的灯丝灯。显示欧洲人对于类似传统白炽灯泡的照明型态还是情有独钟的。但由于许多LED厂商都有其专利主张,因此近年来灯丝灯的专利诉讼纠纷层出不穷。

目前LED灯丝灯的设计型态不外乎是将多根LED灯丝,透过不同的排列方式来达到全周光效果。同时也会在玻璃泡壳内灌入各种气体,来增加导热效果,延长灯丝灯的寿命。而灯丝的制作方式普遍上都是将LED晶片打在各种的基板上,包括蓝宝石基板,玻璃基板,或是陶瓷基板。基板的用途还是以两面出光以及具有热传导的能力为考量。但是LEDinside也在展会中观察到已经有厂商将LED晶片打在软性透明基板上头。来自台湾的Liquileds Lighting展示出可挠曲的灯丝灯,主打Curve is better,并且将软性的灯丝可挠成各种形状,效果更接近传统的白炽灯泡。



欧司朗展示出可以调光的E27灯丝灯。


 
晶元光电对于灯丝灯的专利主张,目前仅授权晶扬(COSMOSLED)、立达信(LEEDARSON)、FSL(佛山照明)。

来自台湾的Liquileds Lighting展示出可挠曲的灯丝灯,展会当中的欧美厂商询问度颇高。

特殊应用逐渐受到市场重视

OSRAM是本次展会当中,少数展示出先进技术的红外线解决方案。包括生物感测器,以及虹膜辨识等感测器。特别是虹膜辨识系统是目前最普遍且具高安全性的生物辨识方式,透过虹膜辨识,可找出约2,000个不同的特征点,与指纹约100个特征点相比,准确性来的更高。

由于红外线LED市场应用相当广泛,包含影像感测、体感/移动侦测、光遮断感测、近接开关、位置感测、生物辨识、脉搏血氧侦测等。未来红外线LED在手持式应用装置方面的应用,包含资讯安全与健康管理等与其附加价值,获利空间可期,可望带动红外线LED市场稳健发展。



欧司朗推出的红外线虹膜辨识感测器。



欧司朗展示的可测心跳与血氧的红外线生物感测器,可搭载于各种穿戴装置。

 

 

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