LED 照明應用及光源設計 億光電子林治民協理 20120907 www.everlight.com
大綱 1. LED 的節能減碳效益 2. LED 各封裝照明產品技術分析與探討 3. LED COB 光源設計分析 4. 結論 2 www.everlight.com
3 www.everlight.com 1. LED 的節能減碳效益
電價調漲, 有助於有效的利用能源, 但成本提高 根據 IEK 的資料, 台灣的電價, 無論住宅電價 工業電價, 相較於世界主要工業國家比較, 電價相對便宜 合理的調漲電價, 有助於有效率的使用能源, 但用電成本提高 4 www.everlight.com
台灣若全數採用 LED 燈 2011 年台灣全年用電約 2,000 億度 照明佔 30% (600 億度 ) 若全部採用 LED 燈, 可省下 85% 電力 (510 億度 ) 台灣核能廠總發電量 LED 可省下電力 OR 相當於 35 萬座台北大安森林公園的年吸碳量 400 億度 510 億度 5 www.everlight.com
愛地球請換 LED 燈泡! LED 燈泡用電佔電費比例大幅低於傳統用電 LED 燈泡用戶之照明用電僅佔總電費 4%! 照明用電佔電費比例 LED 燈泡用戶 傳統燈泡用戶 * 假設一戶住家安裝 12 顆燈泡, 每日燈泡使用時間約 5 小時 *LED 燈泡為 8W, 傳統燈泡為 60W 6 www.everlight.com
LED 燈節能減碳救地球 換一顆 LED 燈, 等於幫地球多種了 10 棵樹 使用一顆 8W LED 燈泡, 一天使用 10 小時, 一年下來, 比一顆 60W 白熾燈泡節省 190 度用電, 同時減少 112 公斤的二氧化碳排放量 ( 依據台電資料, 一度電產生 0.61 公斤碳排放量 ) (60W-8W)*10hr*365days/1000=189.8 KWh/year, 190 度 *0.61kg=115.9kg 一顆樹一年的二氧化碳吸收量約 11 公斤計算,112 公斤的碳排量, 等於要種 10 顆樹, 種一年才補的回來 112 kg/ 每年每顆 LED 燈 11kg/ 每年每顆樹 =10.18 顆樹 ( 國內研究顯示依樹種不同,1 年約可吸收 5~18 公斤的二氧化碳 ( 林俊成等, 林務局 2002)) 7 www.everlight.com
白熾燈 vs. 省電燈泡 vs. LED 燈效益比較 特性 白熾燈 (60W) 省電燈泡 (17W) LED 燈 (8W) 效率 (2700~2800K) 壽命 13 lm/w 50 lm /W > 85 lm/w 1000 hrs 6000 hrs > 25,000 hrs 演色性 (CRI) ~100 80 >85 智能控制 點滅次數調光控制 壽命降低 max. 30K 次 無限制 壽命無影響 壽命降低 50-80% 壽命無影響 環保 汞污染 無 4-10mg 鉛 無 多為含鉛玻璃 無 無 健康 UV 有有無 8 www.everlight.com 禁用
LED 燈泡不含紫外光不吸引蚊蟲提高生活品質 LED 燈不含紫外光 (UV), 所以不會吸引蚊子 昆蟲, 創造清淨舒適的居住環境 傳統捕蚊燈最主要的原理是以紫外光 (UV) 來吸引昆蟲靠近 9 www.everlight.com
英國衛生部關於節能燈泡的警告 (2010 年 ) 因為節能燈含汞, 打破節能燈泡時, 需離開房間至少 15 分鐘 偏頭痛 定向障礙 嚴重的皮膚病和其他疾病 小常識 : 對周圍環境如時間 地點 人物和自身狀況, 姓名 性別 年齡等 不能正確認識稱定向障礙 10 www.everlight.com
需長時間閱讀的場所最適合採用 LED 燈 LED 燈光色柔和舒適, 且不會高頻閃爍, 又與自然光一樣為連續光譜, 可使人情緒穩定, 進而使人思緒更加清晰, 增加工作效率! 辦公室學校書店 11 www.everlight.com
顯色指數與色溫 色溫低色溫中色溫高色溫 感受 給人溫暖, 健康, 舒適 光線柔和, 使人有愉快, 安詳的感受 應用 適用於家庭, 住宅 適用於醫院, 飯店, 餐 廳等場所 光源接近自然光, 使人精力集中 適用於辦公室, 會議室, 教室, 展覽櫥窗等場所 顯色指數 CRI 色溫 ( 暖色光 <-> 冷色光 ) LED 可設定所需要的顯色指數與色溫, 營造空間的整體氣氛, 是各種室內外照明應用的完美選擇 12 www.everlight.com
1-10V 調光應用 講台 微亮 A B C 全亮 LED 不但可以段數調光, 更可以使用旋鈕微調進行連續性調光, 視所需亮度與應用進行調整 進行簡報時, 將 A 區燈光調至微亮, B 區燈光調至適合書寫的亮度, C 區開至全亮, 供出入口使用 簡報完畢時, 全區燈光可調整至全亮 13 www.everlight.com
各種傳統燈源亮度幾已到達極限.. LED 燈亮度仍持續躍進! 相較於其他傳統燈源 : LED 燈泡亮度持續提升應用領域將更多元 Source: 美國能源署 (DOE), 2012/4 14 www.everlight.com
LED 燈泡效能快速提升而價格愈來愈貼近消費者需求 Source: 美國能源署 (DOE), 2012/4 15 www.everlight.com
LED 優勢 降低耗電量 節省電費 減少溫室氣體排放 節能 健康 無高頻閃爍 無紫外線 使用壽命長 反應速度快 色溫可依需要調整 亮度可依需要調整 高演色性 色彩 環保 不含鉛與汞 減少溫室氣體排放 減少更換廢棄物 16 www.everlight.com
17 www.everlight.com 2. LED 各封裝照明產品技術分析與探討
照明應用與封裝技術 照明應用 LED 封裝技術 Downlights Street lighting Directional bulbs Non-directional bulbs? Mid-power PLCC Low-power PLCC High-power ceramic Flood lights Decorative bulbs Chip-on-Board (COB) Architectural wall-washers Linear bulbs Multi-junction Highvoltage High-power PLCC 18 www.everlight.com
LED 各種封裝運用 LED 封裝類型 PLCC 特性 - 價格極低 - 可均勻出光 - 可均勻散熱 Ceramic/EMC Multi-junction High Voltage Chip-on-Board (COB) - 聚光型高出光度, 可在小面積發出高流明 - 低熱阻 (8-12 C/W) - 單價較高 - 屬一種可以封裝於各類型中的晶片技術 - 使驅動電路體積小化 - 可以在更低的成本達到較高的驅動效率 - 熱阻極低 (<2 C/W) - 效率高, 電壓設計彈性高 ( 小晶片多晶 ) - 泛光型的面光源 - 無須過回焊爐打件, 易於組裝及適合客製化開發 - 有限面積達到超高流明 - 高流明數較具優勢 19 www.everlight.com
LED 元件整理 - 國際大廠 PKG 的收斂 Area Japan Korea Europe America Company Nichia Sharp Citizen Panaso nic Samsung LGIT Philips Osram Cree Bridege lux 3014 Y - - - - - - Y - 5630 - - - - Y Y Y Y - 3535 Y - - - Y Y Y Y Y Multi-chip Y - - - Y Y - Y Y COB Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Note EMC SV & TV LUGA New : 2323 New : Luxeon Z New : XBD, XTE 20 www.everlight.com
LED 元件運用及主要規格說明 PKG Application General SPEC 3014 線性燈, 軟條燈, 燈板 7.5lm@20mA, 110lm/W, 5700K CRI > 70 5630 球泡燈, 筒燈, 燈板 21 lm@60ma 37 lm@120ma 95~100lm/W, 3000K CRI > 80 3535+lens 路燈, MR, GU, PAR, 洗牆燈 140-150lm @ 350mA 130lm/W, 5700K CRI > 70 COB 筒燈, 隧道燈, 球泡燈 90-100lm/W CRI > 80 or > 90 Some case consider R9 21 www.everlight.com
Everlight - The Right LED for the Right Application Application The Right LED Linear lighting A-lamp MR16/GU10 Small decorative bulbs PAR30 PAR38 3528 (0.1W, 30mA) 5630 (120/150mA) Shwo(D) (350-800mA) C52 (3-7W) COB (15W) COB (20W) 3020S (0.2W, 60mA) C61/62 (7-15W) C52 (3-7W) 22 www.everlight.com
23 www.everlight.com 3. LED COB 光源設計分析
高流明數光源之開發 (COB 的散熱優點 ) 導熱路徑上, 省去組件基板的一段熱阻, 將芯片直接貼附於 MCPCB 板材上, 打破了水平方向散熱空間的限縮, 同時削減了垂直方向上的阻礙 R th j-h = ( T j-h ) / P D Standard LED R th j-h = R th j-s + R th s-b + R th b-h T j-h = T j - T heat-sink P D R th j-s R th s-b R th b-h : 總输入功率 :LED 接面到焊點間热阻 :MCPCB 板材热阻 :Heat sink 热阻 R th j-h = ( T j-h ) / P D R th j-h = R th j-b + R th b-h T j-h = T j - T heat-sink COB LED P D R th j-b R th b-h : 總输入功率 :MCPCB 板材热阻 (COB) :Heat sink 热阻 24 www.everlight.com 少掉 PKG 的熱阻, 散熱較佳
高流明數光源之開發 (COB 的散熱優點 ) 亦需考慮水平散熱能力及電性組合性 1. 多芯片組合有較高之效率及性價比 ( 配合背光晶片 ) 2. 電性組合易調整, 可提供電源更多設計選擇 3. 基板形式 & 電壓 & 晶片大小及排列易調整適合客製化設計 1. 使用小晶片多晶 熱密度分散 & 效率高 2. 適合客製化設計 25 www.everlight.com
COB 的其它優點 Focus (Signal) Light Source / 大型且單一光源 不同於一般離散組件, 為了配合各式各樣的設計, 必須盡量限縮尺寸, 因此單一封裝體內的晶片數較少, 單一集成的 COB 封裝產品設計, 可實現高密度的芯片排列, 簡單的光學設計, 可使光源單一, 避免亮暗不均的現象發生, 避免球泡燈過度散射的外罩減低 LED 亮度. Disperse 離散組件排列 Signal COB 單一 COB PCB 上組件圖面無燈殼點亮輕度霧化燈殼點亮重度霧化燈殼點亮 單一光源 : 避免光斑或不均方便全光角二次光學設計 26 www.everlight.com
COB 的其它優點 The Convenience of usage / 使用便利性 Reflow 回流焊製程 Screw 鎖件製程 27 www.everlight.com 直接鎖件不需過 Reflow
PLCC & COB 在實際燈具上所占空間 1200lm @ 3000K PLCC COB Max~32 pcs 5630 32*36lm = 1152lm (32*0.4W = 12.8W) 90 lm/w 沒空間 1 pcs COB 1200lm (12W) ~100 lm/w 仍有空間 Win Win Win Win 28 www.everlight.com 有限面積有高流明輸出
球泡燈取代規格討論 ( 傳統鎢絲 WW 燈泡 ) 燈泡瓦數 市場所需模組亮度 (lm) 熱損耗 (85 ) 霧化透鏡損耗 市場所需元件亮度 (lm) 40W 450 85% 85% 640 50W 650 85% 85% 800 需考慮成本 60W 800 85% 85% 1200 75W 1100 85% 85% 1500 100W 1600 85% 85% 2100 125W 2000 85% 85% 2600 COB 有優勢 150W 2600 85% 85% 3500 高瓦數 COB 有優勢 ( 空間 & 價格 ) 29 www.everlight.com
COB Products Roadmap Photo Wattage Name Dimension Voltage / Current 12*7.5 φ 5.5mm 4W C63 Substrate: 12mm*7.5mm Emitting Area: φ 5.5 mm 9.2 V / 420mA (3S4P) 90V / 40 ma (30S) 36V / 105mA (12S) φ 5.5 mm 4W (4~7W) C52(C55) Substrate: 12mm*15mm(16.5mm) Emitting Area: φ 5.5 mm 9.2 V / 420mA (3S4P) 90V / 40 ma (30S) 36V / 105mA (12S) 12*15 φ 9 mm 7W (7~10W) C61 Substrate: 12mm*15mm(16.5mm) Emitting Area: φ 9mm 12.3V / 550mA (4S5P) φ 11 mm 10W (10~15W) C62 Substrate: 12mm*15mm Emitting Area: φ 11mm 17.7V / 550mA (6S6P) φ 17 mm 15~25W Substrate: 20mm*24mm Emitting Area: φ 17 mm 30V / 500mA (10S5P) 90V / 170mA (30S2P) 20*24 25~40W C56 Substrate: 20mm*24mm Emitting Area: φ 17 mm 30V / 850mA (10S8P) 90V / 290mA (30S3P) 50~80W Substrate: 20mm*24mm Emitting Area: φ 17 mm 50V/950mA (need to evaluation) 30 www.everlight.com
COB Products Roadmap 3600 20mm*24mm 光通量 ( 流明 ) 1500 1200 900 12mm*15mm 12mm*15mm C62 C56 600 12mm*7.5mm 12mm*15mm C61 300 C63 4 C55 功率 (W) 7 10 15 40 功率 31 www.everlight.com
COB Products Application Product Series Dimensions & Characterization Lumens Output Applications C52 (3-7W) MP Now 12.0x15.0x1.25mm 3 9.4VDC, 400-700mA 92VDC, 40-75mA Ceramic package with multi chips ANSI Binning warm white Simple driver design at HV <2C/W thermal resistance 310 lm (min) 350 lm (typ) @ 400mA, 3000K, CRI> 80 Directional Lamps (MR16, GU10 with single source) Decorative Lamps (Candelabra, Globe) C61/C62 (7-10W) (10-15W) MP Q3 12.0x15.0x1.25mm 3 12-18VDC, 550-750mA 18VDC, 550-820mA Ceramic package with multi chips ANSI Binning warm white <2C/W thermal resistance 900 lm (min) @ 750mA, 3000K, CRI> 80 1445 lm (min) @820mA, 3000K, CRI>80 Omni Directional Lamp Large wattage (75W, 100W) COB (15W-20W) MP Q3 20.0x24.0x1.8mm 3 90VDC, 170-200mA Ceramic package with multi chips ANSI Binning for warm white Simple driver design under HV conditions <1C/W thermal resistance 1550 lm (typ) @ 170mA, 3000K, CRI> 80 2050 lm (typ) @ 200mA, 3000K, CRI> 80 Directional Lamps (PAR 20, 30, 38) Down Lights 32 www.everlight.com
4. 結論 33 www.everlight.com
結論 LED 具有卓越的節能 環保的效益 LED 目前雖百家爭鳴, 但考量品質與市場供需 ; 未來在產品及業者都將作一定程度的收斂, 且它正在發生 故必須明定清楚產品之行銷等策略 LED 產品擁有其獨特性質, 未來朝向高功率的 COB 元件對後端模組客戶有其一定的使用優點, 值得燈具廠商作產品應用之參考 34 www.everlight.com