解析未來全球LED照明市場發(fā)展趨勢

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摘要：目前，我國半導(dǎo)體LED作為節(jié)能、環(huán)保的主要技術(shù)，已被納入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃與“十一五”國家“863”高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重大項目，并得到了大力支持。然而，我國目前LED產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域依然存在許多不足。     目前，我國半導(dǎo)體LED作為節(jié)能、環(huán)保的主要技術(shù)，已被納入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃與“十一五”國家“863”高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重大項目，并得到了大力支持。然而，我國目前LED產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域依然存在許多不足。我國自主的LED芯片、外延片產(chǎn)量仍有限，產(chǎn)品以中、低檔為主，與國外差距很大。產(chǎn)業(yè)化規(guī)模偏小，只能滿足國內(nèi)封裝企業(yè)需求量的20%-30%，大部分高性能的LED和大功率LED產(chǎn)品均要依賴進(jìn)口。此外，在LED的應(yīng)用市場方面，也存在著由于產(chǎn)品種類、品種參差不齊問題而引起的制約，尤其是在通用照明領(lǐng)域，由于存在的技術(shù)不足，使其無法進(jìn)行規(guī)模化普及應(yīng)用。因此，推廣對LED封裝技術(shù)的發(fā)展力度，提升自身核心技術(shù)并實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)是LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最關(guān)鍵一步。

    一、LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢與分析

    1.大功率的高亮LED增勢迅猛，逐漸成為主流產(chǎn)品

    2008年，全球LED市場規(guī)模達(dá)到80億美元，所占整個LED產(chǎn)品的市場比例由2001年的40％增長到2005年的70％以上，其中高亮度LED在1995-2004年間的年均增長率達(dá)到46％。美國市場研究公司Communications In-dustry Researchers（CIR）預(yù)測，全球LED的市場規(guī)模年均增長率超過30％，2009年市場規(guī)模將超過100億美元。近年來，隨著LED在照明、小尺寸面板背光源以及室內(nèi)照明等新應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展，高亮度LED過去數(shù)年一直處于高速增長階段，在LED中的比重將逐步加大，已成為LED主流產(chǎn)品。

    2.通用照明實現(xiàn)技術(shù)突破，照明升級工程產(chǎn)業(yè)機(jī)會巨大

    通用照明占照明領(lǐng)域的90％的市場份額。半導(dǎo)體照明作為繼白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈后，具有革命性意義的第四代新型高效固體光源，具有壽命長、節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點。但目前LED的應(yīng)用領(lǐng)域主要在特種照明，目前美國、日、韓、歐洲、中國及臺灣在LED科技攻關(guān)方面都已啟動專項國家規(guī)劃，如果用于通用照明的技術(shù)一旦成熟，將面臨一個對500億美元照明市場份額的重新瓜分，因此照明升級工程產(chǎn)業(yè)機(jī)會巨大。

    3.中國LED照明產(chǎn)業(yè)應(yīng)該向封裝高檔產(chǎn)品和光源產(chǎn)品升級方向努力

    在LED領(lǐng)域，主要有三個環(huán)節(jié)，即發(fā)光半導(dǎo)體外延片的生長、芯片和封裝。目前國內(nèi)三個環(huán)節(jié)都有，在中低端的應(yīng)用領(lǐng)域還有一定基礎(chǔ)。但是在關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是外延片的生長環(huán)節(jié)，與世界一流水平還有較大的差距。

    目前我國的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢主要在封裝，從封裝產(chǎn)值區(qū)域分布來看，我國在2008年封裝產(chǎn)值約25億美元，已經(jīng)超越日本、臺灣成為全球最大的封裝地區(qū)，并具備市場與技術(shù)核心競爭能力。但是國家和政府對此的重視卻不多，如果臺灣和日本等國家地區(qū)從經(jīng)濟(jì)危機(jī)中緩解或走出，隨時可能會形成日本獨大、臺灣地區(qū)與美國齊進(jìn)、歐韓中“平分秋色”的分布格局，我們將再一次失去主導(dǎo)權(quán)和先機(jī)。因此我們應(yīng)在已有的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢上升級，向封裝的高檔產(chǎn)品努力，同時在通用照明技術(shù)方向上多下功夫，突破LED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)專利壁壘，培育新興市場的競爭優(yōu)勢。

    (1)目前國家對于整個LED產(chǎn)業(yè)鏈的重點工作放在上游外延、芯片及下游燈具應(yīng)用這兩部分。上游投資陸續(xù)資金已經(jīng)很大，但是收效甚微，反而與國際上游龍頭的差距越來越大。下游產(chǎn)品又因為產(chǎn)品質(zhì)量問題，參差不齊，難以保證穩(wěn)定的長壽命使用效果。這樣會造成使用者對我國LED產(chǎn)品產(chǎn)生懷疑并多持保守和負(fù)面的態(tài)度。這樣各方面的意見反饋到政府領(lǐng)導(dǎo)，然后國家才重視整頓LED市場，最后的結(jié)果又是一次“叫停”，導(dǎo)致需要國家花費大量的人力和資源，引進(jìn)國外龍頭企業(yè)的先進(jìn)封裝技術(shù)來指導(dǎo)國內(nèi)的下游產(chǎn)品，這樣我們將又一次失去與對整個LED行業(yè)的話語權(quán)，國內(nèi)的市場渠道也會以O(shè)EM等形式被占領(lǐng)。

    (2)到現(xiàn)在為止，因為四大龍頭企業(yè)（CREE、PHILPS、OSRAM、日亞化工）各有不同的技術(shù)路線和專利壟斷保護(hù)，以及其封裝技術(shù)的不成熟等原因，所以目前整個行業(yè)內(nèi)尚未有一個關(guān)于LED光源的標(biāo)準(zhǔn)。如果我們先進(jìn)的LED光源企業(yè)和單位，尤其是具有核心技術(shù)先進(jìn)性的大功率LED光源企業(yè)和單位，在政府的支持和推動下，組織科研人員，對此進(jìn)行全新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計與制定，堅持科學(xué)實踐和創(chuàng)新發(fā)展的基本原則，將會在全球LED行業(yè)至少是中上游這一塊取得實質(zhì)性的突破。如果能在國際上參與和指導(dǎo)最后國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，將會是中國科學(xué)技術(shù)力量繼航天科學(xué)技術(shù)之后又一次的科學(xué)創(chuàng)舉，從而直接使我國在LED行業(yè)的國際影響力得到根本認(rèn)識的改觀，達(dá)到一個新的高度。

    二、大功率LED光源的核心技術(shù)與優(yōu)勢

    LED一般上來說是由外延片-芯片-光源-燈具的四個環(huán)節(jié)組成，在LED產(chǎn)業(yè)中下游應(yīng)用上關(guān)鍵點是怎么解決熱阻和結(jié)溫等關(guān)鍵問題的前提條件下，保持芯片穩(wěn)定的有效光輸出。

    一直以來，LED光源的一般照明應(yīng)用中存在著光源的高導(dǎo)熱金屬材質(zhì)問題、應(yīng)用的熱平衡問題、長效熒光粉問題和配光問題等四個核心技術(shù)瓶頸：

    核心技術(shù)1：高導(dǎo)熱金屬材質(zhì)

    目前上游龍企業(yè)，比如CREE已經(jīng)可以做到的芯片光效可以達(dá)到130-150lm/W。但是LED結(jié)溫高低直接影響到LED出光效率、器件壽命、可靠性、發(fā)射波長等。保持LED結(jié)溫在允許的范圍內(nèi)，是大功率LED芯片制備、器件封裝和器件應(yīng)用等每個環(huán)節(jié)都必須重點研究的關(guān)鍵因素，尤其是LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計必須著重解決的核心問題。

    現(xiàn)在主流的應(yīng)用技術(shù)材質(zhì)是用鋁基板來封裝，但是鋁基板封裝的芯片散熱和光轉(zhuǎn)換效率都存在技術(shù)核心瓶頸，不能有效地控制結(jié)溫和穩(wěn)定地維持高功率的光輸出，并且應(yīng)用會因為芯片光效越高，所需的鋁基板面積就越大，會加大成本和應(yīng)用體積，極為不便。所以如何走出此誤區(qū)另辟新路是新的技術(shù)核心特點。

    核心技術(shù)2：熱平衡技術(shù)

    LED器件采用專利熱平衡散熱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，在保持低成本和被動散熱方式的前提下，利用高導(dǎo)熱介質(zhì)，通過嶄新的器件/燈具整體結(jié)構(gòu)，成功降低熱阻，有效降低PN結(jié)結(jié)溫，使PN結(jié)工作在允許工作溫度內(nèi)，保持最大量光子輸出。其特點如下：

    (1)超低熱阻材料，快速散熱整體結(jié)構(gòu)技術(shù)；

    (2)高導(dǎo)熱、抗UV封裝技術(shù)；

    (3)應(yīng)用低環(huán)境應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)；

    (4)整體熱阻＜20K/W，結(jié)溫＜80度；

    (5)LED光源照明模組工作溫度控制在65℃以下。

    核心技術(shù)3：高效熒光粉的應(yīng)用

    目前市場上所常用的白光LED發(fā)光熒光粉應(yīng)用技術(shù)是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成，該技術(shù)是日本日亞化工在上世紀(jì)90年代末發(fā)明，并形成專利技術(shù)壟斷。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉，受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。理論上對于In-GaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。但是這種傳統(tǒng)的白光LED工藝基礎(chǔ)上采用的還是藍(lán)光LED，所以當(dāng)色溫偏高時，色彩會向藍(lán)色偏移，而產(chǎn)生色飄，形成一定的光污染。必須采用在降低光效、降低整體熱阻的情況下，方可實現(xiàn)相對的穩(wěn)定，但是衰減情況還是不容樂觀。

    目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍(lán)光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為35流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進(jìn)口，價格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過發(fā)光效率較差。

    核心技術(shù)4：LED一次配光學(xué)的應(yīng)用

    目前全球LED行業(yè)內(nèi)的主流做法是在封裝LED芯片形成光源或光源模組以后，在做成燈具的時候再進(jìn)行配光，這樣采用的是原有傳統(tǒng)光源的做法，因為傳統(tǒng)光源是360°發(fā)光。如果要把光導(dǎo)到應(yīng)用端，目前飛利浦的傳統(tǒng)燈具做到最好的一款，光損失也達(dá)到40％。而我們國內(nèi)眾多的LED下游廠家應(yīng)用的燈具光學(xué)參數(shù)其實都是芯片或者光源的光學(xué)參數(shù)，而不是整體燈具的的光學(xué)指標(biāo)參數(shù)。

    現(xiàn)在最先進(jìn)的科學(xué)方法是在芯片封裝上就做配光，一次把芯片的光導(dǎo)出來，維持最大的光輸出，這樣光損率只有5％－10％。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，光損率將會越來越低，光源的光效會越來越高。同樣配有這樣的光源燈具無需再做配光，相對的燈具效率將會大大提高，使之更為廣泛地使用到功能性照明之中，形成相當(dāng)規(guī)模的市場渠道。

    測算LED的結(jié)溫。要求已經(jīng)把LED安裝到散熱器里，并且是采用恒流驅(qū)動器作為電源。同時要把連接到LED去的兩根線引出來。在通電以前就把電壓表連接到輸出端(LED的正極和負(fù)極)，然后接通電源，趁LED還沒有熱起來之前，馬上讀出電壓表的讀數(shù)，也就是相當(dāng)于V1的值，然后等至少1小時，等它已經(jīng)達(dá)到熱平衡，再測一次，LED兩端的電壓，相當(dāng)于V2。把這兩個值相減，得出其差值。再被4mV去除一下，就可以得出結(jié)溫了。實際上，LED多半為很多個串聯(lián)再并聯(lián)，這也不要緊，這時的電壓差值是由很多串聯(lián)的LED所共同貢獻(xiàn)，所以要把這個電壓差值除以所串聯(lián)的LED數(shù)目再去除以4mV，就可以得到其結(jié)溫。例如，LED是10串2并，第一次測得的電壓為33V，第二次熱平衡后測得的電壓為30V，電壓差為3V。這個數(shù)字先要除以所串聯(lián)的LED個數(shù)(10個)，得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定開機(jī)前的環(huán)境溫度是20度，那么這時候的結(jié)溫就應(yīng)當(dāng)是95度。