好還要更好!RGB白光LED照明的魅力與新契機

 

刊登日期:2007/11/8
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隨著發光效率的不斷突破,LED產業的發展也相形越受重視。台灣LED的產量已是世界第一、產值世界第二,有非常完整的產業鏈。在許多的產品應用端上,也大放異彩,包括手機背光源、Notebook及LCD TV背光源、汽車室內外照明及煞車指示燈等等,目前也積極投入以LED來取代傳統燈源的照明產業。但與其它應用產品不同之處在於照明的對象會影響到人眼的感受度,尤其每天都要與數小時以上的照明設備共舞,不得不從人眼的感受來要求照明的品質。一個理想的照明燈源除了便宜、耐久、省電外,也要讓人眼感到舒適。當照明亮度過高時會產生眩光,不僅眼睛容易疲勞,也會造成視線干擾、不適或是視力減退的情形。傳統照明燈源因為沒有指向性,所以觀看物體時的背景亮度也很高,降低了物體的清晰度;為了想提高物體的清晰度,又不斷增加光源的亮度,如此惡性循環下去,不僅耗電,更容易傷害到人眼。好的照明系統應該是要讓亮的地方亮,不想亮的地方儘量減少背景值,而LED燈源就具有此優點。加上RGB白光LED有極佳的色彩飽和度,可滿足觀看者的視覺饗宴。

RGB白光LED的照明優勢與魅力
RGB三色相光源是百分之百的可見光,無紅、紫外線,只有三色相的高純度色光才能組合出高飽和度的一次光源,這是最為理想的照明光源(亦即所謂的還原光源),為傳統光源所不及。一次光源的最大特徵是在照度500 Lux時,即能有高白度、高飽和度的色光,在此種光源下閱讀可抵相當於照度3至5萬的太陽光下的清晰度,其舒適程度可想而知。在RGB白光LED照度值降低的同時,圖像的清晰度卻是提升的,比起傳統光源有更高的清晰度感受。圖一為將5W的RGB白光LED、40W日光燈及100W石英燈等3種不同光源分別照射到長120cm、寬60cm、高30cm的玻璃櫥櫃所得到的照明比較圖,可以觀察到,無論是在產品的演色性、清晰度或亮度表現上,5W RGB白光LED的照明效果都優於40W的日光燈與100W的石英燈,同時在節能表現上是日光燈的八倍、石英燈的二十倍之多。

 


圖一 將5W RGB白光LED、40W日光燈及100W石英燈光源分別照射到玻璃櫥櫃所得到的照明比較圖

資料來源:美光源公司提供/工業材料雜誌第251期

RGB白光LED照明省電、省錢、安全無負擔
LED照明燈目前讓消費者難以接受的主要原因在於售價過高,不過如果將後續對燈泡的更換維修及節能所省下的電費計算,會發現採用RGB白光LED的照明光源才是明智之舉。目前已商業化的5W RGB白光LED之價格僅是石英燈管的3倍、日光燈的6倍,這是因為此5W RGB的白光LED是採用一般輸出功率的晶粒,透過多顆晶粒混光封裝後所得到的白光價格;如果是採用高功率晶粒的LED照明燈,則價格將遠高於日光燈,同時壽命也低。由於此款5W RGB的白光LED非使用螢光粉材料,同時單顆晶粒的輸出功率並不高,所以壽命可達3萬小時,比起日光燈和石英燈約3000小時的壽命要高出許多,若以商業用每日使用12小時計算,15個月後即可回本。

表一為上述3種燈源的使用成本估算值,若以每日12小時計算使用365天來估算,5W RGB白光LED一年使用所繳的電費只需75元,而40W日光燈一年的電費為595元,100W石英燈的費用更高達1489元。若考慮照明材料更換及維修費用,日光燈每年需增加300元,石英燈每年需增加400元。以電費加材料更換及維修費用來計算,5W RGB白光LED每年的使用成本是75元,日光燈每年的使用成本是895元,石英燈則高達1889元,如表二所示。一年下來,使用5W RGB白光LED照明燈源,每年可比40W的日光燈節省820元,比100W石英燈節省1814元。若使用時間長達5年,則分別可節省4100元及9070元。除使用成本低以外,環保、節能也是重要因素,由於LED屬冷光源,總輸出功率也不大,所以使用上並不會造成周圍環境溫度的明顯變化;反觀日光燈與石英燈的使用,會明顯增加室內的溫度,無形中也增加了室內空調系統的負荷。

表一  5W RGB白光LED、40W日光燈及100W石英燈的使用成本估算值
資料來源:美光源公司提供/工業材料雜誌第251期


表二 5W RGB白光LED、40W日光燈及100W石英燈3種燈源的使用費用比較
資料來源:美光源公司提供/工業材料雜誌第251期


RGB白光LED不僅在後續對燈泡的更換維修及節能所省下的電費占優勢,更重要的是它是一種不傷害眼睛的光源。圖2(a)和2(b)為小朋友分別使用RGB白光LED和傳統光源閱讀的示意圖。傳統25W檯燈的光源因高輻射熱,光源無法接近頭額而與眼睛同步,所以無法防止反射眩光的產生,同時光源幅寬(出光角度)過大,也同時增加了反射眩光的幅寬(如圖2-b紅線A與B之間的眩光幅寬)。此外,傳統光源因色光混濁,眼睛視覺會感到吃力;在色光不佳情形下,必須以提高光源輸出亮度讓視覺清晰,但也因此形成高反射眩光而傷害眼睛,所以從圖2-b中可看到不僅書本處的亮度很高,連小朋友臉部區塊的亮度也很高。相較之下,RGB白光LED因冷光、無熱輻射、無紫外輻射、不傷皮膚、可貼近額頭與眼睛同步(如圖2-a),是閱讀最理想的方式,可杜絕眩光(如圖2-a的黃色反射虛線)。RGB白光LED由於是單點發光、可橫條排列且具指向性,所以沒有光源幅寬問題,同時光源純淨、高飽和度,是最高明度的理想光源,因此即使是在低照度之下仍能維持高清晰度,是杜絕反射眩光的原因;同時比起傳統檯燈25W的功率輸出,RGB白光LED只要5W的功率輸出就可以獲得最佳的閱讀照明效果。

 

  
圖二 小朋友分別使用(a) RGB白光LED和(b)傳統光源比較示意圖
資料來源:美光源公司提供/工業材料雜誌第251期

RGB白光照明未來的展望與契機

雖然目前許多的主流技術都是以開發高轉換效率的高功率螢光粉白光LED來取代傳統照明光源,但在價格上、壽命上和色彩飽合度上仍不及於RGB白光LED。不過要造就出理想的RGB白光LED,從晶粒的出光特性到封裝、燈具設計甚至變壓器,都有一定的標準規格,因為人眼對不同波長的分辨能力很高,在1~2 nm的波長變化下,就會影響到最後的視覺效果。所以如何減少批次生產所造成的電性差異,進而影響到視覺差異,是RGB白光LED當務該解決的課題。

LED照明產業乃結合了晶圓、封裝、光模組、機電與燈具廠等五大產業。眾所皆知,台灣的晶圓產業已在全球佔有一重要地位,在針對多家的晶圓廠商做長期追蹤測試後,我們更加肯定台灣廠商在全球低功率晶圓產品製造中無論是大量生產晶圓或在價格上的競爭力,台灣廠商都獨具優勢。其次,國內封裝業雖有許多企業林立,但封裝水平良莠不齊,差距甚大,用於顯示或背光源的封裝尚可,但若需用於照明上,尚有諸多改進與修正處,不能等閒視之。而光模組的部分更是佔有不容小覷的地位,因RGB白光是色光的多重組合,故在封裝上光模組的模具乃成為極關鍵角色,且在照明上為滿足指向性的收光與低輝度、零眩光的要求下,光模組更是不可等閒視之的一環。

接下來還有機電與燈具兩大產業,先來討論有關機電產業。在供電源方面在全世界現有諸多不盡相同的安規,尤其用於低電壓的低電流LED因有3萬小時以上的壽命,所以用於商業用電更要經得起8年以上的信賴度考驗,因此精準品質和環境的實用信賴度是一大挑戰。而在燈具產業部分,產品的結構與精密度和實用性是市場的主流,因LED壽命非常長,所以燈具的結構不能太脆弱而導致LED尚未毀壞但燈具卻已損毀而需再一次更換的情形發生。歸述以上所論,RGB白光照明產業的魅力,銳不可檔,其商機就以每人一隻檯燈用合理的售價4500元台幣來擬算,光台灣2300百萬人口每人一隻檯燈,即可創造千億的商機,更謬論還有路燈、商業、日常家庭、辦公、工廠、庭院等用電,其商機之大,再想像全世界的用量讓人難以評估。

上帝替人類開創了一個很好的照明光源,讓我們能夠在省能、省錢、安全無負擔的環境之下體驗前所未有的視覺饗宴,是值得大家好好珍惜的。而目前多數製造商以及研發單位都是以純“製造”思維看到LED照明產業,而“如何真正讓明暗度、彩度與環保節能三者之間達到平衡”才是主要的課題,如果一直採用白光LED雙量(亮)政策,製造商犧牲燈源彩度﹑拉高亮度,並以快速量產上市為目標的市場導入策略,實是不智之舉。如何重新教育民眾對照明光源的使用,減少國人近視人口的比例,應該才是RGB白光LED進入照明產業的最大價值。

★詳全文:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6449


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