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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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既「輕」又「亮」LED即將傳統取代白熾燈泡

LED這項省電節能的光學技術,正逐漸普及到一般人的生活當中。現在,有了工研院改良的球泡燈,LED更將全面淘汰傳統的白熾燈泡,人們也將能享有更經濟、更便利的照明。

LED(發光二極體)技術日漸成熟後,應用範圍也越來越廣,從電視螢幕、交通號誌到戶外電子看板,都已經可以看到LED的蹤跡。然而,在工研院電光所的團隊眼中,LED可以發揮的空間遠不只這些----他們的目標,是要用LED完全取代傳統的白熾燈泡。而且,他們已經成功了。

工研院電光所的光電元件與系統應用組,是R&D100的常勝軍。2008年時,他們才以能用交流電直接驅動LED晶片發光,藉以降低耗電損失的「晶片式交流電發光二極體照明技術」獲得R&D100的肯定;四年之後,他們又以「輕亮LED球泡燈技術」再下一城,技術實力早已備受國際認同。

顧名思義,「輕亮球泡燈」的主要特點,就是重量更輕,而且亮度更高;然而,為什麼重量與亮度,會成為技術突破的關鍵?就市場應用來看,更輕、更亮的LED,又有著怎樣的意義?

單向傳送 LED應用最大限制

回頭來看LED這項技術,雖然應用層面已相當普及,卻因為光線只能單向傳送,還是無法取代傳統高耗能的白熾燈泡,因此也無法更普遍地使用在照明設備上。所以,能否突破LED光源單向傳送的限制,也成為加強LED應用範圍的關鍵。

電光所專案經理許鎮鵬分析,如果只是要增加發光角度,最簡單的做法,就是在LED周圍加裝反光鏡,讓光線往外折射出去。「但是這樣做會損失亮度,反而會損耗更多能源,不見得可行,」他強調,在解決發光角度問題的同時,更要把生產成本、效率、產品重量等條件一起考量進來,才能夠真正提供業者解決方案。

電光所設計的球泡燈,正是考量諸多條件限制後的產物。就外觀來看,球泡燈仍然與傳統圓形的白熾燈泡相仿,有著渾圓的外殼;但與白熾燈泡不同之處,在於LED發光元件並不是放在燈泡內,反而是鑲嵌在外表的凹痕裡。此外,這個模型使用的材質,也不是過往熟悉的玻璃與金屬殼,而是各種顏色齊備的散熱塑膠。

這種新型設計的最大優點,就是突破了過往LED單向光源的限制。許鎮鵬解釋,為了模擬白熾燈泡的發光角度,研發團隊在燈泡表面上設計了能夠嵌入LED元件的凹痕,藉此讓光線均勻向四周發射,來彌補LED單向傳送的缺點,而且還達到了比白熾燈泡更廣的發光範圍。「一般白熾燈泡的發光角度只有300度,我們已經可以做到330度,發光範圍反而更大,」許鎮鵬說。

然而,這樣的設計雖然解決了發光角度的問題,卻也出現了新的挑戰:散熱。由於一顆球泡燈上可能放置了上百個LED發光元件,導致熱度也非常集中。因此,為了讓熱能可以順利排放,電光所的團隊又在球泡燈內外設計了許多散熱的小孔,也把製造球泡燈的材質改成能夠導熱的散熱塑膠,以解決熱能排放的問題。

採用散熱塑膠 重量更輕 成本更低

在採用散熱塑膠製造球泡燈時,電光所也一併解決了生產成本以及重量兩大問題。過去白熾燈泡的製作材質多為金屬,價格比較昂貴;而這次電光所為了製造特殊的外型,首次嘗試使用可塑性更大的塑膠。「因為我們使用塑膠來製造,只要模具做好,很容易就可以大量生產,這是金屬做不到的優勢,」許鎮鵬分析,雖然散熱塑膠的成本比一般塑膠高,但跟既有的金屬比起來,生產成本還不到三分之一,相當有價格競爭力。

此外,採用塑膠材質的另一個好處,則是大幅減輕球泡燈的重量。許鎮鵬估算,傳統的金屬球泡燈重達約180克,但塑膠製作的球泡燈重量只有90至100克,減輕了約50%。「重量變輕,應用範圍也更廣了,」他舉例,因為塑膠製成的LED燈泡變輕了,可以憑空吊掛或者調整角度,不像傳統的金屬燈泡需要固定住,如演唱會投射燈等新應用,未來也將會陸續出現。

回顧整段開發輕亮LED球泡燈的過程,最困難的部分並不是研發新技術,而是如何利用既有技術,創造出新的價值。以球泡燈來說,採用散熱塑膠或者設計外型其實都不困難,但是一顆球泡燈該鑲嵌多少LED發光元件,才能在發光效率與生產成本之間取得平衡,才是困難之處。

許鎮鵬指出,第一代的60瓦輕亮LED球泡燈,外表一共有16道可以鑲嵌LED元件的凹痕,「這是我們嘗試過很多次之後的結果;要是凹痕太少,燈泡就不夠亮,但如果凹痕太多,就會放太多LED上去,也沒有必要。」

LED原本就有省電節能的優勢,如今再加上亮度、重量與生產成本的加持,要取得傳統高耗能的白熾燈泡,已經不是遙不可及的夢想;尤其是在獲得R&D100肯定之後,「輕亮LED球泡燈」這項技術,也勢必會引起全球的矚目。這也將為電光所長期在LED技術上的付出,再記上一筆功勞。

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