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高亮度白光LED技术及市场分析

导读: 随着亮度增加和价格降低,白光LED在通用照明领域的市场潜力越来越大。白光LED在通用照明产业的使用,将对国家或地区的能源策略和环保策略产生积极的影响。

                                    大连光产业园 韩琦                  上海大学材料学院 刘丽博士
摘 要
随着亮度增加和价格降低,白光LED在通用照明领域的市场潜力越来越大。白光LED在通用照明产业的使用,将对国家或地区的能源策略和环保策略产生积极的影响。

白光L E D 具有体积小,使用可进行平面封装,或根据使用环境或状况使用多颗或进行多种组合,并且具有发热量低,发光寿命长( 5 万小时以上)、不易破,极具耐震与耐冲击性,可在较恶劣的情况下使用等特性。白光LED发光效率高,省电、无热幅射、不含水银等重金属,无污染及废弃物处理问题等众多优点,被视为"绿色照明光源"的明日之星,在不久的将来,将取代目前为照明市场的主流白炽灯泡及萤(日)光灯。白光LED照明产业的发展将影响到一个国家和地区的能源战略和环保战略,因此,各个国家纷纷进行将LED半导体照明产业例为国家重大发展进行支持,我国台湾地区也投入巨资进行研究和开发。国际性大公司如GE、西门子、飞利浦、西门子、惠普等都已积极投入白光LED 的研发工作。
    
白光LED的市场,是被LED业界最被看好的具有强大市场潜力的照明光源市场。根据Frost & Sullivan的预估显示,全球照明光源市场平均每年以5%的成长率稳定爬升;其中,白光LED较易进入的是白炽灯泡及萤光灯市场,此两项产品是民用照明最普及的光源,未来白光LED的市场潜力可说是相当的巨大。

一、白光LED发光原理 

白光LED发光的方式主要按使用LED发光二极管的使用数量可以分为单晶型和多晶型两种类型。

第一种是单晶型,即一只单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉,就如同日光灯的发光方式一样,采用LED发光二极管激发荧光粉发光。通常采用两种方式,一种方式是蓝光LED发光二极管激发黄色荧光粉产生白光,另一种方式是紫外光LED激发RGB三波长萤光粉来产生白光。许多厂商主要从事白光LED的研究,通常都先从蓝光LED开始研发及量产,有了蓝光LED的技术之后再开始研发白光LED,然而目前最常用蓝光LED激发黄色萤光粉来产生白光,但是用蓝光LED来发白光的方式的发光效率仍然不足,许多厂商开始向另外一个方向就是往紫外光LED来发展,利用紫外光LED加RGB三波长萤光粉来达到白光的效果,其发光效率比蓝光好上许多。而紫外光LED加RGB三波长萤光粉的方法,则关键技术在高效率的荧光体合成法,也就是如何把荧光粉有效的附着在晶粒上的一项技术。

另一种是多晶型,即使用两个或两个以上的互补的2色LED发光二极管或把3原色LED发光二极管做混光而形成白光。采用多晶型的产生白光的方式,因为不同的色彩的LED发光二极管的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同,因此在使用多晶型LED发光二极管的方式产生白光,比单晶型LED产生白光的方式复杂,也因LED发光二极管的数量多,也使得多晶型LED的成本亦较高;若采用单晶型,则只要用一种单色LED发光二极管元素即可,而且在驱动电路上的设计会较为容易。因此,现在很多厂商均把单晶型LED作为白光LED发展方向。

二.市场概况:
    
  LED技术在最近几年发展迅速,亮度不断提高,价格也不断降低,除LED原有市场外,在通用照明方面,市场也不断扩大,亮度与价格均逐渐接近传统源。因世界产油地区的局势动荡,全球能源短缺问题也再度成为关注的焦点。而LED产业的发展对一个地区的能源政策和环保政策将产生巨大的影响。美国、日本、欧洲、南韩,都纷纷成立国家型研发组织,加速技术开发和量产。

就现阶段而言,距离实际进入白光LED照明时代,还有很长一段距离。因白光LED发光效率和成本的考虑,约在2010年时,白光LED的发光效率可达100lm/W,而在2020年时可达200lm/W。如果白光LED的进程加快,则是可在2005年慢慢出现商品化的产品,2010后便开始大量使用。

在照明市场方面,根据Frost & Sullivan的预估,2000年白炽灯泡及日光灯的全球市场规模约为43亿美元,每年成长率约为5%,是2000年全球可见光LED市场规模的2.5倍左右,因此照明市场的发展空间颇大。Reed Electronics Research全球白光LED估计2000年将可成长至1.18亿美元的市场规模,未来3年均将保持40%左右的成长速度,在2003年达到2.7亿美元的市场规模。未来在白光LED成本进一步降低,除现有的手机背光源与小尺寸LCD背光源外,如果通用照明的市场开始启动,则白光LED的市场会有较大的市场潜力,白光LED估计从2004年开始,市场能量会逐步释放,需求会逐渐加大。

在现阶段,白光LED的应用,在照明方面,主要是供汽车内阅读灯、装饰灯等使用,其余约有95%以上是供小尺寸LCD背光源使用。

1.白光LED市场以彩色手机之屏幕背光源的市场为最大
        
虽然白光LED使用寿命最高可达十万小时,但是必须在低电流的环境下操作,目前该产品主要是供小尺寸背光源使用,就各应用市场来看,由于彩色屏幕手机需要搭配白光LED为背光源,而彩屏手机在未来几年成为手机市场的发展趋势,根据业界对彩屏手机的市场预测,2004年彩色手机比例约四成,2005年则预估将达55%至60%,如以彩屏手机一年需求量约4.5亿支及屏幕用背光源需2- 4颗白光LED来估计,彩色手机用屏幕背光源一年需求约5--10亿颗,另外,由于白光LED已开始采用于手机附数字相机的闪光灯,今年手机附数字相机比重约15%,明年则预计将提升至20%,如以闪光灯约需3- 4颗估,则一年需求量约4亿颗。其次,在PDA及数字相机用背光源方面,根据台湾工研院经资中心预估值来看,PDA在2003年的出货量约2500万台,每台约使用6-8颗白光LED来估算,约需5000万颗;若以数码相机来看,全球2003年数字相机出货量约3000万台,以每台使用4-6颗估,需求量约2亿颗左右。以此来看,白光LED需求仍将以彩屏手机背光源市场为主。

2.白光LED目前以小尺寸LCD背光源为主
        
冷阴极荧光灯(CCFL)相较于其它背光源技术具有亮度较亮且发光效率高的优点,但在小尺寸LCD方面,对背光源的尺寸要求比较严格,但由于制造小管径的冷阴极荧光灯技术难度较高,成本也无太大优势,因此冷阴极荧光灯多使用于4吋以上的显示器(而一般手机用屏幕尺寸多在1.5吋至2.2吋间,数码相机因轻薄考虑,尺寸也在此之间),在大尺寸LCD背光源方面,现阶段冷阴极荧光灯在大尺寸所需之辉度及价格方面具有绝对优势,因此在大尺寸的LCD背光源以采用冷阴极荧光灯。因此,白光LED作为LCD背光源与以冷阴极荧光灯作为LCD背光源的分界点在于,小尺寸LCD多使用白光LED,大、中尺寸LCD(如LCD显示屏,LCD TV)则多使用冷阴极荧光灯,如白光LED的亮度提高、成本进一步改善,则在大尺寸LCD方面,白光LED将时替换冷阴极荧光灯作为背光源使用。如此一项,考虑到大尺寸LCD在PC和TV方面的市场潜力,作为大尺寸LCD背光源的白光LED需求量是十分惊人的。

3.白光LED市场最大的是通用照明市场
        
业界对白光LED市场最看好的是通用照明市场,现阶段白光LED发光效率已可达30lm/W(普通的白炽灯泡发光效率为15lm/W),但是,如果白光LED真正在通用照明市场上占据一定的市场,需要白光LED发光的效率提升到60-100lm/W时方有机会,从发光效率来看,白光LED一旦超过60lm/W后(相当于20W日光灯),在照明市场便可开始普及化,若能将效率提升至80lm/W,则将普及到一般家庭各式灯具。但白光LED要真正占据通用照明市场,要除了发光效率及功率仍有极大的改善外,成本也是非常重要的因素,在发光效率与成本比率上,2001年白光LED的成本约1美元/lm,2002年降至0.1美元/lm,如果能将成本降至0.01美元/lm,因白光LED属于绿色环保能源,则预计将有可完全取代现有通用照明的大多数市场。

三、白光LED所涉及专利的问题
      
目前全球高亮度白光LED主要厂商: Nichia、Orsam、Matsushita、Lumileds、Toyota Gosei、Stanley、Toshiba、Citizen,这些厂商在LED材料和制程方面拥有较多专利,而一般不采用专利授权的方式释放技术。在市场竞争力与定位方面,Nichia、Toyota Gosei、Cree在蓝光、白光等高阶技术领先,而欧美大厂Lumileds、Osram,则在垂直整合上最完备,由于LED具有在特种与通用照明、LED显示屏、手机背光源等多方面应用的发展,因此市场发展趋势、销售渠道及上下游原材料及关键产业链的布局将是国际大型厂商在市场上提高市场占有率的关键。
另外白光LED牵涉专利问题,Nichia早在1993年11月成功量产GaN蓝光LED,几乎独占整个蓝光市场,但随着Toyota Gosei与Cree蓝光LED品质提升,Nichia倍受威胁,从1996年起Nichia掀起一连串专利诉讼纷争,因Nichia采取不通过专利授权释放技术,企图通专利技术垄断市场,遭到相当多公司的发难,在许多诉讼中屡尝败绩,2002年中开始陆续与Osram、Toyota Gosei、Lumileds、Cree达成和解,被迫开始与上述公司进行专利权交叉授权,并可使用双方特定专利技术,结束长达六年的诉讼。Nichia的专利垄断基本画了一个句号。2002年10月Osram又将白光LED制造技术授权给Rohm,而观察近年来Nichia并没有因此而控告Osram及Rohm,Nichia专利垄断的坚冰开始融化。诉讼将花费时间进行侵权调查,大量的金钱将掉进律师深深的口袋里。因LED市场需求激增,没有一家公司能独霸市场。而因LED照明的使用影响到能源战略和环保战略,因此各个国家对Nichia专利的诉讼案均具一定的保留态度。这在一定程度上影响Nichia专利的诉讼案的结果。

值得注意的是,近期台湾厂商亿光也已取得Osram白光LED正式授权,后续国际大厂对外授权白光LED的脚步将会开始加快,未来国内LED厂商将会陆续取得,有助台湾厂商进军白光LED市场。

2004年初光宝与Osram签下交互授权合约,光宝将可不受专利权限制,生产并销售白光LED,主要应用市场在于手机面板、手机按键、数字相机、投影机、PDA、LCD Monitor等背光模块、及车用音响面板。由于光宝是与Osram相互授权,因此市场预期,该公司付出的专利授权金费用将明显低于亿光。光宝与 Osram的相互授权,将使白光LED专利使用方面的坚冰融化,也给许多LED公司在专利使用方面指明的方向,也许,在不久的将来,依靠专利独霸市场的时代将一去不复返了。

LED专利问题一直是困扰台湾和中国大陆LED厂商的主要的问题。日美大厂一直对专利采用不售权的方式,台湾的LED厂商饱受日美大厂在专利上的限制与法律诉讼,亿光和光宝与欧美大厂达成专利授权,将给台湾和中国大陆LED厂商在LED专利问题上提供鉴戒。

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