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半导体照明前10 年回顾和未来展望(下)

2014-04-02 12:57 来源:csmpte

责编:系统管理员

半导体照明前10 年回顾和未来展望(下)

2013/2/27 11:11:03

 说明:因篇幅过长,本文分成三段呈现,第一部分:半导体照明前十年回顾;第二部分:怎么做?第三部分:对未来的预测。 本文乃第一部分:

3 对今后10~20年的预测

  基于在蓝光激发效率方面杰出的进展及其与成熟的荧光粉技术的配合,2010年冷白光的光效达到100~120lm/W,暖白光的光效达到80~100 lm/W,已经符合我们乐观的预测(见文献[1]中第2个加速的方案)。我们注意到,这些光效在某种程度上应该说是合格了,但这是芯片在室温条件下工作于350mA/mm2时的光效。最新技术水平的器件在85℃下工作时光效要下降10%。当最新技术水平的器件(例如最近介绍的Cree XP-G冷白光灯)在更高电流密度下工作时也有类似的光效降低:在700mA时光效降低约17%,而在1 500mA时光效降低约35%。然而在过去的3~5年里,在高电流密度下工作时光效的下降已经逐渐得到改善,更多的性能提高也是可以期待的。

  实际上完全有理由相信这一进步将会继续下去。现在政府的研发投资正在提升,产生重大的贡献。最最重要的是,随着高亮度LED新的更大的阶跃式市场的持续启动,产业界的研发投资正在不断增长。

  尤其是Strategies Unlimited [9]预测在接下去的5年里所有高亮度LED灯的复合增长率将达31%。在这一增长中,便携式电器、笔记本电脑、电脑显示器和越来越多的平板电视的LCD背光照明扮演着最重要的角色。对背光照明应用确实有很大的期望,预期从现今的4亿美元的LED显示市场中的一小部分增加到2014年的100亿美元。

  尽管从荧光灯背光到LED背光的转换预料在2014年将会完成,之后这样的增长将会显著地慢下来;但那时通用照明将接上来,并最后代替它成为主角。通用照明市场预计从2009年的6亿美元增长到2014年的45亿美元(注#6)。

  随着市场增长逐渐由背光转向通用照明,两个市场加在一起,将从2009年仅占53亿美元高亮度LED市场份额的25%,增长到占2014年200亿美元高亮度LED市场的75%。原来预期在5年期内显示背光市场的增长率是90%,照明为50%,其余应用市场为6%。接近期末时发现市场增长率的情况将有重大的改变,显示背光是10%,照明为30%,其余应用市场维持6%不变(注#7)。

3.1 2010年至2020年

  在有持续而积极的政府和工业界研发投资的大背景下,我们两个作者对未来10年SSL灯(尤其是那些为通用照明设计和应用的产品)的典型性能作了大胆预测。这里需要将这类照明产品与那些在光效、光通量、色温、显色性和寿命等方面性能较低的产品加以区别,后者是用于要求不很高的场合。在表1中给出了我们的预测,它们符合甚至超过Haitz定律。

表1对5年和10年后冷白光和暖白光 SSL 灯在设定的工作条件和电价下的光效、

场外市场价和投资回收期的预测

 

  我们预测2020年时SSL灯的光效可达150~180 lm/W,因而它们将以2~10倍的光效性能优势击败所有主流的传统灯泡。这样有利的性能表征SSL灯已经达到了对照明市场进行革命所需要的条件。到2020年时,根据从图1红光LED的趋势线可直接推断:冷白光的OEM价格为$0.6/klm,而在2015年时其价格为$2/klm。我们相信在2015年冷白光LED实质上将超越这一趋势线。

  然而,由于诸如半导体产业的很多工业界的经济繁荣和萧条循环严重地依赖于要求长时期的资本投资,这使得发展将不会是很流畅的。为支撑预期的后面4年中背光市场的加速增长,已经竭尽全力。流水作业的工艺流程已经难于满足背光市场严格的性能规格要求。半导体业界正勉强地做出反应:使其价格较高或者维持不变,快速扩大生产能力以弥补产能的不足。大约到了2012年,产量将有所增加,但这时背光市场的增长将逐渐减慢下来。作为结果,过剩的生产能力将使价格下降;而就在这时通用照明的市场正迅速扩张。到这个10年的中期,我们预料供求关系会达到再平衡,在2015年时OEM价格将为$0.5~1/klm,要比红光趋势线低2~4倍。到2020年价格将稳定在$0.5/klm(注#8)以下。

  我们也可对SSL演变的其他方面做出评论。

  一方面可以指望替换白炽灯以及紧凑型荧光灯(CFL)的市场仍然非常大,即使到2015年和2020年也是如此。对于大部分的民居市场,基本的LED灯泡的批量OEM价格仅仅是价格的一个方面。灯的制造商要购买基本的LED元件,还要再加上电源转换器、驱动器、二次光学器件、灯头和热沉等。然后,在使用者以“价格表所列的价格”购买前,LED替换灯泡进入批发和零售的二级分销渠道。更重要的是“场外行情”,其贴现价要比零售“价格表所列的价格”低很多,这是由于下面的这些原因:为了鼓励节能,政府进行补贴,大量的广告价格领导者产生的仓储交易等。这一“场外行情”成就或者打乱了很多消费产品市场。例如,早期的CFL灯1990年时的零售价为15美元左右,由于价格太高而且光色偏蓝,居民不能认可。经过10多年后,灯的性能改善,加上政府实行了价格补贴,现在CFL灯才最终为居民所接受。

  与LED灯相比,CFL灯的光效低,还含有污染环境的汞。所以只要LED灯的价格接近现在CFL灯的价格,政府就会从CFL灯转向推广LED灯。这一转变预计在2015年左右发生,到2020年时LED灯的场外市场价约为$2~3/klm(见表1)。到那时CFL灯将遭受与白炽灯同样的命运,由于污染环境和高能耗等原因将被禁止使用。这将是预示现在所有应用中的传统光源结局的先兆(注#9)。

  请注意,在表1中投资回收期的计算是基于假定2015年时白炽灯的价格为0.5美元,CFL灯的价格是2.5美元,在2020年时CFL灯的价格是1.5美元。还请注意,在2015年或稍后一些时间也许不再用白炽灯了,CFL灯也将失去它们的流动补助金,因而减轻了它们对SSL假定的价格优势。换言之,到2020年时所谓的投资回收期也许根本就不存在,或许变为负数,使得就购置、营运维护和处理费用等方面而言SSL成为首选!

  第二个方面是:建筑物和民居现在都是由中等电压的交流电网供电,而LED灯在直流低电压下工作。因此,在究竟是将配电改成直流还是使灯改进得能在交流下工作,两者之间将有一番斗争。

  一个极端的方法是在新建筑物中或在主建筑物改造时安装一个分开的“直流电源”网,其电压为12V、24V或48V。这时每幢建筑内只需要1个或少数几个电源转换器,每个灯具用1个驱动器。

  相反的极端方法是采用各种方法构建“交流”LED灯。最简单的方法是在灯中添加一个电源转换器。然而,在灯的“场外行情”5美元的零售价中,从交流电网的电压转变成直流低压所需的元件要花费很大的成本。还有另一种方法,可将LED灯设计成能够直接在110/220V的交流电网中工作。将多个p–n结以串联的方式集成在一起,提高了驱动电压,为达到同样的光输出工作电流减少了。根据这一概念,可以将两串反向并联的p–n结设置在同一个用于激发荧光粉的芯片中,它做成的灯在110/220V的交流电网中工作时,兼作整流器和光源。

  这件事说起来容易,做起来却要难得多:必须重新设计所有的制造工艺流程,以满足前面所讨论过的对光质量的要求。但是在一个足够大的市场中,具有这样独特的性能而且价格又有吸引力的LED灯的设计方案或许是一个成功的提议。这一方法对于替代小蜡烛形灯泡尤其有用,因为这种灯泡的灯头空间很小装不下电源转换器。

  介于上述两种方法之间的是一体化的LED灯具。两个可直流工作的串联连接的LED灯的器件,被再集成为交流工作的系统,就可以替换现今的光通量为3~10klm的荧光灯天花板灯具;也可采用类似数目的直流灯由一个电源转换器/驱动器供电的方法。

目前尚难预测在直流电网和交流灯之间这场争斗的结果。这一争斗从现在开始将会持续超过10年,最大的可能是打成平手。两种方法将会并存,用户可根据特定的需要选择最好的方案。例如,居民家中是交流电网,可能会使用交流灯;而商业照明可能挑选直流网络,因为有更好的光效,且寿命期内系统费用最低。但是从长远来看,与一体化的灯具相比,交流LED灯会慢慢失去市场;因节能的需要,在居住区改造时加入直流配线。在2020年后,一体化的LED灯具和直流网络将会主宰商业照明市场。

3.2 近期的技术挑战

  在通篇文章中,我们已经提及各种技术挑战,某些是发生在过去的10年里,有些则仅是最近才碰到的。由OIDA、DOE和其他的一些组织提出的各种技术路标已经认同这些问题,现在我们在这里简要地将最重要的几个问题总结如下。

  光效的下降:在前文中我们说到Cree公司最新型的灯,当它的工作电流从350mA增加到700mA时光效下降17%,当电流翻倍到1500mA时光效又要下降17%。这一结果当然不是由于结温升高所造成的,而似乎与载流子或光子通量密度有关。对此已经提出了几种机理,但是LED的科学家们还没有选定最终的解释。既然光效下降会造成能耗的增加,它就带来了严重的经济后果。一个使其影响减轻的尝试是基于大幅减少单位面积LED外延片的成本。将芯片的面积加倍就可允许驱动电流翻倍而对光效没有影响。

  窄带红色荧光粉:在现今的暖白色LED灯中,由于传统的红色荧光粉的光谱分布宽,造成光效有明显损失。采用更窄线宽的荧光粉,或者采用诸如量子点的非常规光转换方法,可以减少由光谱的长波红色区域和近红外部分造成的光效损失。此外,这些荧光粉应该能够很好地吸收激发它的蓝光(~460nm),这一波长能够最好地兼顾人眼的视觉灵敏度和显色性。

  由Stokes位移引起的荧光粉发热:现今所有的LED灯的设计都必须将芯片的一面安装在金属的热沉上,让光仅从顶部逸出芯片。新式的芯片设计已经相当多地减少了侧向发射。于是荧光粉必须涂在芯片的顶部,由Stokes损失产生的热量必定由荧光粉传到芯片。荧光粉是直径很小的颗粒,涂敷时由透明的有机粘结剂材料粘合在一起。所有的透明的有机材料热导率都很差,导致荧光粉自身被加热,从而使得光的转换效率降低。Philips-Lumileds设计了一种陶瓷板Lumiramic,将荧光粉牢牢地嵌入在陶瓷之中。这起一定作用,但荧光粉材料依然是灯中最热的部分。

  从红光到绿光的光效缺陷:直接发红光、黄光和绿光的LED的效率远比激发用的蓝光LED的效率低(见2.1节)。弥合了这一缺陷(尤其是在功率型LED要求的较高的结温下),将开启混色产生白光方法的大门,免去了由Stokes位移造成的约25%的能量损失。这一突破也将使调色更具吸引力,缓解上述荧光粉发热的问题。

  交流灯的频闪:不采用交直流转换器,而直接在交流电网工作的LED灯(3.1节)将出现50/60Hz或100/120Hz的频闪。这个问题仅在最近才碰到,应该不会比荧光灯或CFL灯更为严重。在对频闪敏感的应用场合,则应选用直流工作。

4 2020年后的预测

  最后,我们对2020年以后可能发生的情况发表一些看法。这里,进行评论的两位作者遇到一个困境。我们对于光效和价格两个性能的长期预期有较大的不同,它们将被记录在案以备日后查阅。下面是我们不同观点的总结。

  RH:一方面,相信在长期的光效和价格之间有一个实用的或“足够好的”折中解决,如表1所示的那样。光效进一步的改善将需要无休止的工艺流程的变动,这将会增加成本并减少产额。Haitz认为与其他的成本因素(如金属、塑料、配电、仓储和政府管理费等)相比,LED灯的基本元件的成本将变得不那么重要。到这个10年的末期,光的OEM价格将降到低于$0.5/klm,消失在其他的不相关的价格问题的“烟雾”之中。这将促使Haitz定律的价格趋势线到达终点。最后,由财政紧张的联邦和地方政府征收的“挥霍浪费光的惩罚税”可能接近甚至超过灯的基本元件的价格。

  Haitz定律中光通量的线甚至失效得更快。如同在1.3节中所概述的那样,光通量为20~50klm的高光输出灯的市场需求将不存在。在至2020年的期间内,图1中光通量的部分将主要用于较小的LED制造商去建立其“显耀的权力”。但是这些高光输出产品将仅仅被用于经济意义不大的一些场合。

  JYT:另一方面,相信光效将会继续提高,最终在超过200lm/W、接近250~300lm/W时趋于饱和。持此看法有如下3点理由。

  首先,与白光灯相关的资本费用将减少,光的用户花费主要是光的营运费用。因而如果价格稍微高一点的灯有更高的光效,能够在合理的寿命期内帮助他们节约足够的电费开支,他们会更乐意购买这样的灯。

  其次,光效增加后单位光输出所产生的废热少了,灯的封装就变得更容易且花费更少(就产生单位光输出而言)(注#10)。

  第三,或许也是最重要的一点,因为由半导体技术以低成本提供的丰富功能和一体化的可能性,以及超过只是简单的产生光的附加的功能,很可能将变得更为重要[11]。这些功能包括在被照的环境中色品和光的时间、空间配置的数字调节。这些好处将推动浅红色区域电致发光的开发,由于减少了Stokes损失这一边际效益使得光效有较大的提升。

  5总结

  回过头来看,全球对于白皮书[1]的反应超出了我们的期望。白皮书描述了一种新的照明技术。只要有足够的时间、资源,以及诸如能够维持自我融资成长的阶跃式发展市场等一些其他的成功要素,该照明技术将具有使原来的照明业界产生革命性变化的潜能。10年后,SSL的光效和价格已经达到或超过了在1999年设定的指标,而且还能满足市场对光色控制、稳定性和寿命的要求,这些我们已在本文的第2部分进行了讨论。对于未来10年的预测与照明革命所需的判据是一致的:对于使用者极其方便、有利,非常经济,有益于环保。

  虽然我们的初衷只是想从美国政府得到支持以加速向SSL的转变,想不到由此引发了全球工业界和政府对这一技术令人惊异的反应,但仔细想来我们倒也并不感到惊奇。

自130多年前爱迪生发明白炽灯以来,照明业界已经开发出不少于6种的各种电灯,每一种灯都在光效、价格或者光的品质方面有所改进。在下一个10年里,SSL将接近光效的极值,满足或超过市场对于价格和质量的要求。因此只留下很小的空间让人们想象是否还要花费精力和资金去开发另一种新的光源技术。从篝火、蜡烛、灯泡到SSL这一贯穿人类历史的一系列的照明革命将走到尽头。照明革命到此就结束了!(译者注:经与作者联系,他们确认这里所说的“照明革命结束”仅是指人造光源革命的结束,并非说整个照明科技革命就此结束。)

  致谢

我们感谢Jerry Simmons的精心编辑和评论意见,如还有不当之处那当然是我们的责任。我们也感谢Mike Coltrin, Sasha Neumann, Daniel Noh, Taisuke Ohta, InesWaldmueller, 和Bob Walker等给予的帮助。Sandia国家实验室的工作由美国能源部基础能源科学办公室提供资金的Sandia固态照明科学能源前沿研究中心所支持。Sandia是一个由Sandia公司经营的多功能的实验室,Sandia公司是洛克希德马丁公司的一个子公司,它根据契约No.DE-AC04-94AL85000为美国能源部国家核安全局服务。

参考文献

[1] R.Haitz, F. Kish, J. Tsao, and J. Nelson, The Case for a National ResearchProgram on Semiconductor Lighting, presented at the Annual Forum of theOptoelectronics Industry Development Association, Washington DC (1999).

[2] R.Haitz, F. Kish, J. Tsao, and J. Nelson, The Case for a National ResearchProgram on Semiconductor Lighting, presented at: Strategies in Light,Burlingame, CA (2000).

[3] M.R. Krames, O. B. Shchekin, R. Mueller-Mach, G. O. Mueller, L. Zhou, G. Harbers,and M. G. Craford, J.Display Technol. 3, 160–175 (2007).

[4] J.Y. Tsao, M. E. Coltrin, M. H. Crawford, and J. A. Simmons, Proc. IEEE 98(7),1162–1179 (2010).

[5] A.B. Gough, in: ALITE ’95Workshop, Electric Power Research Institute (EPRI), Rochester, NY, 1995,Proc.ALITE ’95 Workshop, EPRI-TR-106022.

[6] R.Haitz, Another Semiconductor Revolution: This Time It’s Lighting!, in: Advances in SolidState Physics,edited by B. Kramer, Vol. 43 (Springer-Verlag, Berlin, 2003), pp.35–50.

[7] C.M. Christensen, The Innovator’s Dilemma: When New Technologies Cause Great Firms to Fail (HarvardBusiness School Press, Boston, 1997).

[8]EERE, Solid-State Lighting Multi-Year Program Plan FY’10-FY’16,U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable EnergyBuilding Technologies Program, (2010).

[9] R.Steele, High-Brightness LED Market Review and Forecast, in: Strategies in Light(Strategies Unlimited,Santa Clara, CA, 2010).

[10] J.Brodrick, DOE SSL Roadmap, in: Strategies in Light (San Jose, Santa Clara, CA,2010).

[11] E.F. Schubert and J. K. Kim, Science 308, 1274–1278 (2005).

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  注#6:在技术推动的快速转换过程中,对市场预测肯定会有些半信半疑。在消费市场中经济暂时性的小问题总会为大家都知道,由于产业快速发展中过度投资引起的价格下跌比预期的快得多,这是半导体业界典型的问题。

  注#7:请注意这些市场数据适用于仅仅封装好的LED灯,不包括二次光学器件、驱动电路和灯头等。这一显著的增长必须与过去15年中完全静止的传统灯泡的150亿美元/年的市场联系起来考虑。当SSL逐渐取代传统灯泡时,传统灯泡的市场将萎缩,最终差不多完全消亡。

  注#8:我们注意到这些价格与美国能源部的预测是一致的。Jim .rodrick最近介绍了美国能源部对 2009~2015期限内SSL成本的期望值[10]。美国能源部指望在这 6 年内LED元件的价格下降 8 倍。按照图 1 中红光LED的趋势线,2009 年的价格是$8/klm.。到 2015 年时降价8 倍,其值就与我们在图 1 中预测的范围相同。

注#9:在 2009 年,Haitz [6]预测到大约 2015 年时LED灯开始与地球上任何一种电光源展开竞争,甚至包括与在电视转播的体育场照明中用的光源。在近期的新闻稿(http://www.philipslumileds.com/newsandevents/releases/PR128.pdf)中,飞利浦公司宣布在无电网的郊区采用太阳能供电,为小的足球训练场成功提供照明。

  注#10:注意这并不意味着热的问题就不存在了。仅可能努力地推动LED使其产生更大的光输出以摊薄LED的成本。在光电转换效率不能达到 100%的情况下,热的问题将是制约LED进一步发展的主要因素。

说明:  

译文刊载于《中国照明电器》2012 年第12 期和2013 年第1 期