打破砂鍋問到底–#24. 說說石墨烯路燈有甚麼特別之處嗎？

02-03

2016-12-06

烯碳資訊的一篇報導引起我的注意，原先以為石墨烯用在 LED 照明有了重大突破，仔細研究後才發覺又是個忽悠。且聽我娓娓道來！

這 28 條道路兩側的「石墨烯路燈」的光效是 140 流明／瓦，而目前主流通用的則只有 110 流明／瓦。數字的差距，其實是技術的攻關，如此高光效的「石墨烯路燈」也是世界上首次實現量產。
「石墨烯」雖熱，卻主要熱在生產上，產業應用卻少有人問津，因為難關難過。陳○說，石墨烯照明自主技術的攻關五年磨一劍。而在終於研發出來後，這項技術立刻被列入去年市發改委等部門聯合發布的節能低碳新技術推薦名錄中；在今年的中國（京津冀）國際石墨烯創新創業大賽上，該項目還榮獲一等獎。
以通州這 28 條路上的「石墨烯路燈」為例，當中最為關鍵的材料是導熱膠，「導熱膠要把石墨烯融入到膠體中，成為一項複合材料，才能發揮出它導熱性好的特點，這也是技術上最難攻關的。」

這樣看來就沒有亮點了，我們就先從 LED 一些基本常識開始說起吧。

一顆燈泡所發出的光通量與燈泡瓦數和發光效率有關 (光通量 = 瓦數 x 發光效率)，傳統燈泡因為各家業者的發光效率差異不大，因此習慣上多以用電瓦數作為亮度的參考指標。而發光效率指的是單位電能所發出的光功率，也就是說每消耗 1 瓦的電可以發出多少的光量（發光效率 = 光通量╱用電瓦數），單位為 (lm╱w)。發光效率愈高，表示愈省電。

然而通常 LED 高功率產品輸入功率約為 20% 能轉換成光，剩下 80% 的電能均轉換為熱能。一般而言，LED 發光時所產生的熱能若無法導出，將會使 LED 結面溫度過高，進而影響產品生命周期、發光效率、穩定性，而 LED 結面溫度、發光效率及壽命之間的關係。圖一為 LED結面溫度與發光效率之關係圖，當結面溫度由 25℃ 上升至 100℃ 時，其發光效率將會衰退 20% 到 75% 不等，其中又以黃色光衰退 75% 最為嚴重。

圖一結面溫度與發光效率之關係圖 (Source: PNNL)

此外，當 LED 的操作環境溫度愈高，其產品壽命亦愈低 (如圖二所示)，當操作溫度由 63℃ 升到 74℃ 時，LED平均壽命將會減少 3╱4。因此，要提升 LED 的發光效率，LED 系統的熱散管理與設計便成為了一個重要課題，在了解 LED 散熱問題之前，必須先了解其散熱途徑，進而針對「散熱瓶頸」進行改善。

圖二 LED 溫度與壽命關係圖 (Source: Lighting Research Center)

依據不同的封裝技術，其散熱方法亦有所不同，而 LED 各種散熱途徑方法約略可以下圖三示意之：

圖三 LED 散熱途徑示意圖。

散熱途徑說明：

1. 從空氣中散熱；

2. 熱能直接由 System circuit board 導出；

3. 經由金線將熱能導出；

4. 若為共晶及 Flip chip 製程，熱能將經由通孔至系統電路板而導出。

接著，我們就來一一戳破這些誤區。

第一條誤區：

這 28 條道路兩側的「石墨烯路燈」的光效是 140 流明╱瓦，而目前主流通用的則只有 110 流明╱瓦。數字的差距，其實是技術的攻關，如此高光效的「石墨烯路燈」也是世界上首次實現量產。

實際是：

再看看飛利浦網站內容飛利浦創造出世上節能效率最高的暖白光 LED 燈

，及 Cree 的光效 http://iknow.stpi.narl.org.tw/post/Read.aspx?PostID=6224

，隨便一款都超過 200 流明／瓦。那量產產品呢？各位先進去看看專業LED照明燈具 │ 發光效率業界最高：XLEDIA

。這家公司沒有標榜使用石墨烯就已經達到同樣的「發光效率」。我來自台灣億光電子，各位可能不知道他們在 2015年就已經發表了取代水銀燈億光LED新燈台灣勝利A-Plus稱擋強颱 - 騏佑科技有限公司，這報導說是什麼世界上首次實現量產，不是忽悠那甚麼是忽悠？

第二條誤區：

石墨烯的亮點在於節能。「熱度控制住了，光效也就提高了。」陳○給記者算了一筆賬，石墨烯由於在導熱等性能上更好，相比普通 LED 燈節省了不少散熱面積，因此比 LED 燈可節能 20% 至 30%；而如果比起普通的鈉燈，更是可以節能 70%。

實際是：

光效跟熱度並非直接關係。我們可以說因為散熱佳使得光效「衰退」減少，我還是第一次聽到因為散熱使光效「提升」，如果這個理論實現，中國應當可以再得到一座諾貝爾獎座。來看看 https://kknews.cc/news/6oa4xp.html 吧。LED 發光效率提高方法通常通過以下幾類技術來提升，包括：透明襯底技術、金屬膜反射技術、表面微結構技術、倒裝晶元技術、晶元鍵合技術及雷射剝離技術著手，就是沒有提到「散熱」。換言之，石墨烯真正要對 LED 產業有幫助，不是朝「端末管理」，而是要從「源頭管理」才有意義。否則你就明說是用石墨烯導熱材料，千萬不要說是石墨烯路燈來混淆視聽。

第三條誤區：

明○科技依託北京理工大學研發團隊，成功開發出可逆液晶相變石墨烯（RLCP）散熱材料，
1、石墨烯（RLCP）硅脂連接封裝與平台，提升散熱效率 5%；

2、空腔內置石墨烯（RLCP）儲熱材料，提升散熱效率 20%；
3、石墨烯（RLCP）散熱塗層，增強紅外輻射，提升散熱效率 10%；
4、獨特 PCB 封裝技術 + 直列式導熱平台結構，提升散熱效率 15%。
綜合上述技術，採用石墨烯（RLCP）系列散熱材料和明朔科技獨特封裝技術，能將太陽花散熱器的散熱效率提升 50%，100W LED 路燈的散熱器尺寸僅僅是原有的 1／4。

實際上是：

各位從圖三的散熱途徑可以看出熱導率並不是「加法」，這更凸顯這位研究員對熱管理的不求甚解！在我前面文章提到熱管理是找出「熱瓶頸」，並依據熱阻公式：Ｒ＝Ｌ╱Ｋ。不同材質傳遞的熱導率Ｌ╱Ｋ＝Ｌ1／Ｋ1＋Ｌ2／Ｋ2＋…，

那我們早在 2014 年就作了熱導率超過 20 的導熱膏及導熱膠，2016 年也完成熱導率超過 20 的散熱粉體塗料，但為何我們就不懂用這種似是而非的謬論來欺騙消費者？因為我們知道～凡走過必留下痕迹！欺騙大眾是一時的，名譽卻是永遠的。共勉之～