LED照明冷却技術の現状と進歩

LED は、小型、低消費電力、環境保護、耐久性、豊富な光源色により、大多数のユーザーに好まれています。しかし、現時点で LED 照明の開発におけるボトルネックの 1 つは放熱です。本稿では、LED照明における放熱技術の重要性を導き出すために、LEDの点灯プロセスにおける加熱問題の影響を分析し、現在および将来の放熱技術を要約および分析します。

1、 LED照明における発熱問題とその影響
1)。 LED照明の発熱問題
LED照明を使用する過程では、従来の照明と同様に、電気エネルギーを光エネルギーに変換する必要があります。しかし、これら２つの方法では、いずれも電気エネルギーを光エネルギーに完全に変換することはできず、電気エネルギーのごく一部しか光エネルギーに変換できません。残りの電気エネルギー（60％～70％）はLED照明の過程で熱エネルギーに変換されます。特に高出力の LED デバイスや照明器具の場合、電力が継続的に増加すると、LED 内部チップの温度が徐々に上昇し、温度の上昇に伴って LED 内部チップやその他のデバイスの性能が低下したり、故障したりすることがあります。最後にLEDデバイスは動作できなくなります。基本的に、接合温度の上昇により、PN 接合発光再結合の確率が減少します。光源の性能としては明るさが低下し、飽和現象が起こります。したがって、加熱問題は主導開発の過程で解決すべき緊急の課題である。

2)。 LED への加熱の影響
上記の発熱の問題では、発熱の問題は LED デバイスの寿命に影響を与えるだけでなく、明るさにも影響します。 LED、特に高出力 LED の寿命は、主にチップのジャンクション温度に依存することが経験的に証明されています。温度が高くなると信頼性が低下し、寿命も短くなります。したがって、LED材料、製造方法、パッケージ構造、発光原理の側面からLEDデバイスを総合的に設計する必要があるだけでなく、LEDデバイスとランプの放熱問題を解決し、適切なパッケージを選択することがより重要です。構造と合理的な放熱方法を開発し、LED照明に適用します。

2、 LED照明冷却技術の現状
電気エネルギーを光エネルギーに変換するという観点におけるLEDデバイスとランプの限界を考慮して、本論文は放熱技術の概念を提唱する。放熱の目的は、LED照明の過程で電気エネルギーから変換された光エネルギーの一部を排除し、電気エネルギーから変換された熱がLEDの内部チップに与える影響（チップの性能低下、経年劣化、さらには故障の原因）を排除することです。 ）。
1)。 LEDの放熱に影響を与える主な要因
放熱に影響を与える主な要因は、材料特性 (熱伝導率)、パッケージ構造、パッケージ材料、チップ サイズ、チップ材料、チップ上の電流密度などです。一般に、ランプはチップ、回路基板、外部放射器、ドライバーで構成されます。したがって、2 種類の放熱設計スキームがあります。1 つは、LED デバイスの電気エネルギーから熱エネルギーへの変換を減らすことであり、その実現プロセスでは、光効率を向上させるために LED 内部デバイスの内部量子効率を向上させる必要があります。 LEDの発光（使用）過程におけるLEDの放熱問題を内部から解決します。第二に、外部設計の考慮事項から、LED デバイスおよびランプのパッケージ材料またはパッケージ方法を変更することにより、パッケージの熱抵抗を低減するという目的を達成するために、場合によっては、問題を解決するために適切な放熱器を構成する必要があります。 LED デバイスの耐用年数を延ばすために、接合部温度が高くなります。

2) いくつかの放熱方法の例
(1) 最適な材料を選択する原則
この放熱方法を採用するには、パッケージ構造が決まっていることが前提となります。決定されたパッケージ構造に応じて最適なパッケージ材料を選択することで、システムの熱伝導率を向上させ、LED照明デバイスの熱抵抗を低減し、最終的にシステムの放熱効果を実現します。包装材は基材材、接着材、包装材に大別されます。 LED照明装置の放熱技術では、基板材料に関して、高い電気絶縁性、高い安定性、高い熱伝導率、チップマッチングの熱膨張係数が求められます。一般的に使用される基板材料は、シリコン、金属 (アルミニウム、銅など)、セラミック (A1N、SiC)、および複合材料です。

(2) 液冷
液体冷却放熱は放熱技術の一種で、ポンプによって駆動されるラジエーター表面に液体を流して熱を放散します。液冷は能動冷却方式の一種です。しかし、液冷方式は製造工程が複雑で実現が難しく、価格も高いため、高温や振動などの過酷な環境には適していません。また、液冷方式をLED照明装置に適用する場合、密閉性の高い液循環冷却装置は製造工程において少しでも不適切な場合、LED素子の破損を引き起こす可能性があります。

3、 LED照明の放熱技術の開発
LED 照明技術の成熟と LED 照明アプリケーションの人気に伴い、既存の冷却技術はパッケージ構造と材料だけでなく、エネルギー伝達プロセスにも基づいています。近年、パッケージング材料の基板材料は新たな発展を遂げており、最新の動向としては、ガン・オン・シリコン（GaN-on-Silicon）の研究開発が進んでいます。既存のサファイア基板と比較して、シリコンベースのGaNは、熱膨張差係数を低減でき、LEDの光度を高め、製造コストが低く、放熱効果が大きいという特徴を持っています。したがって、シリコンベースのGanはLEDメーカーに好まれています。

4、結論
従来の照明技術と比較すると、LED は従来の光源を完全に置き換えることはできません。これは、LED 照明技術には依然として多くの重要な問題があり、主なボトルネックの 1 つは熱放散であるためです。既存の熱放散方法は数多くありますが、実装の難しさ、高コスト、低い熱伝導率、高い環境要件、未熟な技術など、いくつかの制限がまだあります。したがって、LED関連技術の成熟した発展とLEDの幅広い応用の基礎を築くために、LED照明の放熱技術の研究開発が依然として必要です。