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LED照明商业的可行性报告
LED灯照明商业的可行性报告
2010年11月4日
1概述
在世界信息化和高新技术发展的今天,低碳经济、智能化、人性化日益成为企业发展的推动力。
随着发光二极管(LED)技术的快速发展,LED在照明领域的应用日益受到半导体界和照明界的关注。
美国、欧盟、日本等发达国家先后制订相关研究与发展计划,以期在该领域有所突破。
我国也于2003年6月启动了“半导体照明工程”。
LED照明认为是21世纪照明领域的一场革命。
本文拟在通过研究和分析国内外LED照明技术和应用现状的基础上,从宏观角度对LED在照明领域中的应用前景进行分析,使LED照明能健康地发展,进一步推动我国绿色照明工程步入一个新的阶段。
1、国际LED照明技术发展现状
1.1 LED技术发展历史回顾
在市场需求与技术进步的推动下,LED经历了一段辉煌的历史。
第一批产品出现于1968年,monsanto公司将其作为指示灯泡,Hewlett-Packasd公司则首次用于电子显设备。
早期产品是GaAsPLED,工作电流20mA,光通量只有千分之几流明,相应的发光效率为0.11/W,而且只有一种光色——650nm的红色光。
20世纪70年代上半期,技术进步很快,发光效率达到1Lm/W,颜色也扩大到红色至绿-黄颜色。
到了80年代GaAlAsLED的红光效率提高到10lm/W。
20世纪90年代初,两种新型材料迅速发展起来,发红光、黄光的GaAlIP和发绿光、蓝光的GaInN。
由于采用这两种材料,LED的发光效率在2000年达到100lm/W(615nm的橙红色光)和50lm/W(530nm的绿色光)。
80年代中期大功率LED首次用于汽车后部的高位刹车灯,90年代大功率LED的工作电流达到50-70mA。
1995年,日本日亚化学工业公司成功开发出蓝光LED后,世界上结束了没有原色蓝光的历史,在全球掀起了GaN研究开发应用热潮。
蓝光LED开发的成功,一方面解决了三基色缺色问题,别一方面使半导体白光照明成为可能。
20世纪90年代中期,世界三大照明公司(GE、PHILIPS、OSRAM)着手研究将LED用于照明(如表1所示),LED照明受到照明界越来越多的关注。
世界三大照明公司投资组建的LED照明公司 表1
发起公司投资组建的LED照明公司
PHILIPS、HPLumileds
GE、EmcoseGELcose
OSRAMSiemensSimiconductorOSRAMoptoSimiconductor
上世纪90年末至本世纪初的几年时间,LED照明在全球掀起了一股热潮,美国、日本、欧盟、南韩均提出相应的研究开发计划。
1.2LED照明技术的新进展
目前,全世界有近200家公司、300所大学和科研机构从事氮化镓基蓝绿LED的材料生长、器件工艺和相关设备制造的研究和开发工作。
其中处于世界领先水平的主要有:
日本的Nichia;美国的Lumileds、Gree;德国的OSRAM等。
这些公司拥有原创性的专利,领导LED技术发展潮流并占有主流市场。
Nichia由于在InGaN的LED技术和生产白光LED的荧光粉材料上拥有多项专利,在InGaN白色LED芯片上一直占有领先地位。
Lumileds是荷兰PHILIPS公司与美国HPAngilent公司的合资公司,在功率型白光LED开发方面处于领先地位,白光封装技术可达30lm/W。
开发出最大发光功率5W、120lm的白光LED。
OSRAM和Gree开发出碳化硅衬底的GaN器件。
国外LED的技术发展趋势是向大功率、高亮度、高效率、低成本方向发展。
1.3发达国家相关计划
美国能源部制订了“国家半导体照明研究计划”(“NarionalReasearchProgramonSemiconductorLighting”)。
该项目将降低LED灯的成本和提高LED的效率作为重点,在该计划中扮演主要角色的均为一些著名的科研机构和大公司,如Lumileds、Gree、OSRAM、Agilent、Gelcore等等。
欧盟委员会制订了“氮化镓铝铟多彩光源彩虹项目”计划(RAINBOWProject-ALInGaNforMulticolorSourceas),俗称彩虹计划。
该计划的实施单位包括了多所大学、PHILIPS、Thomson等大公司,以及像Aixtro这样的生产半导体制造设备的公司。
日本国际贸易与工业部制订了“高效光电转换复合半导体发展计划”(DevelopmentofCompoundSemiconductorforHigh-EfficiencyElectro-OpticConverssion)。
日本的研究计划涉及半导体材料和发光机理、半导体衬底材料、器件结晶生长工艺、荧光材料和照明装置以及LED照明的国家标准,项目承担单位包括大学、科研机构和大公司。
除上述国家外,韩国和我国台湾省也制订了相关计划。
1.4国外LED照明的应用状况
国外LED应用产品近年来发展迅速,主要应用领域包括手机背光源、显示屏幕、汽车照明、建筑装饰照明、信号照明等。
1.4.1背光源
LED作为手机显示的背光源是LED应用最为广泛的领域,约占LED应用的40%,主要原因是LED体积小、重量轻、厚度薄、坚固耐用,随着全球手机产量的增长,LED背光源也随之增长。
LED背光源有几种形式:
静态LED背光源、反馈型LED背光源、光导板组合式LED背光源,以及高亮度直接型LED背光源。
最新研究LED背光源正在向液晶电视进军。
日本索尼公司推出了世界上第一台LED背光源的液晶显示电视机。
而以往的平板电视均使用冷阴极荧光灯(CCFL)作为背光源。
LED作为液晶显示背光源的前景是非常看好的。
1.4.2显示屏幕
LED用于显示屏幕的应用约占到LED应用的20%-25%,显示屏幕可分为单色和彩色。
单色显示屏幕一般用室内外信息显示,主要用于公共场所,如机场、车站、通路、银行等等,以显示文字和数字信息为主。
这类显示在欧美一些城市应用比较普遍。
彩色屏幕以显示广告居多,在美国拉斯维加斯的主要道路上,这类彩色LED显示屏幕很多。
另一个例子是美国NASDAQ显示屏有8层楼高,用了1800万个高亮度LED。
全彩色LED大屏幕显示用于体育场馆和广场等室外场所,可以显示比赛现场的动态画面,如2002年世界杯期间,韩国数万人在体育馆外观看大屏幕实况转播,2004年雅典奥运会的主体育场的大屏幕,在开幕式和比赛过程中均可将实际画面显示于屏幕之上,这类大屏幕已成为大型体育馆的必要设施。
1.4.3汽车照明
大功率LED已被大量用于汽车照明中,汽车照明约占LED市场的18%左右。
LED用于汽车最早在20世纪80年代中期,当时主要用于汽车的高位刹车灯。
首先是在欧洲,然后在美国和日本,市场份额迅速增长。
全LED后灯总成(包括尾灯、刹车灯、转向灯)已装在2000型卡迪拉克和S级奔驰车上。
预计2010年LED将占据绝大部分汽车的尾灯照明(包括倒车灯、牌照灯)。
在车厢里LED可以用作顶灯、阅读灯、仪表盘灯和门灯。
LED前照明灯是目前研究的重点,奥迪等公司已推出概概念车LED前照明灯的样品。
在汽车生产大国美国、德国和日本,均十分重视LED在汽车灯中的应用。
德国OSRAM公司在国际汽车灯生产中处于领先地位,德国生产的高档轿车均采用该公司的汽车灯。
OSRAM公司在LED照明方面也处于国际领先地位,OSRAM的LED汽车灯研究起步早、投入大,在LED汽车灯方面我们应该密切关注OSRAM公司的动向。
1.4.4建筑装饰照明
由于LED尺寸小,便于动态的亮度和颜色控制,因此比较适合用于建筑装饰照明。
建筑装饰照明约占LED市场的12%左右。
国外在建筑装饰照明应用中不乏一些典型案例,如美国费城的GoodmanTheatre剧院、日本的BestHome酒店、美国费城的Frandlin桥,最著名的是阿联酋迪拜的海湾大酒店,该酒店是世界著名的豪华酒店,位于海中,船帆造型配上LED装饰照明,夜晚的感觉妙不可言,可以称得上LED建筑装饰照明的经典之作。
美国纽约的雷森勒技术学院照明研究中心,对LED建筑照明的应用有比较深入的研究。
建筑装饰照明除上面谈到的大量用于室外照明外,室内照明的应用也逐渐增多,例如商场橱窗的照明,这是典型的商业应用,通过橱窗的照明显示和展示商品的特点,充分运用LED光和色的变化吸引顾客的眼球。
另外在一些餐厅和娱乐场所也可以用LED进行装饰和点缀。
1.4.5信号照明
信号照明是LED单色光应用比较广也比较早的一个领域,约占LED应用市场的4%左右。
典型的应用实例是交通信号灯,LED在各种单色信号和照明方面足以与加滤色片的白炽灯泡相抗衡。
例如一只12in红色交通信号灯使用一只长寿命的140W白炽灯泡,产生2000lm红色光。
改用LED时换成18只LED,其耗电量包括线路损失在内共14W。
采用LED交通信号灯还可以降低维修成本,减少烧毁时发生其它事故的可能性,并且能够在停电期间采用应急电池。
美国加州2001年由于能源危机,更换一只红色交通信号灯政府补贴65美元,效果十分明显,改装一只旧交通信号灯的投资回报期不过3-4个月。
LED信号照明还大量用于出口(EXIT)指示。
这种在各类建筑中都必备的应急安全指示标志,采用LED有很多优点,可靠性高、减少维护、寿命长,而且节省能源。
2、我国LED照明技术的发展和应用状况
2.1我国LED技术发展状况
我国LED起步于20世纪70年代,90年代形成产业,目前已具有相当规模。
90年代后期,高亮度LED发展迅速,经历了进口器件销售,进口芯片封装(1998年前100%进口),进口外延片制芯片、封装,自主生产四个阶段,现已具有GaAs和GaP单晶、外延片、芯片的生产能力。
近两年国内企业引进MOCVD设备已达20台套。
国内约有20余家高等院校、科研机构和企业在进行GaN蓝绿光LED和白光LED的研究和开发,但目前与国外相比还存在较大的差距。
在投入资金、设备和人才方面均无法与国外相比,而且研究机构相对比较分散。
国内主要研究单位有:
中科院半导体所、中科院物理所、北京大学、清华大学、北工大、南昌大学、中科院长春光机所等。
国内LED生产企业有数百家,有生产外延材料的、生产芯片的、封装的,还有生产LED应用产品的。
生产外延材料和芯片的企业主要有厦门三安、大连路明、深圳方大、江西联创、北大蓝光等;封装企业数量较多,如惠州华刚、南京华鼎、佛山国星光电、厦门华联等数百家;生产应用产品的企业更多,涉及背光源、显示屏幕、信号照明、汽车照明、建筑装饰照明等多个领域。
2.2我国LED照明状况
LED作为新一代固态照明(SolidStateLighting)光源从20世纪90年代中期开始就为照明界人士所关注,在最近几届国际电光源研讨会(LightingSource)上,LED照明均为主要议题之一。
我国半导体界人士近年来也开始关注LED在照明领域的应用前景,并向中科院和科技部等部门进行了汇报,引起了科技部的高度重视。
科技部于2003年6月组建了“国家半导体照明工程协调领导小组”,并于6月17日召开了协调领导小组第一次会议,正式启动“国家半导体照明工程”。
提出了“以产业化为目标,以应用促发展,培育有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业”的口号。
协调领导小组组长为科技部副秘书长李健,19名成员分别来自科技部、信息产业部、建设部、中科院、照明电器协会、照明学会以及江苏、江西、广东、浙江、北京、上海、长春、厦门等省市。
2003年下半年协调领导小组办公室主要工作是在全国范围开展调研,摸清现状,同时紧急启动“十五”科技攻关计划,“半导体照明产业技术开发”项目。
该项目包括三个课题,一是“功率型高亮度发光二极管芯片及封装产业化关键技术”;二是“半导体照明系统技术、重大应用产品开发及示范”;三是“半导体照明工程发展战略研究”。
2004年上半年的工作主要是组织召开了“2004年中国(上海)半导体照明论坛”,在论坛召开前夕召开了协调领导小组第二次会议。
协调领导小组组长升格为科技部副部长马颂德,成员增加到29人。
批准厦门、大连、上海浦东、南昌为第一批国家半导体照明工程产业化基地。
目前开展的工作是积极参与“中长期科技发展规划”和“十一五”规划,作有关LED照明的项目建议书,同时跟踪“十五”攻关项目的进展。
对LED照明的认识也经历了一个过程。
在此举两个例子,一是关于我国LED水平与国外的差距,2003年认为差距只有2-3年,2004年“论坛”后则认为“我国不但与国际一流水平的Lumileds、Gree、OSRAM、Nichia等公司存在较大的研发和产业化差距,即便与韩国和台湾地区相比也有一定差距,国内差距主要在产业化方面”;二是关于LED照明取代白炽灯和荧光灯的问题。
原来的提法是“2007年LED取代白炽灯和荧光灯,2012年LED取代荧光灯”,现大认识到“LED是半导体产业与照明产业的边缘产业,从事LED照明需要重视LED产业与照明产业的结合。
LED何时替代传统的白炽灯和荧光灯还是未知数。
建议预计LED在2007年进入普通照明市场,2012年成为主要光源之一”。
2.3我国LED照明的应用状况
LED照明应用产品在国内较早只是用于仪表指示灯,随后有进口汽车用于高位刹车灯,大规模应用是近几年的事,发展速度之快令人吃惊,应用范围比较广的是建筑装饰照明。
2.3.1屏幕显示
在大屏幕显示方面,国内比较有影响的是广东惠州的德赛、北京的利亚德、西安的青松、北京的星光索莱特、深圳的京东方、深圳的普耐等。
其中以德赛的产品水平最高,该公司直接给日本东芝、日立等大公司加工大屏幕,LED芯片依靠进口,由惠州华刚公司封装,并组装成模组,由德赛制成大屏幕。
另一家比较有特点的公司是北京索莱特,该公司大屏幕主要针对电视台演播厅背景,同时也可用于舞台演出的背景,这种应用是近年来兴起的,市场前景很看好。
全彩大屏幕在国内应用逐渐增多,除体育场馆外,室内及室外用量也不断增大。
上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部,整个朝向黄浦江的建筑立面,镶上了长100M的超大型LED屏,总计面积达到3600m2。
这种屏幕同时起到建筑装饰作用。
LED显示屏的应用涉及社会经济各领域,主要包括:
证券交易、金融信息显示,全国各地储蓄所、证券交易所均采用LED显示屏;机场航班的动态信息显示;港口、车站旅客引导信息显示;体育馆信息显示;调度指挥中心信息显示,电力调度、车辆调度管理,车辆动态跟中农等,也逐步采用LED显示屏;邮政、电信、商场、购物中心等服务领域的业务宣传与信息显示;广告媒体,除大型户外广告,在火车、汽车车厢内也出现了LED显示屏,除播出有关信息外,还插播广告。
2.3.2建筑装饰
LED在建筑装饰领域的应用更加广泛,出现了不少创新设计。
以往对建筑立面照明主要采有投射方式,但许多建筑物没有地方放置传统的投光灯。
LED由于光源尺寸小,可以水平或垂直安装,与建筑物表面更好地结合,拓展了照明设计师的创作空间。
在景观照明中,LED在广场、公园、绿地、水面、水下、道路等均有不同的应用,由于LED灯具体积小,便于隐藏,因此会产生较好的景观照明效果。
由于景观照明的需求,企业开发出品种繁多的LED灯具,在造型、款式、色彩、功能等方面均富于变化。
同时由于采用智能控制,对色彩、亮度均可控制,使得色彩丰富、变化多姿。
2.3.3交通信号灯
LED交通信号灯发展可分为三个阶段:
第一阶段是1998年以前,LED信号灯为试用期,一方面受LED发光器件的限制,使用效果一般;另一方面LED信号灯刚刚开发出来,对其在户外条件下的使用也需要考察一段时间,这一时期主要在北京、上海使用,未大面积铺开。
第二阶段是1998-2000年,这一阶段LED信号灯从试用走向规模使用。
这一阶段,LED信号灯开始成批量地更换或在新增交通信号控制路口使用,北京、上海、重庆等城市都在这一时期批量使用LED信号灯。
这一时期的LED信号灯技术水平不高,主要靠LED发光器件技术水平的提高来达到使用要求。
2001年以来称为第三阶段,随着GB14887-1994《道路交通信号技术要求及测试方法》的修订,LED信号灯的技术水平进入一个总体提高阶段。
这一阶段,国内许多城市大规模的使用或都全面使用LED信号灯,这些城市有北京、上海、南京、重庆、宁波等。
LED在交通诱导信息显示屏中的应用,既可看作显示屏幕,也可以作为交通信号,对显示路段交通状况和停车场情况等文字信息的显示屏,高亮度是一个重要的发展趋势。
LED在交通标志和倒计时显示器中的应用也日益广泛,主要是包括可变交通标志,如可这限速标志、可变车道标志和配合交通信号灯使用的倒计时显示器。
上面讲的是一般城市道路用交通信号灯,实际上广义的交通信号灯还包括航标灯、铁路信号灯、机场相关信号指示灯等。
上海奥星照明电器制造有限公司研制了LED航标灯,光源采用碟状结构,与相应光学系统匹配构成了一个相对独立的发光单元,在实际应用中,根据大小河流或沿海的不同需求选择灯具中所使用的单元数目,获得不同的射程。
LED铁路信号灯在国内也处于研究开发之中,目前已经研制出LED手提信号灯,铁路信号灯的研制目前还要克服颜色和光强问题。
航空和机场助航灯光系统也在采用LED,由上海东风照明器材公司生产的障碍灯、环境灯,已用于国内机场。
机场滑行道边灯采用了蓝光LED,也已通过民航总局的认可,拟投入使用。
2.3.4汽车照明
我国在汽车中用LED从1998大规模生产安装后雾灯开始,此举带动一批企业开发LED灯具。
从我国目前实际情况来看,近期LED主要用于汽车制动灯(刹车灯),包括使用最普遍的高位刹车灯。
上海华亿光电子有限公司开发了一种LED汽车行驶状态灯,通过安装于汽车后部的LED状态灯的灯光变化,显示汽车行驶过程中的各种不同状态,以提示尾随车辆驾驶者,有效防止追尾撞车等事故发生。
除具备一般高位刹车灯显示刹车(红灯亮)的功能外,并显示滑行(黄灯亮)和回速(绿灯亮)的行驶状态,同时还可组合显示汽左转、右转、倒车、临时停车等十余种状态。
使驾驶员在操纵车辆行驶过程中的所有状态都通过信号得以充分表达。
目前国内上海复旦大学与上海汽车制造公司、长春光机所与长春一汽均在合作开发LED汽车照明产品。
随着LED光学性能不断提高,封装设计更有针对性、实用性,它将为汽车的个性化、一体化提供更大的发展空间。
2.3.5LED其它应用
除了前面讲到的屏幕显示、建筑装饰、交通信号和汽车照明外,LED的应用还渗透到其它领域,以下仅举几例:
白光LED已用于各式各样的手电筒,国内一些企业与煤矿合作开发井下矿灯,在今年新开通的城市间直达列车上(Z字头),全程软卧车厢床头阅读灯已改成LED灯,采用了21颗白光LED组装而成。
同时车辆夜间行走时,走道的地灯也采用LED。
彩色LED应用更加花样繁多,在电视演播厅和一些演出场所,以往的透明地板彩用彩色白炽灯,现已改为LED,配合音乐与表演显示动态彩色变幻的效果。
另外LED还用于一些玩具和纪念品上,作为一种装饰,如圆珠笔、钥匙链等等。
2.4我国LED照明技术与国外的差距
代表国际一流水平的LED生产企业是美国的Lumileds(PHILIPS与HP合资)、Gree、日本的Nichia、德国的OSRAM等。
这些公司在LED研发和生产上均拥有多项专利技术,特别是在大功率白光LED方面处于世界领先地位,控制了白光LED的主要市场。
韩国和我国台湾地区的一些企业处于二流水平,主要特点是生产企业多,具有较好的半导体产业基础,人才和设备方面也有比较优势,占有大量中档产品市场。
我国目前处于三流水平,特点是发展迅速、企业众多,但产品的质量和档次比较低。
表2反映了我国LED的发展速度。
1997-2002年国内LED生产与销售情况 表2
年份生产(亿只)产值(亿元)销售额(亿元)
19974727.6119.78
19986535.8922.44
19997542.8927.05
20008449.7031.40
200110259.8038.20
2002160100.0080.00
注:
数据来源于中国光学光电子协会光电器件分会。
据海关统计,我国2003年LED出口量为119亿只,出口额为3.3亿美元;进口量为170亿只,进口额为14亿美元。
从以上数据可以看出,我国是LED进出口大国,进出口数量及成交额均比较大。
另外也可以看出进口产品与平均价格差别较大,平均进口价格是平均出口价格的3倍。
这反映了目前国内LED生产水平与国外水平的差距。
我国出口的大多是中低档产品,而市场所需的中高档产品仍需大量进口。
这就为我国LED今后的发展指明了方向,即如何培育具有国际竞争力的LED产业。
在LED应用产品方面,虽然与发达国家存在一定差距,但相对差距较小,例如在显示屏幕和交通们号灯等领域,与国外的差距在缩小。
建筑装饰照明方面,国内进步也比较快,需要在设计和控制方面进上步加强。
在LED应用产品开发方面我国有一定的比较优势,目前已有一些国外企业将开发出的应用产品拿到中国生产,预计这种OEM方式生产的产品将会在国内继续增长。
3、LED在照明节电领域的地位
3.1LED照明的特点
3.1.1低耗电量
LED是低压器件,驱动单颗LED的电压仅需2.5-3.5V,驱动电流为几十毫安。
3.1.2寿命长
尽管传统光源的额定寿命定义相同,都是在50%实验样品燃毁之时,即为灯的寿命时间。
而LED寿命至今尚无标准的定义,国外有关报道给出的寿命定义类似气体放电灯,光通维持率到一定值的燃点时间作为LED的寿命,例如给也流明维持率在70%或50%的时间。
按上述定义,即光通维持率达到70%与50%之间,则LED的寿命在10000-100000h(如表3所示)。
各色LED的寿命 表3
红绿蓝白
寿命70(h)22000650001500045000
寿命50(h)42000120003000085000
从以上数据不难看出LED与传统光源相比具有寿命长的特点,传统光源寿命一般在1000-10000h之间,与LED相比差一个数量等级。
3.1.3亮度和色彩的动态控制
彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围,且单色性好,色彩纯度高,LED的光效远高于白炽灯加滤光片。
LED的响应时间很短,一般为几个ms,能瞬时达到全光通输出,如果使用三原色LED组合,可以瞬间改变颜色。
还可以对LED进行调光,使用脉宽调制(PWM)能实现颜色的渐变。
LED亮度和色彩的控制是LED应用产品得以广泛应用的又一特点。
单色LED用作显示时,可通过矩阵组合显示不同的文字和图形,而由红绿蓝三基色LED可以组成全彩色的屏幕显示,全彩大屏幕可以在室内或室外大型公共场所提供全彩动态画面,不同颜色的LED通过不同的排列组合构成灯具,安装在各种建筑物上,作为装饰照明可以取代霓虹灯,其亮度和色彩的变化甚至大大超过霓虹灯的效果。
3.1.4外形尺寸小
普通LED外形尺寸只有5mm,由于单个LED功率小,发光强度不够,一般使用均将若干个LED进行排列组合,但整体来看,LED的外形尺寸比其它显示或照明设备均要小,即使采用组合方式,也可以提供更多的灵活性,如用于飞机或火车上的阅读照明。
3.2LED在照明节电领域的地位
能源问题是我国全面实现现代化,保证国家稳定发展的一个长期的制
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