如何执行LED照明系统的创新性设计

段萤光粉与接近610～630奈米红色萤光粉，更甚至到655奈米红色萤光粉进行在不同封装结构下，及蓝光波段搭配的实验比对，找到无论光输出效率、演色性或色温的最佳组合，再加上封装胶材、点胶方式的不同及萤光粉沉淀与否，或多或少增加封装难以控制的变数。其二，封胶和萤光粉涂布製程上的创新，从针筒点胶（Dispensing）到模具充填（Molding）、印刷填胶（Printing）、高精密度的喷胶充填（Conformal Coating and Inject Printing）等创新製程，提升产能、良率、出光效率，也改善出光的均匀性。此外，更具创新与商品化的是所谓的Remote Phosphor製程，其将萤光粉抽离晶片表面，在一定距离外，以不同的方式将萤光粉附着在透光结构体上。飞利浦更将此创新技术应用在灯泡类产品，其光效成果与研究机构、学术单位过去发表的学术实验结果或理论相去不远，确实可达每瓦100流明以上、CRI》80的效能。 最后，在照明封装元件创新过程尚须注意演色性与出光效率（图7）。

　　图7　LED演色性与发光效率变化图

　　降低节点温度提高演色性

　　实际照明使用上是没有人去看Tj=25℃下的瞬间流明效率，封装的研发创新过程中，更要去注意温度与光输出的变异，而此变异也会明显影响实际使用情况下的色温差异及些微的演色性变异（图7），如灯泡类、嵌入式下照灯具等，LED周围环境都相当轻易达到60～80℃，换言之，不是最佳化的照明系统设计，极为可能让LED节点（Junction）温度达到120～150℃，实际热效应造成光输出的减低（Hot-cold Factor）会超过15%以上。为改善此弊病，整个照明系统的每一介面热阻必须努力调降，以达到降低节点温度目的，减少色温偏差（图8）。

　　图8　LED周围温度与相对光束特性变化图

　　创新模组设计须考量三大议题

　　完成最佳晶片封装元件，就光特性而言已决定一大半，模组设计上所须考虑的重要议题则是热处理（Thermal Management）、电源控制和电路设计及二次光学机构设计，而此叁项的设计不佳，则轻易的就能在模组系统中损失50%以上的光输出效率，就算达到每瓦150流明，在组成系统之后，就会发现终端产品只在60～70流明。

　　现将透过不同方式解决上述叁个问题：其一为採用高导热材作，如模组电路机板、在低导热材机板上增加与空气接触面积、将LED元件（热源）分散放置或将发热电子元件分离或远离LED光源，避免使用任何低导热绝缘层来增加LED热传导过程中的阻力（热阻）。其次为电路板面採高反射率绝缘漆来增加向下光的反射，以高效率的定电流控制元件减少电源消耗，同时採温度控制机制调节定电流输出，作为一种保护机制，以及採高压交直流转换电路降低变压损耗。此外，採耐久高透光性或高反射性材料做二次光学透镜或反射光学件，以专业光学模拟软体计算设计模拟最佳出光效率。

　　创新照明系统设计须兼顾开创/不可取代/市场性

　　在此结合光机电热的系统中，除选对或设计最佳LED元件，搭配最佳模组热管理及电路设计，加上使用二次光学，始完成最接近消费者的产品设计。当然产品设计并非在此阶段才开始，而是在本文最早依据市场使用需求立论基础而来。所有系统设计的环节，皆是为了最终产品目的。在创新LED照明框架下，终端产品本身必须具开创性、不可取代性及市场性。

　　图9由圆形单片组成光源体组合的镂空立体灯具，虽然是欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）以有机发光二极体（OLED）设计而成的概念，但此概念在目前是可以商业化且充分兼顾LED照明功能的优越性，以及对热对流和热传导的设计考量。至于日本Panasonic电工所设计的薄型下照灯（图10），亦具备一般传统光源所无法的取代性，超薄的尺寸透露轻巧的视觉感受，若採用AC LED更可将厚度再薄型化，当然热处理上必须考虑散热面积、表面材质的应用处理，加上空气对流设计，藉以降低空气接触面的热阻，加速散热效果。

　　图9　欧司朗OLED概念照明

　　资料来源：Panasonic电工

　　图10　Panasonic电工开发的薄型下照灯

　　至于户外照明、建筑照明、特殊照明如养殖农业、医疗等其他LED照明应用创新设计在基本上在光源封装上要研发创新的部分差异不大，而是在模组设计、电源电路控制及光学机构设计，各有其使用环境限制、功能表现及波长独特性，仍需LED研发人员努力去开创。