LED：引领绿色照明革命

辰毓

（中国电子科技集团公司第五十二研究所 杭州 310012）

1 引言

LED(Lighting Emitting Diode，发光二极管)照明产品是采用半导体芯片作为发光材料制造出来的照明器具，亦称半导体照明。与白炽灯的钨丝发光和节能灯的三基色粉发光不同，LED照明技术采用电致发光原理，光电转换效率比较高，在节能(能耗为白炽灯的1/8~1/10、节能荧光灯的1/3~1/2)、环保(可回收、无污染)、可数字化设计等方面具有明显优势，已成为21世纪最引人注目的高新技术领域之一，被誉为21世纪最具发展潜力的绿色节能光源。

经过各国政府前期的大力推动以及市场需求不断增长的刺激，LED技术得到了快速发展，产业规模不断扩大，产品种类日益丰富，应用领域迅速拓展。

2  LED照明得到各国政府的计划支持

LED照明技术不仅能解决人类照明需要和能源供给之间的矛盾，还能解决照明带来的环境污染问题。成功发展半导体照明技术和产业将会对每个国家乃至全人类的长期可持续发展做出重要贡献。因此，世界很多国家都非常重视半导体照明产业的发展，美国、日本、欧盟、韩国以及我国等近年来都相继制定了一系列支持半导体照明产业发展的战略规划，以推动LED照明产业和应用的快速发展。

日本早在1998年就开始实施“21世纪照明计划”，整个计划截止到2010年，财政预算为60亿日元；美国在2000年开始推进“国家半导体照明计划”，计划用10年时间，耗资5亿美元开发半导体照明，参加者包括13个国家重点实验室、公司和大学；欧盟2007年7月启动“彩虹计划”，委托6个大公司、2所大学，通过欧盟的补助金来推广白光LED应用；韩国“GaN半导体开发计划”从2000年至2008年。

我国政府也非常重视半导体照明产业的发展。2003年6月，科技部联合信息产业部、中科院等单位，成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”，正式启动了“国家半导体照明工程”。经过“十五”期间的组织与实施，功率型芯片和功率型白光封装达到国际产业化先进水平，发光功率和发光效率分别达到 189 mW 和 47 lm/W ，改变了过去蓝光芯片主要依赖进口的不利局面。2006年初，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，“高效节能、长寿命的半导体照明产品”被列入中长期规划第一重点领域（能源）的第一优先主题(工业节能)，在国内外引起广泛关注。 2006年10月，国家“十一五” 863 计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。

政策的扶持和环保的要求都预示着全球LED照明市场具有巨大潜力。

3  LED照明技术概况

    LED发光原理为注入式电致发光，即在某些半导体材料(III-V族化学元素，如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等)的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。其发光颜色与亮度由半导体芯片材料磊晶决定，且磊晶材料占LED制造成本的70%左右，对LED产业极为重要。

目前LED照明技术种类繁多，依发光波长大致分为可见光与不可见光两大类。

可见光LED技术主要包括传统LED、高亮度AlGaInP(磷化铝镓铟)红、黄、橘光LED及InGaN(氮化铟镓)蓝、绿光LED以及GaN(氮化镓)白光LED。其产品以显示用途为主，又以亮度1烛光(1cd)作为一般LED和高亮度LED之分界点。一般LED广泛应用于各种室内显示用途；高亮度LED则适合于户外显示，如汽车灯、户外信息看板和交通信号灯等。

不可见光LED波长在850~1550nm之间，其短波长红外光可作为红外线无线通讯使用，如红外线LED应用在影印纸张尺寸检知、家电遥控器、工厂自动检测、自动门、自动冲水装置控制等；长波长红外光则在中、短距离光纤通讯中作为光通讯用光源。

目前最成功的LED照明技术是高亮度蓝光及绿光LED，而对于一般照明而言, 高亮度白光LED因其耗电低、寿命长且适合人眼习惯等特性，被视为传统白炽灯、日光灯等照明光源的极佳替代品。

 白光主要有两种发光方式：多芯片型和单芯片型。前者是将红绿蓝3种LED封装在一起，同时使其发光而产生白光；后者是把蓝光或者紫光、紫外光的LED作为光源，再配合使用YAG荧光粉封装出来的。前者驱动电路比较复杂，后者电路设计比较容易。现已商品化的产品仅有单芯片型，通用照明市场看好的是多芯片型白光LED。

LED技术的电光转换效率在不断提高，高亮度产品已逐步接近实用，但是白光LED的发光效率、可靠性、寿命以及大功率LED封装等技术还需进一步提高，成本也需要降到合理水平。从目前全球产业进程看，这一时间预计在2010年前后，但在特种照明市场，白光LED照明会提前导入。

4  LED应用领域和市场需求

从红外线遥控器到手机显示屏，从交通指示灯到家用电器显示器， LED无处不见。

据我国台湾产业经济与趋势研究中心(IEK)数据显示，2006年全球LED市场规模超过60亿美元，2007年和2008年将保持10%以上的增长速度，分别达到68.5亿美元和76.7亿美元。在接下来的一波推进潮中，以汽车前灯、笔记本电脑、高端液晶电视背光源和照明为代表的高亮度LED将代替手机显示屏、家电等低亮度LED，成为拉动市场规模增长的火车头。有关专家甚至宣称，伴随着LED亮度以及相关散热、组装技术的发展，“未来10年LED市场将不见一片乌云”。

4.1  LED应用领域广泛

LED应用领域非常广泛，大体包括以下几个方面：

(1)传统应用：包括各种显示屏、信号灯及指示/显示灯等。

　　 (2)特种照明灯：包括安全照明灯(防爆灯、矿灯、应急灯等)、专用普通照明灯(手电筒、闪光灯、阅读灯、廊灯、门牌灯、显微镜灯、台灯、路灯等)、军用照明灯(无红外辐射)、医用手术灯(无热辐射)和治疗灯、农作物和花卉专用照明灯、文物与艺术品照明灯、皮革与首饰装饰灯、太阳能LED灯，等等。

(3)光色照明：室外景观照明和室内装饰照明。

　  (4)背光源：手机、笔记本电脑及液晶电视等显示设备用背光源。

(5)汽车灯：包括内部应用和外部应用。内部应用如仪表板、阅读灯；外部应用为尾灯、煞车灯、方向灯、头灯等。

(6)通用照明：替代室内外白炽灯、荧光灯等传统照明光源。

上述应用领域中前3项以及汽车内部应用市场已经成熟，高亮度背光源、车灯和通用照明3大应用市场仍处于开发、认证阶段，但无疑会是未来市场竞争热点。

4.2 中大型显示器背光源是市场快速增长点

以手机为主的移动应用(PDA、MP3、MP4等)仍是目前LED背光源的主要市场，但从趋势看，LED在移动产品中的比例逐步降低，已由2004年的57%下降到2006年的48%。而令人期待的白光LED真正进入通用照明市场预计要到2010年后，因此，现阶段电脑显示器和液晶电视背光源市场极有可能成为推动全球LED产业的新动力。

由于LED技术还存在LED芯片发光效率较低，散热困难、白光的一致性较差、光强有衰减等一些技术和成本较高的问题，所以2007年以前，笔记本、台式电脑和液晶电视用LED背光源市场还很小很小。但从2007年第2季度开始，苹果和惠普等公司开始推出采用LED背光源的笔记本电脑，先锋和苹果甚至计划在2007年底弃用所有以水银为材料的荧光LCD面板。采用LED背光源的大尺寸液晶电视也已经出现。

韩国Displaybank公司预测，到2007年，包括笔记本和台式电脑、液晶电视等大尺寸液晶面板用LED背光源的全球市场将达到约510万台，占整个背光源市场的1.5%，2008年将达到约1900万台并占市场的4.8%，2009年达到4210万台和9.6%，2010年将迅速增加到约6780万台和14.1%，2010年LED背光源在金额上会达到45.99亿美元，占总体的25.4%。

4.3 汽车车灯用LED逐渐增多

　LED灯具作为为第四代汽车光源，具有无延迟、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等诸多优点，取代钨丝灯，卤素灯已成必然。

 如今，大功率LED已被大量用于汽车的主刹车灯、方向灯、指示灯以及车内仪表和内饰照明背光源等方面。预计到2010年，LED将占据绝大部分汽车尾灯(包括倒车灯和牌照灯)、刹车灯和转向灯市场，在车前灯的应用局面也将打开。斯坦利电气(StanleyElectric)和德国海拉公司(HellaKGHueck&Co.)正在联合开发汽车前灯用LED模块，估计2008年前后将达到并超过现在金属卤化物灯(HID)的发光效率；丰田汽车雷克萨斯品牌的概念车LF-Sh和下一代微型面包车均将配备白光LED前照灯。

LED车内灯、脚灯、仪表板用灯、导航设备显示器用背光源以及车内局部照明等的应用也会日益增多。

车用LED在车用数量方面，每台车分别需要100只内部和200只外部LED。目前全车内部采用LED的厂家几乎都是欧洲汽车公司；而在外部照明方面，欧系及日系汽车将第三刹车灯改成LED的比率已超过80%。

　  目前汽车上广泛应用的LED以蓝色、红色和绿色光源为主，白光LED车灯市场才刚刚起步。但白光LED在汽车灯领域的前景被广泛看好。

4.4  LED进入通用照明市场的潜力值得期待

作为火光、电灯泡之后人类光源的第三次革命，LED无疑将成为通用照明市场的主要光源，这也是LED最大的潜力所在。

LED具有体积小(多颗、多种组合)、能量转换效率高、发热量低(没有热幅射)、寿命长(1万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、节能(低电压、低电流起动)、环保(耐震、耐冲击、不易碎、废弃物可回收)、可平面封装易开发成轻薄短小产品等优点，如果能够全面取代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，不仅能缓解全球能源危机，环保压力极大的情况，而且有望带来近1000亿美元的潜在市场规模。

不过目前来看，LED要想短期内完全取代传统照明光源的技术条件还不具备。因为通用照明市场对LED有更高的技术要求，例如发光效率，各国的目标一般都在100lm/W以上，而当前国际上成熟厂商生产出的芯片发光效率多为70~80lm/W。此外，价格过高也是阻碍白光LED普及的主要原因。

整体而言, LED 依然以单色显示应用为主, 虽然其中不乏使用LED 有效地取代灯泡的例子, 如手机和数码相机的 闪光灯、车尾灯和刹车灯、红绿信号灯, 甚至近年来常见的地埋灯或建筑景观照明等应用, 但这些基本上还是属于显示或特殊照明的应用范畴，离通用照明应用尚有一段距离。

可喜的是许多国家都相继出台了国家级白光LED 计划，并投入许多人力、财力, 成立专门的机构来推动白光LED 的研发和产业化工作。预计2010年，LED的发光效率将超过荧光灯，有望真正进入占全球电力消耗 15~20%的通用照明领域，预计2011年，白光LED将占据固态照明市场的60%以上。

5  LED产业链发展状况

一个完整的LED产业链包括上游、中游和下游企业。上游企业主要提供发光材料、外延材料、电极材料、芯片、辅料及设备等；中游企业提供 LED器件、ITO面板、封装模块、封装材料、驱动IC及控制、检测及封装设备；下游厂商提供封装及应用产品。

　在LED产业链中，外延片与芯片制造是含金量最高、专利竞争最激烈的环节。LED产业中70%的利润集中于此，目前这一领域由国外企业主导。

5.1 全球LED产业概况

　　全球LED照明产业增长迅速，目前已初步形成以亚洲、北美、欧洲3大区域为主导的LED产业争格局，并呈现出以日、美、德为产业龙头，中国台湾、韩国紧随其后，中国大陆、马来西亚等国家和地区积极跟进的梯队分布；形成了以日本日亚化工(Nichia)及丰田合成(Toyoda Gosei)、美国Cree与Lumileds、欧洲Osram为专利核心的技术竞争格局，这5大企业垄断了高端产品市场，并几乎控制了整个白光LED产业。他们之间通过交互授权避免专利纠纷，其他企业则通过获得这些企业的单边授权避免专利纠纷。

这5大企业在产品与市场方面各具特色，但都专注于各自领域的高端市场。日亚化工和丰田合成都有自己完整的LED产业链；Cree虽有自己成熟的技术体系，但在产业链上只集中在外延和芯片的制备上；Lumileds则关注于大功率LED的研发，在白光照明领域实力雄厚；其他企业则角逐中高端、中低端乃至低端市场。

作为朝阳产业，LED照明产业仍处于不断发展中。预计全球白光LED的产业结构将会从2010年开始出现重大改变，因为从1990年开始所提出的相关专利，到2010年有效专利期限将逐渐到期，因此，伴随着专利垄断局面的打破以及新技术的不断涌现，接踵而来的将是迈入混战时期的高亮度LED产业，上述5大巨头的技术和产业垄断格局也有望打破，围绕这5大巨头的全球其他企业的竞争格局也不能说已经稳定。

5.2 我国LED产业概况

5.2.1 产业链已基本形成

我国LED产业起步于上世纪70年代，经过30多年的发展，已初步形成了包括LED外延片、芯片、封装以及产品应用在内的较为完整的产业链。现阶段，从事该产业的人数达5万多人，研究机构20多家，企业4000多家，其中LED外延片和芯片企业约50余家，封装企业1000余家，LED产品应用企业3000余家。

5.2.2 产业的地域分布

　　我国LED产业已经初步形成珠江三角洲、长江三角洲、闽三角(东南地区)、北京与大连等北方地区4大产业聚集地，每个区域都基本形成了比较完整的产业链。与此同时，在“国家半导体照明工程”的推动下，建立了上海、大连、南昌、厦门和深圳等国家半导体照明工程产业化基地。不同的产业区域具有不同的特点，地处南方的区域，位于产业链各个环节的企业相对完备，产业化程度较高；北方区域则依托高校和科研机构而具备了较强的产品研发实力。以大连路明、厦门三安、江西联创光电和晶能光电、深圳方大国科、上海蓝光、清芯光电、杭州士兰明芯为代表的LED企业快速成长。

5.2.3 产量和销售额增长较快

　我国LED总体产量和销售额增长较快。2006年LED产业总产值达到105.5亿元，其中封装产业产值达87.5亿元。但LED芯片产值的增长速度高于封装环节，在LED产业总产值中所占比例已由2003年的5.4%上升至2006年的11.3%。从2005年和2006年的统计数据可以看出：芯片增长速度快于器件增长速度；高亮度芯片的增长速度高于普通芯片增长速度。2006年高亮度LED芯片产量突破百亿片大关，比2005年增长了100%，占全部芯片产量的近50%。2007年，LED芯片的产能将进一步提高。以生产LED芯片的关键设备MOCVD为例，截至2006年12月，我国有10余家外延芯片厂商已经装备MOCVD，投入生产的数量为40台。预计2007年将另有15台MOCVD陆续安装并投入使用。MOVCD设备数量的提高，对提高我国LED产业整体产能有积极的影响。

5.2.4 产业链特点

(1)上游产业技术资本密集、参与单位多、产业规模小、吸纳就业人员少。

(2)企业主要集中在产业链下游的封装和应用产品领域，导致产品以低端为主。近几年逐渐向芯片、外延片等中上游领域延伸，产品也不断接近海外中高档技术水平。

(3)国产LED芯片虽已部分替代了进口，但上游主要原材料和高档芯片仍大量依赖进口。外延片进口比例高达90%，外延片和芯片生产设备进口比率为76%。

(4)一般芯片的亮度、发光效率、抗静电能力、抗漏电能力以及品质控制水平与国际领先厂家仍有差距。

(5)传统引线型LED封装技术已相对成熟，但新型LED包括Chip LED、Top LED、Power LED以及白光LED的封装起步不久，仍面临一些设备和技术问题需要解决。而且封装产业的设备大都依赖进口。此外，封装业与下游应用也存在脱节现象。

　  (6)封装材料及配件的配套能力较强。除个别材料外，绝大部分材料均为国内提供，主要有金丝、硅铝丝、环氧树脂、硅胶、银胶、导电胶、支架、条带以及塑封料、封装模具和工夹具等，已形成一定规模的产业链。

　  (7)下游应用产业尚处于发展初期，产品五花八门，缺乏统一的行业标准。

   (8)外资企业也加大在国内的投资力度。预计未来几年中将会有更多的外资企业进入中国大陆设厂，而本土企业的产能也将会有进一步的提升，届时中国大陆将成为继日本、韩国以及中国台湾地区之后又一个LED产业基地。

5.2.6 我国LED照明产业发展动力强劲

　 我国在发展LED产业方面具有很多优势：

(1)我国有3亿多家庭，通用照明市场潜力巨大。

(2)城市景观照明、城市亮化工程也有很大需求。2008年北京奥运会和2010年上海世博会对LED的城市照明应用进程起到促进作用。   

(3)资源丰富。我国具有丰富的有色金属资源，镓、铟储量丰富，占世界储量的70%~80%。    

(4)LED照明产业是一个技术密集型和劳动密集型的产业，比较适合我国国情。

5.2.5 五类企业具有投资价值

　从国内LED产业发展进程看，有五类企业具有高投资价值：

(1)具有核心知识产权的企业，他们将具备全球核心技术专利竞争力；

(2)目前在芯片产业化及技术跟踪方面做得比较成功的企业，他们将具备全球产业竞争力；

(3)优秀的下游封装企业；

(4)将崛起于未来的LED通用照明领域的企业；

(5)在LED产业链外围电子材料领域的企业，如硅片、硅树脂、封装用引线框架、散热模块等，以及LED驱动芯片领域。

6  我国LED照明技术和产业的发展趋势

据有关方面预测，2010年我国整个LED产业的产值将超过千亿元人民币。未来竞争将取决于技术和产业规模。

6.1 技术趋势

(1)坚持自主创新，解决好专利问题。“十一五”期间申请发明专利200项以上，形成一支高素质的技术创新团队。

(2)突破白光照明部分核心专利，解决LED照明市场急需的产业化关键技术。

(3)提高芯片发光效率, 2010年白光LED的发光效率达到（100~130 lm/W），替代50%进口高亮芯片。

(4)提高器件所能承受的功率密度，解决好器件散热问题。

(5)改进生产工艺技术，提高产品质量，如可靠性、一致性和寿命，以及外围如照明系统设计及驱动芯片设计技术。

6.2 产业趋势

(1)避免重复投资，发挥各研究机构的整体优势，更快、更高效地提升我国LED的技术和制造水平。

(2)扩大产业规模，降低生产成本，提高与国外大企业的竞争能力。

(3)解决好MOCVD系统和封装设备的产业发展瓶颈问题，实现MOCVD及关键配套材料的国产化，进一步降低成本。

(4)形成特色产业集群，在产业链各个环节形成2~3家龙头品牌企业。

(5)以客户为导向，大力开展应用研究，开发出更多独创化、个性化的应用产品。

　  (6)走合作发展的道路，强化上中下游的合作关系；多学科、多行业的合作关系。

7 结语

市场的需求、政策的扶持，给我国LED产业带来了新一轮发展机遇。因此，我们产业链上的相关企业都应抓住机遇，积极依靠科技进步，创新产品、拓展应用、培育市场，加快我国LED照明产业化进程。 

（作者简介：中国电子科技集团公司第52研究所 主任 高级工程师）