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1、商业照明 COB 器件技术发展 童敏 林铁 上海飞乐音响股份有限公司 上海科锐光电发展有限公司 摘 要： COB 器件在商业照明领域有着非常重要的应用, 近年来其光效、光输出、光品质在不断提升, 光效在未来仍然有较大的提升空间。先进材料和芯片技术对于提升光效至关重要。高密度级 COB 重新定义了商业照明的性能、尺寸、成本, 并且帮助开发出之前不可能实现的新型照明解决方案。灯具小型化、小角度设计和高中心光强 (CBCP) 等, 满足了商业照明的要求。光品质的提升, 包括Ra、R9、Rf、Rg、特殊色点, 针对不同的商业应用场合和照射环境需求, 可实现媲美金卤灯或卤素灯光色的同时, 提供优异的性能
2、和光品质指标。关键词： COB; 商业照明; 光效; 光输出; 光品质; 高密度级; 作者简介：童敏, 硕士, 主要从事半导体照明光源及灯具控制系统的研发。Technical Developments of COBs for Commercial LightingTONG Min LIN Tie Shanghai Feilo Acoustics; Cree Shanghai Opto Development Limited; Abstract： COBs are widely adopted in commercial lighting. Efficacy, light output and
3、light quality of COBs keep continuous improvements. The potential of efficacy is still large in the future. Advanced materials and chip technology are vital to improve efficacy. High density class COBs redefine performance, size and cost of commercial lighting and help to develop novel solution that
4、 could not be realized before. Minimization, smaller beam angle and higher CBCP are developed to meet requirements of commercial lighting. The improvements of light quality, including indexes of Ra, R9, Rf, Rg and specialty color points are optimized for various commercial lighting applications and
5、light environments to provide halogen and CMH like appearances, excellent performance and premium color.Keyword： COB; commercial lighting; efficacy; light output; light quality; high density class; 引言COB (Chip-on-Board) 器件技术近些年得到了长足的进步, 在照明领域, 特别是商业照明领域有着非常重要的应用。光效、光输出、光品质的提升, 是其重要的表现。本文从高密度级、高中心光强、
6、高颜色品质等方面介绍了 COB LED技术的最新进展。1 光效水平不断提升光效是 LED 器件重要性能指标, 且未来仍然有较大的提升空间。美国能源部于2016 年 6 月发布固态照明研发计划 (Solid-State Lighting R&D Plan) , 其中我们看到未来发展的趋势:在 25C 和 35 A/cm 输入电流密度条件下, 荧光转换型 (Phosphors Converted) LED 器件商业化量产光效, 2017 年目标为冷白光194 lm/W、暖白光 164 lm/W, 长期目标均为 255 lm/W1。见表 1。表 1 LED 光效提升趋势 Tab.1 Trend of
7、 LED efficacy improvement 下载原表 与此同时, 行业技术规范也在不断提升。作为进入北美照明市场重要的 DLC (Design Lights Consortium) 认证, 其关于光效的要求在不断提升。我们对比一下 2015 年 11 月 20 日发布的 V3.1 版本和 2017 年 4 月 28 日发布的 V4.2 版本, 其关于室内方向性照明的光效, DLC 标准 (Standard) 最低光效要求提高 44.4%, DLC 高阶 (Premium) 最低光效要求提升 20%2-3。作为 LED 业者, 我们必须要有清醒的认识, 不能满足于现有的技术水平, 要不断
8、推进 LED 创新, 取得更多的科技进步, 继续提升照明应用中的 LED 性能。见表 2。表 2 DLC 技术规范提升 Tab.2 Improvement of DLC technical criteria 下载原表 如何取得光效的提升, 衬底材料是其中关键的一步。碳化硅 (Si C) 、蓝宝石 (Sapphire) 、硅 (Si) 作为目前商业化的主要 3 种技术路线, 各有所长和其劣势。如果从取得的光效性能而言, 无疑 Si C 技术路线有着天然的优势。相比于其他两种衬底材料, Si C 材料与 Ga N 材料的晶格匹配度更高, 从而使得输入的电流更多地转换成光, 而不是热。这样的话, 一
9、方面, 光效得到了提升;另一方面, 散热问题也进一步得到解决。从成本角度而言, Si C 材料目前处于劣势, 但伴随着 Si C 大尺寸晶圆片技术的逐步导入, 以及其在电力电子包括新能源汽车充电系统、高铁牵引系统、太阳能逆变器、大数据中心、雷达、卫星通讯等诸多领域开始更为广泛的应用, 其成本的降低是可以预期的。Si C 第三代半导体材料与半导体照明同时也列入十三五国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项4, 未来的重要发展是可以预见的。与此同时, LED 芯片技术也在实现着它的代际提升, 正装结构 LED、倒装结构LED、垂直结构 LED, 使得在有限的芯片面积内得到更多的光输出, 不断地提
10、高着光效水平。2 高密度级 COB 带来更高性能, 并带来灯具小型化基础科学的进步, 带来了技术路线的发展。高密度级 LED 技术于 2013 年提出和发展, 超越了原先的照明级 LED 技术, 在非常小的封装体内, 得到出众的性能。高密度级 LED 技术在 COB 器件上的应用, 能够在更小发光面 (LES) 内, 实现更高的流明输出和中心光强 (CBCP) , 而功率消耗还能大大降低。以 9 mm 发光面 LES COB 流明输出为例, 从图 1 中可以看到, 在相同条件下, 高密度级 COB 器件的流明输出是标准密度级 COB 器件的 2 倍。图 1 高密度级 COB 器件提供更高流明输
11、出 Fig.1 High density class COBs provide higher lumen output 下载原图而高密度级 XLamp CXB1520 LED 则能够在小于 10 美分硬币的面积内提供相当于7 盏 LED 球泡灯 (针对 60 W 白炽灯替换) 的流明输出。这一切都将帮助照明生产商在轨道灯、筒灯等商业照明应用中, 实现差异化的性能和新型外形尺寸。以荣获 2014 Lighting for Tomorrow (由美国照明协会 American Lighting Association/ALA、美国节能协会 Consortium for Energy Efficie
12、ncy/CEE 和美国 UL 认证实验室 Underwriters Laboratories/UL 共同举办) 固态照明大奖的高密度级 COB 小型化轨道灯 (见图 2) 为例, 采用了科锐高密度级 COB 的轨道灯, 在仅相当于 MR11 的尺寸内, 实现了相当于 100 W PAR38 的流明输出。高密度级 COB 重新定义了照明的性能、尺寸、成本, 并且帮助开发出之前不可能实现的新型照明解决方案。图 2 高密度级 COB 器件提供优异性能, 并实现灯具小型化 Fig.2 High density class COBs provide excellent performance and s
13、maller size of luminaires 下载原图而这点在商业照明领域非常重要。商业照明灯具正在朝着小型化的趋势发展。照明设计师对空间整体美感的要求越来越高。原有体积庞大的灯具在空间中显得突兀, 影响空间整体美感, 已不再能够满足设计师们和业主们追求美感的需求。小角度设计和高中心光强 (CBCP) 在商业照明应用也非常重要, 这可以帮助业主对商品进行精准地配光。不同光束角是构建灯光层次感的有效方式之一, 同时匹配不同体形大小的物品。高中心光强 (CBCP) , 则对体现商品的质感有着显著的重点突出效果, 同时结合通过精准的控光技术, 能够严格收缩副光斑, 对光斑形状进行修饰, 以达到
14、干净无暇的光照效果, 令整个店铺光环境整洁大气。通过采用高密度级 COB, 我们可以减小发光面 (LES) , 实现小角度设计和更高中心光强 (CBCP) 。图 3 是采用高密度级 COB 方案与采用传统光源方案的对比。我们可以清楚地看到, 采用高密度 COB 的方案, CBCP 显著提升, 同时还可以实现小角度设计, 并且其系统功率消耗大幅下降。随着近期 LED 器件领域的又一重大突破, 革新性的 NX 技术平台推出, 对于高密度级 COB 技术的进一步提升, 未来可期!新型 NX 技术平台体现了诸多器件与技术方面的先进性, 包括新型 Dmax LED 芯片、效率更高的荧光粉系统、新型封装设
15、计和更为简化的生产工艺。这一新型技术平台, 能够带来突破性的流明密度, 可提供 4 倍于前代大功率 LED 器件的流明密度, 这将为新一代高密度级 COB 的创新发展, 提供强有力的技术支撑。图 3 高密度级 COB 器件实现小角度设计和更高中心光强 Fig.3 High density class COBs provide smaller beam angle and higher CBCP 下载原图3 Premium Color 卓越光品质提供出众指标, 带来更高价值光品质对于商业照明 COB 器件同样至关重要。商业照明灯具的光品质, 包括显色性和色彩保真度/色彩饱和度等, 是灵魂, 能够
16、最大程度还原商品的色彩和材质, 不仅让商品获得更精准的展现, 更体现了商品背后蕴含的品牌理念和价值。显色指数 CRI/Ra 和红色显色能力 R9 等, 在照明行业中广泛应用, 是国际国内标准和技术规范中用于评价光品质的重要依据。然后, 近年来随着 LED 固态照明的发展, 原有评价体系的缺陷逐渐凸显出来, 在很多情况下 Ra 值并不能与一般观察者的视觉评估相匹配。通俗而言, 将高数值和低数值同时放置在一起比较时, 人的肉眼看上去, 有时可能还会觉得低数值的更好。针对这一现象, 科学家们做了大量的研究。北美照明工程学会 (IES) 提出了TM-30 这一新的评价体系, 作为现有评价体系的重要补充。在新的评价体系中, 颜色测试样本由原来的 8 种或 14 种变化为 99 种, 且此 99 种测试样本在颜色空间中均匀分布, 光谱波段分布均匀, 且选自客观存在的物体颜色, 具有更好的代表性5-6。Rf 色彩保真度和 Rg 色彩饱和度则是这一评价体系的两个重要评价依据:色彩保真度 Rf,
