En el desarrollo moderno de la industria de la iluminación, las fuentes de luz LED y COB son, sin duda, las dos perlas más destacadas. Gracias a sus ventajas técnicas únicas, impulsan conjuntamente el progreso de la industria. Este artículo analizará en profundidad las diferencias, ventajas y desventajas de las fuentes de luz COB y los LED, y explorará las oportunidades y los desafíos que enfrentan en el mercado actual de la iluminación, así como su impacto en las tendencias futuras de desarrollo de la industria.
PARTE 01
Proceso de embalaje: el salto de unidades discretas a módulos integrados
Fuentes de luz LED tradicionales
Las fuentes de luz LED tradicionales adoptan un encapsulado de un solo chip, compuesto por chips LED, cables de oro, soportes, fósforos y coloides de encapsulado. El chip se fija a la base del soporte del reflector mediante pegamento conductor, el cable de oro conecta el electrodo del chip con el pasador del soporte, y el fósforo se mezcla con gel de sílice para cubrir la superficie del chip y lograr la conversión espectral. Este método de encapsulado crea diversas formas, como la conexión directa y el tipo parche, pero en esencia se trata de una combinación repetida de unidades emisoras de luz independientes, como perlas dispersas, que deben conectarse cuidadosamente en serie para brillar. Sin embargo, al construir una fuente de luz de gran superficie, la complejidad del sistema óptico aumenta exponencialmente, al igual que la construcción de un magnífico edificio, que requiere una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales para unir y combinar cada ladrillo y piedra.
Fuente de luz COB
La fuente de luz COB rompe con el paradigma tradicional de empaquetado y adopta la tecnología de soldadura directa multichip para unir directamente de decenas a miles de chips LED sobre una placa de circuito impreso metálica o un sustrato cerámico. Los chips se interconectan eléctricamente mediante cableado de alta densidad, y toda la superficie está recubierta con una capa de silicona que contiene fósforo para formar una superficie luminosa uniforme. Esta arquitectura es como incrustar perlas en un hermoso lienzo, eliminando la separación física entre los LED individuales y logrando el diseño colaborativo de la óptica y la térmica. Por ejemplo, Lumileds LUXEON COB utiliza tecnología de soldadura eutéctica para integrar 121 chips de 0,5 W sobre un sustrato circular de 19 mm de diámetro, con una potencia total de 60 W. El espaciado entre chips se comprime a 0,3 mm. Gracias a una cavidad reflectante especial, la uniformidad de la distribución de la luz supera el 90 %. Este paquete integrado no solo simplifica el proceso de producción, sino que también crea una nueva forma de fuente de luz como módulo, proporcionando una base revolucionaria para el diseño de lámparas, al igual que proporciona a los diseñadores de iluminación módulos prefabricados exquisitos, mejorando enormemente la eficiencia del diseño y la producción.
PARTE 02
Propiedades ópticas: la transformación de fuente de luz puntual a fuente de luz superficial
LED único
Un solo LED es esencialmente una fuente de luz lambertiana con un ángulo de emisión de aproximadamente 120°, pero la distribución de la intensidad luminosa es una curva de ala de murciélago con una marcada disminución en el centro, como una estrella brillante, brillante pero algo dispersa. Para satisfacer las necesidades de iluminación, la curva de distribución de la luz debe ser remodelada mediante un diseño óptico secundario. El sistema de lentes utiliza lentes TIR para comprimir el ángulo de emisión de luz a 30°, pero la pérdida de eficiencia luminosa es del 15% al 20%. El reflector parabólico en la solución reflectora puede aumentar la intensidad de la luz central, pero producirá puntos de luz obvios. Cuando se combinan varios LED, deben mantener un espaciado suficiente para evitar la aberración cromática, lo que aumentará el grosor de la lámpara, como intentar crear una imagen perfecta con estrellas en el cielo nocturno, pero siempre es difícil evitar defectos y sombras.
Arquitectura integrada COB
La arquitectura integrada de COB posee las características de una fuente de luz superficial, como una galaxia brillante, con una luz uniforme y suave. La densa disposición de múltiples chips elimina las zonas oscuras, y con la tecnología de matriz de microlentes, la uniformidad de la iluminación puede alcanzar el 85 % a una distancia de 5 m. Gracias a la rugosidad de la superficie del sustrato, el ángulo de la luz puede ampliarse a 180°, reduciendo el índice de deslumbramiento (UGR) por debajo de 19. Con el mismo flujo luminoso, la extensión óptica de COB es un 40 % menor que la de la matriz LED, lo que simplifica significativamente el diseño de iluminación. En la iluminación de museos, la luminaria para raíles COB de ERCO alcanza una relación de iluminación de 50:1 a una distancia de proyección de 0,5 metros mediante una lente de forma libre, lo que resuelve a la perfección la contradicción entre la iluminación uniforme del producto y la iluminación de los puntos clave.
PARTE 03
Solución de gestión térmica: innovación desde la disipación de calor local hasta la conducción de calor a nivel de sistema
Fuente de luz LED tradicional
Los LED tradicionales adoptan una ruta de conducción térmica de cuatro niveles: chip, capa de cristal sólido, soporte y PCB. La resistencia térmica es compleja, como una ruta sinuosa, lo que dificulta la rápida disipación del calor. En cuanto a la resistencia térmica de la interfaz, la resistencia térmica de contacto entre el chip y el soporte es de 0,5-1,0 °C/W; en cuanto a la resistencia térmica del material, la conductividad térmica de la placa FR-4 es de tan solo 0,3 W/m·K, lo que supone un cuello de botella en la disipación del calor. Por efecto acumulativo, los puntos calientes locales pueden aumentar la temperatura de la unión entre 20 y 30 °C al combinar varios LED. Los datos experimentales muestran que cuando la temperatura ambiente alcanza los 50 ℃, la tasa de descomposición de la luz del LED SMD es 3 veces más rápida que la del entorno de 25 ℃ y la vida útil se acorta al 60% del estándar L70, al igual que estar expuesto al sol durante mucho tiempo, el rendimiento y la vida útil de las fuentes de luz LED se reducirán considerablemente.
Fuente de luz COB
El COB adopta una arquitectura de conducción de tres niveles (chip, sustrato y disipador de calor) para lograr un avance cualitativo en la gestión térmica, similar a la construcción de una carretera ancha y plana para la fuente de luz, lo que permite una rápida conducción y disipación del calor. En cuanto a la innovación del sustrato, la conductividad térmica del sustrato de aluminio alcanza los 2,0 W/m·K, mientras que la del sustrato cerámico de nitruro de aluminio alcanza los 180 W/m·K. En cuanto al diseño de disipación térmica, se coloca una capa de disipación bajo la matriz de chips para controlar la diferencia de temperatura en ±2 ℃. Además, es compatible con refrigeración líquida, y la capacidad de disipación térmica alcanza los 100 W/cm² tras el contacto del sustrato con la placa de refrigeración líquida. En la aplicación de faros automotrices, las fuentes de luz COB de Osram utilizan un diseño de separación termoeléctrica para estabilizar la temperatura de la unión por debajo de 85 ℃, cumplen con los requisitos de confiabilidad de grado automotriz AEC-Q102 y tienen una vida útil de más de 50,000 horas, al igual que cuando el automóvil conduce a alta velocidad, aún puede proporcionar a los conductores una iluminación estable y confiable para garantizar la seguridad en la conducción.
PARTE 04
Eficiencia luminosa y eficiencia energética: un avance desde los límites teóricos hacia la optimización de la ingeniería
Fuentes de luz LED tradicionales
La mejora de la eficiencia lumínica de los LED sigue la ley de Heitz y continúa avanzando gracias a la innovación en materiales y estructuras. En la optimización epitaxial, la estructura multipozo cuántico de InGaN/GaN alcanza el 90 % de eficiencia cuántica interna; los sustratos con patrones, como los patrones PSS, aumentan la eficiencia de extracción de luz hasta el 85 %; en cuanto a la innovación en fósforo, la combinación de polvo rojo CASN y polvo amarillo-verde LuAG alcanza un índice de reproducción cromática de Ra>95. La serie KH de LED de Cree tiene una eficiencia lumínica de 303 lm/W. Sin embargo, la transformación de datos de laboratorio en aplicaciones de ingeniería aún enfrenta desafíos prácticos, como la pérdida de empaque y la eficiencia de conducción. Al igual que un atleta de alto rendimiento puede lograr resultados asombrosos en condiciones ideales, en la práctica está sujeto a diversos factores.
Fuente de luz COB
El COB logra avances en la eficiencia lumínica de ingeniería mediante la sinergia del acoplamiento óptico y la gestión térmica. Cuando la separación de los chips es <0,5 mm, la pérdida de acoplamiento óptico es <5 %; la tasa de atenuación de la luz disminuye un 50 % por cada 10 °C de disminución de la temperatura de la unión; el diseño del controlador integrado permite que el controlador CA-CC se integre directamente en el sustrato, lo que permite una eficiencia del sistema del 90 %. En aplicaciones de iluminación agrícola, el Samsung LM301B COB alcanza una PPF/W (eficiencia fotónica fotosintética) de 3,1 μmol/J mediante la optimización del espectro y la gestión térmica, lo que supone un ahorro energético del 40 % en comparación con las lámparas HPS tradicionales. Como un artesano experimentado, mediante un cuidadoso ajuste y optimización, la fuente de luz puede alcanzar la máxima eficiencia en aplicaciones prácticas.
PARTE 05
Escenarios de aplicación: Del posicionamiento diferenciado a la expansión de la innovación integrada
Fuentes de luz LED tradicionales
Los LED ocupan mercados específicos gracias a su flexibilidad. En el campo de las pantallas de indicación, los LED encapsulados 0402/0603 dominan el mercado de las luces indicadoras en electrónica de consumo; en iluminación especial, los LED UV han monopolizado el mercado en los sectores de curado y medicina; en pantallas dinámicas, las retroiluminaciones Mini LED alcanzan una relación de contraste de 10 000:1, superando a las pantallas LCD. Por ejemplo, en el campo de los wearables inteligentes, el LED rojo 0201 de Epistar mide tan solo 0,25 mm², pero puede proporcionar una intensidad luminosa de 100 mcd, satisfaciendo así las necesidades de los sensores de monitorización de frecuencia cardíaca.
Fuente de luz COB
La COB está redefiniendo el paradigma de la ingeniería de iluminación. En iluminación comercial, una marca específica de downlight COB alcanza una eficiencia lumínica del sistema de 120 lm/W, lo que supone un ahorro energético del 60 % en comparación con las soluciones tradicionales. En iluminación exterior, la mayoría de las marcas de farolas COB domésticas ya pueden ofrecer iluminación a demanda y controlar la contaminación lumínica mediante atenuación inteligente. En áreas de aplicación emergentes, las fuentes de luz COB UVC alcanzan una tasa de esterilización del 99,9 % en el campo del tratamiento de aguas, con un tiempo de respuesta inferior a 1 segundo. En el ámbito de las fábricas de plantas, mediante la optimización de la fórmula espectral de las fuentes de luz COB de espectro completo, se puede aumentar el contenido de vitamina C de la lechuga en un 30 % y acortar el ciclo de crecimiento en un 20 %.
PARTE 06
Oportunidades y desafíos: altibajos en la ola del mercado
Oportunidades
Mejora del consumo y la calidad de la iluminación: Con la mejora de la calidad de vida, las exigencias de las personas en cuanto a la calidad de la iluminación han aumentado. La tecnología COB ha abierto un amplio mercado en iluminación residencial y comercial de alta gama gracias a su excelente rendimiento luminoso y distribución uniforme de la luz. La tecnología LED se ha consolidado en los mercados de iluminación inteligente y ambiental gracias a sus ricos colores y sus funciones flexibles de atenuación y ajuste de color, lo que satisface la demanda de productos de iluminación personalizados e inteligentes en el contexto de la mejora del consumo.
Promoción de políticas de ahorro energético y protección ambiental: A nivel mundial, la conservación de la energía y la protección ambiental son fundamentales, y los gobiernos de diversos países han implementado políticas para impulsar el desarrollo de la industria de la iluminación hacia la alta eficiencia y el ahorro energético. Como representante de la iluminación de bajo consumo, el LED presenta un bajo consumo energético y una larga vida útil, lo que le permite obtener numerosas oportunidades de aplicación en el mercado gracias al apoyo de las políticas. Se utiliza ampliamente en iluminación interior y exterior, iluminación vial, iluminación industrial y otros campos; el COB también se beneficia. Al mejorar la calidad de la iluminación, puede lograr ciertos efectos de ahorro energético. En entornos de iluminación profesional con altos requisitos de uso de la luz, puede mejorar los efectos de ahorro energético mediante el diseño óptico y la conversión de energía.
Innovación tecnológica y modernización industrial: La ola de innovación tecnológica en la industria de la iluminación continúa, impulsando el desarrollo de COB y LED. El personal de I+D de COB explora materiales y procesos de envasado para mejorar su rendimiento de disipación térmica, eficiencia lumínica y fiabilidad, reducir los costes de producción y ampliar su ámbito de aplicación. Los avances tecnológicos en chips LED, las innovaciones en la forma del envasado y la integración de la tecnología de control inteligente han mejorado considerablemente su rendimiento y funciones.
Desafíos
Fuerte competencia en el mercado: Los COB y los LED se enfrentan a una feroz competencia por parte de numerosos fabricantes. El mercado de los LED cuenta con tecnología madura, bajas barreras de entrada, una gran homogeneidad de productos, una fuerte competencia de precios y márgenes de beneficio corporativos reducidos. Si bien los COB presentan ventajas en el mercado de alta gama, a medida que aumenta el número de empresas, la competencia también se ha intensificado, y crear ventajas competitivas diferenciadas se ha convertido en un reto para las empresas.
Rápidas actualizaciones tecnológicas: La industria de la iluminación se actualiza constantemente, y las empresas de COB y LED deben mantenerse al día con el desarrollo tecnológico y adaptarse a los cambios del mercado y a la demanda de los consumidores. Las empresas de COB deben prestar atención al progreso de los chips, los procesos de empaquetado y las tecnologías de disipación de calor, y ajustar la dirección del desarrollo de productos. Las empresas de LED se enfrentan a la doble presión de las actualizaciones tecnológicas tradicionales y el auge de las nuevas tecnologías de iluminación.
Estándares y especificaciones imperfectos: Los estándares y especificaciones de la industria de COB y LED son imperfectos, y existen áreas grises en la calidad del producto, las pruebas de rendimiento, la certificación de seguridad, etc., lo que resulta en una calidad desigual del producto, lo que dificulta que los consumidores juzguen la calidad, genera dificultades para la construcción de la marca corporativa y la promoción del mercado y aumenta los riesgos y costos operativos corporativos.
PARTE 07
Tendencias de desarrollo de la industria: el camino futuro de la integración, la alta gama y la diversificación
Tendencias de desarrollo de fusión: Se espera que COB y LED alcancen un desarrollo integrado. Por ejemplo, en productos de iluminación, COB, como fuente de luz principal, proporciona una iluminación básica uniforme y de alto brillo, combinada con las funciones de ajuste de color y control inteligente de los LED, para lograr efectos de iluminación diversificados y personalizados, aprovechar al máximo las ventajas de ambos y satisfacer las necesidades integrales y específicas de los consumidores.
El desarrollo de alta gama e inteligente van de la mano: Con la mejora de la calidad de vida y las exigencias de la iluminación, las tecnologías COB y LED se están desarrollando hacia la alta gama y la inteligencia. Las empresas incrementarán la inversión en I+D e innovación, mejorarán el rendimiento, la calidad y el diseño de sus productos, y crearán una imagen de marca de alta gama. Los productos de iluminación se integrarán con tecnologías como el Internet de las Cosas, el big data y la inteligencia artificial para lograr funciones como el control automatizado, la conmutación de escenas y la monitorización del consumo energético. Los consumidores pueden controlar remotamente los equipos de iluminación mediante una aplicación móvil o asistentes de voz inteligentes para gestionar el ahorro energético.
Expansión de aplicaciones diversificadas: Las áreas de aplicación de COB y LED continúan expandiéndose y diversificándose. Además de la iluminación tradicional de interiores y exteriores, la iluminación vial y otros mercados, también desempeñarán un papel importante en campos emergentes como la iluminación agrícola, la iluminación médica y la iluminación marina. Por ejemplo, los LED en la iluminación agrícola emiten luz de una longitud de onda específica para promover la fotosíntesis de las plantas; la alta reproducción cromática y la luz uniforme de los COB en la iluminación médica ayudan a los médicos a diagnosticar y tratar, y a mejorar el entorno médico de los pacientes.
En el vasto y brillante panorama de la industria de la iluminación, las fuentes de luz COB y LED seguirán brillando, cada una con sus propias ventajas e integrando la innovación para iluminar conjuntamente el brillante camino del desarrollo sostenible para la humanidad. Son como dos exploradores que caminan juntos, explorando constantemente nuevas orillas en el océano de la tecnología, aportando más sorpresas y luz a la vida de las personas y al desarrollo de todos los ámbitos.