持續創新的綠色思考 - LED球泡燈

圖一、燈泡發展過程

前言

為何各廠商相繼投入研發LED球泡燈呢 ? 在這之前，白熾燈泡為世界上最普遍使用的照明光源，但在其壽命短、耗能大、效率低的特性下，於2007年，世界各國開始規劃提出汰換白熾燈的政策，在LED燈泡尚未嶄露頭角時，取代白熾燈泡的是螢光燈泡，或又稱省電燈泡，相對於白熾燈而言，確是一大優勢產品，但因含有汞，不符合環境生態保護的條件，故螢光燈泡並不是一個理想接班者，直到2011年，後起之秀LED球泡燈的發展已進入成熟階段，各家廠商也紛紛在市場上推出最新的研發成果，各世代燈泡類型特性比較 表一^[3]，其中以工研院最新研發出A19 LED球泡燈最受到注目，率先讓LED球泡燈研發技術進入另一新的領域，但礙於其相關技術及專利程序正進行，故關鍵部分尚無法一窺全貌，然究竟A19 LED燈與其它球泡燈有何不同? 有何過人之處呢？本文就針對其特色進行探究以便一窺箇中堂奧。

獨特大發光角度設計

不同於白熾燈為全面性光源而LED屬於直射性(指向性)光源，因此產生光束角度(Beam Angle) 白熾燈大於LED燈 圖二，故LED要取代傳統燈泡，此項為重要課題之一。

圖二、LED與白熾燈光束角度比較示意

在各家廠商創新研發之下，球泡燈由原先的120度發光角度，成長到280度 圖三 ^[4]。近期工研院所研發的新款A19 LED球泡燈，更可將發光角度突破到了330度，其不同之處在於將傳統LED球泡燈集中的高功率光源，改用類似LED背光板排列方式，依光學設計，以海星形狀的軟性LED模組光條沿著燈泡外部球形弧面貼合，達到均勻出光效果，也正因大角度直接出光，光學效率可達95%，跳脫傳統以二次光學作大角度出光而犧牲光學效率至80%以下的窘境 圖四 ^[5]。

圖三、LED球泡燈出光角度演變

圖四、工研院A19 LED球泡燈

散熱技術塑化材質

LED發光效率進展飛速，相對的也帶來更嚴苛的散熱挑戰，從晶片封裝、基板至系統三大部分 圖五 ^[6]，皆須將散熱做到最佳化才能做到真正符合市場的需求，進而創造更可靠、更長壽的LED燈具。而由三大部分來分析：

圖五、LED散熱策略

晶片封裝

傳統LED封裝是採用離散式元件封裝，熱能傳導至散熱片的途徑長，降低了散熱效果，而現有新技術導入LED COB(chip on board)封裝技術，縮短散熱途徑，大幅提升散熱效果 圖六 ^[6]。

圖六、傳統離散式 VS COB 傳熱途徑

基板

常見LED的散熱材質，以鐵、鋁、銅、陶瓷等高導熱材質圖七 ^[6]所示，應用在基板上，大致可區分為傳統印刷電路板環氧玻璃纖維板(FR4)、金屬絕緣基板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及複合基板四種，由表二 ^[6]可看出基板特性的比較，並由晶片封裝產生的熱源高低，來取決於使用的基板材質，進而控制成本。

圖七、LED常用散熱材質

系統

系統端指的是常用的散熱元件，鰭片(Heat Sink)、熱管(Heat Pipes)、均溫板(Vapor Chamber)、迴路式熱管(Loop Heat Pipe, LHP)及壓電風扇(Piezo Fans)。目前應用在LED燈泡最頻繁的是使用散熱鰭片 圖八^[6]，靠著傳導與自然對流來進行散熱，更可利用增加散熱面積與搭配風道、開氣孔設計，提升傳導和自然對流能力，但這樣的方便性仍有其缺點，第一，灰塵堆積，造成散熱效果下降，第二，增加了散熱面積，也增加了重量與成本。

圖八、各散熱鰭片形式

工研院所研發之A19 LED球泡燈跳脫上述LED燈的既有思維，它選用小功率、發熱量較少的LED小晶粒[14mil×14mil，0.1W/PC及輸出功率達60～100毫瓦(mW)]，搭配塑膠散熱軟板，整體可做出重量減輕、成本低且使用壽命高的產品。其採用遍佈燈泡表面的散熱塑膠，取代傳統金屬散熱架構，加上特殊設計輔助，擴大散熱面積，解決散熱問題。研究人員以類似LED背光源的創意，以小晶粒開發軟性多晶光源模組，只需9.8瓦LED球泡燈，就達到傳統60瓦白熾燈效果。

藉由自行研發獨特專利技術，將電路板和散熱基材結合植入軟板中，再以膠黏合嵌入LED晶粒，該產品所有的LED晶粒是屬於並聯的設計，所以當單點不亮時，不會影響其他晶粒的功能，並組成一條條類似海星形狀 圖九 所示的軟性多晶光源，最終得以方便沿著燈泡圓弧面外部貼合 圖十 所示，並使用特殊立體散熱塑膠球體來導熱，這樣的設計只需約10W就能達到傳統60W白熾燈效果，創造出獨特的LED球泡燈 ^[3]圖十一 ^[5]。

圖九、海星狀可撓性的LED軟板(本文研究整理)

圖十、圓弧面貼合(本文研究整理)

圖十一、A19 LED球泡燈

市面上諸多產品均使用散熱鰭片增加散熱速率，普遍所使用的材質不外乎為陶瓷鰭片、鋁鰭片及鋁鰭片表面塗佈散熱塗料，其熱傳導能力如 表三 ^[6]，但工研院A19 LED球泡燈卻挑戰傳統，首度嘗試使用由材料所研發出的新散熱塑化材料，搭配獨特的散熱對流孔設計，創新研發出立體散熱塑膠球體 圖十二 ^[3]，除可作為可撓性LED軟板圓弧面貼合產生330度發光角度之外，其熱傳導能力推估介於陶瓷鰭片與鋁鰭片之間，但其重量與價格卻遠低於所有材料，讓創新的散熱技術受到國內外各大廠商高度注意。

圖十二、各種材質散熱鰭片 ( 由左至右依序為：陶瓷鰭片、鋁鰭片、立體散熱塑膠球體 )

重量輕、摔不破、更安全

每當燈泡不慎摔落時, 剎那間總令人心驚冒冷汗，除了產生安全上的虞慮之外，同時還有螢光燈泡汞污染的隱憂，為了能夠走出與傳統不一樣的思維，工研院的A19 LED球泡燈在研發的過程中又融入了另一項巧思，那就是具有較傳統一般玻璃製品燈泡重量輕耐摔的特色。

要讓這個想法成功，源頭就必須在設計的初期，各項零配件的材質選用都要以質量輕盈作為選擇，徹底減輕球泡燈的重量但又不失強度。

一般性的做法是燈罩採玻璃或塑膠材質，LED晶粒基板及散熱鰭片使用金屬材質，而控制電路板屬於PCB印刷電路板，至於燈頭零組件則使用塑膠與金屬進行組裝，整個細部分解 圖十三 ^[7]。

圖十三、一般LED球泡燈分解圖

反觀工研院所研發之A19 LED球泡燈，使用散熱塑膠材質之燈罩其質量輕薄，具有可撓性的LED塑膠軟板及採全塑膠散熱技術，直接使用交流電讓LED控制電路板不用再經過大體積的變電器，進而縮小印刷電路板體積，而燈頭零組配件使用部分塑膠與金屬進行組裝，看似簡單的成功變革卻是由許多的專利材料配方與散熱技術專利孕育而成，成功的讓A19 LED球泡燈的總重量低於100公克之下，除重量減輕外，大量使用塑膠散熱材亦成功提升了耐摔程度，同時也間接讓生產成本大幅降低提升市場競爭力。

結論

工研院所發表的A19 LED球泡燈 圖十四 ^[8]，已經為國內外相同產品市場投入一枚震撼彈，其具有多項特點：

圖十四、LED塑膠球泡燈

• 採用低功率軟板模組使發光角度增大，照射面積更廣。
• 獨特的散熱對流設計，增加了散熱面積，也延長了燈泡壽命。
• 使用新散熱塑化材料取代金屬，除輕量化外，亦大幅降低生產成本。
• 提升光均勻度。
• 光源貼於外罩，讓光學效率大幅提高。
• 採用塑膠製作，比一般玻璃與陶瓷材質更具耐摔度。

憑藉著諸多的優勢條件，工研院這項創新產品的問世深受國際市場的高度注意，這樣的成就讓國人深感驕傲。然而，LED照明技術應用已經逐漸切入一般照明市場，在國內外大廠爭相追逐生產製造技術提升的同時，卻對於LED之可變色溫及可調光源之特性應用著墨較少，忽略光源強度及顏色會影響人的生理及心理層面感受，若能夠充分運用人因照明應用技術，著重於不同應用情境、時間、環境及視覺狀態特性，提高環境照明舒適度、便利性及環保節能優化的人因照明設計，方能滿足體貼人類對於照明需求的最高理想。