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中國LED研發與產業發展戰略決策思考

  2009-4-8 7:33:12
 
 
 近年來,我國LED產業發展迅速,現階段從事該產業的人達數十萬,研究機構近百個,企業數千家。從全球LED產業競爭格局看,當前國內LED封裝企業自動化水平提升較快,以道路照明為主的照明應用產業取得了突破性發展,LED封裝和應用方麵在規模和產業化技術方麵在全球具有重要影響力;另一方麵,國內LED外延和芯片企業的產能和技術水平有了一定提升,上遊產業保持了良好的發展勢頭,但總體上講,在全球的競爭力相對還比較弱。在此背景下,科技部適時啟動了“十城萬盞”計劃,極大地推動了國內官、產、學各界對半導體照明事業發展的熱情。值此機會,AG8AG將近年來在調研基礎上形成的有關LED研發和產業發展的想法提出來,供業內同仁參考和指正。
  一、未來產業發展特征:技術和市場一起成長
  實際照明燈具的輸出光通量通常在上千流明至數萬流明,而目前單顆高端功率型白光LED的光通量僅在100流明左右,因此半導體照明燈具通常由數十至上百個集群白光LED組成。以目前的LED性能而論,低壓、恒流驅動的集群LED的使用造成半導體照明燈具必須解決巨大熱量的耗散和由交流市電向低壓恒流轉換而引起的電源管理問題。另外,傳統封裝的功率型LED的小光通、高亮度的發光特性會造成非常嚴重的眩光。所以,半導體照明技術不僅限於芯片的製作和封裝技術,而是一個包含了光學設計、熱量和電源管理等在內的係統級技術。
  從LED外延片到最終的照明燈具需要經過材料外延→芯片製作→管芯封裝→燈具設計和裝配等一係列產業鏈環節。一方麵,從外延片到最終照明和顯示應用,產業鏈的各個環節都能形成獨立的產品,並具有各自的技術壁壘和研發需求;另一方麵,終端應用產品的質量會受到每個環節的影響。例如,半導體照明的核心部件是LED芯片,但LED芯片的發光效率達到100lm/W,並不等於半導體照明燈具的效率也達到了100lm/W;更為重要的是,半導體照明產品要獲得市場認同,包括燈具效率、可靠性、人眼舒適性等在內的綜合性能相對於傳統照明產品必須獲得明顯的優勢。換句話說,即使半導體照明燈具的效率達到了100lm/W,也不意味它就一定能為市場所接受,半導體照明本身還有許多科學問題需要研究,比如照明效果和品質包括顯色性、色品一致性、人眼舒適性等。
  隻有當技術的發展使得半導體照明燈具在效率、照明品質、設計新穎性等方麵相對傳統光源取得優勢,半導體照明才可能進入並不斷開拓市場。另一方麵,市場的擴大會促使產量擴充及業界研發投入的增加,加速技術進步,從而使性能提升並且成本與價格逐漸下降。上述兩個過程交替往複,最終導致半導體照明產業的快速發展。
  二、未來市場集中領域:半導體照明和LED顯示
  半導體照明產業主要包括麵向室外通用照明、室內通用照明等的上、中、下遊產業;LED顯示產業主要包括LED背光源以及LED顯示屏領域的上、中、下遊產業。就技術層麵來說,上、中、下遊產業技術分別是材料外延和芯片製備、封裝、模組和燈具製造技術。半導體照明和LED顯示產品的上、中遊產業技術基本上是相同的,區別主要在於下遊技術。
  1、未來半導體照明市場最大的部分將是通用照明
  通用照明包括室內照明和室外照明兩大類。這兩類應用都要求燈具具有高發光效率、長壽命、環保等特性,其主要差別在於室內照明光源對照明效果和品質(包括顯色性、色品一致性、光源的出射度和均勻性、人眼舒適性等)有較高的要求,且其麵向的消費群體對燈具價格更敏感。另一方麵,藍光芯片的發光效率的優勢有待進一步提高且受限於白光LED的封裝技術,目前的半導體照明燈具大多為高色溫冷白光,加之色品一致性與傳統照明相比還不盡如人意,使得半導體照明燈具目前在室外照明中有較大規模應用,而在室內照明中才剛剛開始起步。因此,受限於成本和照明品質,半導體照明將率先在室外照明大規模應用,之後隨著技術的不斷發展逐漸進入室內照明領域。
  室外照明的一個典型應用是路燈,路燈是城市照明的重要組成部分,其耗電量占整個照明用電的很大部分。傳統的路燈采用高壓鈉燈,高發光效率的高壓鈉燈顯色指數很低,使得被照射物體顏色失真非常明顯;高顯色性高壓鈉燈顯色性有所改善,但其發光效率、壽命都有所損失;受限於其壽命較短,因此需要經常進行價格不菲的高空維護作業。一般高壓鈉燈的配光性能較差,也就是說道路照明時的均勻性不夠好,而為了滿足道路照明對均勻性的要求一般高壓鈉燈路燈都采用比燈杆下照度需求大許多的額定功率,從而造成了能源的浪費,因此,開發新型高效、節能、長壽命、顯色指數較好、環境友好的路燈對城市照明節能具有十分重要的意義。室外照明領域的巨大市場需求,推動著功率型LED路燈等燈具的技術水平不斷進步,成本不斷下降,新產品不斷出現。
  另一方麵,室內照明最常用的產品是白熾燈和熒光燈。白熾燈的發光效率極低,隻有十幾個流明/瓦,而熒光燈含有汞等有害物質,不利於環保。因此,室內照明對高效環保照明產品的需求更加強烈。盡管目前的白光LED器件在發光效率和環保等特性上已經超過了白熾燈和熒光燈,但是由其構成的燈具的照明效果和品質還沒有迅速形成對傳統照明光源的優勢,其在室內照明的應用才剛剛開始。然而,室內照明巨大的市場需求,必將推動著麵向室內照明應用的封裝和係統級應用技術的快速發展。
  2、LED顯示產業具有巨大的市場潛力
  LED顯示產業包括LED顯示屏和LED背光源。毋庸置疑,LED顯示屏在戶外顯示屏領域具有絕對優勢。對於室內顯示來說,目前有多種選擇,包括PDP、TFT-LCD、全彩色LED顯示屏等。但是,相比之下,PDP和LCD較難實現超大尺寸顯示,並且整體效率低、功耗大;而LED室內顯示屏一方麵能提供高品質的顯示且易實現超大尺寸,另一方麵有利於節能環保。一般認為,LED顯示屏已經是成熟的產業技術。然而,在室內超大屏幕顯示領域,要充分發揮LED顯示屏高顯示品質、大尺寸、節能、環保等優勢,普通的大像素間距的LED顯示屏遠不能滿足應用需求。AG8AG認為,在若幹關鍵技術突破的基礎上,大到體育場館、展覽館、大型會場,小46到中小型禮堂、會議室乃至家居場所,都將是LED顯示屏施展其特長的舞台。
  另一方麵,與CCFL(冷陰極熒光燈)相比,LED背光源具有節能、環保、更完美的運動圖像、更寬的色域等優勢,將在筆記本電腦、LCD-TV等應用領域大顯身手。
  三、未來突破領域:LED封裝和應用等中、下遊產業
  AG8AG對GaN基LED產業中的國際、國內相關專利進行了係統調研和深入分析,重點選擇該領域內的著名企業和核心專利進行統計,通過對歐洲專利局製作的專利文獻數據庫、德溫特世界專利索引(Derwent Innovations Index(DII))以及中國國家知識產權局專利檢索數據庫中相關專利的檢索,對美國(US)、日本(JP)、歐洲(EP)以及中國(CN)的3000餘份專利進行了統計和分析。
  把檢索得到的核心專利進行了分類,首先按產業鏈分為材料外延和芯片製作、器件封裝、應用四個環節,每個環節內部再按技術細分為若幹類,對每類的專利數進行了統計。
  可以看出,目前LED產業中的專利大部分集中在上遊環節,中、下遊部分的專利相對要少很多。這一結果也是和LED技術的發展進程相關的。從二十世紀九十年代初ShujiNakamura研製出GaN基LED以來,大量的研究工作致力於材料外延和芯片製作,從各個細節入手提高GaN基LED的性能。在這個過程中,上遊產業技術得到了快速的發展,湧現了大量的專利技術,其中很多還是核心技術,而中、下遊產品開發則相對滯後。這樣就形成了目前專利技術“上重下輕”的狀況。
  然而時至今日,GaN基LED的性能盡管離理論極限還存在一定距離,但已經基本滿足了照明的需求。隨著上遊技術的逐漸成熟,下遊市場的逐漸壯大,LED封裝和應用方麵的問題也逐漸凸顯出來。從產品上看,無論是半導體照明燈具還是LED顯示模組,都不是簡簡單單地將LED器件組合在一起形成的。封裝和應用環節包含了驅動電路、散熱和光學設計等一係列重大的科學技術問題,而這些問題的解決本身就意味著專利技術的產生。
  另一方麵,中、下遊產業的專利範圍比上遊產業更加廣泛。上遊產業的專利技術基本屬於半導體材料、芯片製備工藝等相關領域,而中、下遊產業更加直接地麵向市場,其產品設計與產品的使用對象、使用環境以及使用要求都有著密切的聯係,這也更加易催生新的專利。
  從上麵的分析可以看出,中、下遊技術現有的專利數量相對較少而可挖掘的專利數量非常多,國外大公司在這個領域的專利壁壘尚未構建得像上遊領域那樣森嚴。因此,在未來的幾年內,各大企業可能將在LED的封裝和應用技術上展開專利的爭奪,其中應用方麵的專利更是重點。而中國申請的專利中,下遊產業的比重比上遊產業更大,這也從一個側麵反映出國內部分企業在下遊技術上已經具備了一定的實力,中國在中、下遊技術方麵具備比上遊技術更大的優勢。因此,LED封裝和應用等中、下遊產業是國內企業最容易取得巨大成果的突破口。
  四、未來上遊領域發展趨勢:有選擇地重點突破,發展自主外延和芯片技術
  當前,國內眾多科研機構在材料外延和芯片製作方麵從眾多細節入手進行了大量的研究工作。而另一方麵,雖然近期國內LED外延和芯片企業的產能和技術水平有了一定提升,但總體上看上遊許多企業還未真正形成具有自主知識產權的技術路線,一些企業對未來技術的發展方向還比較困惑。
  AG8AG認為,當前中國LED產業在上遊領域麵臨的主要問題還是大部分芯片發光效率不夠高,器件的可靠性有待改善。建議集中資源有選擇的、在一些已經看得比較清晰的方向上重點突破,以提升我國上遊產業的水平。當前國內在上遊領域還是應該以提高內、外量子效率為核心,在深入理解GaN基材料物理性質的基礎上,研發材料外延和芯片製備技術,提高晶體質量、降低位錯密度、優化量子阱結構、控製應力和提高光提取效率,盡快在核心技術上形成自主知識產權。
  此外,國內LED材料外延和芯片產業領域的本土化高層次人才缺乏是製約上遊產業健康發展的關鍵問題之一。LED外延和芯片企業的高層次人才許多是海歸人員或從台灣地區聘請,其加入無疑在一定程度上推動了國內上遊產業的技術進步,但為了產業的長遠健康發展,盡快打造本土化的高層次人才隊伍是十分必要的。
  建議建立多層次的人才支撐體係,建立以企業為中心、以高校和研究機構為基礎的創新性人才培養機製,通過共建博士後流動站、工程碩士聯合培養點等方式,聯合培養光學、物理、電子、微電子、材料等專業領域的創新型人才。
 
 
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