COB(칩 온 보드) LED를 통해 조명 설계에서 비용 및 에너지를 절감할 수 있는 이유 및 방법

LED는 향상된 에너지 효율, 연장된 수명 및 소형화된 크기를 비롯하여, 여러 가지 방법으로 기존 광원과 경쟁합니다. 그러나, 여러 조명 설계자를 괴롭혀온 한가지 문제점은 비용이며, 비용은 LED 제조업체가 계속적으로 규모의 경제를 향상시키는 데 혁신을 일으키는 주요 이유이기도 합니다. 비용 절감을 위해 설계된 최신 패키징 솔루션 중 하나는 LED 칩이 PCB(주로 기판)에 매입되거나 연결되는 것이 아니라 직접 실장되는 반도체 칩 형태로 제공되는 COB(칩 온 보드) 광원 모듈입니다. 이 패키징 유형은 또한 설계 유연성 향상, 배광 개선 및 제조 공정 간소화 등 여러 관련된 이점을 제공합니다.

이외에도 설계자가 다음 설계를 위해 COB LED를 심각하게 고려하는 여러 이유가 있습니다. Research and Markets가 제공한 최신 보고서에서 분석가는 광대역 광 방출기(고속도로 및 가로등에 사용 가능)인 COB LED가 색상 혼합 향상, 광효과 향상 및 낮은 열 저항 요구 사항의 세 가지 주요 이점을 제공한다고 밝혔습니다. 또한 Research and Markets의 분석가에 따르면 이러한 COB LED는 향상된 전력 밀도, 보다 효율적인 방열을 제공하고 기판 공간에서 차지하는 부분이 더 작기 때문에 다양한 일반 조명 응용 제품에 적합하다고 설명했습니다.

이제 Bridgelux의 Vero™, Sharp의 Zenigata 및 Cree의 CXA 제품을 살펴보겠습니다. 이를 통해 이러한 제품이 에너지 및 비용을 절약하면서 조명 설계를 간소화하는 방법을 확인할 수 있습니다.

지난 해 Bridgelux(CA, 리버모어)는 통상 120lm/W, 최소 평균 110lm/W의 고성능 효율을 자랑하는 Vero 계열의 COB LED 어레이(그림 1)를 소개했습니다. 이러한 개선은 이전 제품 세대와 비교하여 약 11%의 에너지 절감을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 이 계열은 4가지 발광 표면(LES) 구성으로 제공되며 광범위한 전류 범위에 걸쳐 작동할 수 있습니다. 또한, Vero 어레이는 2개의 표준 편차 배색(SDCM) 및 3개의 SDCM 색상 제어 옵션이 제공되므로 높은 색상 제어 정밀도와 균일한 조명을 제공할 수 있습니다.


그림 1: Bridgelux Vero 제품군은 70, 80, 90 및 97 Décor의 CRI 옵션을 제공합니다. 따뜻한 흰색의 경우 색상 스펙트럼은 3,000K CRI 80, 중간 흰색의 경우 4,000K CRI 80, 차가운 흰색의 경우 5,000K CRI 70입니다(Bridgelux 제공).

Bridgelux에 따르면 정밀 색상 제어가 높을수록 “주변 광원 간에 향상된 일치성 및 균일성을 제공하므로 조명의 품질이 향상됩니다." 또한 Vero 계열은 조명 및 램프에 대한 캘리포니아 에너지 위원회(California Energy Commission) R9 요구 사항 이상을 실현합니다.

120lm/W 효율 사양은 공칭 전류에서 구동되는 3,000K, CRI 80 구성을 기반으로 하는 모든 폼 팩터에서 제공되는 평균 성능이라고 Bridgelux는 덧붙였습니다. 그러나 더 낮은 전류에서 구동될 경우 설계자는 최대 140lm/w의 효율을 달성할 수 있습니다.

무납땜 전기 연결 및 간편한 실장을 가능하게 하는 기판 실장형 커넥터 포트 덕분에 Vero 플랫폼에서는 플러그 앤 플레이 연결을 구현할 수 있으므로 조명 제조업체의 생산 공정을 간소화하는 데 도움이 됩니다. 여러 이점에는 비용 절감, 시장 출시 기간 단축 및 재고 요구 사항 감소가 포함됩니다.

주요 사양은 다음과 같습니다.

• 루멘 출력 성능 범위: 240루멘 ~ 16,400루멘
• CCT 옵션: 2,700K ~ 5,000K
• CRI 옵션: 70/80/90/97 CRI Decor 제품
• 2,700K ~ 4,000K CCT에 대한 3개의 SDCM 표준(2개의 SDCM 옵션 제공)
• 최대 2x 정격 구동 전류에서 신뢰할 수 있는 작동
• 방사형 다이 패턴으로 루멘 밀도 및 빔 제어 향상
• 열 분리형 납땜 패드
• 플러그 앤 플레이 연결 및 현장 업그레이드 가능성을 위한 무납땜 커넥터 포트
• 상단 제품 표시 및 2D 바코드

다른 이점으로 다양한 표준 구동기(350mA 증가) 및 광학 부품과의 호환성을 들 수 있는데 이를 통해 설계 유연성이 향상되고 추가적 옵션이 제공되므로 제품 개발 주기 및 비용과 재고 문제를 줄일 수 있습니다.

또한 Sharp Electronics Corp의 Zenigata COB 기술도 간소화된 설계를 제공합니다. Zenigata 계열 모듈은 Mega, Mini 및 Petite Zenigata의 3가지 변형으로 제공됩니다. Sharp의 설계는 금속 대신 "변색 없이 최적의 열 방출"을 제공하는 세라믹 기판을 사용합니다. 이로 인해 시간이 지나도 일관적 루멘 출력을 제공하며 색상 변이가 낮습니다. 일정한 LES는 다양한 응용 제품에서 조명 품질을 향상시키면서 광학 설계를 용이하게 합니다.

Sharp COB 모듈을 자세히 살펴보겠습니다.

Mega Zenigata 50W ~ 80W 모듈은 전력을 절감할 수 있는 고전력 조명 응용 제품을 목표로 합니다. 고휘도 LED는 조명 기구에서 여러 LED를 사용할 경우 균일성 문제를 제거하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 모듈은 균일성 문제 해결과 함께 픽스처에서 단 한 개의 LED 사용을 허용하며 공간을 절약합니다. 20mm × 24mm 패키지 치수로 제공되는 Mega Zenigata 제품군은 각각 90CRI 및 80CRI의 최소 성능과 함께 높은 CRI 및 일반 CRI를 모두 포함합니다. 이러한 COB LED는 건축 조명, 스포트라이트, 다운라이트, 함요형 캔 조명, 에어리어 및 개체 조명, 고밀도 조명 등 실내 및 실외 조명 응용 제품에서 사용할 수 있습니다.

중간 크기 제품 응용 제품을 위해, Sharp는 원형 8mm LES를 통해 렌즈와 반사기 설계를 간소화하는 15W Mini Zenigata COB 제품군을 제공합니다. Sharp에 따르면 15mm x 12mm x 1.6mm 패키지 크기로 제공되는 Mini Zenigata LED는 방출 영역 감소와 함께, Mega 제품이 차지하는 표면 면적의 1/3을 제공합니다. 응용 분야에는 실내 및 실외 조명, 건축 조명, 독서등, 스포트라이트, 모바일 조명, 펜던트 조명, 기호 및 상징 조명뿐만 아니라 에어리어 및 개체 조명이 있습니다.

저전력 제품을 위해, Petite Zenigata COB LED(그림 2)는 소형 스포트 또는 트랙 조명 기구를 비롯하여 보다 작은 렌즈를 필요로 하는 응용 제품용으로 설계되었습니다. 이러한 LED는 8mm x 12mm의 작은 패키지 크기와 4mm LES를 제공합니다. 9.6V 제품은 MR16 램프(일반적으로 12V 필요)에서 벅 DC/DC 컨버터 사용을 허용하며 고전압 40V 부품은 라인 전압 GU10 램프를 위한 구동기 설계를 간소화합니다. 이 LED는 MR16 교체 램프, GU10 교체 램프, 소형 트랙 조명, 소형 스포트라이트, 펜던트 조명, 소형 독서등 및 소형 액센트 조명을 비롯하여 초소형 콤팩트 렌즈를 요구하는 설계에서 사용할 수 있습니다. 고 CRI 라인(최소 CRI 90)은 300루멘 ~ 395루멘 휘도를 제공합니다.


그림 2: Sharp Petite Zenigata COB LED는 8mm x 12mm의 작은 패키지 크기와 4mm LES를 제공합니다. 9.6V 제품은 MR16 램프(일반적으로 12V 필요)에서 벅 DC/DC 컨버터 사용을 허용하며 고전압 40V 부품은 라인 전압 GU10 램프를 위한 구동기 설계를 간소화합니다(Sharp 제공).

Cree Inc.(NC, 더럼)는 최근 11,000루멘(85°C 기준) 이상을 제공하는 CXA3070 LED 어레이로 CXA 제품군을 확장했습니다. 설계 간소화 및 전체 시스템 비용 절감을 목표로 하는 고 광출력 LED는 85°C 기준 최대 134루멘/W 및 CRI 70~95 옵션을 제공합니다. 85°C에서 특성화 및 비닝되는 이 LED는 ANSI White 및 EasyWhite 색상 온도(2,700K ~ 5,000K)로 제공됩니다.

높은 루멘 출력 및 고효율을 제공하는 CXA3070 LED 어레이는 8000루멘 ~ 10,000루멘 이상의 시스템 성능을 제공할 수 있습니다. 즉, 하이베이 및 세라믹 금속 할로겐산화물 교체품 같은 초고루멘 출력 응용 제품에서 사용할 수 있습니다.

CXA 3070 어레이를 위해 제조업체에서 제공하는 상대 광속 값(아래 그림 3)은 지정된 조건에서 정상 작동 중인 CXA3070의 측정 비율을 비닝 동안 측정된 플럭스로 나눈 것입니다(1,925mA, TJ = 85°C에서 펄스 측정).

예를 들어, T_C = 25°C, I_F = 1,300mA 기준 정상 작동에서 상대 광속 비율은 80%입니다(차트 참조). 비닝 동안 8,500lm을 측정하는 CXA3070 LED는 T_C = 25°C, I_F = 1,300mA 기준의 정상 작동에서 6,800lm(8,500 * 0.8)을 제공합니다.


그림 3: 상대 광속 값은 지정된 조건에서 정상 작동 중인 CXA3070의 측정 비율을 비닝 동안 측정된 플럭스로 나눈 것입니다(1,925mA, TJ = 85°C에서 펄스 측정)(Cree 제공).

Cree CXA3070 어레이의 주요 사양은 다음과 같습니다.

• 4스텝 및 2스텝 EasyWhite 빈으로 제공(2,700K, 3,000K, 3,500K, 4,000K 및 5,000K CCT 기준)
• ANSI 흰색 빈으로 제공(4,000K 및 5,000K CCT)
• CRI 70 및 80(최소) 옵션 제공
• 순방향 전압: 38.5V
• 85°C 비닝 및 특성 정의
• 2,800mA의 최대 구동 전류
• 115° 시야각, 균일한 색도 프로파일
• 상단 납땜 연결

요약하면, 조명 설계자에게 비용은 항상 큰 문제입니다. 그러나 LED의 평균 판매 가격이 낮아지면서 COB LED의 채택이 계속적으로 늘어가고 있습니다. 여러 설계자가 이 제품이 에너지 절약 및 설계 유연성 향상뿐만 아니라 조명 시스템 제조업체 및 최종 사용자 모두에게 이익이 되는 개선된 배광을 제공할 수 있음을 인지하기 때문입니다.