【技術專欄】深入剖析LG推出之10美元球泡燈－LED照明的部落格

LED燈泡除了性能不斷提升，價格也越來越便宜;在去年，一顆常見的A19規格LED燈泡價格約在20~60美元，但今年，如這款LG的頂級LED燈泡產品，只要10美元就買得到。你家也裝了LED燈泡嗎?來自加拿大的科技分析機構MuAnalysis拆開LG的LED燈泡給你看!

　　目前市面上的LED燈泡發光效率與節能燈泡(compact fluorescent light bulbs，CFLs)幾乎相當，每瓦約50~60流明(lumens/watt);不過當CFL技術已經趨於成熟，LED照明技術仍持續演進。MuAnalysis所拆解的7.5瓦LG燈泡亮度為485流明，發光效率約每瓦65流明;是取代40瓦白熾燈泡的產品。不過若要達到485流明亮度，傳統40瓦白熾燈泡的發光效率僅每瓦12流明、僅是前者的五分之一。

若以LED燈泡──包括這款LG產品──來取代傳統檯燈內的白熾燈泡，其光線有個特性是向上的，這是因為其內部的LED發光體是水準放置;為改善這個問題，另一款飛利浦的LED燈泡採用三片垂直擺放的LED發光板。但無論如何，LED燈泡運用在高過肩膀的閱讀燈或是檯燈，其照明度還是很均勻、也不會讓被照射目標發熱。

　目前常見的檯燈設計，多是因應白熾燈泡光源散射的特性;檯燈的中軸是燈泡座、並搭配燈罩提供光線散佈與散熱效果。這種檯燈設計也很方便讓使用者替換壽命較短的白熾燈泡，與其上一代燈具──油燈──的外觀長相是截然不同的;在一開始，消費者對白熾燈檯燈的接受度並不佳，但假以時日，它很快取代了油燈。

　　現在，燈具設計也必須開始適應新一代的LED光源特性，而且其演化速度可能會更快。當LED照明的生命週期達到十年以上，替換燈泡不再是個大問題，照明燈具就能有更多樣化的外觀設計，而且燈具業者也必須認清，傳統的檯燈設計與LED燈泡特性其實是不相配的。

市場研究機構Strategies Unlimited預測，全球傳統照明燈具汰換市場，將由2011年的22億美元，在2016年成長至37億美元;而LED照明所擁有的優勢更勝於節能燈泡，它不含水銀、又可迅速點亮──節能燈泡讓人詬病的一個問題，就是開啟後得等上相對較長的一段時間才會達到最高亮度。

LED燈泡是結構複雜的電子裝置;LED本身是二極體半導體元件，僅需約3V左右直流電壓就可運作;以下拆解的LG燈泡雖然不可調光，但市面上也有其他價格較高的型號是可調光的，以提供消費者更多選擇。而與節能燈泡類似，LED燈泡的頸部內也有小型電路板。

　　分解LED燈泡

　　將LED燈泡頸部、尾端拆開，取出内部的電路板

　　LED燈泡頸部內電路板特寫──正面

　LED燈泡頸部內電路板特寫──背面

LED燈泡亮度高，但其實內部的LED晶片非常小;這款LG產品採用了32顆LED晶片，每一顆的尺寸僅0.5mm見方，比米粒還小。這些LED晶片是以4顆一組的形式放置在塗成黃色的小半圓頂下;那是一種螢光介質(fluorescent medium)，能將氮化鎵(gallium nitride)晶粒發出的藍光轉換成白光。

　　人們常會用螢光粉(phosphor)這個詞來稱呼以上那種螢光介質，但是其實該介質內可能根本沒有磷的成分。在下圖的LED發光體中，內含一小部分的釔鋁石榴石(yttrium aluminum-garnet，YAG)，以及用透明矽膠合成的鋇(barium)、鍶(strontium)與矽酸鈣(calcium silicate) ;依據不同的色溫需求，例如要冷白光或是暖白光，會使用不同的化學材料。

　　每顆尺吋0.5mm見方、厚度0.1mm 的LED芯片，以4顆一組的形式放置在黄色的小半圓頂下

　　LED發光器背面的散熱設計

　　顯微鏡下的LED芯片特寫，可見上面的内嵌电極

每顆LED晶片尺寸都非常小，而其大部分都是支撐材料;斜切開LED晶片看兩個焊極的截面，其中一個可見到厚度僅約7um、非常薄的氮化鎵(GaN)，放置在厚度約0.1mm的藍寶石基板上;藍寶石基板是做為氮化鎵的長晶介質。

　　藍寶石基板上的凸塊圖案可減低氮化鎵的位元錯密度(dislocation density);在晶片運作時，藍寶石襯底則可提供結構支撐與散熱效果。氮化鎵層其實底部有6um厚度是用不到的，該結晶層、也就是發光區域的品質，是通過逐漸改善才達到最上方的1um。該發光區域實際上的數量等級(order of magnitude)又更小，在納米範圍內、且距離晶片表面約100納米。