LED用于一般照明領(lǐng)域技術(shù)與成本制約尚需一段時(shí)間

　　未來(lái)LED市場(chǎng)最大的領(lǐng)域就是一般照明市場(chǎng)，如果能夠完全代替熒光燈的話(huà)，相信就可能有近1000億美元的潛在市場(chǎng)規(guī)模，并且能夠應(yīng)用在更多不同的領(lǐng)域。但是事實(shí)上，如果期望LED能夠完全取代傳統(tǒng)燈源還是有一定的困難。由于LED是點(diǎn)光源，因此在部分的產(chǎn)品可以開(kāi)始利用LED來(lái)代替以往的白熾燈等燈泡，就實(shí)際的市場(chǎng)上而言，目前已經(jīng)有包括吸頂燈、內(nèi)部照明等開(kāi)始采用，而市場(chǎng)規(guī)模也是逐年擴(kuò)大之中。但是，在熒光燈等面光源領(lǐng)域的市場(chǎng)發(fā)展卻較為緩慢，因?yàn)槿绻�要把LED作為面光源來(lái)利用的話(huà)，只能像面板用的背光一樣，以直下的方式將LED在固定面上鋪滿(mǎn)，或者以側(cè)光的方式利用導(dǎo)光板來(lái)完成。但是這些方式都很難在發(fā)光功率和價(jià)格方面代替熒光燈，特別是在一般照明領(lǐng)域需要演色性高，這樣一來(lái)就需要使用紫外光，或者使用以藍(lán)色LED為基礎(chǔ)，配可激發(fā)RGB的熒光粉，不過(guò)這卻會(huì)造成發(fā)光效率的下降，因此期望滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化的100lm/W的照明效率需求還需要一段時(shí)間。

　　半導(dǎo)體照明成本在逐漸下降

　　該部分為南昌大學(xué)江風(fēng)益教授在《中國(guó)電子報(bào)》上撰文(11/2005)，對(duì)認(rèn)識(shí)LED白光照明成本結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)有莫大裨益，在此引用。

　　半導(dǎo)體照明的技術(shù)路線眾多，不同技術(shù)路線成本不同。就同一種技術(shù)路線而言，不同技術(shù)水平成本也有明顯差異。即使同一種技術(shù)路線、同一種技術(shù)水平，各生產(chǎn)廠家采用不同的成本控制方法，其結(jié)果也會(huì)有較大差別。

　　由于上述問(wèn)題都給成本預(yù)測(cè)帶來(lái)困難，所以要做半導(dǎo)體照明的有關(guān)成本預(yù)測(cè)，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行一些假設(shè)：首先，藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉，其中藍(lán)光LED為GaN基多量子阱LED結(jié)構(gòu)；其次，由尺寸為1mm×1mm的芯片封裝成單燈；第三，半導(dǎo)體照明燈由若干個(gè)單燈簡(jiǎn)單組合而成；第四，每一個(gè)單燈均安裝在帶有驅(qū)動(dòng)電源、散熱性能良好的燈支架上，但驅(qū)動(dòng)電源、支架及裝飾部件的成本不計(jì)算在固態(tài)照明燈成本之內(nèi)，即僅考慮“燈泡”的成本；第五，芯片發(fā)光效率高低和芯片器件所能承受的功率密度大小基本與成本無(wú)關(guān)。這一假設(shè)在一定范圍內(nèi)是成立的。比如，同一家研究單位或企業(yè)提高外延生長(zhǎng)、芯片制造和器件封裝水平，往往可以在不明顯增加成本的前提下，通過(guò)優(yōu)化工藝技術(shù)而顯著提高發(fā)光效率和器件所能承受的電流密度；第六，外延生長(zhǎng)、芯片制造和器件封裝均達(dá)到比較理想的90%的合格率。

　　發(fā)光效率為40lm/W時(shí)，1W半導(dǎo)體白光燈成本在2.5元以?xún)?nèi)，光通量為1500lm的半導(dǎo)體白光照明燈，其成本應(yīng)可控制在93.75元以?xún)?nèi)；發(fā)光效率為200lm/W時(shí)，1W半導(dǎo)體白光燈成本在2.5元以?xún)?nèi)，光通量為1500lm的半導(dǎo)體白光照明燈，其成本應(yīng)可控制在18.75元以?xún)?nèi)；發(fā)光效率高達(dá)200lm/W，同時(shí)器件功率密度高達(dá)10W/mm2(美國(guó)固態(tài)照明技術(shù)路線圖的最高目標(biāo))，也就是說(shuō)使用一顆1mm×1mm的GaN基LED芯片，就可封裝成光通量為2000lm的半導(dǎo)體白光燈，它比20W日光燈還亮。此時(shí)，比起日光燈、1500lm半導(dǎo)體白光燈的成本更低，其成本主體取決于封裝，成本有可能變到5元以下。

　　一些國(guó)家已經(jīng)對(duì)固態(tài)照明技術(shù)的成本做出了一個(gè)規(guī)劃，例如，美國(guó)固態(tài)照明技術(shù)路線圖中就有對(duì)成本的目標(biāo)：首先，到2007年，光通量為200lm的固態(tài)白光照明燈(效率為75lm/W)，價(jià)格降到4美元以下，即光通量相當(dāng)于20W白熾燈水平的固態(tài)白光照明燈，其單價(jià)降到32元人民幣左右；其次，到2012年，光通量為1000lm的固態(tài)白光照明燈(發(fā)光效率為150lm/W)，價(jià)格降到5美元以下，即光通量相當(dāng)于60W白熾燈水平的固態(tài)白光照明燈，其單價(jià)降到40元人民幣左右；第三，到2020年，光通量為1500lm的固態(tài)白光照明燈(發(fā)光效率為200lm/W)，價(jià)格降到3美元以下，即光通量相當(dāng)于20W日光燈水平的固態(tài)白光照明燈，其單價(jià)降到24元人民幣左右。(注：這一目標(biāo)可能較早制定，日亞宣布2007年將投產(chǎn)光效為150lm/w的LED產(chǎn)品，全球LED照明產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程估計(jì)大大快于上述目標(biāo)進(jìn)程)

　　目前市場(chǎng)上光通量為30lm～50lm的固態(tài)白光單燈(1mm×1mm芯片)，其銷(xiāo)售價(jià)格約為20元到28元。但實(shí)際成本如何呢？在一片直徑為50mm的藍(lán)寶石襯底上，GaN基LED的襯底、外延和芯片成本分別為300元、300元和600元，用此外延材料可制造成1600個(gè)大小為1mm×1mm的功率型半導(dǎo)體芯片，每個(gè)芯片的成本不到1元。目前封裝1W半導(dǎo)體白光燈的成本約6元(芯片成本除外)，但批量生產(chǎn)，廠家自己開(kāi)模，成本控制在1.5元是沒(méi)有問(wèn)題的，所以，只要企業(yè)規(guī)模做上去了，合格率達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，1W半導(dǎo)體白光燈成本應(yīng)在2.5元以?xún)?nèi)。

　　這一目標(biāo)能否達(dá)到，外延材料生長(zhǎng)、芯片制造和器件封裝同樣重要。研究工作表明，半導(dǎo)體照明芯片承受功率密度10W/mm2是沒(méi)有問(wèn)題的，只要散熱條件足夠好，而今后的關(guān)鍵問(wèn)題在于提高外延材料內(nèi)量子效率，提高芯片出光效率，提高器件封裝效率和散熱特性半導(dǎo)體白光照明燈要替代白熾燈和日光燈，在外延、芯片和封裝等成本上并沒(méi)有很大困難，即使上述預(yù)測(cè)成本提高一倍也還是比較樂(lè)觀的，這里關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于能否大幅度提升技術(shù)水平。不斷提高外延材料的質(zhì)量，不斷提高發(fā)光效率，不斷提高器件所能承受的功率密度，解決好器件散熱問(wèn)題，半導(dǎo)體照明燈替代白熾燈和日光燈是必然趨勢(shì)，其價(jià)格一定能降到老百姓能接受的程度。近期國(guó)內(nèi)外技術(shù)突飛猛進(jìn)，預(yù)示著半導(dǎo)體照明燈進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)的時(shí)代會(huì)提前到來(lái)。