有鑑於 LED 的高度節能與優異的光源特性與產業的巨大潛力，中央大學於 2002 年即由校內光電、機械、化材與電機系所的專家組成一個跨領域的研究團隊，團隊成員從 5 位教授一舉擴充為超過 15 位教授與研究員的跨院系完整研發團隊，研究領域從基板的製作、MOCVD 磊晶、製程、光學模擬、散熱分析、金屬鍵結、螢光粉合成、封裝、光學設計、色彩工程到眼球模型及眩光等，幾乎涵蓋所有 LED 的研究主題，並在數年的研發中發展出許多新的重要研究成果，朝向精確的人因照明研究前進，而為將中央大學在 LED 照明的研究能量更有效地推廣至產業界。固態照明方面，多項光色技術具國際領先地位，並為國內產業所推崇，近年更成立「台灣綠色照明產業研發服務中心」，將持續擴大產學合作能量。未來將以 LED 固態照明之光電熱色整合技術於 LED 應用於節能照明為核心，以照明之人因科學與生物醫學為重點研究方向，研究子項課題包含高效能 LED 封裝導熱技術、高效能 LED 光色表現技術、LED 車前燈與高功率投射燈研究、LED 照明人因視覺、生醫研究與農業應用之研究。

鍾德元 ・張正陽 ・孫慶成 ・張榮森 ・楊宗勳 ・陳怡君 ・陳思妤 ・ 賴昆佑 ・ 綦振瀛

孫慶成

孫慶成教授在固態照明與人因科技領域的研究包括高精確螢光粉模型、超精確中場 LED 光源模型、微結構透鏡技術應用於 LED 路燈、LED 光子循環技術、人眼模擬光學模型、LED 之光萃取效率機制與 LED 指向性之提升及高效能 LED 室內燈具之光學設計。

高精確螢光粉模型

該研究是孫教授在中央大學費時六年所得的研究成果，是目前世界文獻上唯一可以以色座標來進行模擬與實際封裝比較的技術，如圖 1。在發展 LED 固態照明上一個相當難解的問題是白光 LED 光色不均的問題，這個問題在 LED 應用於室內燈具或走入教室時會被強烈放大，為解決這個問題，發展出一個超精確的螢光粉計算或模擬的模型非常重要。目前國際已知文獻都沒有一個廣泛的模型，可以用來做精確的模擬。第一個超精確模型是由本團隊在 2008 年發表於 Optics Express，該模型罕見地以矽酸鹽 (而非 YAG) 為主題，其中的理由便是因為台灣廠商不能取得 YAG 的授權，但是大多可以使用矽酸鹽螢光粉。

圖1、螢光粉研究的螢光片、封裝成品與實驗與模擬之比較。

在此之後，近三年本團隊路陸續針對 YAG 與氮化物螢光粉發展出極為精確的螢光粉模型，並進一步發展出綠紅雙粉之螢光粉模型與多波長之螢光粉模型，目前該二種模型能力仍未見於國際的論文或是各大公司的技術資料，亦即這將是領先世界的技術能力。而根據上述技術，申請人團隊於 2012 年發表超低空間色偏技術，創下世界紀錄。本研究是以超精確螢光粉模型為基礎，為解決白光 LED 在空間上色彩不均的現象。在研究中，以光學路徑的均齊化來提升 LED 的空間色彩一致性，獲得在白光 LED 的突破性研究成果 (如圖 2)，在白光 LED 的色溫接近 6500K 的情形下，創下 200K 以內的超低空間色偏，相較國際領導廠商動輒超過 2000K 的空間色偏，創下已公開文獻得世界記錄，將白光 LED 的色彩表現提升至另一個境界，對於應用於室內照明上，有極為正面的突破。此外，該論文在投稿至 Optics Express 時，創下九天內被接受的紀錄。本技術在 2012 年初發表後，隨即進行國內首次的技術移轉，廠商為億光電子，目前該技轉已順利結案。

圖2、中央大學 LED 固態照明團隊的白光 LED 封裝與螢光粉技術展現世界最佳之超低空間色偏。

超精確中場 LED 光源模型

在近四年之技轉案中，絕大多數與本技術相關。孫教授所提出之「中場理論」可以對任何一個光源進行非常精確的模型，其在三度空間中之光型達到 99.5% 以上的精確度，為世界最佳之模型之一 (如圖 3)。目前 LED 光源模型的建立皆是利用所謂近場光學量測儀推算，雖然亦可獲得精確的模型，但是無法針對該 LED 光源的封裝細節進行微調，亦只能量測代表的 LED，無法提供封裝廠進行光源產品一致性的生產改進。研究團隊近四年利用該模型於光學設計之驗證，協助國內超過十五家廠商的產品發展，並使其中的立群企業開發全球最佳的德規 (K-mark) 腳踏車頭燈 (如圖 4)，推出多款領先世界的產品 (亦經由捷安特與美利達採用)，德國同業在展場甚至無法相信該設計完成於台灣。此外，同時協助捷光照明發展機汽車車頭燈，取得佈局大陸市場的機會。

圖3、中場光學模型的示意圖。

圖4、德規腳踏車頭燈與其光學表現。

微結構透鏡技術應用於 LED 路燈

研究團隊歷經超過六年的發展，終於在 2012 年發表一種全新的為透鏡陣列設計與製作技術，藉由德國贏創晶盛的合作，成功地以反覆縮模的技術，可將大尺度的透鏡陣列縮小成尺寸約為數百微米的大深寬比之為透鏡陣列，該技術發表於 Optics Express，並技術轉移給永豐興科技公司生產壓印之為透鏡陣列。2013 年研究團隊在 Optics Express 發表一篇結合該為透鏡陣列整光透鏡技術的 LED 路燈設計技術，可以將照在路面的 LED 發光之光學利用率從高水準之 LED 路燈所具有的 45% 一舉提升至最高達 81%，同時可將一般具有約 10% 的平射或向上投射之光污染降低為 2%。上述的論文受到 OSA (美國光學學會) 的注意，於 2013 年四月二十四日對全球媒體發布新聞稿，獲得包括華爾街日報 (如圖 6) 與英國 BBC 電視台等三十多個國際媒體的報導，覆於六月在台灣召開記者會，又獲得約為等量的台灣與大陸媒體報導。同時該論文在 Optics Express 的下載率從四月即進入前五名，五至六月甚至曾位居第一名，至七月仍居第七名，受國際矚目的程度在台灣光電界極為少見。該技術目前已技術移轉給捷光照明，將於 2014 年量產。(國際報導之媒體如下: alternavox / BBC News / Before its news / Business Wire / Discovery news / e! Science News / ECN / EE LLS / Enhanced Online News (EON) /EurekAlert / Feed My Science / Fort Mill Times / Green Optimistic / I4U News / Japandailypress / Labortory equipment / LED Inside / Live blogs world / Muy Interesante / Nature World News / Photonics com / Physics News/ PHYSORG / redOrbit / Science Codex / ScienceDaily / ScienceNewsline / Space Daily / S&T RF / The Wall Street Journal / USA Check it daily News / WNP-World News Portal / Yahoo India Fince)

圖5、微結構透鏡LED 路燈。

圖6、華爾街日報的相關報導。

LED 光子循環技術

LED 光源或燈具的發光效率雖然與材料息息相關，但是若能將原本沒用的背向光子以及為有效的方式回收，將會大大地提高 LED 的發光效率。孫教授不但在 LED 晶片的光萃取效率的提升上早已揭露光子循環技術的重要性，在 LED 的封裝上，亦發展出利用光子循環技術用於螢光粉減量技術，螢光粉使用量可減少 30.0%，對於 LED 封裝產業降低成本有相當的助益。此外，孫教授在中央大學羽球館的燈光改良上，亦利用光子循環技術設計一個六角型燈具，除了提升燈具光學效率外，也兼顧直視燈具不眩光外，在不增加光源功率下，地面照度更達 450 LUX，幾乎達到國際比賽水準，成為國內羽球館的新世代節能照明之典範 (如圖 8)。

圖7、不同反射率與螢光粉減用量及出光效率比較圖。

圖8、利用光子循環技術所設計的中大羽球館LED照明，將地面照度提升三倍，同時達到防  眩與節能效果，不但嘉惠打球的師生，同時入選2013照明學會之照明設施獎。

人眼模擬光學模型

LED 固態照明符合綠色能源產業的屬性，進一步帶動照明與人因及光害之新興研究，其著重的眩光、光害與照明視覺科技將牽動我國照明產業在未來三十年的競爭力，其思維已超越台灣傳統之代工模式，取而代之的是人因照明科技。為此，孫慶成教授特別在中央大學照明與顯示所中組成國內第一個以人因照明科技為主要研究方向的視覺研究團隊，近三年同時加入眼內散射的模擬技術，以發展出人眼在不同年紀之眼球視覺模擬能力，其成果已發表於光學類之領導生醫期刊 J. Biomedical Optics，其模擬結果吻合 CIE 的經驗公式與真人量測結果，技術能力超越文獻揭露之國際一流水準，目前正朝向白內障與年紀相關之眩光模擬技術發展，並將之應用於先進 LED 固態照明之眩光設計平台，將可使台灣在新世代照明的防眩照明設計發展上具有領先世界技術的契機。目前在協助環保署對於路上的 LED 閃爍廣告看板引發之光污染進行研究，希望協助台灣廠商設計絢麗而又不造成道路使用者困擾之看板技術。

LED 之光萃取效率機制與 LED 指向性之提升

該研究將三種主要的 LED 光學萃取的機制進行廣泛而清楚的分析，使得學術界與產業界清楚地知道以表面粗化或是圖形畫基板在光學萃取上的貢獻，並優化其結構而展示出光極限。該研究已獲得 SCI 超過百次的引用，也對華新麗華公司進行技術移轉 (以產學研究形式)，成效相當優異。此外，發表於 2011 年 J. Display Tech. 的一篇相關文章，首次展示以微結構 (非光子晶體) 可以將 LED 的發光準直性作高達 400% 的強化；此外，在外腔式的 LED 指向性增強上，與台達電子合作開發出結合表面粗化與外腔回授機構，成功地達到 140% 的指向性增強，並已申請專利。上述研究對於以 LED 作為投影機之固態光源之發展，有極為重要的貢獻。

高效能 LED 室內燈具之光學設計

1. 高效率之 LED 泛光燈具

本研究建立一套精準的光學模型來估算具有擴散片的腔體效率，於本研究中定義的腔體皆為方型腔體，內壁皆覆蓋或者鍍上高反射材質，光源被放置於底部。此等效的計算模型使用一次性的穿透及反射率來進行分析，如圖 9 所示。

圖9、光線正向入射擴散板之一次性穿透及反射能量計算示意圖。

泛光燈具設計採用多片式之擴散板，搭配良好反射率之腔體可使得整體燈具效率達至 70% 以上，如此設計之燈具為一均勻面光源且大幅降低其眩光值。根據此模型，對於腔體之各項參數，如 LED 光源之散角及擺設間距、散射腔體之高度及寬度、腔體內壁反射率及散射能力、擴散片的穿透率及散射行為等進行優化，將此泛光元件之光學效率提升至 90% 以上，搭配適當之 LED 光源使得整體效率達到140 lm/W。

2. 高效率之 LED 投射燈具

本團隊以精準之中場光學模型，使用多晶 LED 作為燈具光源，並搭配本團隊所開發之多晶 LED 光學模型 (如圖 10)，以及高準度螢光粉光學模型為基礎，掌握光源的所有光學特性。

圖10、權重法之精準多晶 LED 光學模型。

搭配外腔式光源機構，藉此機制縮小 LED 光源之 Étendue 並增加光源之指向性。本計畫利用反射外腔回收光子於光源表面，藉由光源表面之微結構散射以提升小角度立體角內之光強。在二階光學的反射面設計，本團隊掌握了反射面上不同高度之位置對於面光源的調製能力如圖 11 所示，藉此得以分配與調製光學機構中各區域所攔截之能量，並對於效率進行優化。反射腔體內利用微結構改變所攔截到之光場分布，使得欲投射之光場範圍內可得到一均勻性較高且柔和之光形如圖 12，其光學效率在 90% 以上，搭配適當之 LED 光源，系統發光效率可達 140 lm/W。

圖11、反射面內不同高度之位置與發散角的關係。

圖12、反射杯式投射燈具。

圖13、透鏡式投射燈具。

3. 高效率之 RGB LED 混光燈具

本研究利用多晶 RGB 晶片封裝之 LED 為光源如圖 14 所示，以擴散板之散射腔體作為混光裝置之基礎，再搭配二次光學元件設計得到一混光均勻且柔和之燈具。利用本團隊已有之微透鏡陣列均光元件或適合之擴散板作為混光腔體之基礎，搭配本團隊所設計之散射元件可使光強分布更加均勻且具有高穿透之效率，亦可控制光場之發散角如圖 15 所示。而與各家相關合作廠商如 Bxxxr 所提供之擴散板，如圖 16 所示，亦可控制光場之發散角。目前混光腔體搭配二階光學元件之光學效率可達 70%。圖 17 為分析結果，由分析結果可得隨著光管幾何外形愈接近圓形時，由於出光面積較大，故光學效率越接近圓形的效率越高，而多邊形混光色彩均勻性則相反，混光效果最佳的幾何外行為四方形。最後，我們完成一同時具有均勻混光效果且保持效率水平之 RGB LED 混光燈具設計，成功地利用長度為 13 mm 的四方形光管達到均勻度值為 56.7%，且光學效率達 70.5%。

圖14、RGB LED 光源。

圖15、微透鏡陣列均光元件目前模擬之結構與實驗拍攝之光形。

圖16、Bxxxr 公司所提供之擴散片及其光形。

圖17、多邊形管長與光學效率和色彩均勻度的關係。

陳怡君

陳怡君教授在固態照明與人因科技領域的研究包括人眼視覺模型與眩光評價技術、LED 藍光成份對視覺生理影響，及中介視覺節能照明技術。

人眼視覺模型與眩光評價技術

眩光研究架構如圖 18 所示，延續研究團隊已初步建立之人眼光學模型及視覺舒適度測試環境，分別建構失能眩光與不舒適眩光之量測平台，並以此平台檢驗測試 LED 燈具。且完成在光學軟體中以生物統計資料建立具備全功能 (年齡、老花調節、白內障散射)、可模擬失能眩光之人眼模型，在視網膜上得到與 CIE (國際照明學會) 失能眩光公式相符的結果 (如圖 19)，並進一步模擬得到白內障患者的失能眩光曲線，同時以實驗量測人眼之調制轉換函數，所得結果與眼球模型之模擬相符。

圖18、研究團隊開發之 LED 眩光研究架構。

圖19、失能眩光研究成果：(左) 眼球模型符合正常人眼之 CIE 失能眩光光幕輝度曲線；(右)

量測人眼之調制轉換函數，眼球模型之模擬與所得之實驗結果相符。

LED 藍光成份對視覺生理影響

以現今常用三色螢光粉封裝的日光燈 (分別有三種色溫，為 5000K、4000K 與 3000K) 和色溫 6500K Broad 日光燈，與未來極具潛力的 Silicate 與 YAG 螢光粉封裝的 LED，在相同輸出流明與同色溫下做比較，探討常用 LED 藍光相較於我們習慣的室內日光燈之藍光量差異，計算其對視覺生理的影響。接著利用研究團隊所開發之眼球光學模型，探討不同年齡 (學齡兒童、青年與 65 歲等) 水晶體穿透頻譜的差異、其視覺生理受不同燈源之影響差異計算。完成年齡效應得探討後，進一步考量不同人種、不同虹膜顏色在視網膜上接收可見光的頻譜差異，計算相同燈源在不同虹膜顏色下所造成之色溫感受差異，以及不同燈源、不同虹膜顏色的視覺生理影響差異，並分別在台灣與法國 Toulouse III 大學，徵求受視者進行實測，驗證光學模擬計算結果，並提出 LED 用於室內照明之色彩調整建議。

中介視覺節能照明技術

利用 m-MOVE model，計算出在不同背景輝度下的中介視覺響應，作為優化中介視覺節能照明的理論基礎。預計採用雙 LED 為一組的模式，以白光 LED 搭配綠光 LED，在傍晚至午夜使用白光調降白光 LED 操作電壓、並啟動綠光 LED，調整兩顆 LED 之混光頻譜 P(λ)，午夜後配合低輝度下視覺響應峰值點往短波長移動的特性，計算所對應之中介視覺輝度 Lmes 如下：

(1)

在不同的中介視覺輝度要求下 (0.034 ~ 3.4 cd/m2)，找出花費功率最小的混光頻譜 P(λ)，使達到最節能之 LED 操作點。

設計開發雙 LED 中介視覺照明之亮度調控邏輯與電路，並進一步設計中介視覺適應照明之受試者實驗，分別在台灣與法國 Toulouse III 大學進行實測，驗證此 LED 混光設計之節能效率、演色性、用路人對所設計輝度的實際亮度感受以及對所設計路燈色彩的接受度。

圖20、白綠混光 LED 接受度實驗設計。

圖21、白綠混光 LED 實驗燈箱。

圖22、人臉辨識圖及照明環境接受度問卷範例。

陳思妤

陳思妤教授在固態照明與人因科技領域的研究主要為 LED 用於生醫治療之研究與驗證。

LED 用於生醫治療之研究與驗證

此研究與壢新醫院產業連結成果有效的開發出可攜式 UV-B LED 乾癬光療機，此光療機設計首先使用固態照明團隊所建立之中場擬合法來建立 UV-B LED 光源模型。並利用模擬來設計混光管，於實驗中實際打樣出電鍍鋁之混光管，且於出光口加上iris來控制照射面積。實驗結果如圖 23 所示，於不同開口大小，其混光均勻度都相當高，光管大小為直徑六公分，長為五公分的圓柱，因此相當方便攜帶。如此研究結果能有效商品化並量產，可使乾癬患者減少掛號等待之時間，在任何地方皆可進行光療。

圖23、改變光圈大小，於出光面觀察之光場分布與均勻度。

賴昆佑

賴昆佑教授在固態照明與人因科技領域的研究主要為高壓 LED 於陶瓷基板之製程設計及開發。

高壓 LED 於陶瓷基板之製程設計及開發

本團隊在知名光學期刊 Optics Express 21, 27102 (2013) 發表世界上第一顆在陶瓷基板上製程的高壓 LED。高壓 LED 的結構可有效提升電流分布的均勻度、簡化封裝程序，再加上陶瓷基板超高散熱能力 (Thermal Conductivity：230 W/m•K)，讓元件在極高的驅動功率 (670 W/cm2) 下，仍然可以輸出無衰減跡象的光功率 (Unsaturated Output Power)，如圖 24 所示。顯示陶瓷基板上的高壓 LED (Ceramic-HV)可以輸出最高的光功率，遠勝於陶瓷基板上的低壓 LED (Ceramic-LV) 及傳統 Sapphire 基板上的低壓 LED (Sapphire)。高壓 LED 的製程設計已逐漸成為固態照明產業的新趨勢。

圖24、高壓 LED 在陶瓷基板上的光功率輸出。

楊宗勳

楊宗勳教授在固態照明與人因科技領域的研究主要為高演色性無段式連續色溫變化之電控系統技術、發光二極體混色效能特性之改進、光源演色能力評估方式、LED 背光廣色域技術、色溫可調式色度儀、發光二極體用之螢光粉調配方式、高功率發光二極體之光電熱色行為整合模型及高功率發光二極體光衰行為模式。

高演色性無段式連續色溫變化之電控系統

利用多色 LED 混光，達成演色性達 90 以上之 LED 燈具電控系統，使其可操作於 2800K ~ 7500K 的色溫範圍，並且亮度: 0% ~ 100% 無段式連續變化，照明效果更符合人因需求。

圖25、等效光譜疊加模型，快速優化評估混光後之光色特性表現。

首先發展簡易等效光譜疊加模型，快速優化評估 LED 混光後之光色特性表現(如圖 25 所示)，掌握調光行為。利用 LED 與螢光粉個別的發光特色，經過適當的疊加計算，即可快速準確在特定色溫條件需求下，預估混光後之演色性表現，無須來來回回重覆地錯誤嚐試。

針對 2800K ~ 7500K 的色溫範圍，逐一計算每一色溫各色 LED 所需之混光比例 (如圖 26 左所示)。再比對各色 LED 混光比例需求相對應之驅動電流大小 (如圖 26 右所示)。最後，整理得到如圖 27 的結果，直接得到應用上之每一色溫需求，所必須予以驅動之電流大小，此對應關係可植入電控系統中之驅動電路模組，以程式靭體直接嵌入電控系統內。

圖26、左圖為各色 LED 在每一色溫下所需之混光比例關係。右圖為對應之驅動電流大小。

圖27、無段式連續色溫變化之各色 LED 驅動電流大小。

開發以色溫為調整導向，穩定控制色溫變化之電控系統，如圖 28 所示。在色溫訊號輸入後，經由一廣泛應用之微控制器 MCU，依照圖 29 之關係，計算出各色 LED 在該色溫混光所需之驅動電流，並將該電流送至各 LED 予以點亮，即能得到定色溫的混光照明效果。

圖28、無段式連續色溫變化之電控系統架構。

圖29、無段式連續色溫變化之電控系統架構。

經實測結果，在 4500K~9500K 色溫範圍內無段調整，均達 CRI > 94 之高演色性特質 (如圖 XX 所示)，而且可模擬逼近自然畫光的光色循環連續變化明效果 (如圖 30 所示)。

圖30、實測顯示無段式連續色溫變化之電控系統，可達成逼近自然畫光之照明效果。

高演色性色溫可調燈具調控系統，經優化調整後仍僅能達成 125 lm/W 的光效，未能達成原預期 150 lm/W 的高發光效率，需採用更高發光效率之 LED 晶片，方有機會實現。此乃為實現各色溫可調與照顧高演色性之前提下，不得不犧牲部份的發光效能。但是在色溫連續調整範圍內，演色性仍可實現高達 94 以上的高顯色效果，尤其在 6500K 條件下，演色性可高達 98。此無段連續色溫與亮度可調技術，除能兼顧演色性的光源品質，同時亦可提供更符合人因需求、適應應用環境之智慧照明系統利用；提高照明產品功能性，增加附加價值。

發光二極體混色效能特性之改進

在此方面，已利用了一套可配合發光二極體混光設計的優化計算方式，提升演色性、尋找符合照明需求的最大發光效率、設計可調變色溫之標準太陽光源，並用於顯示器背光源設計中，背光源發效率及顯示色域的平衡優化設計。

光源演色能力評估方式

針對螢光燈具、或是 LED 光源等屬於窄頻的發光光源，初步建構出一套完全由光譜分佈數據出發，不相依於任一色度座標、不決定於色差公式，直接由進到人眼的光譜分佈、人眼的承受光譜敏感度，同時測試色塊的選取也另由主成份分析 (Principle Component Analysis) 得到主要成份的反射率分佈，綜合中性而一致性地計算其光譜分佈的相關性，此方法可提高螢光燈、LED 燈等的演色能力評估，同時也可大幅地增進演色性指標的可信度。

LED 背光廣色域技術

本技術可以明顯地提升顯示器的色彩表現，使得以 RGB LED 為背光源的液晶顯示器具有更佳的黃藍色表現。在所有以 RGB LED 為背光源且具有 Color Filter 的液晶顯示器中，本技術所達之色域為世界第一，接近 RGB LED 背光色域的理論極限。

色溫可調式色度儀

利用 LED 本身的發光強度的高可調性，加上以發展的 LED 自然日光模擬器之技術，轉而開發出以 LED 做為色度量測時的照明光源的一種色溫可調式的色度儀量測原理，量測精確度可達光譜式色度儀之水準。目前已獲得到台、美之專利。

發光二極體用之螢光粉調配方式

主要在發展精確而有效的螢光粉發光激發機制，瞭解螢光粉在定性上、定量上的操控方式，以改變現行比較無效率的試誤法方式。

高功率發光二極體之光電熱色行為整合模型

目前已發展新的高功率發光二極體驅動模式，透過電性的即時迴饋監控，可以有效地降低高功率操作時散熱的處理需求，並且大幅簡化整體系統的複雜度。

高功率發光二極體光衰行為模式

利用加速老化的方式，大量實際量測資料數據，建立具可廣泛適用的老化變異趨勢模型，期望能用以評估預測 LED 的使用壽命。

鍾德元

鍾德元教授在固態照明與人因科技領域的研究包括 LED 晶片電熱耦合模擬、高熱導封裝材料模型建立與特性分析、熱影像鎖相技術、任意熱源分佈系統熱特性量測及被動對流冷卻系統開發。

LED 晶片電熱耦合模擬

數值模擬採用有限元素分析法，圖 31 為 2D LED 模擬初步成果，目前模擬結果證明初步模型建立正確，然而正確材料參數必須由實驗端確認。此部分模擬將可更進一部與結構力學模擬結合，支援對於 wafer bonding 應力之分析。

(a)                                                                                  (b)

圖31、電熱耦合模擬 2D LED 模型初步成果：(a) 流線為電流，假設為熱產生區域，(b) LED

之 I-V 曲線。

高熱導封裝材料模型建立與特性分析

利用紅外線穩態熱阻量測均溫板特性 (如圖 32)，藉由質量流率求得等效蒸熱傳係數與利用有限元素法求解毛細結構等效熱傳系數，建立均溫板等效模型。均溫板模型建立流程：首先量測均溫板的熱特性 (如圖 33)，藉由質量流率求得等效蒸氣熱傳係數與利用有限元素法求解毛細結構等效熱傳系數，最後建立均溫板等效模型。

圖32、紅外線穩態熱阻量測均溫板特性架構示意圖。

(a)                                                          (b)

圖33、高熱導封裝材料熱特性量測(a)均溫板外形，(b)均溫板熱導率量測設備。

熱影像鎖相技術

本研究使用空間解析度為 16.5 μm 的微距紅外線熱像儀建立一套使用鎖相熱影像成像法檢測 LED 缺陷位置的方法，鎖相熱成像法的特色是當在 LED 上輸入週期性變化的電流時，可以經由 LED 表面的溫度變化換算成溫度振幅與相位圖 (如圖 34)，溫度振幅圖可以表示在缺陷位置時所產生的異常高溫，相位圖可以表示 LED 晶粒上的發熱、發光的先後順序。而根據量測的結果，已經可以由溫度振幅與相位圖檢測出 LED 的缺陷位置。

圖34、(a)晶片表面影像，(b)晶片表面溫度對時間，(c)溫度振幅分佈圖，(d)相位分佈圖左上角晶片的(e)振幅分佈圖，(f)相位分佈圖。

任意熱源分佈系統熱特性量測

本研究原始架構中增設光纖束 (如圖 35)，此光纖束將可使能量損耗降低，並可以排列任意形狀之熱源，大幅提升原始量測平台之自由度。此量測法為非接觸式及非破壞性之量測，配合熱流模擬軟體將實驗參數代入其中做比對及驗證。

圖35、任意熱源分佈量測平台之架構示意圖。

被動對流冷卻系統開發

此結構使用低成本且輕巧、簡便之材料裝置於高功率 LED 燈具上，以保持結構體內外部之溫差，增強 LED 散熱鰭片附近流體之流速，經 60-W LED 燈具實驗結果顯示，如圖 36 所示，當被動對流結構高度加長時，LED 燈具散熱鰭片溫度降幅可達 25% 以上。

圖36、60-W LED 燈具鰭片溫度隨被動對流結構高度變化圖。

在相變散熱系統的研究中，本實驗使用 10-W LED 球泡燈燈具，在燈具鰭片上裝置一鋁製外殼，殼內部填充相變材料，利用相變材料之高儲熱特性與相變後液體之高對流特性增加散熱能力，延緩溫度上升之速度，實驗結果顯示，如圖 37 所示，紅色線為自然對流條件下之升溫曲線，藍色線為相變條件下之升溫曲線，比較後可發現，當燈具填充相變材料後，整體溫度降幅可達 23.7%，並拉長升溫之速度。

圖37、自然對流下與相變條件下之升溫曲線圖。

本模擬使用 8-W LED 球泡燈燈具，實驗使用 60-W LED 燈具進行量測，分別探討兩者在自然對流情形下與裝置被動對流系統下之情況，圖 38 為 8-W 球泡燈模擬之溫度隨被動對流結構高度變化曲線，圖 39 為 60-W LED 燈具實驗之溫度隨被動對流結構高度變化曲線，觀察模擬與實驗結果可得溫度降幅有類似之趨勢。未來將補上 60W- LED 燈具之模擬，以利比較實驗與模擬之結果。

圖38、8-W 球泡燈模擬之溫度隨被動對流結構高度變化圖。

圖39、60-W LED 燈具實驗之溫度隨被動對流結構高度變化圖。