СВЕТОДИОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОСВЕЩЕНИЯ

---

---

ГИБКО — ЖЕСТКИЕ СВЕТОДИОДНЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ ЛАМП БЫТОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ

ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ

1. 2012 г. – ОКР «Разработка и создание многоэлементных бескорпусных светодиодных модулей мощностью 5-10 Вт для светодиодных ламп с цоколем Е27».
2. 2013 г. – НИР «Организация производства широкой номенклатуры многоэлементных светодиодных модулей по технологии COB (chip-on-board) с последующим нанесением люминофоров разного состава для использования в производстве энергосберегающей осветительной техники.».
3. 2013 г. – НИР «Разработка технологии автоматизированного монтажа светодиодов на печатных платах без использования высокотемпературных многозонных печей».
4. 2013 г. – НИР «Изготовление многоэлементных светодиодных модулей по технологии СОВ с нанесенным люминофором».
5. 2015 г. – ОКР «Разработка высокоэффективных объемных светодиодных модулей повышенной мощности для ламп бытового освещения».
6. 2016 г. – ОКР «Изготовление опытных образцов и опытных партий высокоэффективных объемных светодиодных модулей повышенной мощности для ламп бытового освещения».

ПАТЕНТЫ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ МОДЕЛИ

	Дата регистрации	Изобретатели:
Патент Украины на полезную модель №94999 «Многокристальный светодиодный модуль».	10.12.2014 г.	Никитский Г.И.,  Борщев В.Н., Листратенко А.М. и др.
Патент Украины на изобретение №111099 «Многокристальный светодиодный модуль».	25.03.2016 г.	Никитский Г.И.,  Борщев В.Н., Листратенко А.М. и др.
Патент Украины на полезную модель №108776 «Лампа с объемным светодиодным модулем».	25.07.2016 г.	Никитский Г.И., Борщев В.Н., Листратенко А.М., Сорокин В.М. и др.
Патент Украины на изобретение №116261«Лампа с объемным светодиодным модулем».	26.02.2018 г.	Никитский Г.И., Борщев В.Н., Листратенко А.М., Сорокин В.М. и др.
Патент Украины на полезную модель №121797 «Мощная лампа с объемным светодиодным модулем».	11.12.2017 г.	Никитский Г.И., Борщев В.Н., Листратенко А.М., Сорокин В.М. и др.
Патент Украины на изобретение №120107 «Мощная лампа с объемным светодиодным модулем».	10.10.2019 г.	Никитский Г.И., Борщев В.Н., Листратенко А.М., Сорокин В.М. и др.

СВЕТОДИОДНЫЕ МОДУЛИ

ОПИСАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ (ИМЕЮЩИХСЯ УСЛУГ)

Компанией ООО «ЛТУ» разработаны инновационные технические решения компактных объемных модулей, которые позволили комплексно и достаточно просто улучшить энергетическую и световую эффективность, а также повысить угол рассеивания светового потока до 270 градусов в лампах — ретрофитах мощностью от 10 Вт до 15 Вт и более в колбах с типоразмерами А60 и А95.

В качестве светодиодных источников света были выбраны высокоэффективные SMD и COB светодиоды производства CREE Inc. (США), а также нашедшие широкое применение высокоэффективные коммерческие SMD светодиоды компании LG Innotek Co Ltd (Корея). В излучателях СДМ применялись серийные светодиоды последних поколений, которые имеют повышенные световые потоки и световую эффективность.

Сущность предложенных технических решений более подробно поясняется конкретными примерами их выполнения. На ниже приведенных фотографиях представлены последовательности изготовления различных типов СДМ мощностью 10Вт и 15Вт на SMD, мини СОВ и COB светодиодах, внешний вид модулей, их состав и компоновка.

На рис. 1 представлена последовательность операций сборки экспериментального образца объемного СДМ модуля мощностью 10Вт на SMD светодиодах мощностью до 0,5 Вт.

На рис. 2 представлена последовательность операций сборки опытного образца объемного СДМ модуля мощностью 15 Вт на МСОВ светодиодах мощностью до 1,5 Вт.

Рисунок 2 ‑ Образец зеркализованного объемного светодиодного модуля мощностью 15 Вт, его состав, компоновка и последовательность сборки: а) гибкая плата, б) гибко-жесткая плата, в) гибко-жесткая плата со светодиодами, г) объемный светодиодный модуль.

На рис. 3 представлена последовательность формирования объемного светодиодного модуля из плоского СДМ на гибко-жесткой зеркализованной плате.

Рисунок 3 ‑ Последовательность формирования объемного светодиодного модуля из плоского СДМ на гибко-жесткой зеркализованной плате.

Разработанная ООО «ЛТУ» технология сборки позволила улучшить тепловые и оптические параметры светодиодных модулей для новых прототипов отечественных сверхмощных ламп с цоколями Е27- Е40. В том числе для ламп, работающих в диапазоне мощностей от 15 Вт до 40 Вт и более в колбах с типоразмерами А95 и А105 и болем.

Положительный технический результат был обеспечен за счет увеличения площади держателей — теплоотводов для отвода тепла кондукцией (более, чем в 2,5 – 3 раза по сравнению с СДМ плоского типа с диаметром плоского радиатора 80 мм) и дополнительного теплового излучения фронтальной поверхностью опор объемного теплоотвода на внутреннюю поверхность рассеивающей колбы лампы. А также за счет увеличения световой эффективности светодиодной лампы из-за дополнительного переотражения зеркализованными отражателями-радиаторами светового излучения.

На рис.4 представлены образцы усовершенствованных  мощных объемных светодиодных модулей.

Рисунок 4 ‑ Экспериментальные образцы объемных зеркализованных светодиодных модулей.

Усовершенствованная конструкция объемных светодиодных модулей позволила увеличить световой поток в экспериментальных лампах мощностью 15Вт — 20 Вт до 2069 — 2448 лм при светоотдаче 146 — 124 лм/Вт. При этом максимальная температура СДМ в рабочем режиме не превышала 65°С в колбе А95.

В свою очередь в лампах мощностью 30 Вт – 40 Вт световой поток был увеличен до 3572 – 4696 лм при светоотдаче 119 — 116 лм/Вт. При этом максимальная температура СДМ не превышала 65°С в колбе А105 в рабочем режиме. Также был увеличен угол рассеивания света ламп с колбой А95 и А105 до 290 градусов.

ПУБЛИКАЦИИ

№ п/п	Название статьи
	2011 г.
1	Борщев В.Н. Отечественные многокристальные мощные светодиодные модули для осветительных систем / В.Н. Борщев, А.М. Листратенко, В.А. Антонова, Я.Я. Костишин, И.Т. Тымчук, М.А. Проценко, Н.И. Колосов, Г.И. Никитский, Л.А. Назаренко // Светотехника и электроэнергетика.‑2011.‑№3(27).‑ С. 4-12.
	2016 г.
2	Борщев В.Н., Листратенко А.М. и др. Новые конструктивно-технологические решения светодиодных модулей для ламп-ретрофитов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.‑2016.‑№6.‑С.3-10.
	2017 г.
3	Борщев В.Н., Листратенко А.М. и др. Высокоэффективные объемные СДМ для сверхмощных ламп бытового и промышленного применения // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.‑2017. Вып.‑Пятьдесят второй.‑ С.70-80.

---

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СВЕТОДИОДНЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ

РАЗРАБОТКА СВЕТОДИОДНЫХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ:

• 2012 р. – ОКР «Разработка и изготовление опытной партии светодиодных потолочных светильников отражающего и рассеивающего света».
• 2013 р. – ОКР «Разработка новых усовершенствованных конструкций и создание опытной партии прожекторов типа СМДВ-01-2-30 для подсветки архитектурных сооружений».
• 2013 р. – ОКР «Доработка конструкции, оптических и электрических составляющих потолочных светильников серии СМСГ-01-4-11 с целью повышения светоотдачи и выпуск опытной партии светильников для проведения долгосрочных эксплуатационных испытаний на объектах бюджетной сферы.».
• 2015 р. – НИР «Разработка светодиодного осветительного устройства типа фар для использования на бронированной и тяжелой технике».

ВНЕДРЕНИЕ КОМЛЕКСНЫХ СИСТЕМ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

• 2012 р. – НТР «Реализация пилотных проектов подсветки домов, памятников и архитектурных сооружений».
• 2013 р. ‑ 2014 р. ‑ НТР «Разработка и внедрение комплексной светодиодной системы освещения Харьковского национального университета городского хозяйства им. О.М. Бекетова».

РЕАЛИЗОВАННЫЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ

Потребляемая мощность, Вт	30 — 240
Световой поток, Lm/Bт	130-170
Угол раскрытия света	30°, 60°, 90°, 120°, 180°
Цветная температура, К	2700 — 6500
Светодиодная матрица (SMD, COB)	LTU Enterprise, Seoul Semiconduktor, CREEE, NICHIA и др.
Индекс передачи цвета	70-80 CRI (Ra)
Гарантийный срок, г	5
Срок эксплуатации, г	10
Степень защиты	IP65, IP67
Входное напряжение, В	100-305, 220
Робочая температура, C	-40  — +50
Габаритные размеры, мм	160x190x150, 270x190x150, 350x190x150
Масса, кг, не болеее чем	7,5

---

СВЕТОДИОДНЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ ОБЛУЧАТЕЛЕЙ

ПЛОСКИЙ УФ СВЕТОДИОДНЫЙ СОВ МОДУЛЬ

Для создания прототипов эффективных СД модулей УФ-С диапазона излучения для борьбы с вирусами будут применены технические решения в соответствии с патентом Украины на изобретение № 111099 «Многокристальный светодиодный модуль». В основу разработки поставлена задача усовершенствования многокристального светодиодного модуля УФ-С диапазона излучения. Эта задача решается путем того, что светодиодный многокристальный модуль включает в себя теплопроводную основу, электроизолирующую пленку с отверстиями, теплопроводные электропроводящие коммутирующие элементы и множество объединенных в электрическую схему светодиодных кристаллов. При этом рамка излучающей области модуля изготовлена из теплопроводного электропроводящего материала и состоит из двух обособленных частей, установленных на электроизолирующей пленке. Каждая из которых имеет контактные площадки. Светодиодные кристаллы установлены на теплопроводной электропроводной основе или на теплопроводных электрически изолированных коммутирующих элементах.

При этом, поверхности теплопроводной основы, рамки излучающей области и электропроводящих коммутирующих элементов покрыты отражающим покрытием с коэффициентом отражения УФ излучения до 90%-92%, а свободное пространство в рамке излучающей области модуля заполнено изолирующим оптически прозрачным материалом.

Возможность размещения каждого светодиодного кристалла тыльной стороной на теплопроводном электропроводящем основании, а также теплопроводных электропроводящих коммутирующих элементах с отражающими покрытиями с высоким коэффициентом отражения УФ излучения обеспечивает повышение рассеивания электрической мощности светодиодного модуля при сохранении пропорциональности параметров входа – выхода, в частности, оптической мощности. Обеспечивается этот технический результат за счет того, что предложенное техническое решение позволяет использовать в светодиодных модулях светодиодные кристаллы как с вертикально расположенными контактными площадками, так и с планарно расположенными контактными площадками. Расположение кристаллов светодиодов непосредственно на теплопроводном основании позволяет существенно снизить тепловое сопротивление кристалл- теплопроводное основание в модуле до значений 1,5 ºС /Вт — 1,95 ºС /Вт. В то же время, предложенное техническое решение позволяет оптимально объединять светодиодные кристаллы различных типов в последовательно – параллельные и последовательные электрические схемы различных видов конфигурации с учетом возможности использования более совершенных и более эффективных светодиодных кристаллов, в том числе из новых полупроводниковых материалов. Обеспечение множества кристаллов светодиодов плоским подкристальным рефлектором с общим коэффициентом отражения до 92% позволяет повысить как оптическую, так и энергетическую эффективность светодиодных модулей. Обеспечивается этот технический результат за счет применения материала нового поколения компании ALANOD MIRO^® с алюминиевым покрытием высокой очистки 99,99%, нанесенным методом вакуумного напыления (PVD), обеспечивающим зеркальное отражение 95% видимого света при полном отсутствии искажений цветности и интерференции. Материал ALANOD MIRO^® выпускается различной толщины от 200 мкм до 1мм и более и удачно сочетает высокую теплопроводность, электропроводность, а также и отражательную способность УФ излучения. Потому что коэффициент отражения алюминиевых рефлекторов может достигать в зависимости от обработки поверхности до 92% для всего UVA / UVB / UVC диапазона, от 200 до 400 нм. В то время как отражатели из серебра и золота в диапазоне 200-300 нм имеют коэффициенты отражения от 20 до 40%.

Для изготовления УФ многокристальных светодиодных модулей предполагается использовать как СОВ — технологию на основе сборки алюминиевой проволокой, так и COF — технологию на основе гибких алюминий-полиимидных лакофольговых коммутирующих элементов.

Для создания прототипа плоского СОВ СД модуля с общей мощностью потока излучения до 60 мВт выбраны светодиодные кристаллы компании LG Innotek. Кристаллы имеют длину волны излучения 275 нм, мощность потока УФ излучения 10 мВт (КПД =1,3%) и электрическую мощность рассеяния до 0,75 Вт при рабочем токе до 100 мА и рабочем напряжении до 7,5 В.

Суммарная электрическая мощность рассеяния в рабочем режиме разрабатываемого прототипа плоского модуля ориентировочно составит около 5 Вт, а суммарная стоимость комплекта из 6 кристаллов светодиодов составит 60 $ США (рыночная стоимость на 2021 г. 1 $ США за мВт).

Внешний вид плоского многокристального светодиодного модуля с шестью УФ светодиодными кристаллами и его составных частей, а также компоновка бескорпусных кристаллов в модуле представлен на рис. 5.

Рисунок 5 ‑ Многокристальный светодиодный модуль и его составные элементы: а) элементы модуля, б) модуль в сборе с кристаллами СД, в) модуль в сборе со сформированным защитным покрытием из оптического силикона.

Разработанная в ООО «НПП «ЛТУ» алюминий-полиимидная COF-технология сборки позволила применить гибкие платы с плоскими алюминиевыми выводами толщиной 30 мкм для коммутации кристаллов в УФ светодиодных модулях. По сравнению с широко распространенной в мире COB- технологией сборки «Chip-on-Board» (кристалл-на-плате), которая использует проволочный монтаж алюминиевой или золотой проволокой и встречается с существенной сложностью осуществления последовательно-параллельного соединения кристаллов на одном уровне, инновационная COF-технология сборки позволяет изготавливать такие сборочные узлы с помощью стандартных установок ультразвуковой сварки просто и эффективно.

На рис. 6 показана гибкая плата и фрагмент гибкой платы с установленными на ней кристаллами УФ светодиодов. На рис. 7 представлен собранный на их основе макет светодиодного модуля повышенной мощности.

МОЩНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ УФ СВЕТОДИОДНЫЙ МОДУЛЬ

Кроме плоского УФ модуля предполагается разработать и изготовить также прототип объемного светодиодного модуля УФ-С диапазона с длиной волны 275 нм. При этом могут быть использованы, как собственные плоские светодиодные СОВ матрицы 60 мВт, так и покупные однокристальных SMD светодиоды.

Например, при использовании SMD светодиодов компании LG Innotek для прототипа объемного модуля могут быть использованы серийные светодиоды с мощность ультрафиолетового излучения до 50 мВт, КПД=1,1% и электрической мощностью рассеяния до 3 Вт (рис. 8). Могут также быть использованы более эффективные SMD светодиоды немецкой компании Laser Components, например, УФ светодиоды S6060-IF250-W270-P110-V6.0 также в SMD корпусе типа 6060 (6,0х6,0х1,3 мм) с длиной волны 275 нм и мощностью потока излучения до 50 мВт (КПД = 3%) при рабочем токе 250 мА и рабочем напряжении 6,5 В (электрическая мощность рассеяния до 1,6 Вт).

Рисунок 8 – SMD светодиод компании LG Innotek в корпусе типа 6060 (6,0х6,0х1,3 мм).

В 2016-2017 годах компанией ООО «НПП «ЛТУ» были уже разработаны технические решения для создания инновационных мощных компактных объемных светодиодных модулей (СДМ) белого цвета свечения. Эта разработка была запатентована компанией ООО «НПП «ЛТУ» в 2019 г. (патент Украины на изобретение № 120107 «Мощная лампа с объемным светодиодным модулем», дата регистрации 10.10.2019 г).

Полученный опыт создания мощных объемных светодиодных модулей видимого диапазона позволяет применить уже проверенные технические решения по патенту Украины № 120107 для создания объемных компактных светодиодных источников излучения УФ-С диапазона.

При использовании собственных плоских светодиодных СОВ матриц с мощностью потока ультрафиолетового излучения 60 мВт и электрической мощностью рассеяния около 5 Вт для создания прототипа пяти рефлекторного объемного светодиодного модуля (рис. 6) при установке на радиаторы модуля 10 шт. плоских светодиодных матриц общая мощность УФ потока излучения составит около 600 мВт. При этом электрическая мощность рассеяния такого модуля составит 45- 50 Вт.

В случае применения для создания прототипа пяти рефлекторного объемного светодиодного модуля более эффективных SMD светодиодов немецкой компании Laser Components, например, УФ светодиодов S6060-IF250-W270-P50-V6.0 в SMD корпусе типа 6060 (6,0х6,0х1,3 мм) с длиной волны 275 нм и мощностью потока излучения до 50 мВт (КПД = 3%) при рабочем токе 250 мА и рабочем напряжении 6,5 В (рис. 7) при установке на радиаторы модуля 10 шт светодиодов общая мощность УФ потока излучения составит 500 мВт. При этом электрическая мощность рассеяния такого модуля составит около 16 Вт, а суммарная стоимость комплекта из 10 светодиодов составит 500 $ США (рыночная стоимость на 2020 г. 1 $ США за мВт).

Таким образом, предложенные технические решения для создания инновационных излучателей УФ-С диапазона повышенной мощности, в том числе светодиодных многокристальных плоских СОВ модулей и объемных светодиодных модулей, позволяют обеспечить выходную удельную мощность потока ультрафиолетового излучения модулей с длинами волн 265-275 нм на уровне 500 – 600 мВт/см². На расстоянии от источников излучения около 2 метров интенсивность УФ излучения составит 1,8-2,1 мВт/см² или 1800 — 2100 мкВт/см², что почти на порядок превышает предельную интенсивность ультрафиолетового излучения (90 мкВт/см²) при длине волны УФ излучения 265-275 нм, когда уже начинается процесс разрушения болезнетворных бактерий и вирусов.

Предлагаемые компанией ООО «НПП «ЛТУ» новые подходы позволяют обеспечить хорошие начальные конкурентные условия для формирования научно технологического задела для дальнейших прикладных исследований и разработок в области создания новых интегрированных светодиодных источников УФ-С излучения на основе полупроводниковых светодиодов диапазона длин волн от 207 до 222 нм. Которые могут безопасно обеспечить снижение концентрации коронавирусов на поверхностях и переносимых по воздуху в людных местах, в том числе и коронавирусной инфекции (COVID-19). А также обеспечить условия для  создания и внедрения в производство отечественных конкурентоспособных перспективных инновационных УФ-С светодиодных технологий и компактных обеззараживающих воздух и поверхность устройств, простых и удобных для применения в быту, а также их продвижение на рынке Украины и ЕС для специального и бытового применения (рис. 9, 10).

Рисунок 9 – Проектный облик макетного образца объемного дизенфицирующего излучающего устройства УФ-С диапазона с мощностью потока излучения до 500 мВт и углом рассеяния излучения до 320 градусов.

Рисунок 10 – Проектный облик макетного образца линейки дизенфицирующего излучающего устройства УФ-С диапазона с мощностью потока излучения до 500 мВт и углом рассеяния излучения до 150 градусов.