高亮度LED生活照明應用開發必需克服的技術挑戰

LED具備未來光源多項優勢，其中節能效益是最受業者關注的重點。

LED發光效能持續提升，為了達到高亮度的要求，也讓單一元件的功率增加不少，尤其是隨之而來的運行高熱狀況，很可能就因為高熱問題，使元件的光衰或壽命相對減低，而在元件方面若能在前段製程就考量散熱需求，要比從外在條件進行散熱設計要來得更有效率，也能可持續發展更高功率、高亮度的LED元件因應日常照明應用...

這幾年下來，環保議題持續升溫，讓各種用電的現況出現極大的改變，終端電器就有多項極大的變革，像是CRT電視被LCD TV取代，甚至是大量耗能的白熾燈，也成為各國相繼禁用的光源。

因為觀察全球19%電能耗用都是用於照明應用中，若可在日常照明導入節能燈具，對於全球的能源消耗可能產生顯著的節約成效，因此，各國政府為了打造更環保的國家形象，也積極透過政策、法規與產業輔導朝照明節能化應用方向發展，而利用原有的LED或是CCFL新式光源設計來取代傳統光源，進行日常照明應用，也成為照明產業的重要發展趨勢。

傳統光源應用現況

多數實際應用場合中，仍須大量的高效能、高亮度光源，例如，路燈、賣場照明、商店照明等，需高效能、高亮度的燈具設施，大多採高強度的氣體放電式燈具(High-intensity discharge；HID)或鹵素燈，以達到高亮度、高照度的應用需求；而在賣場、店家的長時間需求，多半選用螢光燈管(Compact Fluorescent Lamp；CFL)；住宅多仍大量使用白熾燈、螢光燈(CFL)，或以省電訴求的新式省電燈泡。在眾多實際應用場合中，耗能最高、效率最差的光源應以白熾燈為主，因為應用時會讓大量電能轉換成無用的熱，也會讓燈具壽命因此降低。

以具體光源應用觀察，日常照明市場所涵蓋應用領域相當廣，包含建築物照明、標誌、景觀照明、零售、信號燈、街道照明和住宅照明等。若要討論節能的效益，就必需針對現有的燈具提出科學化的評估的方法，例如以輸入功率比與實際輸出流明進行效能衡量，目前也多採行每瓦流明數進行評估基準(或能源效率efficacy)評估。

不同照明方案能源效率差距大

以現有的照明應用觀察，白熾燈照明方案的能源效率最差，例如，用60W白熾燈進行照名實，能源效率約為10 lm/W，相較CFL螢光燈具的能源效率就可達50 lm/W。一支100W HID可具有80lm/W，相當於產生8,000流明亮度。

LED光源效能與實用性大幅提升

LED的特質在於本身就是1個電子零組件，與氣體放電式的HID燈具、CFL螢光燈具這類光源，必需以玻璃容器內置高壓氣體的體積相對更小，不需內填有毒元素，元件本身就設有金屬接點，並可焊接安裝在任意表面上，便利性相當高。

以往LED因當時技術受限，在亮度無法有效提升，多用於指示性用途的輔助光源，但現在以白光LED為例子，製作方式早已大幅改善，例如，透過高效能藍光LED鍍磷產生近似白光的發光效果，同時大幅提升單一元件的亮度輸出，目前白光LED在能源效率已有大幅進展，色溫表現4,500？6,000k下，在實驗室的測試數據已可達到超越200 lm/W的高效能表現。

LED屬於固態光源元件，在元件的硬度、強度較高，不會如同傳統光源因為主要由玻璃製成，會出現怕摔、不耐撞擊問題，也可搭配不同螢光粉設計或搭配構型設計，產製各種不同特性的光源效果，整體元件亦不含汞，同時具備超過50,000小時壽命週期，LED壽命較僅能運作1,000小時的白熾燈要高更多。

導入生活應用仍有關鍵問題待克服

由於LED在原器件的物理特性差異，製作光源系統的觀念則與傳統設計大不相同，需要有更多方面的技術與專業輔助。

◎光學設計

LED光源屬於高效率的點光源，這種過於集中的光源，在傳統應用會有相當多的問題，例如，若當檯燈用會造成近距離的光型不夠勻稱，即便LED具備寬廣的色彩調控彈性，能源效率表現也相當不錯，但在生活用照明應用時就會影響使用觀感，點光源必須透過光學透鏡或機構設計(透鏡、導光素材)來產生近似傳統燈具的光型表現，會增加燈具成本，在緊湊的構型設計中較難突破光學的物理特性。

◎散熱設計

同樣的，延續LED元件本身是點光源的限制，元件在發光時產生的溫度會過度集中在單點之上，若沒有效處理散熱，會致使元件出現燒融，甚至縮短使用壽命！除了元件本身需針對散熱強化設計，例如，透過晶片打金線或是載板的設計技術進行改善，達到自體散熱設計，即便如此，熱源仍會出現有過度集中在燈具點狀位置的狀況，如何透過外部元件的主動散熱與被動散熱設計，去改善結點溫度控制的處理能力，這就成為相關燈具設計的技術差距。

◎驅動與控制電路設計

實際應用時，LED驅動發光仍需要大量電子電路進行輔助，才能達到高效率的目的，但對於一般白熾燈的調光設計，如果也想在新式LED光源上實現，這就必須透過DC直流供電控制進行供電調整，這時若同時考量能耗與用電效率，會讓驅動的電子電路複雜度大幅提升，就的設計很採取大量獨立元件造成系統的離散設計問題，讓整體省下來的電能反倒在相關電路被消耗掉了。

目前已有元件廠商採取單晶片的可調光控制IC設計，讓燈具業者不用重新開發不同燈具的配合電路，運用現成的解決方案就能達到兼具對比舊式光源的操作體驗，也可達到更高效能的節能效益。

◎電源轉換電路設計

LED一般都使採取DC直流驅動，但AC LED在實際應用場合，有更多的應用彈性與優勢，因此也是發展LED光源相當重要的一大趨勢！尤其是一般生活電力來源均為AC電力，若要快速讓LED光源普及於生活應用，發展AC設計的LED產品，是相關應用快速成長的應用關鍵。