LED照明技术发展的调查分析报告zz

LED照明技术发展的历史、现状与未来 LED照明技术发展的调查分析报告 LED照明技术发展历程 早在1907年，Henry Joseph Round就首次在碳化硅上观察到电致发光现象，20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国从锌硫化物与铜中提炼出的黄磷发光，但因光线暗淡而难以为继，直到1936年George Destiau发表硫化锌粉末发光的报告，才最终出现了“电致发光”这个术语。 20世纪50年代，英国科学家使用半导体砷化镓发明了第一个现代意义上的LED并迅速应用于感应与光电领域；60年代初，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个GaAsP可见的红光LED；70年代中期，引入元素In和N，使LED可产生绿光（波长550nm）、黄光（波长570nm）和橙光（波长590nm），光效也随之提高到1流明/瓦；80年代早到中期，对砷化镓磷化铝（AlGaAsP）的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色（波长620nm）接着就是黄色（波长570nm），最后为绿色（波长550nm）；90年代早期，采用铟铝磷化镓（AlGaInP）生产出了桔红、橙、黄和绿光等多种光的LED而使发展步入快车道，其中第一个有历史意义的GaN蓝光（波长450nm）LED是1993年由日亚公司的中村修二博士发明的，90年代中期出现了超亮度的氮化镓LED，自此可见光领域的三原色（红、黄、蓝）均有高亮度光源可供应用，使 LED 可以进军全彩显示及白光照明等广大需求的市场；2000年，GaAlInP做成的LED在红、橙区(λp=615nm)的光效达到100流明/瓦，而GaInN制成的LED在绿色区域(λp=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。 Roland Haitz所提出LED界有一个类似于半导体界的技术成长定律，这个定律总结道30年来每隔18-24个月，LED的亮度（flux）就会倍数增加，曾经暗淡的发光二极管现在真正预示着LED新时代的来临。照明产业必须要一定亮度的产品，目前LED 照明技术中，红光、黄光灯属于低端产品，已实现批量生产，用于道路照明、灯箱装饰等特种照明。而低成本、高亮度、大功率的白光灯则属于高端产品，因可应用于室内照明而实现继白热灯照明以来的又一次光革命，因此目前的LED 照明技术着重研究的也是白光 LED 照明。 1998 年白光的 LED开发成功。这种 LED是将 GaN 芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN 芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含 Ce3+的 YAG 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光 LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有 YAG 的树脂薄层，约200-500nm。LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色 LED，通过改变YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温 3500-10000K 的各色白光。这种通过蓝光 LED 得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用也最多。 LED照明技术发展现状 白光 LED 历经12年的发展，目前正朝高亮度 LED 光源开发中，LED 欲全面取代现阶段照明光源的门槛，必须达到发光效率 100Lm/W、成本降至美金＄10/kLm 及能够成熟量产。从国际上看，美国、日本、欧盟、韩国以及中国等国家和地区等相继推出国家半导体照明计划，加大了其研发力度。 美国能源部设立半导体照明国家研究项目，设立了由 13 个国家重点实验室、公司和大学参加的“半导体照明国家研究项目”，计划用 10 年时间，耗资 5 亿美元开发半导体照明，他们的技术目标是到2012年150lm／Ｗ，到2025年固态照明光源的使用将使照明用电减少一半。从2000年到2020年，累计的功效和节约潜力就可以达到：减少2.58亿吨炭污染物的排出；少建133座新电站，每座1000ＭＷ；累计节约财政开支1150亿美元；形成一个新的每年产值超过500亿美元的光源产业，还会带来高质量的百万计的工作机会。 日本投资50亿日元推行“21世纪光计划”，目前已经完成了发展计划的第一期目标，正在组织实施第二期计划；日本LED照明推进协议会(JLEDS)也公开了照明器具用高功率白色LED的技术开发蓝图，分别提出了白色光普通产品(高效率型)、高演色型产品以及灯泡色产品(灯泡色型)截止到2020年的发光效率目标等，按照该目标2015年前后发光效率预计达到150lm/W。在日本，日亚化学公司是LED照明技术的领军企业，在上世纪就将白光 LED 商品化，目前其LED 照明产业叶进入了新的发展阶段。 欧盟方面，英国巴思大学研制成功一种能够发出人造太阳光的发光二极管，这项经过 5 年时间研制成功的新技术称为电晶体光技术。利用电晶体光技术，不仅能够全天 24小时为住家与办公室带来自然光，而且可以为能源消耗节约数 10 亿英镑的开支，这使发出黄色可见光谱的传统电灯泡将成为历史，其位置将由发光二极管取代。英国剑桥大学科学家汉弗莱斯教授正研制的新型半导体照明灯，可把二氧化碳等温室气体的排放量减少15%，使用氮化镓的晶体制造LED，可以提高照明灯亮度、减小能耗而且更加耐用。 德国欧司朗光半导体正在开发的LED背照灯LED模块对红、绿、蓝三色 LED 芯片进行了单芯片封装。色彩表现范围与NTSC 规格相比高过 100%。如果发光效率能够达到 100lm/W，那么色彩表现范围比使用CCFL高、耗电量更低的背照灯将会出现，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、欧司朗集团均已经启动大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立半导体照明企业，并提出使半导体灯发光效率再提高8倍，价格降低99%。 韩国“GaN 半导体开发计划”从 2000 年至 2008 年，由政府投入 4.72 亿美元，企业投入 7.36 亿美元。研究项目包括以 GaN 为研究材料的白光 LED，蓝、绿光 Laser Diode 及高功率电子组件 HEMT 三大领域，分别由 Knowledge*On、Samsung 公司及 LG 公司负责进度管理。早期韩国的LED研究和发展都是由韩国的LG公司和韩国三星公司共同执行的。到了现阶段，从2001年开始涉及LED工业的合作公司已经达到340家。目前主要研究课题包括高效率、高可靠性的设备、紫外 LEDs、硅基 GaN 及其它非蓝宝石衬底，ZnO LEDs、高动力包和模、蓝光 LED 的磷光粉。KOPTI 是韩国当前发展的主要中心枢纽，由政府支持的组织机构位于在韩国西南部的光州（Gwangju），是专门从事光子学工业研发的中心。它扮演的角色是帮助商业基础和应用光子学技术建立一个先进的以技术为基础的机构和实施综合工业支持系统。 2003 年，我国提出了实施“国家半导体照明工程”计划，后来又紧急启动了国家“半导体照明工程产业化技术开发”重大项目，目的是打造一批半导体照明特色产业基地，形成我国自己的半导体照明产业。在这一背景下，全国十几个省市迅速掀起了建立国家半导体照明工程产业化基地的高潮。2004 年经国家科技部批准，在南昌建立了国家半导体照明工程产业化基地，与上海、大连、厦门一起成为了我国首批建设的国家半导体照明工程产业化基地。中国台湾地区也推动“次世纪照明光源开发计划”，投资约6-10亿新台币，台湾工研院化工所宣布与全球知名专业高科技商品化公司BTG签署合作研究协议，将共同开发“对称配置 A/c 发光显示器”（SCALE）专利技术，技术转让将会以台湾厂商为优先。根据全球平面显示器市场研究调查机构 Display Search 的资料（OLED Technology Report）显示，此次合作将会加速台湾发光二极管显示器的技术跃进与市场拓展。 LED照明技术未来发展 2010年在上海举办的世博会上，五彩绚烂的LED夜景照明灯“共同点亮了上海世博会”，这项快速发展的技术给全世界留下了深刻的印象，世博园区是目前全球最大的LED示范园区：园区80％以上的夜景照明采用LED；LED显示屏更是在园区各场馆大规模应用史无前例；世博会开幕式的江边显示屏总面积近9000平方米，是目前全球最大的户外LED显示屏；据了解，整个世博会用了10.3亿颗LED芯片。世博会对于LED照明产业的推介作用及其巨大，但要使得LED照明产业腾飞，就要解决LED的未来发展面临着以下几个发展瓶颈。 首先成本偏高，LED灯具的制造成本较高，主要因其制造步骤繁琐、使用设备要求高、其中芯片成本一般会占制造成本的30%到40%；但从使用成本看，LED功能性照明可比普通荧光灯节能40%以上；从维护成本看，LED的寿命也很长。目前，从道路照明领域看，与传统节能灯相比，LED灯3—5年会达到盈亏平衡点，超过这个时间LED灯更省钱，同样的耗电量，LED灯具的发光总量是白炽灯的10倍，是荧光灯的1.5倍。随着技术的不断改进，LED发光效率还有很大的增长空间，LED照明灯的理论使用寿命为10万小时，是荧光灯的10倍、白炽灯的100倍。而且LED照明成功解决了汞污染的问题，是一种既节能又清洁的光源，但随着LED技术的不断成熟，生产规模化和标准化之后，才能真正降低成本。 苏州纳晶广电有限公司董事长梁秉文说，作为一个新兴产业他们最大的烦恼就是成本居高不下。比如一个LED灯泡开价100—200元，中国百姓显然不具消费能力。中国建设报的一篇文章指出，“市场有时是短视的。目前LED灯具的价格较贵，普通消费者可能宁愿买高耗能但价格较低的传统灯具，也不会接受价格较高的节能产品。在市场失灵的时候，就需要政府发挥作用。”在我国价格高的背后，是核心技术的缺失，我国LED灯具成本60%集中在芯片上，但由于不掌握核心技术，我国LED芯片基本靠从美国、日本、德国、韩国等地进口。发改委出台了《半导体照明节能产业发展意见》，争取在2015年前实现半导体芯片70%的国产化率，要在技术、市场上给予更多政策支持看好LED行业，眼下富士康、海信、曲美等大企业纷纷介入LED市场，不少房地产商也把钱投了进来。 其次标准缺失阻碍产业发展，令LED企业尴尬的是当其他类节能产品享受政府补贴的时候，LED行业却因为没有出台行业国家标准，即使政府想发补贴，都没有标准可依。不仅如此，标准缺失还让LED的用户们头疼不已。南京路灯管理处总工程师刘磊实说，由于各厂家的LED灯造型不一，有圆有方，维修工具、材料没有通用性，给维修带来很大麻烦。修普通路灯，带三件工具就够了，可是修LED灯，得开着小卡车去，装一堆材料和工具。由于LED道路照明产品还属于照明行业的“新生儿”，LED产业的全国标准尚未出台，质量评价无所依据，各地厂家的产品规格都不一样，一旦企业遭遇不幸产品的售后和维修将是一个大难题。 目前我国只有一个《广东省LED路灯地方标准》，但就这个唯一的地方标准也正在饱受标准偏高、面窄、企业起草标准是否公正等方面的质疑。由于目前产业内并无领导厂商可绝对主导产业发展，以至于LED无论在产品规格或测量上均缺乏适当标准。目前市场上LED照明相关产品种类繁多，产品鱼目混珠，造成了市场的不规范。而产品的多样性也造成企业很难集中大规模生产，使LED照明产品的品质受到一定影响。为使各种不同形式及用途的LED光源产品，尤其是目前市场已经启动且需求巨大的LED道路照明产品能有正确、可靠且具一致性的评估体系，制定相关的LED标准便成为迫切需求。国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长吴玲在接受媒体采访时也表示，现在阻碍LED发展的一个瓶颈就是能效的检测标准。半导体照明这项技术目前还在走向成熟的阶段，全世界迄今为止都没有统一的检测标准，所以它的市场竞争也相对无序。 最后受技术限制市场销售不旺盛，导致LED难以吸引到大的投资，因为LED技术达不到照明市场要求，就连灯具城的销售人员也不建议消费者购买LED灯具，经销商认为别看LED的灯光颜色很多，相比白色节能灯，大部分的LED灯具亮度不够，放在家里，只能用来作装饰，不可以看书写字，目前白光LED只能用在大功率的照明如路灯、景观照明以及应急照明上。灯具城里只有个别吊灯的经营柜台前才能找到可变换色彩并含有白光的LED灯，而且LED灯具价格居高不下，而灯带和灯杯的经营商更是很少销售白光型的LED。 这些原因使得国内做白光LED芯片的企业还较少，国内只有三安光电等个别公司，日本当地也有白光LED,但是进口产品价格很高；这类产品发展不起来，还在于市场推广力度不够大。其他灯泡要做出彩色效果，要在灯泡里面涂颜色，而LED本身就是有色光源，自己就会发出彩色的光，LED用作指示灯、背光源，前景也不错。但由于大功率的LED散热问题没有解决，节能不彻底，而且存在色温不均匀等问题，因此LED想用作路灯等功能性照明，技术上还有一段路要走。 国内目前面临以下更严重发展瓶颈，亟需妥善处理以带动整个LED照明产业良性发展： 1、中国的研发(尤其是集成技术)创新和国外的差距明显。目前中国LED照明企业规模普遍偏小，盈利能力差，科技投入不够，人才缺乏。同时又缺乏有效的、有实质性的产学研合作。LED照明跨行业、跨部门、跨学科的产业特点，以及目前国内的研发体制，导致现有人才、资金分散，设备、信息、技术不能有效共享，低水平重复现象普遍，加剧了这种竞争的不利局面。 2、产业环境不利于弱小的高新技术企业健康发展。由于LED照明产品发展很快，技术还不成熟，相关产品的质量检测标准、行业标准以及国家标准都还没有出台，形成行业内非良性竞争。因此，整个产业环境不利于弱小的高新技术企业健康发展。另外，国家欠缺相应的税收和采购政策支持，国家资源得不到合理的配置，产业的上下游之间和区域发展的定位已经产生各自为政的局面，整个中国LED照明产业的竞争力被削弱，无法参与国际竞争。 　　 3、核心装备和原材料完全依赖进口。目前来看，国内厂商和研究机构几乎都是引进进口设备和原材料。假如我国LED照明产业的上游装备和原材料继续依赖进口，那么即使从国外引进了技术、学会了生产，还是无法找到竞争优势。事实上，目前中国已有部分核心技术，但是缺乏有效的组织，国家缺少相应手段扶持，因此核心技术没有被充分利用。 4、专利方面的劣势。专利技术在LED照明产业发展中所起的作用和其独特的专利分布方式，专利的转让、授权及纠纷将极大的影响行业未来的发展格局。国内的技术水平与国外相比还存在很大的差距，这一点在专利方面的体现尤其突出。我国上游专利申请量少，并以外围发明专利为主，下游申请量虽大，但大部分都是实用新型专利。虽然国内在芯片、荧光粉等方面还没有明显的感受到来自Nichia、Gree等拥有专利大企业的压力，但随着芯片及封装产能的进一步扩大，国内企业越来越多地参与国际竞争，也将更多地面临专利难题。 从未来来看，只有当国内比较好的解决从技术到成本，以及国家行业标准的问题，才能妥善的跨越好LED照明产业的未来发展瓶颈，使LED照明行业越搞越好，历届的世博会之后，都相应的有一批新技术得到迅速应用，希望我国在解决好以上问题的同时，借助好的时机在世界LED照明行业占有一席之地，真正匹配我们大国的地位。 本文引用地址： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=368411