解析未來全球LED照明市場發(fā)展趨勢

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摘要：目前，我國半導體LED作為節(jié)能、環(huán)保的主要技術，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)應用領域依然存在許多不足。     目前，我國半導體LED作為節(jié)能、環(huán)保的主要技術，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)應用領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)品均要依賴進口。此外，在LED的應用市場方面，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域，由于存在的技術不足，使其無法進行規(guī)?；占皯谩Ｒ虼?，推廣對LED封裝技術的發(fā)展力度，提升自身核心技術并實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)是LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最關鍵一步。

    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到46％。美國市場研究公司Communications In-dustry Researchers（CIR）預測，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照明等新應用領域逐漸擴展，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)技術突破，照明升級工程產(chǎn)業(yè)機會巨大

    通用照明占照明領域的90％的市場份額。半導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的應用領域主要在特種照明，目前美國、日、韓、歐洲、中國及臺灣在LED科技攻關方面都已啟動專項國家規(guī)劃，如果用于通用照明的技術一旦成熟，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)機會巨大。

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

    在LED領域，主要有三個環(huán)節(jié)，即發(fā)光半導體外延片的生長、芯片和封裝。目前國內三個環(huán)節(jié)都有，在中低端的應用領域還有一定基礎。但是在關鍵環(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)濟危機中緩解或走出，隨時可能會形成日本獨大、臺灣地區(qū)與美國齊進、歐韓中“平分秋色”的分布格局，我們將再一次失去主導權和先機。因此我們應在已有的產(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方向上多下功夫，突破LED產(chǎn)業(yè)的技術專利壁壘，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面的態(tài)度。這樣各方面的意見反饋到政府領導，然后國家才重視整頓LED市場，最后的結果又是一次“叫?！保瑢е滦枰獓一ㄙM大量的人力和資源，引進國外龍頭企業(yè)的先進封裝技術來指導國內的下游產(chǎn)品，這樣我們將又一次失去與對整個LED行業(yè)的話語權，國內的市場渠道也會以OEM等形式被占領。

    (2)到現(xiàn)在為止，因為四大龍頭企業(yè)（CREE、PHILPS、OSRAM、日亞化工）各有不同的技術路線和專利壟斷保護，以及其封裝技術的不成熟等原因，所以目前整個行業(yè)內尚未有一個關于LED光源的標準。如果我們先進的LED光源企業(yè)和單位，尤其是具有核心技術先進性的大功率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，對此進行全新的技術標準的設計與制定，堅持科學實踐和創(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性的突破。如果能在國際上參與和指導最后國際標準的制定，將會是中國科學技術力量繼航天科學技術之后又一次的科學創(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識的改觀，達到一個新的高度。

    二、大功率LED光源的核心技術與優(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)中下游應用上關鍵點是怎么解決熱阻和結溫等關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光源的一般照明應用中存在著光源的高導熱金屬材質問題、應用的熱平衡問題、長效熒光粉問題和配光問題等四個核心技術瓶頸：

    核心技術1：高導熱金屬材質

    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到130-150lm/W。但是LED結溫高低直接影響到LED出光效率、器件壽命、可靠性、發(fā)射波長等。保持LED結溫在允許的范圍內，是大功率LED芯片制備、器件封裝和器件應用等每個環(huán)節(jié)都必須重點研究的關鍵因素，尤其是LED器件封裝和器件應用設計必須著重解決的核心問題。

    現(xiàn)在主流的應用技術材質是用鋁基板來封裝，但是鋁基板封裝的芯片散熱和光轉換效率都存在技術核心瓶頸，不能有效地控制結溫和穩(wěn)定地維持高功率的光輸出，并且應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核心特點。

    核心技術2：熱平衡技術

    LED器件采用專利熱平衡散熱結構關鍵技術，在保持低成本和被動散熱方式的前提下，利用高導熱介質，通過嶄新的器件/燈具整體結構，成功降低熱阻，有效降低PN結結溫，使PN結工作在允許工作溫度內，保持最大量光子輸出。其特點如下：

    (1)超低熱阻材料，快速散熱整體結構技術；

    (2)高導熱、抗UV封裝技術；

    (3)應用低環(huán)境應力結構技術；

    (4)整體熱阻＜20K/W，結溫＜80度；

    (5)LED光源照明模組工作溫度控制在65℃以下。

    核心技術3：高效熒光粉的應用

    目前市場上所常用的白光LED發(fā)光熒光粉應用技術是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成，該技術是日本日亞化工在上世紀90年代末發(fā)明，并形成專利技術壟斷。GaN芯片發(fā)藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉，受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍光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)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(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熒光粉的化學組成和調節(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工藝基礎上采用的還是藍光LED，所以當色溫偏高時，色彩會向藍色偏移，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4：LED一次配光學的應用

    目前全球LED行業(yè)內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。如果要把光導到應用端，目前飛利浦的傳統(tǒng)燈具做到最好的一款，光損失也達到40％。而我們國內眾多的LED下游廠家應用的燈具光學參數(shù)其實都是芯片或者光源的光學參數(shù)，而不是整體燈具的的光學指標參數(shù)。

    現(xiàn)在最先進的科學方法是在芯片封裝上就做配光，一次把芯片的光導出來，維持最大的光輸出，這樣光損率只有5％－10％。隨著技術的不斷改進，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，形成相當規(guī)模的市場渠道。

    測算LED的結溫。要求已經(jīng)把LED安裝到散熱器里，并且是采用恒流驅動器作為電源。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)，也就是相當于V1的值，然后等至少1小時，等它已經(jīng)達到熱平衡，再測一次，LED兩端的電壓，相當于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，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。假定開機前的環(huán)境溫度是20度，那么這時候的結溫就應當是95度。