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半导体照明 全面来袭

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  2011年/3月/11日,世纪大震振醒了人类恐惧的大梦,核能发电不再是绿色能源。电力的可贵深殖人心。光是日本的照明就占掉日本全体电力使用量的两成。从用电的效率观点来看,LED照明就担负重要的大任来节能。光是便利商店店头导入LED照明的实际成绩,相当积极。
  2011年米兰设计展(MilanoSalone 2011)加上Lumiotec 2011,有机EL被欧洲人形容为“上质的光”赞叹不已。而有机EL能够将照明与空间一体化的设计弹性,可以改造室内照明的新革命。
  日亚化学之GaN系白光LED芯片的生产线扩充,2012年的生产能力能够达到500亿个的规模;是2009年的4倍之多。
  韩商首尔半导体于2010年初的生产量约10亿个,预计2011年达22.5亿个。
  其它,如欧商OSRAM还有紧追在后的中国制造商,都在增强生产能力。
  
  LED照明设计 半导体照明新机运
  
  先从韩国与日本双强的观察来说起。
  
  
  韩国的强烈政府主导,强化对策育成新商机。超速增长的LED照明产业,带来新机运。不仅日本大型企业的存在感,好比说,东芝、日立、NEC、Sharp、Panasonic等。韩国奋力期望2012年成为LED产业强国前三强,在2008年揭露了“低碳、绿色成长”为未来该国的愿景,其内容不外乎三大要领:
  ・藉由新领域的扩大,对国家有所发展。
  ・提升人民生活质量与改善环境。
  ・对国际社会的气候变动,有所贡献。
  LED的市场占有率,2008年的市场占有率8.3%,2012年提高到15%。首尔的公共机关计划全面更换LED,包含铁路营运也积极进行LED化。为了人才、材料、信赖性以及大型企业与小型企业的良性关系;韩国政府打出的方针是在大学新设LED照明应用设计的博士课程,大学也开设LED专门学科,积极实施LED关联的工程实习教育。光是“KS认证规格”中,就有9种关于LED照明的产品种类。
  日本于2010年/4月施行的修定版本省能法,使得厂商白光LED出货量快速上升。若是用光束每流明(1m)的费用,很快就会追上日光灯;然后,追击传统省电灯泡。白光LED单价的滑落,据称每年还会以30%的速率滑落。每流明的成本在2015年之前就可以与传统省电灯泡并驾齐驱。若是再说LED照明是高单价的玩意,可就错了。而且,背后还有一道机关不能忽略,那就是LED的发光效率还会继续爬升。若是打开照明用高级品种的型录,130~1401m/W是当前水平,实际使用条件可能约110~1201m/W;若是安装照明器具之后的总体综合效率约1001m/w。2001m/W的白光LED,在2012年-2013年就可以见到;实际使用条件下到达2001m/W,不用5年就可以产品化。一旦低价格与高效率两立之际,LED照明的时代全面来袭。当然,目前支撑白光LED价格的主来源,该是液晶电视的背光源。LED照明是接棒而扩大引爆市场。
  
  
  其次,与照明融合的技术,该是感应器与IT技术的提携,带动LED照明在“光质”上的变化,也就是另一波的控制技术战国时代。为何会持有这种观点呢?毕竟,白光LED的控制是毫秒(ms)或微秒(μs),与IT技术的整合性高。而对于投入电流明亮度追随性变化的连动,发挥适度调光的威力,当属感应器。与IT技术的提携,就隐含了照明的高机能化。比如说,利用网络来控制照明,对于IT企业或是研究机关,是相当有吸引力。再仔细想远一点,IPv6网络的活用,若是赋予IP地址,照明的控制将更无远弗届。
  若是要硬说LED光源的缺点(不见得是缺点而是其特征),该是它是点光源,而不是面光源。而这个薄型的面光源特征,恰好由有机EL来接手。因此,白光LED与有机EL不见得是竞争的姿态,走向“适材适所”的可能性很高。
  生产线的扩张最为有效的方式就与传统半导体一样,将晶圆大口径化并提高良率。当然,每批生产颜色的“均一性”问题必须能够在可接受的范围内。
  
  白光LED的超进化论
  
  
  白光LED绝对不仅于发光效率问题,其它诸如温度安定性、演色性等,也是图谋产品差异化的面向。不过,多数的人还是将焦点摆在“发光效率?至上主义”的数字竞赛。若是依据过去的历史足迹来观察,发光效率的年增率约在15%提升。但是,不要忽略了科技不是没有底线的,一般的观点,认为2601m/W可能是蓝光LED与黄色荧光体组合获致白光LED之限界领域。超越2001m/W是当前每家厂商的先行目标。
  白光LED投入电力变换为光投射到外部的流程有三步骤,从此而知,发光效率提高的空间也尽在这三个过程之中,如何减少能量损失。具体来说,各式各样的改善对策之提案大约如下:
  1 蓝光LED因为电力而发蓝光。可以改善的地方有电气阻抗的损失降低、发光层发生电子变光子的内部量子效率的改善,还有将光子从蓝光LED芯片取出的效率等。电气阻抗损失的指标,即是意指白光LED的顺向电压的下降。比如说,照明用途常使用的1w产品,从过去接近4V的顺向电压,降到当前2.9V-3.0V的程度。若是考虑蓝光的能量(2.75eV),以前投入的电力约有20%-30%因为电气阻抗而失去,现在的损失则约是5%的程度。
  2 利用荧光体将一部份蓝色光变换为长波长的可见光。理所当然,能够提升之处即在于变换效率的改善。
  3 蓝色光与波长变换经由封装,放出到外部的白色光。改进之路即是光取出效率。高级的品种约70%前后,实验室研究开发可到达90%的层次。
  要实现超越2001m/W发光效率的目标,第1点的内部量子效率以及第2点的波长变换效率,必须有总体的对策。目前,内部量子效率约在50%-70%的水平。依据开发出每LED芯片10001m的飞利浦(Phiplis Lumileds Lighting)的说法,内部量子效率拉高到80%以上乃是必要的。
  那有趣的问题就来了,究竟该如何下手来改善内部量子效率以及波长变换效率呢?若就内部量子效率来说,发光层材料GaN系半导体磊晶结晶的结晶质量改善或是发光层构造来下工夫。波长变换效率则是荧光体材料的改良或是开发新规的材料。
  根据首尔半导体、三菱化学的数据;GaN系结晶的结晶面从现在的极性面变更为非极性面,可一口气提高内部量子效率。2012或许就看的见。
  当白光LED厂商在图谋发光效率的课题时,面对急峻的开发时刻,却也存在着底下几个课题要去勇敢面对:
  
  价格竞争力
  要在价格上发挥效用,势必 要对白光LED的成本构造有个理解,才知道该如何来战。若是仔细来看Display Research的数据,白光LED的成本结构大致如下:
  ・LED芯片:62%。
  ・引线框架(lead frame):27%。
  ・人事费用:5%。
  ・处理费用:5%。
  ・胶带(tape):1.4%。
  ・树脂(PPA):0.1%。
  ・金线(Au):0.01%。
  ・荧光体材料:0.01%。
  ・封装材料费:0.002%。
  ・其它材料费:0.478%。
  常用的手段是扩充生产线,或许蓝光LED芯片的小型化才是关键,也就是从晶圆取出的芯片数量。芯片若要小型化,还能有相同层度的亮度,势必要增加电流密度。可是,提升电流密度会有降低发光效率的“垂落(Droop)”现象加大能量损失。因此,在迈向芯片小型化的路径上,一定要有消弱“垂落(Droop)”现象的对策。当白光LED投入电流增大,每个LED的明亮度增加,也就是意味了照明机器所要搭载LED的数量。
  针对照明用途的白光LED,使用降低“垂落(Droop)”现象的产品,已经出现在市面上。比如说,德商OSRAM OptoSemiconductor的“UX:3”技术,投入350mA时的光输出,约提升了10%。
  “垂落(Droop)”现象的抑制,即是在蓝光LED芯片面内做电流均一化的处理,可能在发光层使用量子井的构造、提高结晶质量的效果。就欧斯朗的“UX:3”技术来说,蓝光LED芯片表面所设置的n传导电极移到芯片内部,图谋芯片面内电流密度的均一化。
  电流密度局部高的个所不存在,提高密度提高显着的欧杰再结合(Auger recombination)减低。欧杰再结合是不伴随发光的电子与电洞再结合。这个抑制牵涉到内部量子效率的提升问题。
  
  温度安定性
  涵义是说不会因为温度高而降低性能。遽闻,白光LED目录上的发光效率值多数是在环境25℃下,以脉冲状(pulse)电流来测量的。蓝光LED芯片的发光部温度(接合温度),但是,实际使用于机器装置的场合,接合温度上升到85℃~100℃。一般的白光LED,与25℃的发光效率相比,约滑落10%~15%。不过,也有新的技术出现来抑制这个现象。好比说,飞利浦发表100℃动作恶化3%程度的制品,将放热性高的LED芯片在陶瓷基板上采用覆晶的方式,也采用量子井的构造来减轻内部量子效率的影响。
  而日商Sharp于2011/3开始贩卖的照明用白光LED,也是将发光效率的温度变化压低。当投入大电力25W时,尽管接合温度抑制很难,其表面温度70℃的发光效率或光束,比起25℃,约滑落5%-6%。
  
  照明用途的高演色性
  照明光源有一个很重要的名词“演色性”,简单来说,光源对物体颜色呈现的程度就称为演色性CRI(color Rendering Index),也就是颜色逼真的程度。“演色性”是一般照明器具光源常用的一个项目,为了与传统光源不会有不协调的感受,白光LED系以“演色性指数(CRI-colorrendering index”,简称为Ra数值,作为基准。
  然而,随着照明用途的增广,单单是Ra不是足够,含有彩度高的绿色或红色等特殊演色性指数也受到期待。演色性通常是从荧光体来下工夫。然而,提供演色性往往落入发光效率滑落的困境。如何两立高演色性与发光效率,的确是厂商面临的挑战。三菱化学提出非极性GaN基板的利用。
  
  产品之间颜色的“均一性”
  均一性问题是LED照明器具厂商不可忽视的课题,毕竟,会使用多数个LED部件,若是彼此之间存在了色度差异性,就难以获得白色的均一性。通常,白色LED的均一性,通常是使用“麦克亚当椭圆(MacAdam Ellipse)”色度差评价。多数是使用6阶(step)以内,也有4阶以内或2阶以内的产品。比如,美商Cree就有两阶的产品。
  至于白光LED部件之间的偏移降低手段,各个公司有其手段。比如说Cree选择的方法是蓝光LED芯片批覆荧光体层为白光LED之后,将多数个芯片收那在封装中,经由全白色LED芯片发光频谱的重迭,图谋发光频谱的平均化。
  
  每个封装平均取出的光束大小
  光束的大小,瞄准每个封装超越10001m的水平。对于产品装置商来说,使用多数个LED的白光LED,可以减少零件数量,装置的设计自由度比较好。
  市面上,超过10001m的白光LED,也出现在市场上。比如说,日商Citizen所贩卖的CL-L340系列,当投入41.9W的大电力时,光束达43901m;它是搭载200个蓝光LED芯片。未来的视野,期待搭载400个芯片时,一个封装可以获得100001m。
  至于日商Sharp所开发的照明LED部件,当投入25.9W时获得23701m的光束,色温度3000K、Ra为83;实现室内照明所需要的条件91.51m/W,它是使用个自社所开发提高内部量子效率的多数个蓝光LED芯片。
  无论是哪一个项目,与发光效率均有某种程度的取舍关系(tradeoff),加减是微妙的尝试。
  
  照明与IT技术的融合――光质的战国时代
  
  早期照明着重于光量,随着与IT技术的融合,开始重视光质的表现。不难判断由于各种不同产业的涌入,启动了照明产业的大变革。
  大地震带来的节电效应,有机会是日光灯的替换潮。不单是如此,更富有改变“生活风格(life style)”的潜力。具体地说,就是卓越的调光及调色。以传统日光灯来说,0%~100%的完全调光很难实现,LED却是一件简单之事。况且,日光灯低光量点灯的场合,发光寿命变短;点灯之后也需要时间来让光量安定化。
  3月/11日大地震之震灾,振醒了昔日“光量过剩”的浪费,开始思考光的适时(Just in Time)运用。我们可以观看IDEC所导入的实际案例来看节电的效果。假设使用全用日光灯的消耗电力为基准:
  ・利用手动On/Off、没有调光:节电26%。
  ・手动的照度最适化:节电41%。
  ・感应器连动自动调光:节电52%。
  遽闻,大家商社的仓库导入感应器连动的LED照明,有节电80%的亮丽成果。
  不局限于调光,实现改变色温度的调色机能,也变动了LED照明器具的型态。无妨这么说,光源的配置越来越近似显示画素的配置。
  就以Kokuyo于2010年/10月开始贩卖的Intelligent Work Lighting为例,它的特征大致上有:
  ・照明从“一齐亮灯”到“个别亮灯”。
  ・确保必要的照度、提供快适的光环境。
  ・不在局限于天花板、简单容易导入。
  以上这些说明是要阐明一件事情,“照明与IT技术的融合”会激起业界的变化。因感应器连动实现自律或自动的LED调光系统之实现,需要联系LED照明与感应器之通信系统,而控制?管理端末群的各种外围技术与装置机器也是必要的。这个市场规模宛如美商西部开拓期,不单是照明器具业者,各种不同领域的业者会虎视眈眈,比如说,知名的IKEA等。
  既然如此,浮出有趣的问题;那就是通信与控制规范问题。虽然,欧洲有DALI两线式的规格,实际上多数厂商之间的产品相互接续性根本没有。在国外有大楼能源管理系统BEMS(BuildingEnergy Manager System)规范、舞台照明规范等。还有令人惧怕的因特网IP通信协议。当IPv6来到之际,各个感应器赋予IP地址,应用的空间就看想象了。
  
  有机EL――丰姿迷人的光彩
  
  2011年米兰设计展,有机EL照明让欧洲人赞叹不已。欧洲人以“上质的白”来形容。它具有“面发光”、“透明”等特征。尤其在装饰光或是气氛光的用途上,魅力无尽,与家具、装潢的搭配,是LED照明难以匹敌之处。
  若是关键性生产技术可以利用树脂基板,采用涂布的处理,那么,神也会赞叹的“弯曲式照明”也就会进入实用化;价格问题也解决了。
  
  结语
  
  总之,白光LED的完整事业线是材料芯片制造封装模块照明器具客户服务。以日商Citizen所贩卖的模块为例,不使用AC-DC变换电路,直接用交流来点灯。对于照明器具的厂商来说,省却掉电源电路的设计,开发期间缩短,却也降低了竞争者参入的门坎。将来各种异业竞争的危险性机率非常高。
  衷心期待不要发生劣币逐良币的恶性淘汰现象,否则,LED照明陷入有如低价光驱、手提音响般的菜市场,虽然人人买的起,却是烂品一堆,成为都市矿山。这就完全遗失了“科技 要让生活更为美好”的终极梦想。
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