臺灣博碩士論文加值系統

LED是一種利用半導體物理特性的發光電子元件，具備發光效率高、能耗低、高信賴性、體積小、啟動快速等優勢。廣泛使用在各種電子產品中，而近年LED技術已進展到可被用在一般照明市場。但因LED之物理特性，在操作溫度過高時，會降低使用壽命和增加失效可能，所以在設計LED的照明產品時，散熱機構就是其中重要的課題之一。

本研究針對LED路燈模組於不同的散熱配置下，其光通量、色溫及燈具模組之溫度變化，進而推估最佳化之整體燈具效能；分別使用散熱鰭片及高分子複合陶瓷金屬散熱材料（導熱膏），依照田口分析方法，得到四組不同的變因配對方式；使用各種儀器進行實驗分析。主要分為三個主題探討：（1）光衰比（％）；（2）色溫偏移量（％）；（3）LED路燈模組溫度分佈；再綜合這三個主題，分析數據比較及散熱效益的變化情形。再進一步以相同的LED路燈模組進行長時間點亮測試，含有高分子複合陶瓷金屬散熱材料（導熱膏）及有散熱鰭片的模組設置成效最佳，光衰比約87.6 %，色溫偏移量約2.5 %，LED模組散熱效果皆遠高於其他三種配置方式。

為驗證本研究的實驗結果，我們比對相關的前例研究[7] ~[16]，瞭解利用改變鰭片的設計包含間距、高度、長度、厚度 與鰭片表面鍍層，甚至是外接風扇，可以最佳化散熱模組的熱散效果；而本研究使用散熱鰭片配合導熱膏作為傳導散熱的媒介，藉由不同的光學和熱學量測方法，利用積分球儀器量測驗證光衰比與色溫偏移量，以及使用T type熱電偶和紅外線測溫熱影像儀，對散熱模組各點進行溫度測量和紀錄，進而瞭解燈具散熱模組是否會因不同變因而有不同的溫度表現。綜合以上實驗結果顯示，有良好的散熱配置可以有效降低LED模組的溫度表現，進而減低色溫偏移量和提升整體燈具效率。


【關鍵詞彙】：LED、光通量、色溫、散熱分析

LED is a semiconductor light emitting component which has many advantages such as high efficiency on illumination, low power consumption, high reliability, small size, and rapid turn-on. LED is applied in various electronics products. In recent decade, LED technology is now can be used as general lighting market. But LED is also constrained by its characteristics. Its lifetime and reliability can be lowered at over temperature operation. So the design of thermal solution is one of the most important issue when we develop a new LED lighting product.

This study is to test performance change, such as correlated color temperature, luminous flux, and thermal gradient of a LED streetlight module by different heat dissipation configurations which set plate-fin and polymerizable liquid matrix thermal conductive material (thermal grease) as variants. Then we analyze the results from instruments by four pairs of experimental variants. Three factors are monitored in this research: (1) Light decay ratio (%) (2) Color shift during a period (3) Thermal gradient of the LED streetlight module. We summarize these factors and monitored results of thermal gradient differences. Furthermore, we test a LED streetlight module with long term burning condition and find out the module contains plate-fins and thermal grease performs better than other three configurations. The light decay ratio of the LED streetlight module is 87.6%, and the color shift is 2.5%.

In order to verify the results of this thesis, we compare the results to other previous researches. The main factors make effect on thermal dissipation are the distance, height, length, thickness, and surface area of the plate-fins. An additional electrical fan can also help on the thermal issue of a LED streetlight module. This research focuses on how much can a LED streetlight module can be effected by the combination between plate-fins and thermal grease. With certain optical and thermal measurements, we investigate the physical changes by integrated sphere, T type thermocouple, and IR thermometer. By record of the data points on the LED streetlight module, we understand the trend of how the factors make effect on the performance of a LED streetlight module. Summarily, a well-designed thermal dissipation configuration can lower the average temperature on a LED streetlight module, then improves on the color shift effect and increases total efficiency of a LED streetlight.


【Keywords】：LED, Luminous Flux, CCT, Thermal dissipation analysis

銘謝.......................................I
中文摘要....................................II
Abstract...................................IV
目錄........................................VI
圖目錄......................................IX
表目錄......................................XIII
第一章 緒論.................................1
1.1 研究背景及動機.........................1
1.2 文獻回顧..............................3
1.3 研究目的與方法.........................6
1.4 論文架構..............................8
第二章 相關理論介紹...........................9
2.1 發光二極體.............................9
2.1.1 發光二極體的發展........................10
2.1.2 LED的發光原理..........................11
2.1.3 LED的製作流程與產業分工..................13
2.1.4 LED照明應用領域.........................17
2.2 燈具產品規格單位介紹.....................20
2.3 LED 的散熱路徑.........................30
第三章 實驗儀器及方法介紹......................32
3.1 積分球原理架構與操作方式..................32
3.2 紅外線測溫熱影像儀原理架構與操作方式........36
3.3 熱電偶溫度計與測溫線原理架構與操作方式......39
3.4 實驗條件物料介紹.........................45
3.4.1 散熱媒介，高分子複合陶瓷金屬散熱材料........45
3.4.2 散熱鰭片...............................47
3.5 測試燈具介紹............................48
3.6 測試組合...............................50
3.7 實驗流程介紹............................52
第四章 實驗結果與分析...........................54
4.1 第一組設置模組實驗（AB）..................55
4.1.1 實驗模組配置方式.........................55
4.1.2 光電測試及測試數據.......................55
4.1.3 溫度測試與測試數據.......................58
4.2 第二組設置模組實驗（BC）..................61
4.2.1 實驗模組配置方式.........................61
4.2.2 光電測試及測試數據.......................61
4.2.3 溫度測試與測試數據.......................64
4.3 第三組設置模組實驗（AD）..................67
4.3.1 實驗模組配置方式.........................67
4.3.2 光電測試及測試數據.......................67
4.3.3 溫度測試與測試數據.......................70
4.4 第四組設置模組實驗（CD）..................73
4.4.1 實驗模組配置方式.........................73
4.4.2 光電測試及測試數據.......................73
4.4.3 溫度測試與測試數據.......................76
4.5 實驗結果整合分析與比較....................79
4.5.1 光電測試結果整合與分析....................79
4.5.2 溫度測試結果整合與分析....................83
第五章 結論....................................90
參考文獻.......................................92

[1]　財訊出版社，LED產業新版圖新技術新應用與投資機會。
[2]　許招墉校訂、李農 / 楊燕譯、照明學會編，照明手冊（第二版）- 全華科技圖書股份有限公司。
[3]　許招墉編譯，照明設計 - 全華科技圖書股份有限公司。
[4]　財訊出版社，LED產業新版圖新技術新應用與投資機會。
[5]　蘇永道 / 吉愛華 / 趙超編著、顏怡文校訂，LED構裝技術 - 五南圖書出版公司。
[6]　EVERLIGHT官網元件Datasheet。
[7]　許哲瑋，103年1月，“LED散熱機構熱流分析”亞洲大學碩士論文。
[8]　徐錦淵，99年11月，“高亮度LED光電熱特性量測與分析”國立交通大學碩士論文。
[9]　黃國長，98年7月，“高亮度LED之熱模擬分析探討”國立清華大學碩士論文。
[10] 黃歆斐，96年6月，“高功率LED之熱分析”國立成功大學碩士論文。
[11]　N. Narendran and Y Gu“Life of LED-Based White Light Sources,”IEEE/OSA Journal of Disply Technology,Vo1. 1, No. 1, September, 2005.
[12] 楊家瑞，101年7月，“LED燈泡散熱設計與分析”明志科技大學碩士論文。
[13] 蘇彥輔，99年6月，“高功率發光二極體之散熱設計與光衰壽命測試”國立清華大學碩士論文。
[14] 陳昭宇，97年7月，“高亮度LED吸頂燈具之散熱研究”長庚大學機械工程研究所碩士論文。
[15] 蔡嘉琪，99年，“LED除塵散熱風扇之探討”國立高雄應用科技大學碩士論文。
[16] 李冠賢，99年3月，“垂直放置鰭片之自然對流熱傳性能”國立中央大學碩士論文。
[17] 蘇永道 / 吉愛華 / 趙超編著、顏怡文校訂，LED構裝技術 - 五南圖書出版公司。
[18] 郭浩中 / 賴芳儀 / 郭守義編著，LED原理與應用 - 五南圖書出版公司。
[19] 羅俊仁博士，固態照明與白光發光二極體 – 行政院國科會光電小組編。
[20] WWW.wunan.com.tw/WWWZ/download/preview/5D91.PDF，發光二極體發展歷史與半導體概念。
[21] 美國能源局官方資料，Department Energy。
[22] 蘇永道 / 吉愛華 / 趙超編著、顏怡文校訂，LED構裝技術 – 五南圖書出版公司。
[23] 陳容建編著，發光二極體之原理與製程 – 全華科技圖書股份有限公司。
[24] 資料會整於LEDISONG官方網站資料。
[25] 田民波 / 呂輝宗 / 溫坤禮編著，白光LED照明技術 – 五南圖書出版公司。
[26] http://www.ledinside.com.tw/knowledge/20070724-472.html，LED製程初步介紹 – LEDinside 。
[27] 蘇永道 / 吉愛華 / 趙超編著、顏怡文校訂，LED構裝技術 – 五南圖書出版公司。
[28] 資料匯整於工研院光電所。
[29] 郭浩中 / 賴芳儀 / 郭守義編著，LED原理與應用 – 五南圖書出版公司。
[30] 圖2.4 LED應用領域所使用的截圖個別出處如下所示
通訊產品 / 資訊產品 – 於Apple 官方網站截圖
消費電子產品 – 於Sony 官方網站截圖
車用產業 – 於 YAMAHA 以及 Ford 官方網站截圖
照明市場 / 看板 – 於 Delta 以及 喬光科技股份有限公司官方網
站截圖。
[31] 維基百科-色溫
[32] 資料圖片來源-
http://mouaif.wordpress.com/2008/03/13/practical-light-and-color-shader/
[33] 百度百科-色溫
[34] 維基百科-色溫
[35] 資料來源參閱東亞照明-照明教室知識
[36] 資料來源參閱天朗照明有限公司-光源的色溫與演色性
http://www.skynetlighting.com.tw
[37] 圖片來源-數為蘋果網-演色性介紹
圖片來源-啓耀光電股份有限公司-演色性介紹
[38] 百度百科-光通量
[39] 圖片資料來自-旭光台灣照明 LED-燈泡球產品
[40] 百度百科-額定電功率
[41] 百度百科-發光效率
[42] 百度百科-電壓
[43] 圖片資料來自-億光 LED 照明產品
[44] 黃歆斐，96年6月，“高功率LED之熱分析”國立成功大學碩士論文。
[45] 資料來源-http://blog.xuite.net/eco.friendly57/twblog/132620025-2-1+熱傳遞的3種方式%3A+熱傳導、熱對流、熱輻射
[46] 徐錦淵，99年11月，“高亮度LED光電熱特性量測與分析”國立交通大學碩士論文。
[47] 吳美惠，101年1月，“具不同型態螢光粉之白光發光二極體信賴性之探討”國立虎尾科技大學。
[48] 圖面資料來源由五鈴光學相關資料截取。
[49] 趙友銓，103年1月，“利用鈦薄膜提升LED散熱效率”國立聯合大學。
[50] 資料來源 台灣WiKi - 熱電偶溫度計原理以及 李芳瑜、戴明鳳 認識各種溫度計簡報資料。
[51] 資料來源 李芳瑜、戴明鳳 - 認識各種溫度計簡報資料。
[52] 資料來源 教育部數位教學資源入口網 - 溫度量測儀器 松山工農化工科 製作
[53] 資料來源 超齊全散熱膏橫向評測 -
http://www.computerdiy.com.tw/all-ar
icles/articles-computer-periphery/2798-2012-11-16-15-45-17