全方位深度分析关于led照明应用现状及趋势

白色 LED 不久或将实现 200lm/W 这一史上最高的效率和价格低于荧光灯、接近白炽灯 泡的最低价位。任何设备、任何地点都可利用 LED 照明的时代即将到来。 受 2011 年 3 月 11 日东日本地震和海啸的影响，日本的关东地区和东北地区出现 了严重的电力不足。为代替停运的核电站发电，对新发电设备的需求日益高涨，同时， 控制电力消费也成了紧迫课题。 其中，作为具有速效性的举措而备受关注的是照明的“LED 化”。照明占日本整体用 电量的约 2 成。LED 化是指通过采用能源效率较高的 LED 照明降低这一用电比例。 LED 化的活跃动向还表现在数字上。例如，GfK Marketing Services Japan 发布的 资料显示，2011 年 3 月中旬以后，日本国内的 LED 灯泡销量迅速增加。2011 年 4 月 的第二周，LED 灯泡在所有灯泡中所占的比例按数量计算为 27.1，按金额计算为 67.0，均创下了历史最高记录。尤其是在出现电力不足的关东甲信越地区，本周的销 量比上年增加了 182.1，大幅高于全国平均增长的 120.4。 各企业也在积极导入 LED 照明。例如，Seven-Eleven Japan 计划从 2011 年 5 月 开始，陆续将该公司主要位于东京电力管辖范围内的约 5000 家便利店店铺的店内照明 器具和店面招牌更换为 LED。 “销量达到上年的 34 倍” 照明的 LED 化并不是从现在才开始的。导入 LED 照明的不仅有日本，世界各地都 在行动。这是因为，LED 照明器具配备的白色 LED 的寿命为 4 万多小时，约为荧光灯 的 4 倍，更换频率较低，而且还具有耗电量只有荧光灯的 1040等优点。 尤其是在日本，为了应对 2010 年 4 月实施的修正节能法，导入 LED 照明的 企业不断增加。LED 厂商的照明用途白色 LED 的供货量大幅增加，“2010 年的供货量 达到了上年的 34 倍”（西铁城电子）。 推动实现 LED 化的，是白色 LED 价格的降 低。此前，白色 LED 的价格一直比白炽灯泡和荧光灯等已有光源要高。单位光通量的 单价（亮度的单价）在只有路灯等部分照明使用白色 LED 的 2005 年为 10 日元/lm 左 右。这远远高于白炽灯泡的 0.10.2 日元/lm 和荧光灯的 0.30.6 日元/lm 的价位。不 过，白色 LED 的亮度单价在以年均 30以上的速度下降，进入 2011 年后，业界平均 降到了约 0.7 日元/lm。面向大客户的价格为 0.40.5 日元/lm，已经逼近荧光灯（图 1）。 图 1：史上最便宜的光源近在眼前（点击图表放大） 截至 2011 年 5 月，白色 LED 的亮度单价平均约为 0.7 日元/lm（优先发光效率的 品种）。亮度单价正以年均 30左右的速度降低，如果一直保持这一速度，到 2015 年 将低于 0. 2 日元/lm。（图根据本站的采访资料制作） 由于降低照明器具中的光源成本下降，目前已经是“LED 照明价格不再高”（远藤照 明）的状况。导入 LED 照明的门槛初期投资的大幅降低也是 LED 照明因东日本大 地震进一步受到关注的理由。 实现与白炽灯泡相当的单价 白色 LED 的单价今后一段时间内还会继续降低。很多 LED 厂商认为，LED 的价格 将以年均 30或更高的速度下降。如果一直保持这一速度，那么到 2015 年将低于 0.2 日元/lm，降到与白炽灯泡相同的水平注 1）。 注 1：即使白色 LED 和白炽灯泡的亮度单价相同，照明器具的部材成本也不尽相 同。因为，若想利用交流 电源 驱动 白色 LED，需要 AC-DC 转换电路和散热部件等。目 前，白色 LED 芯片 占 LED 灯泡制造成本的约 40。 不过，提高白色 LED 的发光效率也需要数年的时间（图 2）。目前的发光效率方 面，照明用途高端品种的产品目录值为 130140lm/W ，在实际使用条件下为 110120lm/W，安装到照明器具上的综合效率为 100lm/W 左右注 2）。估计目录值达 到 200lm/W 的白色 LED 将于 20122013 年面世。在实际使用条件下达到 200lm/W 的产品，“在未来 5 年内可能实现产品化”（某海外 LED 厂商）。 注 2：发光效率因白色 LED 的点灯状况而异。目录值的发光效率一般是指，输入 功率 为 1W 的产品在以脉冲状流过 350mA 电流时的数值。发光部的温度（接合温度） 基本为室温（ 25 ）。实际用于照明器具时，接合温度上升至 85 100 ，发光效率 也会较目录值下降 10 15。另外，照明器具整体还存在 电源电路 和 光学 部件的损失 等。因此，综合效率会比白色 LED 的目录值降低 20 30。 图 2：达到 200lm/W（点击图表放大） 白色 LED 自 1996 年面世以来，发光效率一直在不断提高（a）。在率先开发技术 的 LED 厂商中，有公司计划尽快在 20122013 年上市 200lm/W 的产品。（图（a） 由本站根据美国 Department of Energy（DOE ）的资料制作，（b）由本站根据科锐在 展会上的参展资料制作） 也就是说，将实现兼顾最低价格和最高效率的光源，价格与白炽灯泡相当，而效率将超 过此前最高的高压钠灯。任何设备、任何地点均可使用 LED 照明的时代即将到来。 白色 LED 的低价格化和高效率化趋势推动了不断高涨的 LED 需求。目前，拉动 LED 市场的是用于液晶电视的背照灯光源。虽然用于背照灯和用于照明的白色 LED 的 形状及输入功率不同，但收纳在封装内的蓝色 LED 芯片的生产工艺大致相同。提高背 照灯用白色 LED 生产效率的手段，基本可以直接用于照明领域。 这一趋势今后将持续 23 年，之后，用于照明器具的白色 LED 将取代背照灯光源 推动市场增长，预计市场会继续进一步扩大（图 3）。 图 3：用于主要应用的 LED 芯片的需求每年将超过 1000 亿个（点击图表放大） 本图表示了用于各种液晶面板、照明器具及车载设备等的 LED 芯片的需求动向。 预计 2015 年总数将超过 1000 亿个。用于照明器具和车载设备等的其他用途的增长率 较高。（图由本站根据 iSuppli Japan 的调查数据制作） 利用传感器和 IT 技术实现智能照明 实现价格低且效率高的白色 LED，将为此前未涉足照明业务的企业培育出进军照 明业务的环境（图 4）。 图 4： LED 相关企业的类型增加（点击图表放大） 将配备白色 LED 的产品及相关服务作为一项业务经营的企业不断增加。新涉足企业涉 及各行各业，包括建筑商、IT 商社及企业、办公家具厂商等。这些企业通过将采用白 色 LED 的照明产品与传感器和通信技术等联动，来实现点灯、灭灯以及调光控制等。 目前除照明器具厂商外，建筑商和 IT 企业也纷纷把开发削减温室气体的节能设备 和系统作为一项新业务。在这些设备和系统中，占电力消费量约 2 成的照明用途方面， 通过将人感传感器和照度传感器等传感器类元件与 IT 技术的联动来控制亮度，从而实 现节能。 白色 LED“能以毫秒和微秒进行控制。与 IT 技术的整合性较高”（LED 照明推进协 会）。另外，亮度随着输入电流而产生的变化也比较大。该特点通过与传感器联动和细 微调光等发挥作用。 通过与 IT 技术联动，还可进一步实现照明的高功能化。通过 LAN 控制照明的举措 在 IT 类企业和研究机构也开始盛行起来。利用 IPv6 网络向 LED 照明器具和光源白色 LED 分别分配 IP 地址、细微控制照明的研究开发也在不断推进。通过以低价格购买核 心部件白色 LED，采用上述特点的系统降低了实用化的门槛。 另外，对于光源的消费者来说，可以更加便利地购买道采用面光源的薄型照明有机 EL 面板 也是一个好消息。各公司纷纷计划 2011 年上市这种面板（表 1）。预计 2014 年效率超过荧光灯、仅次于白色 LED 的有机 EL 照明可实现实用化，届时有机 EL 照明 和白色 LED 可各显神通。 （点击图表放大） 日亚计划 2012 年年产 500 亿个 对于白色 LED 用户而言，“ 玫瑰色”时代即将到来，但另一方面， LED 厂商则处于 一种微妙的立场。因为，这既是扩大业务的机会，同时也将使各厂商面临比以往更严峻 的竞争。 各 LED 厂商已经纷纷开始采取对策增强产能。LED 厂商的生存之争已然拉开帷幕。 例如，在 LED 厂商中市场份额位居首位的日亚化学工业将扩充白色 LED 的基础材 料GaN 系半导体 LED 芯片的生产线， 2012 年生产能力将增强至 2009 年 4 倍的年 产 500 亿个（图 5（a ）。韩国首尔半导体（Seoul Semiconductor）“2010 年初的产 能为月产 10 亿个，如果新设生产线顺利启动，则 2011 年内将增至月产 22.5 亿个的规 模”（日本首尔半导体）。生产能力倍增的德国欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）“如果今后 5 年内生产规模不扩大一位数，就无法保持价格竞争力” （日本欧司朗），因此必须进一步增强产能。 图 5：增强 LED 芯片的生产能力（点击图表放大） 由于 LED 芯片需求旺盛，LED 厂商将迅速增强生产能力。例如，日亚化学工业计 划 2012 年将生产能力增至年产 500 亿个（按 300m 见方的 LED 芯片换算）的规模 （a）。从不同地区来看，年产能增长最显著的是中国。（图（b）由 iSuppli Japan 提 供） 迅速增强产能的，还有中国的新兴企业。中国厂商加速增强了蓝色 LED 芯片的主 要制造装置用于形成 GaN 系半导体层的 MOCVD 装置的产能。据 iSuppli Japan 估算，2012 年中国厂商的生产能力将占世界整体的 40（图 5（b）。 不过，也有很多观点指出，LED 厂商增强设备的速度过快。因为，从需求整体来看， LED 厂商拥有的 MOCVD 装置数量，“即使是在目前也出现了剩余 ”（丰田合成）。“韩 国三星 LED 当初新下单 150 台 MOCVD 装置，但最近半年来好像取消了很大一部分” （DisplaySearch），供给过剩风险已经成为现实。 同时提高性能 在可能会陷入过度竞争的情况下，LED 厂商为了抓住市场扩大这一商机，将加快 高效增加产量和改进业务体制的速度（图 6）。 图 6： LED 厂商生存下去的关键（点击图表放大） 在价格不断下降的情况下，面临生存危机的 LED 厂商积极采取了行动。生存下去 的关键大致有两点。一是通过扩大产量降低生产成本。另一个是，改变业务范围、销路 以及产品开发等业务体制。 前者在扩张生产线、推进晶圆大口径化的同时，还必须提高生产线的效率。例如， 为了通过小型 LED 芯片获得相同的亮度，需要增加从一个晶圆上获得的芯片数量，另 外需要提高目前为 60左右的成品率等。与此同时，还必须改进色调和均匀性等白色 LED 存在的课题。 改进业务体制的重点大致有三方面：扩大业务范围、确保销路、按需开发注 3。 注 3：在用于电池驱动产品的光源中，按需开发的白色 LED 更好用。例如，丰田 合成与大型产品厂商共同研究，通过将正向电压降至 3V 以下等，已经在业务上取得成 功。 扩大业务范围是指广泛涉足 LED 照明的供应链，以确保利益。发挥充分了解白色 LED 使用经验的 LED 厂商的优点，开发可直接安装在 LED 照明器具上使用的光源模块 或者 LED 照明器具（图 7）。 图 7：扩大业务范围（点击图表放大） LED 厂商不但想扩大生产能力，还在供应链的下游扩大了业务范围。照明相关 LED 市场的扩大已是必然，各厂商计划以此增加销售额和利润。 LED 厂商 LED 直接生产照明器具，存在与其客户 模块厂商和照明器具厂商竞 争的危险性。不过，“LED 照明器具的业务领域广泛，我们会尽量推出不与客户产生冲 突的产品”（美国安华高科技）， “由于可缩短 LED 照明器具的开发期间，照明器具厂商 反而表示了友好的态度”（将业务范围扩大至 LED 模块的西铁城电子）。 西铁城电子上市的模块特点是，不使用 AC-DC 转换电路，可直接利用交流电力点 亮白色 LED（图 8）。对照明器具厂商而言，好处是可省去设计电源电路等。