半导体led光源替代传统光源是必然的趋势吗

全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。 每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%~15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。

LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。

虽然半导体照明事业才刚刚起步，照明用LED还有很多问题要解决，但是，随着化合物半导体技术的迅猛突破和封装技术的不断提高，LED在照明领域的应用开始形成并逐步扩大。现阶段LED的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈。目前LED的应用领域主要集中在信号指示、智能显示、汽车灯具、景观照明和特殊照明等。

2003年6月17日，由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”。从协调领导小组成立起，到2005年年底之前的这段时间将是半导体照明工程项目的紧急启动期。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。2003年我国人均GDP首次突破获1000美元大关，经济实力得到了进一步的增强，已经初步具备了接受较高光通量成本（初始成本）的光源的能力。

在未来的5~10年内，用半导体LED作为光源的固态照明灯，将逐渐取代传统的照明灯而进入每一个角落，半导体LED固态光源替代传统照明光源已是大势所趋。我国的半导体LED产业链经过多年的发展已相对完善，具备了一定的发展基础。同时，我国又是照明灯具产业的大国,只要政府和业界适当协调整合得当，发展半导体LED照明产业是大有可为的。LED半导体照明市场潜力巨大，发展前景被广泛看好。 长期以来，由于LED光效低的原因，其应用主要集中在各种显示领域。随着超高亮度LED（特别是白光LED）的出现，在照明领域的应用成为可能。据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代，被称为第四代新光源。

中国照明行业网说目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100%白炽灯换成LED，可减少1～2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代，每年节省110亿度电。

日本早在1998年就编制“21世纪计划”，针对新世纪照明用LED光源进行实用性研究。近年来，日本日亚化工、丰田合成、SONY、佳友电工等都已有LED照明产品问世。世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、GE等也投入大量的人力物力进行LED照明产品的研究开发和生产。美国GE公司和EMCORE公司合作成立新公司，专门开发白光LED，以取代白炽灯、紧凑型荧光灯、卤钨灯和汽车灯。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发LED照明系统。台湾目前的LED产量仅次于日本列在美国之前，从1998年开始投入6亿台币进行相关开发工作。

LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。

第三代半导体材料优势明显，实用性强。以碳化硅、氮化镓宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料凭借其高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，展现巨大的市场前景，正成为全球半导体市场争夺的焦点，国内外第三代半导体技术、产品、市场、投资均呈现较高增长态势。第三代半导体实现区域发展，也是大力扶持项目。中国半导体照明产业已经有20多年的发展历程，政府高度重视技术创新和产业发展，产业布局相对完善，已经成为全球最重要的半导体照明产品生产国。中国第三代半导体电力电子、射频及光电子产业发展时间相对较短，从中央到地方密集出台政策措施扶持产业发展，第三代半导体产业集聚态势正在形成。

目前，我国半导体LED作为节能、环保的主要技术，已被纳入国家中长期科技发展规划与“十一五”国家“863”高新技术产业化重大项目，并得到了大力支持。然而，我国目前LED产品开发应用领域依然存在许多不足。我国自主的LED芯片、外延片产量仍有限，产品以中、低档为主，与国外差距很大。产业化规模偏小，只能满足国内封装企业需求量的20%-30%，大部分高性能的LED和大功率LED产品均要依赖进口。此外，在LED的应用市场方面，也存在着由于产品种类、品种参差不齐问题而引起的制约，尤其是在通用照明领域，由于存在的技术不足，使其无法进行规模化普及应用。因此，推广对LED封装技术的发展力度，提升自身核心技术并实现规模量产是LED产业发展的最关键一步。 一、LED照明产业发展趋势与分析 1.大功率的高亮LED增势迅猛，逐渐成为主流产品 2008年，全球LED市场规模达到80亿美元，所占整个LED产品的市场比例由2001年的40%增长到2005年的70%以上，其中高亮度LED在1995-2004年间的年均增长率达到46%。美国市场研究公司Communications In-dustry Researchers(CIR)预测，全球LED的市场规模年均增长率超过30%，2009年市场规模将超过100亿美元。近年来，随着LED在照明、小尺寸面板背光源以及室内照明等新应用领域逐渐扩展，高亮度LED过去数年一直处于高速增长阶段，在LED中的比重将逐步加大，已成为LED主流产品。 2.通用照明实现技术突破，照明升级工程产业机会巨大 通用照明占照明领域的90%的市场份额。半导体照明作为继白炽灯、荧光灯、节能灯后，具有革命性意义的第四代新型高效固体光源，具有寿命长、节能、绿色环保等显著优点。但目前LED的应用领域主要在特种照明，目前美国、日、韩、欧洲、中国及台湾在LED科技攻关方面都已启动专项国家规划，如果用于通用照明的技术一旦成熟，将面临一个对500亿美元照明市场份额的重新瓜分，因此照明升级工程产业机会巨大。 3.中国LED照明产业应该向封装高档产品和光源产品升级方向努力 在LED领域，主要有三个环节，即发光半导体外延片的生长、芯片和封装。目前国内三个环节都有，在中低端的应用领域还有一定基础。但是在关键环节，尤其是外延片的生长环节，与世界一流水平还有较大的差距。 目前我国的产业优势主要在封装，从封装产值区域分布来看，我国在2008年封装产值约25亿美元，已经超越日本、台湾成为全球最大的封装地区，并具备市场与技术核心竞争能力。但是国家和政府对此的重视却不多，如果台湾和日本等国家地区从经济危机中缓解或走出，随时可能会形成日本独大、台湾地区与美国齐进、欧韩中“平分秋色”的分布格局，我们将再一次失去主导权和先机。因此我们应在已有的产业优势上升级，向封装的高档产品努力，同时在通用照明技术方向上多下功夫，突破LED产业的技术专利壁垒，培育新兴市场的竞争优势。 (1)目前国家对于整个LED产业链的重点工作放在上游外延、芯片及下游灯具应用这两部分。上游投资陆续资金已经很大，但是收效甚微，反而与国际上游龙头的差距越来越大。下游产品又因为产品质量问题，参差不齐，难以保证稳定的长寿命使用效果。这样会造成使用者对我国LED产品产生怀疑并多持保守和负面的态度。这样各方面的意见反馈到政府领导，然后国家才重视整顿LED市场，最后的结果又是一次“叫停”，导致需要国家花费大量的人力和资源，引进国外龙头企业的先进封装技术来指导国内的下游产品，这样我们将又一次失去与对整个LED行业的话语权，国内的市场渠道也会以OEM等形式被占领。 (2)到现在为止，因为四大龙头企业(CREE、PHILPS、OSRAM、日亚化工)各有不同的技术路线和专利垄断保护，以及其封装技术的不成熟等原因，所以目前整个行业内尚未有一个关于LED光源的标准。如果我们先进的LED光源企业和单位，尤其是具有核心技术先进性的大功率LED光源企业和单位，在政府的支持和推动下，组织科研人员，对此进行全新的技术标准的设计与制定，坚持科学实践和创新发展的基本原则，将会在全球LED行业至少是中上游这一块取得实质性的突破。如果能在国际上参与和指导最后国际标准的制定，将会是中国科学技术力量继航天科学技术之后又一次的科学创举，从而直接使我国在LED行业的国际影响力得到根本认识的改观，达到一个新的高度。 二、大功率LED光源的核心技术与优势 LED一般上来说是由外延片-芯片-光源-灯具的四个环节组成，在LED产业中下游应用上关键点是怎么解决热阻和结温等关键问题的前提条件下，保持芯片稳定的有效光输出。 一直以来，LED光源的一般照明应用中存在着光源的高导热金属材质问题、应用的热平衡问题、长效荧光粉问题和配光问题等四个核心技术瓶颈： 核心技术1：高导热金属材质 目前上游龙企业，比如CREE已经可以做到的芯片光效可以达到130-150lm/W。但是LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。保持LED结温在允许的范围内，是大功率LED芯片制备、器件封装和器件应用等每个环节都必须重点研究的关键因素，尤其是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题。 现在主流的应用技术材质是用铝基板来封装，但是铝基板封装的芯片散热和光转换效率都存在技术核心瓶颈，不能有效地控制结温和稳定地维持高功率的光输出，并且应用会因为芯片光效越高，所需的铝基板面积就越大，会加大成本和应用体积，极为不便。所以如何走出此误区另辟新路是新的技术核心特点。 核心技术2：热平衡技术 LED器件采用专利热平衡散热结构关键技术，在保持低成本和被动散热方式的前提下，利用高导热介质，通过崭新的器件/灯具整体结构，成功降低热阻，有效降低PN结结温，使PN结工作在允许工作温度内，保持最大量光子输出。其特点如下： (1)超低热阻材料，快速散热整体结构技术 (2)高导热、抗UV封装技术 (3)应用低环境应力结构技术 (4)整体热阻<20K/W，结温<80度 (5)LED光源照明模组工作温度控制在65℃以下。 核心技术3：高效荧光粉的应用 目前市场上所常用的白光LED发光荧光粉应用技术是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成，该技术是日本日亚化工在上世纪90年代末发明，并形成专利技术垄断。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发射，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。理论上对于In-GaN/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。但是这种传统的白光LED工艺基础上采用的还是蓝光LED，所以当色温偏高时，色彩会向蓝色偏移，而产生色飘，形成一定的光污染。必须采用在降低光效、降低整体热阻的情况下，方可实现相对的稳定，但是衰减情况还是不容乐观。 目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为35流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。 核心技术4：LED一次配光学的应用 目前全球LED行业内的主流做法是在封装LED芯片形成光源或光源模组以后，在做成灯具的时候再进行配光，这样采用的是原有传统光源的做法，因为传统光源是360°发光。如果要把光导到应用端，目前飞利浦的传统灯具做到最好的一款，光损失也达到40%。而我们国内众多的LED下游厂家应用的灯具光学参数其实都是芯片或者光源的光学参数，而不是整体灯具的的光学指标参数。 现在最先进的科学方法是在芯片封装上就做配光，一次把芯片的光导出来，维持最大的光输出，这样光损率只有5%-10%。随着技术的不断改进，光损率将会越来越低，光源的光效会越来越高。同样配有这样的光源灯具无需再做配光，相对的灯具效率将会大大提高，使之更为广泛地使用到功能性照明之中，形成相当规模的市场渠道。

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