白光LED市场分析.doc

白光LED市场分析张璇自从爱迪生发明灯泡以来，全球人类都享受着照明产品，不过随着环保意识高涨，传统照明设备的高耗电性和废弃物污染的问题，已引起各先进国家的注意，大量的金钱与人力物力研发新的环保光源。而有“绿色照明光源”之称的白光LED，由于具有低耗电、废弃物可回收的优点，已成为各先进国家积极发展的方向，十年甚至可能全面取代现有的灯炮照明产品。发光二极管(Light Emitting Diode；LED)，第一项产品是出现在1968年，由美国HP（新惠普前身）首先以磷砷化镓(GaAsP)为材质所制成的黄光LED，产品主要应用于手表及计算器上。LED为半导体发光组件，是利用半导体电子与电洞结合释能发光，与一般白炽灯泡利用加热发光不同，属于冷光，具有耗电量小，寿命长，反映快，体积小，耐天候等优点。白光LED的特色此外，LED主要分为可见光与不可见光，其中可见光LED产品包括红、黄及橘光等，应用面主要为背光源、汽车用等，而不可见光LED包括IrDA、VCSEL及LD等，应用面以通讯为主。而其中白光LED即是最被看好的LED新兴产品，由于白光LED与钨丝灯泡及日光灯相比，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)等优点，因此早已被业界看好在未来十年内，将全面取代现有的照明产品，成为新式照明器具。白光LED与现今照明器具比较表照明方式特点白光LED具有发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快优点，但单价较高日光灯较省电，但有废弃物含汞污染、易碎等问题，单价低白炽钨丝具低效率、高耗电、寿命短、易碎等缺点，单价低白光LED的技术概况目前发出白光的方式主要可分成两种，一种是单晶型，这种方式与日光灯的发光方式一样，就是把蓝光加上黄色萤光粉或紫外光LED加上RGB三波长萤光粉来产生白光。另一种是多晶型，即利用互补的2色或把3原色做混光而形成白光。若采用多晶型的方式，基于不同LED的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，因此造成用此方法会有很多要控制的因素，也使得所产生的成本亦较高；若采用单晶型，则只要用一种元素即可，而且在驱动回路上的设计会较为容易，因此，可以发现目前多数厂商较倾向往单晶型的方式来做研发的方向。目前各厂商主要都先从蓝光LED开始研发及量产，有了蓝光的技术之后再开始研发白光LED，然而目前最常用蓝光加上黄色萤光粉来产生白光，但是用蓝光LED来发白光的发光效率仍然不足，因此另外一个方向就是往紫外光LED来发展，利用紫外光加RGB三波长萤光粉来达到白光的效果，其发光效率比蓝光好上许多，研究显示若发光波长能到254nm，则可以不加萤光粉也能自发白光。至于紫外光LED以美国Cree所做的紫外光LED技术层级最高，已达21 lm/W(目前市售蓝光LED约为4 lm/W)。目前全球白光LED的主要厂商一是日亚化学(Nichia)，该公司即是利用上述多晶型式，以460nm波长的蓝光晶粒涂上一层YAG萤光物质，利用蓝光LED照射此一萤光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得出所需的白光。另外，丰田合成(Toyoda Gosei)与东芝所共同开发的白光LED，则是采用紫外光LED与萤光体组合的方式，与一般蓝光LED与萤光体组合的方式做区隔。因为，蓝光LED与萤光体的组合方式，当照在红色物体的时候，其红色的色泽效果比较不理想。紫外光LED与萤光体组合可以弥补这个缺点，但是，其发光效率却仍低于蓝光LED与萤光体组合的方式。 不过在未来较被看好也是这种三波长光，此外有机单层三波长型白光LED也有成本低、制作容易的优点。至于日本住友电工则开发出以ZnSe为材料的白光LED，但发光效率与上述二者相较下，发光效率较差。白光LED技术概况方式激光源发光元素与萤光材料发光原理单晶型蓝光LEDINGaN/YAG黄色萤光粉以蓝色光激发萤光粉紫外光LEDINGaN/RGB三波长萤光粉以紫外光激发RGB萤光粉(同萤光灯原理)多晶型蓝、黄绿、蓝绿、橙 LEDINGaN、GaP、AlInGaP将互补2色调配成白色篮、绿、红LEDINGaN、AlInGaP、AlGaAs将3原色调配成白色白光LED的应用与市场规模自1990年代陆续开发出磷化铝镓铟 (A1GaInP) 与氮化镓 (GaN)等二种材料后，长期以来，可见光LED发展趋势主要以高亮度化、全彩化及白光技术为主，虽然相关技术专利多由日本大厂掌握，不过由于其应用层面相当广泛，且深具市场规模，因此在各国纷纷投入后，已有突破垄断。至于其主要应用层面如下：汽车方面汽车室内照明的应用是LED致力发展的重点之一，目前已使用在仪表板背光源、开关指示灯、功能指示灯及第三煞车灯等辅助光源，并扩大用途至门灯、阅读灯、照明灯、方向灯、尾灯等开发。此外，公车为另一个新应用市场，使用的灯具有标示灯、煞车灯、转弯灯、尾灯等，由于LED 具有使用寿命长、维护成本低及节省电力的优势下，高功率、高亮度LED 于汽车市场的应用应有相当大的发展空间。显示看板可见光 LED 在大型看板方面的显示功能较其它显示技术效果佳，并具有耗电量低、寿命长、视角广、高精细、薄型化、施工容易等优势，且随着蓝光、纯绿光等高亮度 LED 相继开发量产成功，配合既有高亮度红光 LED，可制作全彩显示看板，可广泛应用于公共场所的大型看板及室内各种显示看板等。交通号志由于LED 较白热灯具有节约能源价值，且因多集结为一个号灯，不似单一灯泡故障后功能全无而影响交通安全，因此在交通号志灯上的使用渐趋普遍，在欧美地区推展 LED 交通号志灯已十余年。由于交通号志需面对严苛的户外气候条件，LED 具有省电、寿命长、维修频率大为减少等优点，取代传统灯泡应用交通号志应是未来趋势。照明应用白光LED具有发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、体积小可平面封装等优点，而就发光效率约301m/W来看，已超过传统灯泡 (效率 151m/W)，而距萤光灯管 (效率 801m/W) 尚有一段差距，再加上照明设备发展已超过百年，其价格早已相当普遍化，因此相关厂商大量投入技术研发。根据照明器材业者观察，若白光LED以亮度1 lm每颗单价为基础，当降到40日圆时，将进入一般家庭的户外照明；当降到20日圆时，可望进入家庭室内玄关、走廊的灯具市场；当降到10日圆时，将会出现白光LED全面替换日光灯管的效应。若从发光效率来看，白光LED一旦跨过60lmW(相当于20W日光灯管)的门槛之后，白光LED照明灯具便会开始迅速普及化。未来34年若技术突破至80lmW，再加上单价持续下降趋势推断，自20062007年起，白光照明将渐渐普及至一般家庭的各种照明灯具，未来若能将成本降至0.01美元/lm，预计将可完全取代现有照明市场。 此外，在面板光源部分，传统的CCFL所占空间较大、重量较重，而且需要有变流器(Inverter)的装置，不合乎行动产品的需要，因此，LED即成为目前手机光源的唯一选择。早期于手机面板所使用的LED型态以黄绿光LED为主，直到1999年底日本NTT DoCoMo推出I-Mode彩色屏幕手机，才开启白光LED于手机应用，加上未来行动通讯产品全彩化后，所使用的显示面板将是Color-STN或TFT-LCD的天下，在亮度、色度的搭配上，更是非白光LED莫属，因此彩色手机市场成长带动白光LED市场需求已然确定。目前大多数移动电话外产品所采用的LED灯数约在24个，全彩手机在彩色面板、按键上更需要用到6-8颗白光LED，以全球手机市场规模约为4亿支，若未来50%采用彩色化估算，将有近15亿颗市场。以目前全球白光LED生产规模来看仍严重供不应求，未来仍有宽广的成长空间。除移动电话外外，PDA则将是白光LED另一个发展区域，虽然白光LED在耗电方面的数值仍高于CCFL，但考虑轻薄、短小趋势后，白光LED光源后势仍较看好，故SONY等公司已在其产品采用白光LED为背光源，类似PDA规模的产品应用也会陆续出现。此外，近年大幅成长的数字相机部分，由于白光LED已开始采用于手机附数字相机的闪光灯，今年手机附数字相机比重约15%，明年则预计将提升至20%，如以闪光灯约需三至四颗估，则一年需求量约2.7至3.6亿颗。白光LED市场概况单位：百万美元年份2000200120022003汽车用18233141计算机用21283749民生用32425573工业用11141824军事/天文用9121622通讯用22303951其它56811总计118156204270资料来源：ReedElectronics Research白光LCD市场概况 据总计，白光LCD在2001年的使用量，约为2亿个，2002年估计有62亿个的使用量，2003年则大幅提升到12亿个。而产值部分，根据Strategies Un-limited的统计，日本大型车灯厂小系 (Kohido)估算，到2008年所有的新车都会以LED作为车灯，每辆车约1万元的产值，因此新车市场即有新台币1,750亿元的商机。若是照明市场方面，根据Frost & Sullivan的预估，2000年白炽灯泡及日光灯的全球市场规模约为43亿美元，每年成长率约为5%，是2000年全球可见光LED市场规模的2.5倍左右，照明市场的发展空间颇大。再根据Reed Electronics Research统计，99年全球白光LED市场有8800万美元的市场，2000年则已成长至1.18亿美元的规模，至2003年皆会保持40%左右的成长速度，并可达到2.7亿美元的市场规模，预估2005年市场规模将成长至3.95 亿美元，且年平均复合成长率达39.6%，显见此一照明市场具有相大的成长空间。此外，富士总研亦统计指出，2001年全球白光LED生产个数达247,000千个，产值达154百万美元，2002产量年成长率则达到55.5%，产值年成长率则为52.6%。依应用产品别加以区分，则高达94.7%是应用于移动电话外市场。而从今年开始，全球白光LED亦会有显著成长，从去年的190亿日圆增加到今年的254亿日圆，2004年则会成长到350亿日圆，2005年达到480亿日圆。平均单价则是呈现缓慢下滑，从去年的79日圆，到2005年下降到68日圆，约为蓝光LED价格的2倍。白光LED进入战国时代目前白光LED的关键技术仍源自于蓝光LED技术，专利权过去掌握在日亚化等少数厂商手中，日亚化学(Nichia)的专利独家垄断，让白光LED的价格与供应完全由他支配，导致精于量产的业者切入困难。日亚化学工业在1993年时成功地开发出蓝光LED，其所拥有之相关专利超过100件以上，日亚化学为完全垄断蓝光LED市场，运用坚守专利的策略，拒绝将该专利授权给其它任何的厂商，设下切入市场的障碍，初期便相当顺利的垄断蓝光LED市场。直到1998年丰田合成(Toyoda Gosei)的氮化物(Nitride)高亮度LED产品在市场上推出，日亚向东京地方法院提起诉讼，指控丰田合成侵害其蓝光LED专利，1999年，日亚再度控告美国的知名蓝光LED大厂Cree侵害其产品专利，但最后则是败诉收场，才使得其它的竞争者有机会可以进入蓝光LED的市场，进而切入白光LCD的开发。LED产业现况及厂商投入概况LED的产业炼亦可区分成上中下游三大区域，LED上游磊芯片制作，是将一层或多层单晶层成长于单晶基板(Substrate)上，透过化合作用(主流技术包含LPE、VPE及目前最为先进且重要的MOCVD技术)，形成含有多种化学元素累积的芯片，长晶形成磊芯片。 中游则是将磊芯片进行金属蒸镀后，制作出LED两端的金属电极，之后在磊芯片上进行光罩蚀刻及热处理，接着将基板磨薄、拋光后，再切割崩裂成单颗的LED晶粒。下游技术层次较低，为封装晶粒，制成各式LED成品，如指示灯、数字显示器、点矩阵显示器、红外线发射器等产品。虽然早期的白光LED受制于日亚化学在蓝光的专利屏障，进展并不顺利。不过各国在材料以及制程技术的研发仍积极研发投产上，其中仍是以美、日大厂较为积极，因此未来510年美、日仍是白光LED的领导者。全球大厂蓝、白光LED发展概况厂 商技术与产品发展概况日亚化学Nichia主要竞争优势是拥有InGaN蓝光及绿光LED专利；2001年白光LED月产能9900万颗。LumiLeds主力产品InGaAlP四元高亮度LED；2001年白光LED月产量300万颗。CREE主力产品蓝绿光高亮度LED材料、组件；首先发展SiC基板。Toyoda Gosel主力产品专注在InGaN的生产，白光与东芝合作。OSRAM欧洲最大高亮度LED厂商；市场以汽车应用为主；2001年白光月产量200万颗。资料来源:PIDA、Compound Semiconductor为了规避日亚化学的专利，各国厂商多往三波长紫外光加上萤光粉发出白光之技术发展，而紫外光LED以美国Cree技术层级最高，其发光效率已达21 lm/W(为市售蓝光LED约的4-5倍)。若以紫外光专利数来看，目前研究紫外光LED专利数目最多的是日本，以Toyoda Gosel和Nichia发展的最积极，紫外光LED的专利数分别为15件及11件，在白光亮度领先的机会最大。相对于美日两地，韩国厂商相对也有产能扩充计划。其中LG Innotek的蓝光生产线由01年的150颗/月扩增至2002年的450万颗/月；Seoul Semiconductor，则于去年下半年启用蓝光LED生产线，营收比重将由10%提升至80%；光电子预计自5月起将蓝光生产线倍增至600万个/月。至于台湾业者部分，由于蓝光LED去年的流行，目前台湾投入GaN蓝绿光磊晶生产的厂商共有17家，其中以上市柜的国联、晶电、和灿圆规模较大，根据统计，至2002年底台湾厂商光晶粒的量产高居全球第二位，仅次于日本，因此成为2002年蓝光LED热潮下的主要受惠者。根据光电协进会统计，至去年年底，台湾MOCVD机台密度最高的地区，其中四元机台有77台、氮化物机台88台、LD和HBT机台50台，若以氮化物机台推估，台湾蓝绿光LED的全产月产能4至5亿颗，但去年的产出只有2.1亿颗，虽然较去年初的1亿颗有相当大的成长，但仍显示出蓝绿光LED的生产良率仍低。但蓝光LED的降价幅度仍是今年重要的议题，相对白光LED目前仍有一颗新台币10元的高价，去年用在手机的蓝光LED平均售价仍在新台币3元到3.5元，但目前已跌破3元，由于今年蓝光LED用在手机的背光源会从去年的20%提高到80%，因此蓝光LED的需求仍会持续成长。 目前台湾在可见光LED部份全球总产值市占率约二成，根据光电协进会统计，台湾LED下游封装产值受到蓝光手机热卖影响，在2002年达到新台币 231.7亿元，年成长率高达33.8 %，同时台湾蓝光LED晶粒月产量也达到2亿1,000万颗，占全球26%市场，仅次于日本的 41%，位居世界第二位，已在全球传统LED市场上占有极重要的地位，在面对高亮度蓝、白光LED庞大的市场潜力，厂商态度更是积极。过去由于日亚化工对InGaN系LED技术授权障碍，导致业者即使具备量产高亮度蓝、白光LED的能力，仍得避开日本市场。不过日亚化学在白光LED的晶粒、萤光粉比例、制程等方面专利，经过近年来与各国厂商的多次诉讼以及相对不