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作者:楊尚軒 (2014-07-14);推薦:徐業良(2015-12-11)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所楊尚軒碩士論文「嵌入式LED燈具散熱結構設計之研究與探討」第一章。

第一章     研究背景與目的

照明用電佔電能源消耗最大宗,全球莫不竭盡所能研發更節能的照明產品,發光二極體(LED)照明便是其中之一。本章首先對LED作一簡介,敘述其優缺點及在照明產品之應用,最後說明本研究的目的,針對嵌入式LED散熱結構設計進行深入探討。

1.1    LED簡介

發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)是一種能發光的半導體電子元件(如圖1-1),透過III-V族元素所組成的複合光源。全球第一顆可商品化LED誕生於1962年,由美國通用電氣公司的Holonyak博士所研製出來,但初期發光效率僅能達到LED自身發光,而未能達到具照明的功能。以下為LED演化史簡述[1]

(1)   1962年全球第一顆可商品化LED誕生(GaAs0.60P0.40,發光效率0.1lm/W)。

(2)   1975年紅色LED (GaP/ZnO)、綠色LED (GAP/N)、橙紅LED (GaAs0.35P0.65/N/GaP)及黃色LED (GaAs0.15P0.85/N/GaP)誕生。

(3)   1980LED發光效率提升10%

(4)   1993年藍光LED (InGaN/GaN)誕生。

(5)   1996年白光LED(覆蓋黃綠光螢光粉,發光效率25 lm/W)誕生。此後,LED發光效率以每年10%~20%的速度提升。

(6)   20025WLED的誕生,發光效率18-22lm/W

(7)   2003年,白光發光效率70 lm/W誕生。

(8)   2007年藍光LED發光效率100 lm/W誕生。

(9)   2009年日本發表效率高達249 lm/WLED

(10)   2010Philips發表白色LED發光效率208 lm/W

(11)   2012年美國科銳(Cree)推出發光效率254 lm/W LED

1-1. LED

LED本身是單色光源,而自然界白光陽光的光譜則是包含各種顏色,所以LED不可能完全達到如自然光的效果。白光LED是透過發出三原色的單色光(藍、綠、紅)或以螢光劑把發光二極體發出的單色光轉化,使整體光譜成為含有三原色的光譜,刺激人眼感光細胞,使人有看見白光的感覺。

現在市場普及的白光LED都採用單一發光單元發出波長較短的光,如藍或紫外光,再用磷光劑把部份或全部光轉化成一頻譜含有綠、紅光等波長較長的光。日本日亞化工從1996年開始生產的白光LED採用藍光LED作發光單元,磷光劑通常是摻雜了鈰的釔--鎵。LED發出的部份藍光由螢光劑轉換成黃光為主的較寬光譜,由於黃光能刺激人眼中的紅光和綠光受體,加上原有剩餘的藍光刺激人眼中的藍光受體,看起來就像白色光,而其所呈現的色澤常被稱作「月光的白色」。

另一種白光LED的發光原理跟螢光燈是一樣的。發光單元是紫外光LED,外面包著兩種磷光劑混合物,一種是發紅光和藍光的銪,另一種磷光劑是發綠光的銅和鋁摻雜了硫化鋅。內裡的紫外光LED發出的紫外光被外層的磷光劑轉換成紅、藍、綠三色光,混合後就成了白光。但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂劣化變質,所以生產難度較高,而壽命亦較短。與第一種方法比較,光波在轉化過程中有較多被化成熱能,因此效率較低,但好處是光譜的特性較佳,產生的光比較好看。而由於紫外光的LED功率較高,所以其效率雖比較第一種方法低,但出來的亮度卻相若。

白光LED優點敘述如下[2]

Ÿ   低光度下能量轉換效率高(電能轉光能的效率),適合用於夜燈、指示燈。高光度時,效率較傳統白織燈泡高。

Ÿ   反應時間短。

Ÿ   使用壽命長,約3~4萬小時。

Ÿ   屬固態元件,耐衝擊、震盪等,無傳統燈泡、燈管玻璃碎問題。

Ÿ   體積小,最小可達2mm,可使燈具變得輕薄短小。

白光LED有以下缺點[2]

Ÿ   LED在高光度時,能量轉換效率較低,比傳統螢光燈較耗電。有些燈具採多LED設計,在低光度下工作,以達照明效果,但成本相對提高。

Ÿ   LED發光效率易受高溫影響。高光度工作時,除浪費電能,溫度亦隨之上升,進而影響LED壽命,形成惡性循環。

Ÿ   LED光源面積小、分佈集中,用於照明用途時,會產生刺眼(眩光)情形。故須運用光學設計,分散其光源。

Ÿ   LED演色性(太陽光)較傳統燈光差,仍待加強。

1.2    白光LED於照明之應用

近年來世界各先進國家均竭盡所能的戮力於白光LED技術之精進與光效提升,進而使白光LED於近一二十年有爆發性的成長,其高發光效率及低耗電,逐漸被應用於照明之用途,並逐步取代傳統照明。目前市面上常見的LED照明商品有:手電筒、緊急出囗指示燈、手機閃光燈、車用頭燈、道路照明、室內一般照明等,其中室內一般照明又以球泡燈、燈管、投射燈、崁燈、吸頂燈及檯燈居多(圖1-2[3]

1-2. 室內LED照明燈具

1.3    研究目的

白光LED應用於照明雖日趨漸廣,但仍有一重要問題亟欲解決,那便是散熱。LED所消耗的電能僅10%~20%轉換成可見光,其餘皆轉換為熱的型態,白光LED對溫度是非常敏感的,白光LED在高功率使用時,其溫度亦隨之上升,在高溫作業下,溫度會影響LED效能,進而導致光衰現象及色溫偏差,甚至於熱燒毀,不僅影響LED發光效率且會縮短LED壽命。

目前大部分LED照明燈具,在散熱結構上多以鰭片、風扇、散熱膏等方式,做為降低LED燈具溫度的方法,但過多的鰭片或風扇,雖可達到有效的散熱、降低溫度,但相對的其生產成本亦隨之增加。例如市面上所販售的LED球泡燈,其散熱鰭片便佔球泡燈一半以上的體積。

本研究目的即在針對LED照明燈具之散熱結構進行研究與探討。本研究選擇嵌入式LED照明燈具(圖1-3)之散熱結構進行研究與討論,LED元件不在本研究與探討之範圍內,故在不改變光學與電子二者之原有先決條件,針對現有嵌入式LED照明燈具,進行散熱結構設計研究與探討,以最低的生產製作成本為目標,進行散熱結構最佳化設計,使嵌入式LED燈具所產生之溫度降低至所需目標值,進而延長嵌入式LED燈具之使用壽命。

1-3. 嵌入式LED照明燈具

本研究將使用商用軟體ANSYS來建立有限元素分析模型,分析嵌入式LED燈具不同的散熱結構設計之溫度分佈,並從中挑選幾組散熱效果數值較佳之散熱結構,製作成LED燈具實物,同時量測LED燈具實際溫度與ANSYS分析結果作相互比對,依其差異性進行探討。接下來並就這幾組散熱效果較佳之散熱結構建立最佳化設計模型,以ANSYS反覆模擬,在最低生產成本的目標下求取嵌入式LED燈具最佳化散熱設計。

本論文第二章對嵌入式LED照明燈具結構及各零件材質做詳細說明,同時討論常見影響散熱失效之問題;第三章運用ANSYS進行不同散熱結構設計之分析,並與LED燈具實物溫度作相互比對,探討其差異性;第四章建立最佳化設計模型,求取嵌入式LED燈具最佳化散熱設計;第五章本論文之結論,未來嵌入式LED燈具最佳化散熱設計方向

參考資料

[1]       LED照明推進協議會LED照明手冊,民99全華圖書股份有現公司

[2]       田民波、呂輝宗、溫坤禮,白光LED照明技術,民100五南圖書出版公司

[3]       台灣LED照明產業發展協會,http://www.taiwanledlight.com.tw/index.html