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LEDd新
LED发展计划
一LED产品介绍
1发展史简介
1965年,全球第一款商用化LED诞生(发光材料GaAsP),最初只能发出红光;1968年,随着半导体工艺进步,发光效率提高,出现了橙光、黄光的LED;1971年,绿光LED出现;到1994年蓝光LED出现(GaN材料);这期间,LED的发光效率一直在提高;60年代-90年代中期,基于能发出有色光的特点,LED都被用作信号指示用,而没有用于照明领域;90年代后期,日本研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED,这具有划时代的意义,从此LED就可用来当作光源使用,即用来作照明,LED照明也称为半导体照明。
直到如今,特别是近2,3年,白光LED发展十分迅速,普及可量产的白光LED,其发光效率早就超过传统的白炽灯,目前部分厂商已经可以量产光效超过节能灯、荧光灯的LED产品。
2LED发光原理简介
LED(LightEmittingDiode)就是发光二极管,是包含一个PN结组成的电子元件。
核心部件就是包含这个PN结的芯片(chip)。
芯片决定了这个LED的光电性能。
当有足够的电压加到PN结两端时(P型材料接正极,N型材料接负极),P型半导体材料中的“空穴”和N型半导体材料中的电子就复合,复合以后就释放能量,以光和热两种形式发出。
(图1)
图1LED的PN结发光示意
一个用于照明的LED不仅要具有完整的PN结半导体材料芯片,还需要一些额外的封装结构使它能正常工作,比如芯片的固定,导线的连接,用于引出光线的透镜等。
(图2,是一种具有代表性的白光LED实物和结构分析)
图2Lumileds,K2大功率LED实物(上)和结构(下)
3LED性能特点:
节能环保寿命长、价格高
以下是目前LED与现在商用普及的白炽灯、节能灯等光源性能在一些常用参数上的比较,评价一个光源的好坏,主要就是采用下列参数进行。
(数据来自于商用主流产品)
对
比
项
目
光
源
类
型
发光效率
(lm/w)
显色指数(CRI)
使用寿命
(h)
其他
白炽灯
5-20
80-100
500-3000
耐高温
荧光灯
60-100
60-85
5000-12000
-
LED
40-110
60-90
10000-50000
体积小,无紫外红外线
还有很多特点没有一一列出,由图大致可见,LED之所以在近几年发展迅速,大受关注,在于LED作为一个光源时各方面指标都不错。
鉴于发展的阶段,或者是LED发光材料本身的限制,虽然可能在某一个特别项目上略微比不过传统光源,但综合性能好。
尤其是它的高光效和长寿命,更是在能源问题倍受关注的今天崭露头角。
4有关政策信息
LED消耗功率低、寿命长、方向性强、低亮度就可以达到刺激人眼的作用,是显示指示光源中最好的节能产品。
该产品属于电子行业领域,由电子信息产业归口管理。
主要针对电子元件的特点,侧重在指示功能方面进行评价检验。
以前由于它光通量低颜色特性差,不具备正常的照明功能。
随着全球能源紧缺、节能减排的日益突出需求,以及科技的迅速发展。
LED的低功率消耗的特点被人们重视,开发研制了大功率、光效高、寿命长的LED光源,已经被人们认识。
国际电工委员会也将照明LED划归照明分委会(34A)归口管理。
这样就实现了LED完成了由显示指示到照明功能的转变。
二LED灯具产品状况
1发展现状:
整个LED照明产品市场良莠不齐
由于将LED用于照明,所以LED照明产品就和传统照明产品一样按着不同的用途与场合进行分类,类型涵盖所有户内、户外的照明灯具.
目前,LED照明产品/灯具还没有完全取代传统光源如白炽灯/节能灯的位置而成为主流照明产品,而整个市场不论国内国外都没有完全规范.多数采用"先把产品投入市场"的策略进行试探。
老牌照明巨头Philips,Osram和GE都有相应的涉入.其中Philips和Osram已经有若干普通照明产品进入市场.
由于全球还没有完善的行业标准出现,整个LED照明产品市场良莠不齐.不乏偶有一家企业生产出某个性能杰出的LED灯具,这样的情形国外居多.还有一个状况就是,各大照明龙头在形成一股并购热潮,几大厂商Nicha,Philips,Osram,GE,Cree都各自有并购的举动,新的LED照明产品市场秩序正在形成。
2制造工艺
整个LED行业分为三大块:
中游
LED光源封装
下游
LED照明产品
上游:
LED芯片制造
(1)上游:
LED芯(晶)片
芯片是LED产品中最核心技术部分,也是技术含量最高部分,因此进入上游产业的门槛最高。
生长芯片外延方法有气相外延(VPE)、液相外延(LPE)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)。
它们生长LED有源层的材料分别有气相外延CaAsp、GaP,液相外延GaP,GaAlAs,金属有机物化学气相淀积InGaAlP、InCaN,分子束外延ZnSe等。
金属有机化学气相淀积法(MOCVD)是目前生产超高亮度InCaN蓝、绿色LED和InCaAIP红、黄色LED的主要方法。
芯片技术被日本、美国等厂商所掌握,其中在专利及技术最强的是Nichia。
随着近几年的发展,中国台湾芯片厂家也占市场很大分额。
相对国外的技术专利,中国的专利太少。
特别是高亮度方面,其技术集中在国外。
芯片专利主要集中在材料及工艺上,由于生长外延的工艺很复杂,很多厂家之间的专利很多相似,其专利纠纷也平凡,所以最终专利的互相授权。
外国知名芯片厂有日本的Nichia、TyodaGosei及美国的Gree和欧洲的OSRAM、OptoSemicondutors。
中国芯片发展也很快,主要集中在台湾,有元砷、国联、洲磊、连勇、华上、晶元、全新、南亚、友嘉等知名大厂,大陆大小芯片厂有30多家,其中以厦门三安、大连路美、深圳方大、上海蓝光、江西联创等为主要生产厂家。
(2)中游:
封装
LED封装的主要原材料有芯片、金(铝)丝、胶(环氧树脂、硅胶等)、支架、荧光粉(白光封装才用)等材料。
其封装技术在材料的选择与搭配、封装工艺技术、生产控制、质量控制、点粉配粉技术(白光封装用)等。
LED封装有支架、SMD、TOP-LED、数码管、背光源等。
不同用途不同材料不同形状,其原理都是一样的,但封装设备、工艺有较大区别,而SMD以其独特的结构、散热、自动化程度、便捷广泛的应用等优势,注定将成为LED主流产品。
LED封装中白光封装技术更有技术含量。
也是走向普通照明领域的主要光源。
所以大厂家都在研究白光的技术。
白光的实现方式有以下:
1、蓝色LED涂敷黄色萤光粉以蓝色光激发萤光粉(黄色发光)实现白光2、RGB(红光、绿光、蓝光)LED发光混光实现白光3、以紫外LED光激发RGB荧光粉(原理同荧光灯)。
其以蓝色LED涂敷黄色荧光粉以蓝色光激发荧光粉实现白光最为有效的,也是效率最高的,最可量产的方式。
白光封装专利主要集中在材料和封装结构上,而LED芯片、荧光粉的专利最为重要,所以封装需采用有专利的芯片及荧光粉,结构上专利封装厂可自主开模研发。
(3).下游:
LED照明产品
将LED用于照明产品存在的主要问题是二次配光、电源驱动、散热问题。
目前应用最广泛的产品主要是信号灯、显示屏、夜景照明灯光通量要求不高的场所。
三LED光学性能主要指标
目前照明用LED的检测项目:
光强,表面亮度,色坐标,光通量,显色指数,相关色温,峰值波长,半峰值波长宽度,光强空间分布。
检测标准主要有CIE127。
1光强的检测
光强—光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量为光源在该方向的光强度公式:
I=Φ/Ω单位:
cd
由于LED方向性强,所以应检测LED光束轴线方向的光强。
光束轴线是指LED周围的光强分布大约呈对称状态的轴线。
光束轴线不一定为LED物理尺寸的轴线。
2光通量的检测
光通量—光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量Φ单位Lm
检测设备:
双(单)色仪,积分球,光通量标准灯
3峰值波长与半峰值波长宽度,色坐标X.Y,相关色温,显色指数的检测
峰值波长--相对光谱能量曲线上最高峰值处所对应的波长。
半峰波长宽度--相对光谱能量曲线上,最高峰值一半处所对应两个波长之差。
相关色温—光源发射的光与黑体在某一温度下辐射的光的颜色最接近,则这个温度称为该光源的相关色温。
色坐标—可用来表示任何一种光源发光颜色。
显色指数—指光源的光照到物体上所产生的客观效果。
4光强空间分布的检测
光强Ⅰ与方向(θφ)有关,这种关系叫做空间强度分布。
LED的主要部分设计成物理尺寸轴线方向提供最大光强,但LED结构使物理轴线方向的强度可能低于其它方向的强度。
所以测量LED的光分布对于照明设计十分必要。
5表面亮度的检测:
亮度--光源在该方向上的单位投影面,在单位立体角中发射的光通量。
单位cd/m2。
6温度对LED光输出的影响
以下为对发绿色光LED不同温度下的测量记录(测量时控制输入电流)。
温度℃
亮度cd/m2
色坐标x
色坐标y
14
376
0.415
0.581
17
377
0.417
0.589
21
349
0.420
0.576
23
347
0.422
0.574
25
345
0.423
0.573
30
343
0.424
0.572
35
336
0.426
0.571
40
328
0.430
0.566
45
329
0.426
0.570
对单粒LED(绿光)当温度由14℃变化至25℃时光谱分布向长波方向变化4nm,亮度变化9%。
在25℃附近光谱分布变化较小。
恒定电流和温度会使LED消耗的功率恒定,若功率消耗保持恒定,小的温度变化对LED的测量影响较小。
对不同发光颜色的LED受温度影响会有所不同。
测量时控制25℃,同时稳定电流对测试单粒LED测量误差较小。
7国外检测LED方法介绍
国外测量LED使用LED参考标准灯,通过被测LED与已知测试数据LED的比较得出被测LED的数据。
参考标准灯是特别选择准备的,有一个安装在LED包装里面的分离电阻或传感器,使热量和集成电路之间达到最良好的热接触。
但由于测试不同规格型号的LED就需要相同规格型号的LED参考标准灯,而且LED参考标准灯的技术要求较高,且目前无法计量。
所以这种检测方法现阶段不适宜使用。
四LED市场分析
1行业状况
目前在我国推广使用的LED光源,还处在初级阶段。
流通领域的LED产品大部分来源与国内中小型企业,部分来自台湾。
产品规格种类繁多,至今没有形成主导性的主流产品。
光通量还无法与传统的电光源相比,发光效率也达不到CFL的水平。
在LED业者中,日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度LED,以及蓝紫光半导体激光(LaserDiode;LD),是业界握有蓝光LED专利权的重量级业者。
在日亚化学取得兰色LED生产及电极构造等众多基本专利后,坚持不对外提供授权,仅采自行生产策略,意图独占市场,使得蓝光LED价格高昂。
但其他已具备生产能力的业者相当不以为然,部分日系LED业者认为,日亚化工的策略,将使日本在蓝光及白光LED竞争中,逐步被欧美及其他国家的LED业者抢得先机,届时将对整体日本LED产业造成严重伤害。
因此许多业者便千方百计进行蓝光LED的研发生产。
目前除日亚化学和住友电工外,还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普,美商Cree,全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产,对促进白光LED产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。
2白光LED为发展方向
白光LED是最被看好的LED新兴产品,其在照明市场的发展潜力值得期待。
与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比,LED具有体积小(多颗、多种组合)、发热量低(没有热幅射)、耗电量小(低电压、低电流起动)、寿命长(1万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收,没有污染)、可平面封装易开发成轻薄短小产品等优点,没有白炽灯泡高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞污染的问题等缺点,是被业界看好在未来10年内,成为替代传统照明器具的一大潜力商品。
目前白光LED仍处于初期发展阶段,在使用寿命上仍待改进,但基本上没有白炽灯泡、荧光灯的缺点,价格过高是未能普及的主要原因。
据日本业者估计,LED晶粒成本需由99年的每颗1美元降至0.2美元以下,市场才有更高的接受度。
未来白光LED的应用市场将非常广泛,包括手电筒、装饰灯、LCD背光源、汽车内部照明市场、投影灯源等,不过最被看好的市场以及最大的市场还是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯。
3效益分析
表:
白光LED照明效益分析
地区\条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
55%白炽灯及55%日光灯被白光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%白炽灯被白光LED取代
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
25%白炽灯及100%日光灯被白光LED取代
节省110亿度电,约合1座核电厂发电量。
表中所示是对白光市场的经济和环境效益预测,对于十分依赖能源进口的国家如日本,发展白光LED在照明市场取代部份传统照明器具是一项极有价价值的计划,若是其100%的白炽灯泡被白光LED所取代,则每年可省下相当于1~2座发电厂的发电量。
间接减少大约10亿公升的耗油量,而发电过程中排放的二氧化碳也会减少,抑制地球的温室效应扩散,因此在日本对白光LED的研发有着及其重要的作用和地位,日本通产省早在1998年就主导编制了「21世纪光计划」,针对新世纪照明用LED光源进行实用化研究。
4白光LED的应用与市场规模
新世纪照明主流是高亮度白光LED的终极目标。
对白光LED而言,照明替换市场是相当有潜力的。
过去常规LED只能在产品上充当指示灯号,而今随著技术进步、亮度提升,高亮度白光LED正一步步进军潜力庞大无比的灯光照明市场。
根据Frost&Sullivan的统计,当前全球照明市场的年均成长率约为5.5%,2000年市场规模达45亿美元,是可见光LED的2倍以上。
若以每年白光LED发光效率平均成长60%的速度开发下去,要达到大型化、低价化、使用寿命长的照明用光源并非不可能。
业界一般认为,白光LED照明市场可望在2010年左右趋于成熟。
目前日亚化工、丰田合成、SONY、住友电工等业者都已有初步的照明产品问世,唯因价格与常规灯泡相比仍有很大的差距。
预计未来10年内,高亮度LED对全球照明工业将造成巨大的冲击。
正因为此,各界都对白光LED寄以厚望,有[绿色照明光源]之称。
表:
白光LED市场概况 单位:
百万美元
年份
1998
1999
2000
2001
2002
2003
汽车用
10
13
18
23
31
41
电脑用
13
16
21
28
37
49
民用
19
24
32
42
55
73
工业用
6
8
11
14
18
24
军事/天文用
6
7
9
12
16
22
通讯用
13
17
22
30
39
51
其他
3
4
5
6
8
11
总计
70
88
118
156
204
270
资料来源:
ReedElectronicsResearch,1999/7
在照明市场方面,根据ReedElectronicsResearch统计,99年全球白光LED市场有8800万美元的市场,估计2000年将可成长至1.18亿美元的规模,未来3年均将保持40%左右的成长速度,在2003年可达到2.7亿美元的市场规规模。
未来在白光LED成本进一步降低、照明应用领域陆续开发的情形下,预计白光LED从2004年开始,还会有更为可观的市场规模突破,显示出此一产品具有相当大的市场爆发力。
另外,车用市场亦将是白光LED的高成长领域。
以2000年全球新车市场需求约5,300万台计算,每辆汽车内装约100颗LED,用于仪表板、空调音响面板等照明灯、后座阅读灯等用途,则可得出车用LED市场年需求约为53亿颗。
当前车用LED市场主要由HP及OsramOpto占有大部分,其他加入业者有Siemens等。
未来白光LED在技术上有朝三波长全彩发展的趋势,因此三波长全彩、高流明、低成本是白光LED的发展趋势,目前全球大厂也积极努力中,预估在2010年前可达成此目标。
四星光科技LED发展设想
抓住机遇,建立LED检验、生产、研发的运做体系,使LED产品成为公司的利润增长点、企业成为LED影视照明的知名企业。
1第一阶段:
技术准备、产品以代销为主
(1)根据以下情况做技术准备
通过与传统常用光源比较,不难看出LED所具有的优势。
在一定程度上,LED已经可以替代普通照明用的白炽灯,毕竟发光效率和寿命都大大超过后者;但严格地说,LED发展到今天,还没能完全取代传统的光源比如白炽灯、荧光灯而广泛使用,有几个原因:
1一次性投资太大;
2光源、灯具制造标准没有统一;
3测试、评价手段没有统一;
4散热和光学结构还未完全成熟;
由于是新兴起来发展不久的光源,必然伴随许多新技术和材料;而且产量没有扩大。
这样一来,LED的成本就比较高。
当技术有突破,产量明显提升的时候,LED光源的成本必然下降;
同样地,新兴的产品还没有与之配套完备的制造、检测、评价标准,这也是囿于LED发展阶段的瓶颈,目前国内外都在积极编制标准,许多草案已经出台,未来几年内LED的相关标准就将完备;
技术原因,LED发展太快,相应的散热,光学处理也在跟进,而没有完全适应。
随着LED技术进步,散热和光学处理即将解决并定型。
(2)收集资料
掌握LED及LED灯具发展动向;
制定供应商提供LED及LED灯具指标,规范进货检验和出厂检验;
确定进货供应商;
了解客户特别是影视场所的特殊需求。
(3)根据本公司现有情况销售以低功率LED为主,景观照明、小型投光灯、矿灯、显示屏为主的相对成熟的产品。
2第二阶段定型通用产品制定规范、开发产品、建立检测体系
(1)制定规范:
好的产品不是制造出来的,是设计出来的。
所以产品必须制定生产规范或企业标准,不仅要制定本企业标准,还要争取参与国家相关标准的制定,争取话语权,为企业下步发展奠定基础。
(2)开发产品:
利用优势开发LED影视产品
在了解影视场所的特殊要求后从LED颗粒的选择,配光设计入手开发新产品
(3)建立LED及LED灯具检测体系:
根据具体情况建立或外包检测项目
检验以下项目对于产品进货检验、出厂检验、研发新产品是最基本的检测项目
A光通量项目的检测
光通量—光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量Φ单位Lm
所需检测设备:
双(单)色仪,积分球,光通量标准灯。
对双单色仪的要求为:
由于LED的光谱包含线状光谱,为提高检测精度双单色仪步长间隔应≤1nm;波长分辩率应≤0.1nm。
检测方法主要有两种:
积分法—在积分球内依次点燃标准灯和被测灯来测试
分光法—通过对光谱能量P(λ)分布的计算得出光通量。
因积分球利用“点光源”原理,且标准灯外形体积为LED的十几倍,测量会产生形状引起的误差,所以无论“积分法”“分光法”为消除形状引起的误差,测量时应进行形状修正。
B峰值波长与半峰值波长宽度,色坐标X.Y,相关色温,显色指数的检测。
峰值波长--相对光谱能量曲线上最高峰值处所对应的波长。
半峰波长宽度--相对光谱能量曲线上,最高峰值一半处所对应两个波长之差。
相关色温—光源发射的光与黑体在某一温度下辐射的光的颜色最接近,则这个温度称为该光源的相关色温。
色坐标—可用来表示任何一种光源发光颜色。
显色指数—指光源的光照到物体上所产生的客观效果。
检测方法与分光测量光通量方法相同,测量出被测灯P(λ)后根据各波长能量数值确定峰值波长及半峰值波长。
所需检测设备:
双(单)色仪,积分球,光通量标准灯。
C光强空间分布的检测
光强Ⅰ与方向(θ,φ)有关,这种关系叫做空间强度分布。
使用设备:
分布光度计。
检测方法:
光度计固定在一个长臂上(光源固定法)让它围绕被测灯的中心转动,根据光度计读数运用距离平方反比定律可得出该角度光源的光强。
转动不同角度可得出光源的整个空间分布。
LED的主要部分设计成物理尺寸轴线方向提供最大光强,但LED结构使物理轴线方向的强度可能低于其它方向的强度。
所以测量LED的光分布对于照明设计十分必要。
D表面亮度的检测:
亮度--光源在该方向上的单位投影面,在单位立体角中发射的光通量。
单位cd/m2。
使用设备:
表面亮度计
3第三阶段提升产品档次产品争取ENERGYSTAR等产品认证,争取产品出口到美国等发达国家
在第一步和第二步的完成的前提下不断提高产品质量、突出产品特色、
产品瞄准高端用户创造更大利润空间
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