Nell'attuale sviluppo del settore dell'illuminazione, le sorgenti luminose LED e COB sono senza dubbio le due perle più brillanti. Grazie ai loro esclusivi vantaggi tecnici, contribuiscono congiuntamente al progresso del settore. Questo articolo analizzerà approfonditamente le differenze, i vantaggi e gli svantaggi delle sorgenti luminose COB e dei LED, esplorando le opportunità e le sfide che entrambe devono affrontare nell'attuale contesto del mercato dell'illuminazione, nonché l'impatto sulle future tendenze di sviluppo del settore.
PARTE.01
Processo di confezionamento: il salto dalle unità discrete ai moduli integrati
Fonti luminose a LED tradizionali
Le sorgenti luminose a LED tradizionali adottano una modalità di confezionamento a chip singolo, composta da chip LED, fili d'oro, staffe, fosfori e colloidi di confezionamento. Il chip viene fissato alla base della staffa del riflettore mediante colla conduttiva, il filo d'oro collega l'elettrodo del chip e il perno della staffa, e il fosforo viene miscelato con gel di silice per ricoprire la superficie del chip e ottenere la conversione spettrale. Questo metodo di confezionamento crea una varietà di forme, come il tipo a innesto diretto e quello a patch, ma è essenzialmente una combinazione ripetuta di unità di emissione luminosa indipendenti, come perle sparse, che devono essere accuratamente collegate in serie per brillare. Tuttavia, quando si costruisce una sorgente luminosa di grandi dimensioni, la complessità del sistema ottico aumenta esponenzialmente, proprio come la costruzione di un magnifico edificio, che richiede molta manodopera e risorse materiali per unire e combinare ogni mattone e pietra.
Sorgente luminosa COB
La sorgente luminosa COB rompe il paradigma del packaging tradizionale e adotta la tecnologia di saldatura diretta multi-chip per saldare direttamente decine o migliaia di chip LED su un circuito stampato metallico o su un substrato ceramico. I chip sono interconnessi elettricamente tramite cavi ad alta densità e l'intera superficie è ricoperta da uno strato di silicone contenente fosforo per formare una superficie luminosa uniforme. Questa architettura è come intarsiare perle su una splendida tela, eliminando lo spazio fisico tra i singoli LED e realizzando la progettazione collaborativa di ottiche e componenti termici. Ad esempio, il LUXEON COB di Lumileds utilizza la tecnologia di saldatura eutettica per integrare 121 chip da 0,5 W su un substrato circolare con un diametro di 19 mm, con una potenza totale di 60 W. La spaziatura tra i chip è compressa a 0,3 mm. Grazie a una speciale cavità riflettente, l'uniformità della distribuzione della luce supera il 90%. Questo pacchetto integrato non solo semplifica il processo di produzione, ma crea anche una nuova forma di sorgente luminosa come modulo, fornendo una base rivoluzionaria per la progettazione di lampade, proprio come fornisce ai progettisti di illuminazione moduli prefabbricati di alta qualità, migliorando notevolmente l'efficienza di progettazione e produzione.
PARTE.02
Proprietà ottiche: la trasformazione da sorgente luminosa puntiforme a sorgente luminosa superficiale
LED singolo
Un singolo LED è essenzialmente una sorgente luminosa lambertiana con un angolo di emissione di circa 120°, ma la distribuzione dell'intensità luminosa è una curva ad ala di pipistrello con una netta diminuzione al centro, come una stella luminosa, che brilla ma è leggermente diffusa. Per soddisfare le esigenze di illuminazione, la curva di distribuzione della luce deve essere rimodellata attraverso la progettazione ottica secondaria. Il sistema di lenti utilizza lenti TIR per comprimere l'angolo di emissione a 30°, ma la perdita di efficienza luminosa è del 15%-20%; il riflettore parabolico nella soluzione riflettente può aumentare l'intensità luminosa centrale, ma produrrà punti luminosi evidenti; quando più LED vengono combinati, è necessario mantenere una spaziatura sufficiente per evitare l'aberrazione cromatica, che aumenterà lo spessore della lampada, proprio come cercare di comporre un'immagine perfetta con le stelle nel cielo notturno, ma è sempre difficile evitare imperfezioni e ombre.
Architettura integrata COB
L'architettura integrata del COB presenta naturalmente le caratteristiche di una sorgente luminosa di superficie, come una galassia brillante, con una luce uniforme e morbida. La fitta disposizione di più chip elimina le zone d'ombra e, grazie alla tecnologia a matrice di microlenti, l'uniformità dell'illuminazione può raggiungere l'85% entro una distanza di 5 m; irruvidendo la superficie del substrato, l'angolo di illuminazione può essere esteso a 180°, riducendo l'indice di abbagliamento (UGR) a meno di 19; a parità di flusso luminoso, l'estensione ottica del COB è inferiore del 40% rispetto a quella del sistema LED, il che semplifica notevolmente la progettazione illuminotecnica. Nell'illuminazione museale, il sistema di illuminazione a binario elettrificato COB di ERCO raggiunge un rapporto di illuminazione di 50:1 a una distanza di proiezione di 0,5 metri grazie a una lente a forma libera, che risolve perfettamente la contraddizione tra l'illuminazione uniforme del prodotto e l'evidenziazione dei punti chiave.
PARTE.03
Soluzione di gestione termica: innovazione dalla dissipazione del calore locale alla conduzione del calore a livello di sistema
Sorgente luminosa LED tradizionale
I LED tradizionali adottano un percorso di conduzione del calore a quattro livelli: chip - strato di cristallo solido - staffa - PCB, e la resistenza termica è complessa, come un percorso tortuoso, che ostacola la rapida dissipazione del calore. In termini di resistenza termica dell'interfaccia, c'è una resistenza termica di contatto di 0,5-1,0 ℃/W tra il chip e la staffa; in termini di resistenza termica del materiale, la conduttività termica della scheda FR-4 è di soli 0,3 W/m·K, che diventa un collo di bottiglia nella dissipazione del calore; sotto l'effetto cumulativo, i punti caldi locali possono aumentare la temperatura di giunzione di 20-30 ℃ quando vengono combinati più LED. Dati sperimentali mostrano che quando la temperatura ambiente raggiunge i 50 ℃, il tasso di decadimento della luce dei LED SMD è 3 volte più veloce di quello di un ambiente a 25 ℃ e la durata si riduce al 60% dello standard L70, proprio come l'esposizione prolungata al sole, le prestazioni e la durata delle sorgenti luminose a LED saranno notevolmente ridotte.
Sorgente luminosa COB
Il COB adotta un'architettura di conduzione a tre livelli (chip, substrato, dissipatore di calore) per realizzare un salto di qualità nella gestione termica, proprio come pavimentare un'autostrada ampia e piana per la sorgente luminosa, consentendo al calore di essere condotto e dissipato rapidamente. In termini di innovazione del substrato, la conduttività termica del substrato in alluminio raggiunge i 2,0 W/m·K e quella del substrato ceramico in nitruro di alluminio raggiunge i 180 W/m·K; in termini di progettazione della dissipazione del calore, uno strato di dissipazione del calore viene posizionato sotto l'array di chip per controllare la differenza di temperatura entro ±2 ℃; allo stesso tempo, è compatibile con il raffreddamento a liquido e la capacità di dissipazione del calore raggiunge i 100 W/cm² dopo il contatto del substrato con la piastra di raffreddamento a liquido. Nell'applicazione dei fari per autoveicoli, le sorgenti luminose COB Osram utilizzano un design a separazione termoelettrica per stabilizzare la temperatura di giunzione al di sotto di 85°C, soddisfare i requisiti di affidabilità di livello automobilistico AEC-Q102 e avere una durata di oltre 50.000 ore, proprio come quando l'auto viaggia ad alta velocità, può comunque fornire ai conducenti un'illuminazione stabile e affidabile per garantire la sicurezza di guida.
PARTE.04
Efficienza luminosa ed efficienza energetica: una svolta dai limiti teorici all'ottimizzazione ingegneristica
Fonti luminose a LED tradizionali
Il miglioramento dell'efficienza luminosa dei LED segue la legge di Heitz e continua a farsi strada attraverso l'innovazione dei sistemi di materiali e delle strutture. Nell'ottimizzazione epitassiale, la struttura multi-pozzo quantico InGaN/GaN consente all'efficienza quantica interna di raggiungere il 90%; substrati strutturati come i pattern PSS aumentano l'efficienza di estrazione della luce all'85%; in termini di innovazione del fosforo, la combinazione di polvere rossa CASN e polvere giallo-verde LuAG raggiunge un indice di resa cromatica di Ra>95. I LED della serie KH di Cree hanno un'efficienza luminosa di 303 lm/W, ma la trasformazione dei dati di laboratorio in applicazioni ingegneristiche deve ancora affrontare sfide pratiche come la perdita di packaging e l'efficienza di guida, proprio come un atleta di talento che può ottenere risultati sorprendenti in condizioni ideali, ma nell'arena reale è soggetto a vari fattori.
Sorgente luminosa COB
La tecnologia COB raggiunge risultati rivoluzionari nell'efficienza luminosa ingegneristica grazie alla sinergia tra accoppiamento ottico e gestione termica. Con una spaziatura tra i chip <0,5 mm, la perdita di accoppiamento ottico è <5%; il tasso di attenuazione della luce diminuisce del 50% per ogni diminuzione di 10 °C della temperatura di giunzione; il design del driver integrato consente l'integrazione diretta del driver AC-DC nel substrato e l'efficienza del sistema raggiunge il 90%. Nelle applicazioni di illuminazione agricola, la tecnologia COB Samsung LM301B raggiunge un PPF/W (efficienza fotosintetica dei fotoni) di 3,1 μmol/J grazie all'ottimizzazione dello spettro e alla gestione termica, con un risparmio energetico del 40% rispetto alle tradizionali lampade HPS. Come un artigiano esperto, grazie a un'attenta regolazione e ottimizzazione, la sorgente luminosa può garantire la massima efficienza nelle applicazioni pratiche.
PARTE.05
Scenari applicativi: dal posizionamento differenziato all'espansione dell'innovazione integrata
Fonti luminose a LED tradizionali
I LED occupano mercati specifici grazie alla loro flessibilità. Nel campo dei display di segnalazione, i LED in package 0402/0603 dominano il mercato delle spie luminose per l'elettronica di consumo; nell'illuminazione speciale, i LED UV hanno conquistato il monopolio nei settori della polimerizzazione e della medicina; nei display dinamici, le retroilluminazioni Mini LED raggiungono un rapporto di contrasto di 10000:1, sovvertendo i display LCD. Ad esempio, nel campo dei dispositivi indossabili intelligenti, il LED rosso 0201 di Epistar ha una dimensione di soli 0,25 mm², ma può fornire 100 mcd di intensità luminosa, soddisfacendo le esigenze dei sensori di monitoraggio della frequenza cardiaca.
Sorgente luminosa COB
Il COB sta ridefinendo il paradigma dell'illuminotecnica. Nell'illuminazione commerciale, un certo marchio di downlight COB raggiunge un'efficienza luminosa di sistema di 120 lm/W, che si traduce in un risparmio energetico del 60% rispetto alle soluzioni tradizionali; nell'illuminazione esterna, la maggior parte dei marchi di illuminazione stradale COB per uso domestico può già ottenere un'illuminazione on-demand e il controllo dell'inquinamento luminoso attraverso la dimmerazione intelligente; in aree applicative emergenti, le sorgenti luminose COB UVC raggiungono un tasso di sterilizzazione del 99,9% nel campo del trattamento delle acque e il tempo di risposta è inferiore a 1 secondo. Nel campo delle fabbriche vegetali, attraverso l'ottimizzazione della formula spettrale delle sorgenti luminose COB a spettro completo, il contenuto di vitamina C della lattuga può essere aumentato del 30% e il ciclo di crescita può essere ridotto del 20%.
PARTE.06
Opportunità e sfide: alti e bassi nell'onda del mercato
Opportunità
Miglioramento dei consumi e della domanda di qualità: con il miglioramento degli standard di vita, le esigenze delle persone in termini di qualità dell'illuminazione sono aumentate. Il COB ha inaugurato un ampio mercato nell'illuminazione residenziale e commerciale di fascia alta grazie alle sue eccellenti prestazioni luminose e alla distribuzione uniforme della luce; il LED è preferito nei mercati dell'illuminazione intelligente e dell'illuminazione d'atmosfera grazie ai suoi colori intensi e alle funzioni flessibili di dimmerazione e regolazione del colore, che soddisfano la domanda dei consumatori di prodotti di illuminazione personalizzati e intelligenti, nell'ambito della tendenza al miglioramento dei consumi.
Promozione di politiche di risparmio energetico e tutela ambientale: il mondo attribuisce grande importanza al risparmio energetico e alla tutela ambientale, e i governi di diversi paesi hanno introdotto politiche per incoraggiare il settore dell'illuminazione a svilupparsi verso un'elevata efficienza e un risparmio energetico. Come rappresentante dell'illuminazione a risparmio energetico, i LED offrono un basso consumo energetico e una lunga durata, il che consente loro di ottenere un gran numero di opportunità di applicazione sul mercato grazie al sostegno delle politiche. Sono ampiamente utilizzati nell'illuminazione per interni ed esterni, nell'illuminazione stradale, nell'illuminazione industriale e in altri settori; anche i COB ne traggono vantaggio. Migliorando la qualità dell'illuminazione, possono ottenere determinati effetti di risparmio energetico. In scenari di illuminazione professionale con elevati requisiti di utilizzo della luce, possono migliorare gli effetti di risparmio energetico attraverso la progettazione ottica e la conversione dell'energia.
Innovazione tecnologica e ammodernamento industriale: l'ondata di innovazione tecnologica nel settore dell'illuminazione continua, fornendo nuovo impulso allo sviluppo di COB e LED. Il personale di ricerca e sviluppo COB esplora materiali e processi di imballaggio per migliorarne le prestazioni di dissipazione del calore, l'efficienza luminosa e l'affidabilità, ridurre i costi di produzione ed espandere il campo di applicazione; le innovazioni nella tecnologia dei chip LED, le innovazioni nella forma dell'imballaggio e l'integrazione della tecnologia di controllo intelligente ne hanno notevolmente migliorato le prestazioni e le funzioni.
Sfide
Forte concorrenza di mercato: COB e LED si trovano ad affrontare una forte concorrenza da parte di molti produttori. Il mercato dei LED vanta una tecnologia matura, basse barriere all'ingresso, una forte omogeneità di prodotto, una forte concorrenza sui prezzi e margini di profitto aziendali compressi; sebbene i COB presentino vantaggi nel mercato di fascia alta, con l'aumento del numero di aziende, anche la concorrenza si è intensificata e creare vantaggi competitivi differenziati è diventata una sfida per le aziende.
Aggiornamenti tecnologici rapidi: il settore dell'illuminazione è in rapido aggiornamento tecnologico e le aziende COB e LED devono tenere il passo con il ritmo dello sviluppo tecnologico e adattarsi ai cambiamenti del mercato e alla domanda dei consumatori. Le aziende COB devono prestare attenzione ai progressi dei chip, dei processi di confezionamento e delle tecnologie di dissipazione del calore, e adattare la direzione dello sviluppo dei prodotti; le aziende LED devono affrontare la doppia pressione degli aggiornamenti tecnologici tradizionali e dell'ascesa di nuove tecnologie di illuminazione.
Standard e specifiche imperfetti: gli standard e le specifiche del settore COB e LED sono imperfetti e vi sono zone grigie nella qualità del prodotto, nei test delle prestazioni, nella certificazione di sicurezza, ecc., che determinano una qualità del prodotto non uniforme, rendendo difficile per i consumatori giudicare la qualità, creando difficoltà nella creazione del marchio aziendale e nella promozione sul mercato e aumentando i rischi e i costi operativi aziendali.
PARTE.07
Tendenze di sviluppo del settore: il futuro percorso di integrazione, fascia alta e diversificazione
Tendenze di sviluppo della fusione: si prevede che COB e LED raggiungeranno uno sviluppo integrato. Ad esempio, nei prodotti di illuminazione, il COB, come principale fonte di luce, fornisce un'illuminazione di base uniforme e ad alta luminosità, combinata con la regolazione del colore e le funzioni di controllo intelligente dei LED, per ottenere effetti di luce diversificati e personalizzati, sfruttando appieno i vantaggi di entrambi e soddisfacendo le esigenze complete e approfondite dei consumatori.
Sviluppo intelligente e di fascia alta vanno di pari passo: con il miglioramento della qualità della vita e dei requisiti di illuminazione, COB e LED si stanno sviluppando verso tecnologie di fascia alta e intelligenti. Le aziende aumenteranno gli investimenti in ricerca e sviluppo e innovazione, miglioreranno le prestazioni, la qualità e il design dei prodotti e creeranno un'immagine di marca di alta gamma; i prodotti di illuminazione saranno integrati con tecnologie come l'Internet of Things, i big data e l'intelligenza artificiale per ottenere funzioni come il controllo automatizzato, la commutazione di scenari e il monitoraggio del consumo energetico. I consumatori possono controllare a distanza le apparecchiature di illuminazione tramite app per smartphone o assistenti vocali intelligenti per ottenere una gestione del risparmio energetico.
Espansione diversificata delle applicazioni: i campi di applicazione di COB e LED continuano ad espandersi e diversificarsi. Oltre all'illuminazione tradizionale per interni ed esterni, all'illuminazione stradale e ad altri mercati, svolgeranno un ruolo importante anche in settori emergenti come l'illuminazione agricola, l'illuminazione medicale e l'illuminazione marina. Ad esempio, i LED nell'illuminazione agricola emettono luce a una lunghezza d'onda specifica per promuovere la fotosintesi delle piante; l'elevata resa cromatica e la luce uniforme dei COB nell'illuminazione medicale aiutano i medici a diagnosticare e curare e a migliorare l'ambiente medico per i pazienti.
Nel vasto cielo stellato dell'industria dell'illuminazione, le sorgenti luminose COB e LED continueranno a brillare, ciascuna con i propri vantaggi e integrando l'innovazione reciproca per illuminare insieme la strada luminosa dello sviluppo sostenibile per l'umanità. Sono come una coppia di esploratori che camminano fianco a fianco, esplorando costantemente nuove sponde nell'oceano della tecnologia, portando nuove sorprese e luce alla vita delle persone e allo sviluppo di ogni ambito della vita.