照明設計でチップオンボード（COB）LEDがコストを削減し、エネルギーを節約する理由と方法

LEDは、エネルギー効率の向上、長寿命化、小型化を含む多くの方法で従来の光源と競合します。 しかし、多くの照明設計者を困惑させてきた1つの弱点はコストです。これは、LEDメーカーが規模の経済の向上を取り入れ続けている主要な理由です。 コスト低減に寄与する最も新しいパッケージングソリューションの1つは、チップオンボード（COB）光源モジュールです。そのモジュールにおいてLEDチップは、ケースに入れられたり、接続されたりしませんが、PCBに、またはより一般的には基板に直接マウントされる半導体チップの形態をとります。 このパッケージングスタイルはまた、設計柔軟性や配光の向上、そして製造プロセスの簡素化などの複数の関連する利点を提供します。

設計者が次期設計のためにCOB LEDを真剣に考慮したいと望む他の理由があります。 Research and Marketsが提供した最近の報告では、広域発光体（したがって、幹線道路や街路灯で使用可能な）COB LEDは、色混合の向上、照明効果の向上、そして低い熱抵抗要件の3つの主要な利点を提供するとアナリストが述べています。 その上、同社のアナリストによれば、これらのCOB LEDは、電力密度の向上、放熱効率の向上を実現し、必要な基板スペースが少ないため、広範な一般照明アプリケーションに非常に適しています。

ここで、BridgeluxのVero™、SharpのZenigata、およびCreeのCXA製品を含むCOB LEDの複数の例について考察しましょう。これらの例は、こうしたデバイスがエネルギーを節約し、コストを削減しながら照明設計をいかに簡素化できるかを示しています。

昨年、Bridgelux（カリフォルニア州リバモア）は、120ルーメン/W（公称）、110ルーメン/W（最小平均）の高性能効率を備えたCOB LEDアレイのVeroシリーズ（図1）を発売しました。 このような向上は、前の世代の製品と比べて約11%のエネルギー節約を実現すると言われています。 このシリーズは、4つの発光面（LES）構成で入手でき、幅広い電流範囲にわたって動作可能です。 加えて、Veroアレイは、高い色制御精度および均一照明を提供するために、2つのSDCM（標準偏差色整合）と3つのSDCM色制御オプションで入手できます。


図1：BridgeluxのVeroファミリは、70、80、90、室内装飾向けには97のCRIオプションを提供。 （色スペクトルはそれぞれ、ウォームホワイトで3,000K 80CRI、ニュートラルホワイトで4,000K 80CRI 、クールホワイトで5,000K 70CRI。 Bridgeluxの提供。）

Bridgeluxによれば、より高精度の色制御は、隣接する光源間の整合性および均一性を高めて、光の質を向上させます。 さらに、Veroシリーズは、照明器具およびランプ向けのCalifornia Energy Commission R9要件を超過しています。

120ルーメン/Wの効率仕様は、公称電流で駆動された3,000K、80CRI構成に基づくすべてのフォームファクタにわたって平均した性能であるとBridgeluxは述べています。 設計者は、より低い電流での駆動時に最大140ルーメン/wの効率を達成できます。

Veroプラットフォームはまた、オンボードのコネクタポートにより、プラグアンドプレイコネクティビティを実現します。このコネクタポートは、はんだ不要の電気的接続と容易なマウントを照明メーカーにもたらし、生産プロセス簡素化に寄与します。 利点には、コスト削減、市場投入までの時間短縮、在庫要件の低減が含まれます。

主な仕様は下記の通りです。

• 240～16,400ルーメンの範囲のルーメン出力性能
• 2,700～5,000KのCCTオプション
• CRIオプション：70、80、90、CRI室内装飾製品には97を含む
• 2,700K～4,000K CCT向けの3つのSDCM標準、2つのSDCMオプション付き
• 最大2x定格駆動電流での信頼性の高い動作
• ラジアルダイパターンは、ルーメン密度とビーム制御を向上
• 熱絶縁型はんだパッド
• はんだ不要のコネクタポートは、プラグアンドプレイコネクティビティや、フィールドでのアップグレード性を実現
• 上面の製品マーキングと2Dバーコード

他の利点として、さまざまな標準ドライバ（350mA増分）および光学コンポーネントとの適合性があります。この利点は、設計柔軟性の向上とオプションの増加をもたらし、製品開発サイクルの短縮、コスト削減、在庫における困難の軽減に寄与します。

Sharp Electronics Corp.が提供するZenigata COB技術もまた、簡素化設計を提供しています。Zenigataシリーズ モジュールは、Mega、Mini、およびPetite Zenigataの3種類で入手可能です。 Sharpの設計では、金属の代わりにセラミックの基板が使用されています。そのため、変色なく最適な放熱が実現すると同社は述べています。 これにより、長時間にわたって一貫したルーメン出力を持つ低カラーシフトが実現します。 均一なLESは、さまざまなアプリケーションで光の質を向上させながら、光学設計を容易化します。

SharpのCOBモジュールを詳しく見てみましょう。

Mega Zenigata 50～80Wモジュールは、省電力を備え、高電力照明アプリケーションを対象としています。 高輝度LEDは、照明器具での複数のLEDの使用における均一性の問題を解消すると言われています。 これらのモジュールにより、器具でたった1つのLEDを使用することが可能になり、均一性の問題を解決するとともに、スペース節約を実現します。 20 x 24mmのパッケージ寸法で入手できるMega Zenigataファミリには、高CRIモジュールと標準CRIモジュールの両方が含まれ、それぞれ90CRI、80CRIの最小性能を発揮します。 これらのCOB LEDは、建築照明、スポットライト、ダウンライト、埋め込み型キャンライト、エリアおよび物体照明、高強度照明を含む、屋内照明アプリケーションと屋外照明アプリケーションの両方で使用できます。

中型サイズの製品アプリケーション向けに、Sharpは、丸型の8mm LESによりレンズおよびリフレクタ設計を簡素化する、15WのMini Zenigata COBファミリを提供しています。 Sharpによれば、15 x 12 x 1.6mmのパッケージサイズで入手可能なMini Zenigata LEDは、発光エリアの低減とともに、Mega製品の約3分の1の表面積を実現しています。 アプリケーションには、屋内および屋外照明、建築照明、読書灯、スポットライト、携帯照明、ペンダントライト、サインおよびシンボル照明器具や、エリアおよび物体照明などがあります。

ワット数の低い製品向けに、Petite Zenigata COB LED（図2）は、4～6Wの範囲を備え、スポットまたはトラックライトの小型器具を含む、小型レンズを必要とするアプリケーション向けに設計されています。 これらのLEDは、8 x 12mmの小型パッケージサイズと4mmのLESを提供します。 この9.6Vの製品により、（通常は12Vを必要とする）MR16ランプでの降圧DC/DCコンバータの使用が可能になる一方で、より高電圧の40V部品は、ライン電圧GU10ランプ向けのドライバ設計を簡素化します。 これらのLEDは、MR16置き換えランプ、GU10置き換えランプ、小型トラックライト、小型スポットライト、ペンダントライト、小型読書灯、および小型アクセント照明を含む、非常に小さなコンパクトレンズを必要とする設計で使用できます。 高CRI（最小90CRI）を持つこの製品ラインは、300～395ルーメンの輝度を提供します。


図2：SharpのPetite Zenigata COB LEDは、8 x 12mmの小型パッケージサイズと4mmのLESを提供。 この9.6Vの製品により、（通常は12Vを必要とする）MR16ランプでの降圧DC/DCコンバータの使用が可能。一方で、より高電圧の40V部品は、ライン電圧GU10ランプ向けのドライバ設計を簡素化（Sharpの提供）。

Cree Inc（ノースカロライナ州ダーラム）は近年、85°Cで11,000を超えるルーメンを提供するCXA3070 LEDアレイを発売し、CXAファミリを拡充しました。 設計の簡素化とシステム総コストの低減を目的としたこの高光出力LEDアレイは、85°Cで1ワットあたり最大134ルーメンを実現し、70～95CRIオプションを提供します。 85°Cで特性化され、ビニングされたLEDは、ANSI WhiteおよびEasyWhite色温度（2,700K～5,000K）で入手可能です。

高ルーメン出力と高効率を提供するCXA3070 LEDアレイは、8000～10,000を超えるルーメンのシステム性能を実現することができます。 言い換えれば、この製品はハイベイおよびセラミック金属ハライド置き換えなどの非常に高いルーメン出力アプリケーションで使用することができます。

CXA3070アレイ向けにCreeが提供する相対光束値（下記の図3）は、特定の条件下における定常状態動作でのCXA3070の測定値を、ビニング（パルス測定 @ 1,925mA @ TJ = 85°C）中に測定した光束で割った比率です。

たとえば、T_C = 25°C、I_F = 1,300mAの定常状態動作で、相対光束の比率は80%となります（下記の図を参照）。 ビニング中に8,500ルーメンを測定するCXA3070 LEDは、T_C = 25°C、I_F = 1,300mAの定常状態動作で6,800ルーメン（8,500 * 0.8）を提供します。


図3：相対光束値は、特定の条件下における定常状態動作でのCXA3070の測定値を、ビニング（パルス測定 @ 1,925mA @ TJ = 85°C）中に測定した光束で割った比率に基づく（Creeの提供）。

Creeが提供するCXA3070アレイの主な仕様は、下記の通りです。

• 2,700K、3,000K、3,500K、4,000K、および5,000K CCTにおける4段階および2段階のEasyWhiteビニングで入手可能
• 4,000Kおよび5,000K CCTにおけるANSI Whiteビニングで入手可能
• 最小70および最小80のCRIオプション
• 順方向電圧：38.5V
• 85°Cのビニングおよび特性表示
• 2,800mAの最大駆動電流
• 115°の照射角度、均一な色度プロファイル
• 上面はんだ接続

要約すれば、照明設計者にとってコストが常に大きな問題となります。 しかし、LEDの平均販売価格が下がるにつれて、照明システムメーカーやエンドユーザーに恩恵をもたらす、エネルギー節約、設計柔軟性、および配光を向上する可能性をCOB LEDが提供すると設計者が認識している中で、これらのデバイスの採用は引き続き増加していくでしょう。