In der modernen Entwicklung der Beleuchtungsindustrie sind LED- und COB-Lichtquellen zweifellos die beiden schillerndsten Perlen. Sie nutzen ihre einzigartigen technischen Vorteile, um gemeinsam den Fortschritt der Branche voranzutreiben. Dieser Artikel analysiert eingehend die Unterschiede sowie die Vor- und Nachteile von COB-Lichtquellen und LEDs und untersucht die Chancen und Herausforderungen, denen sich die beiden im aktuellen Beleuchtungsmarktumfeld gegenübersehen, sowie die Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung der Branche.
TEIL.01
Verpackungsprozess: Der Sprung von diskreten Einheiten zu integrierten Modulen
Herkömmliche LED-Lichtquellen
Herkömmliche LED-Lichtquellen verwenden ein Einzelchip-Gehäuse, das aus LED-Chips, Golddrähten, Halterungen, Leuchtstoffen und Verpackungskolloiden besteht. Der Chip wird mit leitfähigem Klebstoff an der Unterseite der Reflektorschalenhalterung befestigt, der Golddraht verbindet die Chipelektrode mit dem Halterungsstift, und der Leuchtstoff wird mit Kieselgel vermischt, um die Chipoberfläche zu bedecken und so eine spektrale Umwandlung zu erreichen. Dieses Gehäuseverfahren ermöglicht eine Vielzahl von Formen, wie z. B. Direktsteck- und Patch-Typ, aber es handelt sich im Wesentlichen um eine wiederholte Kombination unabhängiger lichtemittierender Einheiten, wie verstreute Perlen, die sorgfältig in Reihe geschaltet werden müssen, um zu leuchten. Beim Bau einer großflächigen Lichtquelle steigt jedoch die Komplexität des optischen Systems exponentiell an, genau wie beim Bau eines prächtigen Gebäudes, das viel Arbeitskraft und Materialressourcen erfordert, um jeden Ziegel und Stein zu verbinden und zu verbinden.
COB-Lichtquelle
COB-Lichtquellen durchbrechen das traditionelle Verpackungsparadigma und nutzen die Multi-Chip-Direktschweißtechnologie, um Dutzende bis Tausende von LED-Chips direkt auf einer metallbasierten Leiterplatte oder einem Keramiksubstrat zu verbinden. Die Chips sind durch hochdichte Verdrahtung elektrisch miteinander verbunden, und die gesamte Oberfläche ist mit einer phosphorhaltigen Silikonschicht überzogen, um eine gleichmäßig leuchtende Oberfläche zu bilden. Diese Architektur gleicht dem Aufbringen von Perlen auf eine schöne Leinwand, da der physische Abstand zwischen den einzelnen LEDs eliminiert wird und ein kollaboratives Design von Optik und Wärme entsteht. Beispielsweise nutzt Lumileds LUXEON COB die eutektische Schweißtechnologie, um 121 0,5-W-Chips auf einem kreisförmigen Substrat mit einem Durchmesser von 19 mm mit einer Gesamtleistung von 60 W zu integrieren. Der Chipabstand ist auf 0,3 mm reduziert. Dank einer speziellen reflektierenden Kavität beträgt die Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung über 90 %. Dieses integrierte Paket vereinfacht nicht nur den Produktionsprozess, sondern schafft auch eine neue Form von Lichtquellen als Module und bietet eine revolutionäre Grundlage für das Lampendesign, genau wie es Lichtdesignern exquisite vorgefertigte Module zur Verfügung stellt und so die Effizienz von Design und Produktion erheblich verbessert.
TEIL.02
Optische Eigenschaften: Die Transformation von der Punktlichtquelle zur Oberflächenlichtquelle
Einzelne LED
Eine einzelne LED ist im Wesentlichen eine Lambertsche Lichtquelle mit einem Lichtemissionswinkel von etwa 120°, die Lichtintensitätsverteilung weist jedoch eine Fledermausflügelkurve mit einem starken Abfall in der Mitte auf, ähnlich wie bei einem hellen Stern, der leuchtet, aber etwas gestreut ist. Um den Beleuchtungsanforderungen gerecht zu werden, muss die Lichtverteilungskurve durch ein sekundäres optisches Design neu gestaltet werden. Das Linsensystem verwendet eine TIR-Linse, um den Lichtemissionswinkel auf 30° zu komprimieren, der Lichteffizienzverlust beträgt jedoch 15–20 %; der Parabolreflektor in der Reflektorlösung kann die zentrale Lichtintensität erhöhen, erzeugt jedoch deutliche Lichtflecke; wenn mehrere LEDs kombiniert werden, müssen sie ausreichend Abstand halten, um chromatische Aberration zu vermeiden, wodurch die Dicke der Lampe zunimmt, genau wie beim Versuch, ein perfektes Bild mit Sternen am Nachthimmel zusammenzusetzen, bei dem es jedoch immer schwierig ist, Fehler und Schatten zu vermeiden.
Integrierte Architektur COB
Die integrierte Architektur von COB weist die natürlichen Eigenschaften einer Oberflächenlichtquelle auf, wie eine strahlende Galaxie, mit gleichmäßigem und weichem Licht. Die dichte Anordnung mehrerer Chips eliminiert dunkle Bereiche, und mit der Mikrolinsenarray-Technologie kann die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung innerhalb einer Entfernung von 5 m 85 % betragen. Durch die Aufrauung der Substratoberfläche kann der Lichtwinkel auf 180° erweitert werden, wodurch der Blendungsindex (UGR) auf unter 19 gesenkt wird. Bei gleichem Lichtstrom ist die optische Ausdehnung von COB 40 % geringer als die von LED-Arrays, was die Lichtplanung deutlich vereinfacht. In der Museumsbeleuchtungsszene erreicht das COB-Schienenlicht von ERCO durch eine Freiformlinse ein Beleuchtungsverhältnis von 50:1 bei einer Projektionsentfernung von 0,5 Metern, was den Widerspruch zwischen gleichmäßiger Produktbeleuchtung und Hervorhebung der wichtigsten Punkte perfekt löst.
TEIL.03
Wärmemanagementlösung: Innovation von der lokalen Wärmeableitung bis zur Wärmeleitung auf Systemebene
Herkömmliche LED-Lichtquelle
Herkömmliche LEDs verwenden einen vierstufigen Wärmeleitpfad: Chip – massive Kristallschicht – Halterung – PCB. Der Wärmewiderstand ist komplex und ähnelt einem gewundenen Pfad, der eine schnelle Wärmeableitung behindert. Was den Wärmewiderstand der Schnittstelle betrifft, beträgt der Kontaktwärmewiderstand zwischen Chip und Halterung 0,5–1,0 °C/W. Was den Wärmewiderstand des Materials betrifft, beträgt die Wärmeleitfähigkeit einer FR-4-Platine nur 0,3 W/m·K, was zu einem Engpass bei der Wärmeableitung führt. Unter dem kumulativen Effekt können lokale Hotspots die Sperrschichttemperatur um 20–30 °C erhöhen, wenn mehrere LEDs kombiniert werden. Experimentelle Daten zeigen, dass bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C die Lichtabklingrate von SMD-LEDs dreimal schneller ist als bei 25 °C, und die Lebensdauer auf 60 % des L70-Standards verkürzt wird, genau wie bei längerer Sonneneinstrahlung, bei der Leistung und Lebensdauer von LED-Lichtquellen stark reduziert werden.
COB-Lichtquelle
COB verwendet eine dreistufige Wärmeleitungsarchitektur (Chip, Substrat und Kühlkörper), um einen qualitativen Sprung im Wärmemanagement zu erreichen, ähnlich wie beim Bau einer breiten und ebenen Autobahn für die Lichtquelle, wodurch Wärme schnell geleitet und abgeleitet werden kann. In Bezug auf die Substratinnovation erreicht die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumsubstrats 2,0 W/m·K und die des Aluminiumnitrid-Keramiksubstrats 180 W/m·K. In Bezug auf das Wärmeableitungsdesign wird unter dem Chip-Array eine Wärmeableitungsschicht gelegt, um den Temperaturunterschied auf ±2 °C zu regeln. Gleichzeitig ist es mit Flüssigkeitskühlung kompatibel und die Wärmeableitungskapazität erreicht 100 W/cm², nachdem das Substrat die Flüssigkeitskühlplatte berührt. Bei der Anwendung in Autoscheinwerfern verwenden Osram COB-Lichtquellen ein thermoelektrisches Trennungsdesign, um die Sperrschichttemperatur unter 85 °C zu stabilisieren, die Zuverlässigkeitsanforderungen der Automobilklasse AEC-Q102 zu erfüllen und eine Lebensdauer von über 50.000 Stunden zu haben. So können sie dem Fahrer auch bei hoher Geschwindigkeit eine stabile und zuverlässige Beleuchtung bieten und so die Fahrsicherheit gewährleisten.
TEIL.04
Lichteffizienz und Energieeffizienz: ein Durchbruch von theoretischen Grenzen zur technischen Optimierung
Herkömmliche LED-Lichtquellen
Die Verbesserung der LED-Lichteffizienz folgt dem Heitz'schen Gesetz und wird durch Materialsystem- und Strukturinnovationen immer weiter vorangetrieben. Bei der epitaktischen Optimierung erreicht die InGaN/GaN-Multiquantentopfstruktur eine interne Quanteneffizienz von 90 %; gemusterte Substrate wie PSS-Muster erhöhen die Lichtextraktionseffizienz auf 85 %; bei der Phosphorinnovation erreicht die Kombination aus CASN-Rotpulver und LuAG-Gelbgrünpulver einen Farbwiedergabeindex von Ra>95. Die LED der KH-Serie von Cree hat eine Lichteffizienz von 303 lm/W, aber die Übertragung von Labordaten in technische Anwendungen ist noch mit praktischen Herausforderungen wie Verpackungsverlust und Antriebseffizienz verbunden, genau wie bei einem begabten Sportler, der im Idealzustand erstaunliche Ergebnisse erzielen kann, in der Praxis aber verschiedenen Faktoren unterliegt.
COB-Lichtquelle
COB erzielt durch die Synergie von optischer Kopplung und Wärmemanagement Durchbrüche in der Lichteffizienz. Bei einem Chipabstand von <0,5 mm beträgt der optische Kopplungsverlust <5 %; die Lichtdämpfungsrate sinkt um 50 % pro 10 °C niedrigerer Sperrschichttemperatur; das integrierte Treiberdesign ermöglicht die direkte Integration des AC-DC-Treibers in das Substrat, wodurch die Systemeffizienz 90 % erreicht. In landwirtschaftlichen Beleuchtungsanwendungen erreicht Samsung LM301B COB durch Spektrumoptimierung und Wärmemanagement eine PPF/W (photosynthetische Photoneneffizienz) von 3,1 μmol/J, was im Vergleich zu herkömmlichen HPS-Lampen eine Energieeinsparung von 40 % bedeutet. Wie ein erfahrener Handwerker kann die Lichtquelle durch sorgfältige Anpassung und Optimierung in praktischen Anwendungen maximale Effizienz erzielen.
TEIL.05
Anwendungsszenarien: Von der differenzierten Positionierung bis zum Ausbau integrierter Innovation
Herkömmliche LED-Lichtquellen
LEDs erobern dank ihrer Flexibilität bestimmte Märkte. Im Bereich der Anzeigegeräte dominieren LEDs im 0402/0603-Gehäuse den Markt für Anzeigeleuchten in der Unterhaltungselektronik; bei Spezialbeleuchtungen haben UV-LEDs eine Monopolstellung im Härtungs- und Medizinbereich eingenommen; bei dynamischen Displays erreichen Mini-LED-Hintergrundbeleuchtungen ein Kontrastverhältnis von 10.000:1 und übertreffen damit LCD-Displays. Im Bereich der intelligenten Wearables beispielsweise ist die rote LED 0201 von Epistar nur 0,25 mm² groß, kann aber eine Lichtintensität von 100 mcd liefern und erfüllt damit die Anforderungen von Herzfrequenzsensoren.
COB-Lichtquelle
COB definiert die Lichttechnik neu. In der gewerblichen Beleuchtung erreicht eine bestimmte Marke von COB-Downlights eine Systemlichtausbeute von 120 lm/W, was im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine Energieersparnis von 60 % bedeutet. In der Außenbeleuchtung ermöglichen die meisten inländischen COB-Straßenlaternen bereits bedarfsgerechte Beleuchtung und Lichtverschmutzungskontrolle durch intelligentes Dimmen. In neuen Anwendungsbereichen erreichen UVC-COB-Lichtquellen im Bereich der Wasseraufbereitung eine Sterilisationsrate von 99,9 %, und die Reaktionszeit beträgt weniger als eine Sekunde. In Pflanzenfabriken kann durch die Optimierung der Spektrumformel von COB-Vollspektrumlichtquellen der Vitamin-C-Gehalt von Salat um 30 % erhöht und der Wachstumszyklus um 20 % verkürzt werden.
TEIL.06
Chancen und Herausforderungen: Höhen und Tiefen in der Marktwelle
Gelegenheiten
Höhere Konsumqualität und höhere Qualitätsansprüche: Mit der Verbesserung des Lebensstandards steigen auch die Ansprüche der Menschen an die Lichtqualität. COB hat mit seiner hervorragenden Lichtleistung und gleichmäßigen Lichtverteilung einen breiten Markt für hochwertige Wohnraum- und Gewerbebeleuchtung eröffnet. LEDs erfreuen sich aufgrund ihrer satten Farben und flexiblen Dimm- und Farbanpassungsfunktionen im Markt für intelligente Beleuchtung und Ambientebeleuchtung großer Beliebtheit und erfüllen so die Nachfrage der Verbraucher nach personalisierten und intelligenten Beleuchtungsprodukten im Zuge der Konsumsteigerung.
Förderung von Energiespar- und Umweltschutzmaßnahmen: Energieeinsparung und Umweltschutz werden weltweit großgeschrieben. Regierungen verschiedener Länder haben Maßnahmen ergriffen, um die Entwicklung der Beleuchtungsindustrie hin zu hoher Effizienz und Energieeinsparung zu fördern. Als Vertreter der energiesparenden Beleuchtung zeichnen sich LEDs durch einen geringen Energieverbrauch und eine lange Lebensdauer aus, wodurch sie mit politischer Unterstützung zahlreiche Marktanwendungsmöglichkeiten finden. Sie werden häufig in der Innen- und Außenbeleuchtung, Straßenbeleuchtung, Industriebeleuchtung und anderen Bereichen eingesetzt; auch COB-Lampen profitieren davon. Sie verbessern die Beleuchtungsqualität und können gleichzeitig Energie sparen. In professionellen Beleuchtungssituationen mit hohem Lichtbedarf können sie durch optisches Design und Energieumwandlung die Energieeinsparung verbessern.
Technologische Innovation und industrielle Modernisierung: Die Welle technologischer Innovationen in der Beleuchtungsindustrie hält an und verleiht der Entwicklung von COB und LED neue Impulse. COB-F&E-Mitarbeiter erforschen Verpackungsmaterialien und -prozesse, um die Wärmeableitungsleistung, Lichteffizienz und Zuverlässigkeit zu verbessern, die Produktionskosten zu senken und den Anwendungsbereich zu erweitern. Durchbrüche in der LED-Chiptechnologie, Innovationen in der Verpackungsform und die Integration intelligenter Steuerungstechnologie haben Leistung und Funktionen deutlich verbessert.
Herausforderungen
Harter Marktwettbewerb: COB und LED stehen in einem harten Wettbewerb mit vielen Herstellern. Der LED-Markt zeichnet sich durch ausgereifte Technologie, niedrige Markteintrittsbarrieren, hohe Produkthomogenität, starken Preiswettbewerb und niedrige Gewinnmargen aus. Obwohl COB im High-End-Markt Vorteile hat, verschärft sich mit der steigenden Anzahl an Unternehmen auch der Wettbewerb. Die Schaffung differenzierter Wettbewerbsvorteile ist für Unternehmen zu einer Herausforderung geworden.
Schnelle Technologie-Updates: Die Beleuchtungsindustrie entwickelt sich technologisch schnell weiter. COB- und LED-Unternehmen müssen mit der technologischen Entwicklung Schritt halten und sich an Marktveränderungen und die Verbrauchernachfrage anpassen. COB-Unternehmen müssen den Fortschritt bei Chips, Verpackungsprozessen und Wärmeableitungstechnologien im Auge behalten und die Produktentwicklung entsprechend anpassen. LED-Unternehmen stehen unter dem doppelten Druck traditioneller Technologie-Upgrades und der Entwicklung neuer Beleuchtungstechnologien.
Unvollkommene Standards und Spezifikationen: Die Industriestandards und Spezifikationen von COB und LED sind unvollkommen und es gibt Grauzonen bei der Produktqualität, den Leistungstests, der Sicherheitszertifizierung usw., was zu einer uneinheitlichen Produktqualität führt, es den Verbrauchern erschwert, die Qualität zu beurteilen, Schwierigkeiten beim Aufbau der Unternehmensmarke und der Marktförderung mit sich bringt und die Betriebsrisiken und -kosten des Unternehmens erhöht.
TEIL.07
Branchenentwicklungstrends: Der zukünftige Weg der Integration, High-End und Diversifizierung
Fusionsentwicklungstrends: COB und LED werden voraussichtlich eine integrierte Entwicklung erreichen. Beispielsweise sorgt COB als Hauptlichtquelle in Beleuchtungsprodukten für eine gleichmäßige und helle Grundbeleuchtung. In Kombination mit den Farbanpassungs- und intelligenten Steuerungsfunktionen von LEDs entstehen abwechslungsreiche und personalisierte Lichteffekte, die die Vorteile beider Technologien voll ausspielen und die umfassenden und tiefgreifenden Bedürfnisse der Verbraucher erfüllen.
Hochwertige und intelligente Entwicklung gehen Hand in Hand: Mit der Verbesserung der Lebensqualität und der Anforderungen an das Lichterlebnis entwickeln sich COB und LED in Richtung High-End und Intelligenz. Unternehmen werden ihre Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie Innovation erhöhen, Produktleistung, Qualität und Design verbessern und ein hochwertiges Markenimage schaffen. Beleuchtungsprodukte werden mit Technologien wie dem Internet der Dinge, Big Data und künstlicher Intelligenz integriert, um Funktionen wie automatische Steuerung, Szenenwechsel und Überwachung des Energieverbrauchs zu ermöglichen. Verbraucher können Beleuchtungsgeräte per Smartphone-App oder intelligenten Sprachassistenten fernsteuern und so Energie sparen.
Diversifizierte Anwendungserweiterung: Die Anwendungsbereiche von COB und LEDs erweitern und diversifizieren sich kontinuierlich. Neben der traditionellen Innen- und Außenbeleuchtung, der Straßenbeleuchtung und anderen Märkten werden sie auch in aufstrebenden Bereichen wie der landwirtschaftlichen Beleuchtung, der medizinischen Beleuchtung und der Schiffsbeleuchtung eine wichtige Rolle spielen. Beispielsweise emittieren LEDs in der landwirtschaftlichen Beleuchtung Licht einer bestimmten Wellenlänge, um die Photosynthese von Pflanzen zu fördern. Die hohe Farbwiedergabe und das gleichmäßige Licht von COB in der medizinischen Beleuchtung unterstützen Ärzte bei Diagnose und Behandlung und verbessern die medizinische Umgebung für Patienten.
Im weiten Sternenhimmel der Beleuchtungsindustrie werden COB- und LED-Lichtquellen weiterhin leuchten. Jede von ihnen spielt ihre eigenen Vorteile aus und integriert Innovationen, um gemeinsam den Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung für die Menschheit zu erhellen. Sie sind wie ein Entdeckerpaar, das Seite an Seite wandelt und ständig neue Ufer im Ozean der Technologie erkundet, um das Leben der Menschen und die Entwicklung aller Gesellschaftsschichten mit neuen Überraschungen und Licht zu erfüllen.