｜高效率勻光抑眩光學膜之設計與製作技術

摘要：LED燈具擁有節能減碳、不含汞、無污染、長壽命等優異特性，在人類節能減碳的使命下，所有照明創新燈具的產品當中，LED照明科技已經為環境光塑造出無法抹滅的貢獻。近年來LED照明的各種創新應用已經在市場上風起雲湧，預期未來將取代絕大多數現行之照明燈具，然而LED發光原理與出光場形分佈和現行常見之光源如燈泡和燈管皆有天壤之別，為了提供LED在照明的應用上需要均勻光束輸出的解決方案，本研究提出了一系列含一維與二維複合微結構之光學膜或板材，並將此微結構膜片應用在LED照明模組時，如LED T-Bar燈管、LED路燈、LED情境燈具，經由實驗測試證明可以達到高效率節能輸出以及抑制一定程度之眩光效果。

Abstract: LED lamp possesses excellent characteristics, such as energy conservation and carbon reduction, mercury free, pollution free, and long life etc. Under the mission of energy conservation and carbon reduction for human, LED lighting technology has already molded a significant contribution for the environment in all innovative lighting products. In recent years, various innovative applications of LED lamp have surged in the market. It is expected that they will replace most of the lighting lamps in the future. However, the luminescence principle and light field distribution of LED are much different from the existing light sources, such as the light bulb and light tube. In order to provide the solution of homogeneous light beam output for the application of LED lighting, this study proposes a series of optical film or plate with one-dimensional and two-dimensional micro-structure. When this micro-structure film is applied in LED lighting module, such as LED T-Bar light tube, LED street lamp, LED situation lamp, the tests proves that it can reach high-efficient energy conservation output and reduce certain glare effect.

關鍵詞：眩光、配光曲線、滾筒對滾筒

Keywords：Glare, Polar Candela Distribution, Roll to Roll/ R2R

前言

市場趨勢
在LED發光效率逐年翻新與提高下，產品價格不斷大幅下滑，促使LED照明燈具之全球市場有明顯成長，但相較於傳統省電燈具仍認為LED燈具價格偏高、產業認證標準尚未明確規範與出光場形、半衰壽命、散熱、可靠度等等等技術問題亟需解決。全世界的應用領域依據Strategies Unlimited與IEK之統計分類，其中主要市場分布於建築照明（Architectural）、娛樂照明（Entertainment）、零售展示照明（Retail & Refrigerated Display）、商業/工業照明（Commercial& Industrial）、戶外照明（Outdoor）、離網型照明（Off-Grid）、住宅照明（Residential）、可攜式產品照明（Consumer Portable）、安全/緊急照明（Safety/Security）等九大應用領域，其中建築照明燈具市場比重約佔40%左右，為LED照明燈具最大應用領域，其次為可攜式產品照明約佔整體LED照明20%左右，再其次為安全/緊急照明佔整體LED照明16%左右，其餘LED照明應用產品比重仍不大[1]。此外，中國大陸近年來在政府積極扶植推波助瀾下，LED照明燈具市場不斷成長與擴大，中國科技部於2008 年更提出21城市之「十城萬盞」政策，2010年將加碼為「五十城二百萬盞」，預計在中國50個城市安裝200萬盞半導體LED示範照明，目標一年省電10億度電，更加速了LED照明戶外燈具之市場需求與技術推展。此外，關於LED成本議題，依據美國能源局（Department of energy；DOE）在2009年四月與六月分別召開的兩次工作會議中指出[2]，針對LED燈具成本此一項關鍵議題，所提出之LED燈具成本發展策略中，尤以LED元件成本之下降幅度最大，散熱元件與電源供應系統之成本下降次之，DOE 更預期在2015年LED燈具的整體成本將會大幅下降七成，促使2015年的LED燈具整體成本將下降至約為現在的四分之一。

技術議題
拜磊晶與封裝技術持續精進之賜，LED發光效率不斷提升，促使得未來LED製造成本得以持續下降，因此產品單價也逐年下滑，依據美國DOE預估至2015年冷白光LED商品化產品的發光效率可達到188 lm/W，而LED商品化LED元件價格會下降至2美元/每千流明，同時期暖白LED商品化產品的發光效率亦可達到138 lm/W，其LED元件價格將會下降至4美元/每千流明。相較於剛推出的LED燈泡產品動輒近萬元日幣之譜，2009年六月日本廠商Sharp宣布大幅調降照明用LED燈泡產品之價格約50%，而同時期新推家庭用LED燈泡，價格大約落在3,900 ~ 8,000日圓區間內，明顯地價格已經大幅滑落，約為日本省電燈泡的3~4倍左右[3] （早期價差達10倍以上）。行政院經濟建設委員會表示：我國已選擇LED照明作為優先發展之綠色能源產業，將全力推動該產業發展，預估2015年產值約為5,400億元，占全球市場比重為23%，有機會成為產值破兆之未來明星產業。而LED發光效率已大幅提升，目前為100流明/瓦左右，實驗室水準更達150 Lm/W，已超越白熾燈、螢光燈等傳統光源。我國一般照明年用電量260億度，估計若全面應用LED照明，每年可節省約107億度用電量，省電達41%左右[4]。過去LED元件之應用領域主要作為PDA、手機等可攜式產品等背光使用，惟成目前市場成長已漸趨緩慢，而在看板、筆記型電腦、液晶螢幕、電視、顯示背光、車用及一般照明應用領域上卻擁有高成長之市場潛力，目前LED照明燈具已逐漸替代現有傳統之白熾燈具市場，Strategies Unlimited預估2011年起將開始取代螢光燈，LED照明燈具將正式進入一般室內外之照明應用主流市場。因替換成LED燈具所節省的電量相當於新北市石門區十八王公廟附近的核電一廠全年的發電量（兩台汽輪發電機，每台機每年約可發電50億度電量）。雖然，LED燈具擁有節能減碳、不含汞、無污染、長壽命等優點，根據日本野村總和研究所的預測，至2010年可以見到120 lm/W的LED元件進入市場，而LED燈具由晶片到最後燈具的效能損耗約為50%，其實已經達到燈具省電效率的基本水準，若能運用更有效率之LED一次光學或二次光學元件優化設計，以提升LED燈具之整體效能，將對全球節能減碳作出更大之貢獻。因此，高效率的燈具的設計將影響整體的照明之節能品質。

此外，為了獲得舒適與高品質的人因視覺環境，通常會運用若干工程設計技術施加於燈具上，如格柵或遮罩等，設計師無非想抑制惱人之眩光（glare）並營造出柔和均勻的輸出光場；然而，習知的抑制眩光與高效節能技術工程的是互相牴觸，通常無法同時達成。所謂眩光，是指影響視覺功效，並刺激瞳孔造成不適，眼睛疲勞等現象。而眩光的種類可分為三種：第一種稱為直接眩光（direct glare），起因於光源或燈具發出過多的光線入射瞳孔，習慣上取自垂直面45°～85°稱為人眼的直接眩光區；第二種稱為間接眩光或反射眩光（reflected glare），通常起因於平整光滑的表面對入射光源所造成的反射或半穿半反射光束入射瞳孔造成之現象；第三種稱為背景眩光（background glare），起因於背景光源或燈具發出過度的光線影響觀測物之感知。而由於眩光所引起之視覺效應，又可分為兩類：第一種稱為失能眩光（disability glare），因入射光線太強，使視網膜無法對焦而散射到其它區域，導致視覺影像對比的功能降低，而縮小瞳孔，阻礙其他光線的感受，造成瞬間環境細節感知能力喪失。失能眩光的程度視眩光源的亮度及與觀者的距離而定。第二種稱為不舒適眩光（discomfort glare），人眼視野中出現遠高於其它表面的亮度（尤其在觀看方向上的亮度），所引起的眼睛不適，稱為不舒適眩光。眩光源的相對視角愈大、數量愈多或與背景的亮度比愈大，不舒適的程度愈高[5]。為了有效地降低眩光，傳統的T-Bar燈具設計工程通常會在燈具上加裝格柵擋光板、燈罩等，以遮擋直接眩光的光束。但是在加上格柵擋光板的同時，也降低了燈具本身的出光效率（約只剩下75%）[6]。其格柵擋光板大多為葉片狀架構，增加格柵數目雖然直接阻擋人眼45~90度的視線直接看到燈管產生的直接眩光，但也大幅地降低了燈具的效率。本研究主要運用微結構優化方式，試圖解決上述抑制LED燈具眩光程度的同時並希望能達到高效率輸出之節能功效，讓標榜綠色節能的LED燈具更名符其實。