LED照明市場爆發(fā)中的節(jié)能技術(shù)瓶頸分析

　　隨著人們環(huán)保意識的日益增強，LED作為新一代照明技術(shù)，成為全社會關(guān)注的焦點。在價格不斷下跌，以及發(fā)光效率與壽命不斷提升的雙重因素推動下，加上具備省電、節(jié)能以及環(huán)保的優(yōu)勢，LED照明迎來了市場爆發(fā)的時點。然而，技術(shù)的自主研發(fā)是我國產(chǎn)業(yè)長期存在的劣勢，在研判市場趨勢的同時，分析LED照明產(chǎn)品生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備和重要材料尚存的諸多技術(shù)瓶頸，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有很好的參考意義。

　　1、替換潮大幕開啟

　　權(quán)威數(shù)據(jù)預(yù)測，到2020年全球照明市場規(guī)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(guī)模增長不大，但是照明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)會發(fā)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，LEDinside預(yù)計全球LED照明產(chǎn)品出貨量將增長68%，產(chǎn)值達(dá)178億美元。另據(jù)臺灣拓?fù)洚a(chǎn)業(yè)研究所的數(shù)據(jù)，目前全球LED照明的滲透率僅為10%，到2015年或最遲2020年，滲透率將達(dá)到50%，也就是說，未來幾年間，LED照明器件將大量替換傳統(tǒng)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(chǎn)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(shù)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(fā)展，并預(yù)期替換性燈具的銷量增長將成為接下來的業(yè)務(wù)增長重點。在市場相對成熟的歐洲，雖然并未見到大規(guī)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(yīng)用持續(xù)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(fā)酵，預(yù)估市場將繼續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)定增長態(tài)勢。

　　作為LED領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)強國，日本在推動世界LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中也發(fā)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(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化的“21世紀(jì)光計劃”，是世界上最早啟動扶持LED產(chǎn)業(yè)政策的國家之一。近年來，在日本政府的大力扶持下，LED照明產(chǎn)業(yè)成長迅速。同時日本國內(nèi)節(jié)能意識高漲，尤其之前發(fā)生東日本大地震后，政府更提出“低碳素社會”(節(jié)能減碳)的目標(biāo)。其中LED照明產(chǎn)品飛速普及，成為節(jié)能產(chǎn)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(qū)，也相繼出臺了各種規(guī)劃和草案，扶持LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這些地區(qū)對于LED照明產(chǎn)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(xiàn)更為明顯。

　　多種數(shù)據(jù)表明，未來1～3年內(nèi)LED照明將完成從15%～60%的滲透，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(shù)瓶頸亟待突破

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

　　LED產(chǎn)業(yè)鏈下游的產(chǎn)出要以上游材料為基礎(chǔ)，但因材料本身的顯示度不明顯，人們對材料的關(guān)注很容易被弱化，造成對基礎(chǔ)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(guān)人才，導(dǎo)致材料成為發(fā)展瓶頸。目前LED產(chǎn)業(yè)仍是以50mm(2吋)或100mm(4吋)的藍(lán)寶石基板為基礎(chǔ)，若能利用大直徑的硅基板氮化鎵(GaN-on-Si)技術(shù)，便有可能充分發(fā)揮現(xiàn)有硅晶生態(tài)系統(tǒng)的完備技術(shù)與規(guī)模經(jīng)濟效益，達(dá)到降低整體LED成本的目標(biāo)。若比較現(xiàn)行150mm(6吋)藍(lán)寶石基板和運用AZZURRO專利GaN-on-Si技術(shù)的150mm(6吋)晶圓，可達(dá)到超過75%原料的成本節(jié)省。雖然GaN-on-Si具顯著的成本優(yōu)勢，但由于技術(shù)上的難度，因此一直未能在LED業(yè)界廣泛應(yīng)用。問題主要是由于硅基板和GaN的熱膨脹系數(shù)不同，在制程中會因為兩種材質(zhì)間的晶格錯位而產(chǎn)生應(yīng)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(chǎn)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(jù)AZZURRO于2011年第2季完成的150mm(6吋)GaN-on-Si晶圓來看，已可達(dá)到平均厚度6.1μm、標(biāo)準(zhǔn)偏差0.062μm，以及平均峰值波長451.9nm、標(biāo)準(zhǔn)偏差2.1nm的水平。研制設(shè)備是LED照明器件發(fā)展的另一個基礎(chǔ)保障。MOCVD系統(tǒng)是LED外延片、微波功率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)的必需設(shè)備，隨著化合物半導(dǎo)體器件市場的不斷擴大，MOCVD系統(tǒng)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(shè)備供應(yīng)商有德國AIXTRON公司和美國VEECO公司，這兩家公司對單臺MOCVD設(shè)備的報價高達(dá)2000萬元人民幣，即便如此，MOCVD系統(tǒng)這樣的關(guān)鍵設(shè)備，如果涉及國防科技，即使依靠進口也難以獲得最優(yōu)性能。

　　LED封裝技術(shù)的發(fā)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(guī)格的形成、新封裝工藝的出現(xiàn)，均是為了在保證質(zhì)量水平的前提下，降低單位流明成本。從全球市場來看，中國LED封裝廠商份額提升面臨的主要挑戰(zhàn)仍然是技術(shù)。2013年，行業(yè)出現(xiàn)EMC支架封裝、FlipChip以及晶圓級封裝(CSP)等新興技術(shù)。

　　如今，知識產(chǎn)權(quán)已成為LED企業(yè)競爭的戰(zhàn)略性武器。先進入市場的LED企業(yè)為確保先發(fā)優(yōu)勢積極布局專利網(wǎng)，將知識產(chǎn)權(quán)作為戰(zhàn)略性武器以保持領(lǐng)先優(yōu)勢，阻擊后發(fā)企業(yè)進入LED市場。因此，LED照明市場的發(fā)展還面臨知識產(chǎn)權(quán)危機。近10年來，半導(dǎo)體照明市場快速增長，LED知識產(chǎn)權(quán)成為國際半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)競爭的焦點?？v觀全球LED知識產(chǎn)權(quán)格局，產(chǎn)業(yè)的核心專利仍由日本的日亞化學(xué)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(dǎo)。雖然近些年我國大陸地區(qū)LED專利申請數(shù)量大幅增長，但我國在全球LED知識產(chǎn)權(quán)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(lǐng)域，中游封裝、下游應(yīng)用環(huán)節(jié)的專利占申請總量的64%。在關(guān)系到產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，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(shè)計專利為主，發(fā)明型專利占比較低，其中國內(nèi)LED實用型專利占比為59%，外觀設(shè)計專利占比為15%，而LED發(fā)明專利占比僅為26%。

　　3、結(jié)束語

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

　　據(jù)調(diào)研機構(gòu)ledinside預(yù)測，2014年中國LED照明產(chǎn)品出貨量將達(dá)13.2億只，比2013年增長68%。盡管照明端需求出現(xiàn)持續(xù)增長，但是中國的LED卻存在核心技術(shù)缺乏以及整體產(chǎn)能過剩的狀況。我國LED產(chǎn)業(yè)鏈中的主要設(shè)備、儀器，目前大部分靠進口。關(guān)鍵原材料、配套件，如熒光粉、藍(lán)寶石、有機源、砷烷、磷烷等要依靠進口，MOCVD外延設(shè)備及部分全自動化的芯片和封裝設(shè)備也依賴進口，而且價位高。封裝用的高性能硅膠、環(huán)氧材料等也要依靠進口。長期下去，使得產(chǎn)品成本過高，不具競爭力，將制約LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全過程。因此，盡快實現(xiàn)關(guān)鍵原材料及設(shè)備自給是未來發(fā)展的核心。