LED照明市場爆發中的節能技術瓶頸分析

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-06-12

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　　1、替換潮大幕開啟

　　權威數據預測，到2020年全球照明市場規模將超過1500億美元，較2010年的1340億美元增長11.9%。雖然整體規模增長不大，但是照明產品結構會發生明顯變化。其中，LED照明市場份額將由2010年的50億美元左右增加到750億美元，即10年將擴張15倍。2014年，機構預測表示，預計全球LED照明產品出貨量將增長68%，產值達178億美元。另據臺灣拓撲產業研究所的數據，目前全球LED照明的滲透率僅為10%，恒光電器，到2015年或最遲2020年，滲透率將達到50%，也就是說，未來幾年間，LED照明器件將大量替換傳統照明裝置。圖1所示為近幾年全球LED照明市場的滲透率趨勢。

　　從2014年起，歐美國家開始逐步淘汰民用市場用量最大的40～60W白熾燈泡，為LED照明產品的普及提供了有利的契機。這也將刺激全球LED照明廠商加快布局LED照明的步伐，進一步推升全球LED照明滲透率。美國政府對于LED照明的扶持力度正在逐漸加大，能源之星等燈具補貼數量增長迅速，促使LED燈具價格進一步降低。cree等廠商紛紛看好2014年LED照明市場發展，并預期替換性燈具的銷量增長將成為接下來的業務增長重點。在市場相對成熟的歐洲，雖然并未見到大規模的補貼政策，但是其高昂的電價以及光文化的差異，使得商用照明與戶外建筑情境照明應用持續存在需求。而未來幾年隨著白熾燈泡全面禁止政策的影響發酵，預估市場將繼續呈現穩定增長態勢。

　　作為LED領域的產業強國，日本在推動世界LED產業發展的過程中也發揮了十分重要的作用。早在十多年前，日本已開始實施推動半導體照明技術發展及產業化的“21世紀光計劃”，是世界上最早啟動扶持LED產業政策的國家之一。近年來，LED照明品牌，在日本政府的大力扶持下，LED照明產業成長迅速。同時日本國內節能意識高漲，尤其之前發生東日本大地震后，企業資訊，政府更提出“低碳素社會”(節能減碳)的目標。其中LED照明產品飛速普及，LED天花燈，成為節能產品代表。

　　此外，在LED新興市場如巴西、印度、越南、俄羅斯等國家和地區，也相繼出臺了各種規劃和草案，扶持LED照明產業的發展。這些地區對于LED照明產品的需求呈明顯上升趨勢，LED照明市場正在快速增長，尤其是在LED公共照明和商用照明市場表現更為明顯。

　　多種數據表明，未來1～3年內LED照明將完成從15%～60%的滲透，節能與環保，大量的LED照明市場需求將被釋放出來。有力的扶持政策將直接帶動LED照明市場的快速成長。

　　2、技術瓶頸亟待突破

　　LED發光效率雖然不斷提升，但仍存在電光轉換效率低、散熱性能差、暖白光LED照明的顯色指數和色溫控制較難等亟待解決的問題，這些都已成為現階段制約LED照明行業發展的瓶頸。

LED產業鏈下游的產出要以上游材料為基礎，但因材料本身的顯示度不明顯，高質量，人們對材料的關注很容易被弱化，造成對基礎材料研究重視不夠，以致雖有投入但支持力度不夠，難以吸引相關人才，導致材料成為發展瓶頸。目前LED產業仍是以50mm(2吋)或100mm(4吋)的藍寶石基板為基礎，若能利用大直徑的硅基板氮化鎵(GaN-on-Si)技術，便有可能充分發揮現有硅晶生態系統的完備技術與規模經濟效益，節能與環保，達到降低整體LED成本的目標。若比較現行150mm(6吋)藍寶石基板和運用AZZURRO專利GaN-on-Si技術的150mm(6吋)晶圓，可達到超過75%原料的成本節省。雖然GaN-on-Si具顯著的成本優勢，室外照明，LED照明工程，但由于技術上的難度，因此一直未能在LED業界廣泛應用。問題主要是由于硅基板和GaN的熱膨脹系數不同，LED天花燈，在制程中會因為兩種材質間的晶格錯位而產生應力，進而形成曲度(bow)和薄膜厚度不均的問題。曲度和薄膜厚度不均不僅會在后段加工時可能產生破裂，同時也會造成同一片晶圓上制作出的LED具不同的峰值波長(peakwavelength)，增加了日后分選(binning)的困擾。根據AZZURRO于2011年第2季完成的150mm(6吋)GaN-on-Si晶圓來看，已可達到平均厚度6.1μm、標準偏差0.062μm，以及平均峰值波長451.9nm、標準偏差2.1nm的水平。研制設備是LED照明器件發展的另一個基礎保障。MOCVD系統是LED外延片、微波功率的異質結構材料生產的必需設備，隨著化合物半導體器件市場的不斷擴大，MOCVD系統的需求量不斷增長，而我國幾乎全部依賴進口。國際上主要的MOCVD設備供應商有德國AIXTRON公司和美國VEECO公司，這兩家公司對單臺MOCVD設備的報價高達2000萬元人民幣，即便如此，MOCVD系統這樣的關鍵設備，如果涉及國防科技，即使依靠進口也難以獲得最優性能。

　　LED封裝技術的發展，始終圍繞提升散熱效率以及縮減終端使用成本這樣的主題。新封裝材料的使用、新封裝規格的形成、新封裝工藝的出現，均是為了在保證質量水平的前提下，降低單位流明成本。從全球市場來看，LED照明品牌，中國LED封裝廠商份額提升面臨的主要挑戰仍然是技術。2013年，行業出現EMC支架封裝、FlipChip以及晶圓級封裝（CSP）等新興技術。

　　如今，知識產權已成為LED企業競爭的戰略性武器。先進入市場的LED企業為確保先發優勢積極布局專利網，將知識產權作為戰略性武器以保持領先優勢，恒光電器,照亮您的生活，店鋪照明，阻擊后發企業進入LED市場。因此，LED照明市場的發展還面臨知識產權危機。近10年來，半導體照明市場快速增長，LED知識產權成為國際半導體照明產業競爭的焦點。縱觀全球LED知識產權格局，照明資質，產業的核心專利仍由日本的日亞化學公司、豐田合成公司、美國科銳公司、飛利浦流明公司及德國的歐司朗公司等5大廠商主導。雖然近些年我國大陸地區LED專利申請數量大幅增長，但我國在全球LED知識產權格局中的地位并沒有因此得到根本改善。我國LED專利主要集中于中下游領域，中游封裝、下游應用環節的專利占申請總量的64%。在關系到產業長遠發展的關鍵技術環節，仍缺乏核心專利。從專利類型上看，我國LED專利以實用新型及外觀設計專利為主，發明型專利占比較低，其中國內LED實用型專利占比為59%，外觀設計專利占比為15%，而LED發明專利占比僅為26%。

　　3、結束語

　　LED照明是一個成長快速的市場，市場規模迅速攀升，但仍面臨諸多技術難題等待突破，比如科研人員和LED生產商一直致力于減小LED“光效下降”帶來的損失，但并未解決導致該現象背后的真正原因。

　　據調研預測，2014年中國LED照明產品出貨量將達13.2億只，比2013年增長68%。盡管照明端需求出現持續增長，LED照明工程，但是中國的LED卻存在核心技術缺乏以及整體產能過剩的狀況。我國LED產業鏈中的主要設備、儀器，目前大部分靠進口。關鍵原材料、配套件，如熒光粉、藍寶石、有機源、砷烷、磷烷等要依靠進口，MOCVD外延設備及部分全自動化的芯片和封裝設備也依賴進口，而且價位高。封裝用的高性能硅膠、環氧材料等也要依靠進口。長期下去，使得產品成本過高，不具競爭力，將制約LED產業發展的全過程。因此，盡快實現關鍵原材料及設備自給是未來發展的核心。