LED照明技术突破与欧洲霸主地位动摇

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED的发展带来的技术突破很有可能动摇欧洲的霸主地位并改变世界照明市场的格局。目前，标准LED[10]主要由亚洲制造，高亮度LED主要由日本和美国制造。图1-6 中国的LED产量注：为了比较，2000年LED的总产量估计为1000亿个，其中中国的产量所占比重小于10%。现在，LED的总市场为价值为85亿美元。目前高亮度LED在普通照明领域的市场份额约为6%，2010年可能会达到10%。20世纪70年代，单颗LED在电气和电子装置中用作“指示器”。

电照明彻底改变了每个人的日常生活，甚至使人们的生活离不开它。据估计，地球上正在使用的电灯泡为300亿个，每年共消耗2650TWh，约占全球总发电量的19%^[5]。现在，统领市场的两项重要技术是白炽灯和放电。

尽管这两项技术已经很成熟，但光源的发光效率和光品质远未达到极限，还有很大的技术革新空间。新型和效率更高的照明用光源的设计、优化和大规模生产是科学的、技术的、经济的和环境的挑战，是一种保持一定发展速度的解决方案。然而，放电型光源领域已经出现许多科学和技术进展，这类系统的最大效率自20世纪70年代以来已经增加至100～110lm/W^[6]。另一方面，LED的发光效率稳步增加（见图1-4），使其成为一种突破性的解决方案。

如果白光LED的效率在2025年之前能达到200lm/W，它们可能会取代现在的荧光灯^[7]。预计每年可节约10亿桶石油（相当于减少250个大型核电站的发电量^[8]）。

节约的能量也意味着每年减少超过2.7亿吨CO₂的排放。另外，在照明系统中使用白光LED将使照明领域发生重大改变，因为白光LED与传统照明方法相比有以下优点：

1）照明系统的能量效率更高；

2）寿命更长，维护次数更少；

3）装置的尺寸减小；

4）亮度级和颜色变化的控制灵活性更高；

5）功率消耗低（电池驱动的自治系统，安全性高的用户应用）；

6）没有紫外和红外辐射（对于易损坏展品的保存最为重要，例如博物馆的照明）。

除了能量问题之外，还要考虑经济问题。目前三家大型公司占据照明市场主导地位：OSRAM（欧司朗）、Philips（飞利浦）和General Electric（通用电气）^[9]。当前，欧洲在这个垄断性的市场中处于统治地位。LED的发展带来的技术突破很有可能动摇欧洲的霸主地位并改变世界照明市场的格局。

目前，标准LED^[10]主要由亚洲制造，高亮度LED主要由日本和美国制造。

图1-5比较了世界各地区的需求和生产能力[EDE06]。

图1-4 主要光源技术的发光效率与时间的关系

HPS—高压钠灯（黄-粉光） MHL—金属卤素灯 FL—荧光灯 LED—白光LED GLS—普通照明系统电灯 HL—卤素灯 Hal+IR—带红外反射体卤素灯 DOE路线图—美国“白光LED”计划的目标

图1-5 世界各地区高亮度LED的生产能力和消耗

现在LED市场正在成为一个商品市场，其中活跃的欧洲公司寥寥无几。另一方面，欧洲能够以其半导体技术为资本，在性能优化的LED市场中成为领导者。中国的LED工业将以30%^[11]的年增长率迅速成为世界的领军者之一（见图1-6）[WUL 07]。

图1-6 中国的LED产量（单位为100百万）

注：为了比较，2000年LED的总产量估计为1000亿个，

其中中国的产量所占比重小于10%。

现在，LED的总市场为价值为85亿美元。根据Strategies Unlimited公司光电子项目主管Robert Steele的分析[STE 07]，高亮度和超高亮度LED具有巨大的市场潜力，价值超过60亿美元，年增长率为8%。如果这一趋势得到证实并在接下来的5年得以保持，这部分市场的价值在2009年将接近于90亿美元，在随后的10年中将超过100亿美元（见图1-7）。

图1-7 各种现代LED的市场占有率

注：根据光通量，LED可分为：指示器：小于5lm；标准：5～50lm；HB（高亮度）：50～250lm；UHB（超高亮度）：大于250lm。

如果以上增长率得到证实，LED将在2020年之前成为微电子市场中关键部分（见图1-8）。LED的发展将因此变得至关重要，不仅是为了节约能源，还能促使半导体工业重新增长。半导体工业的增长率在过去几年因通信部分的增长而有所降低。

然而如图1-9[STE 07]所示，高亮度LED的主要应用包括移动设备、显示器和汽车。目前高亮度LED在普通照明领域的市场份额约为6%，2010年可能会达到10%。在未来几年内，LED在照明领域的市场份额会增加吗？尽管总体来说，因激动人心的技术突破和某些预言^[12]让人十分乐观，但这个问题的答案至今仍不明确，因为某些技术问题仍未得到解决。

图1-8 未来30年电子、半导体（LED除外）和LED的市场预测[SZE 02]

注：如果LED的增长率得到证实，它将在2020年之前成为市场中的关键部分。

图1-9 高亮度和超高亮度LED的应用（普通照明的应用所占比重很小）

即使现在LED仍然需要在普通照明系统中证明它们的效率，但它们已经在信号指示领域确立了位置并开始向专业照明领域渗透。图1-10总结了颜色和光通量不同的LED的应用范围。

图1-10 不同颜色和光通量LED的应用范围

信号指示应用通常需要小光通量的单色光。20世纪70年代，单颗LED在电气和电子装置中用作“指示器”（开/关、故障、电平等）。然而现在更复杂的信号指示系统中使用多个LED实现单一的功能（如交通灯）。显示器需要若干种不同颜色的LED，它们的光通量相对来说也更重要。最后，照明需要白光和相当大的光通量。高亮度二极管的可得性无疑会导致光定向系统的出现，这种系统只使用数量有限的二极管。明白了这一点后，现在可以更容易理解图1-11，

图1-11 LED技术现在已经很成熟，足以进入功率领域[STE 07]

该图的数据来自于Steel[STE 07]，它表明LED的应用已经在最近几年扩展至“功率”领域，且现在的目标是照明系统、汽车、大型屏幕的背光，最终进入照明领域。

除了照明之外，又涌现出了几种新型的应用，例如香港摩天大楼的灯饰或图卢兹（法国）古老的石桥“Pont Neuf”的动态照明，如图1-12所示。LED正越来越多地进入“建筑物照明”这一有前途的领域，LED不仅使建筑物变得明亮，而且突出了大型建筑的艺术特征。

图1-12 左图：九龙（香港）佳能大厦的LED灯饰，灯饰由14条线组成，每条线包括30个LED。每个芯片的功耗为6W且包含6个结（2红2绿2黄），每个晚上消耗的总电能为12.5kWh[LED 07]；右图：图卢兹Pont Neuf的桥洞自从2007年11月以来由动态LED照明系统装饰（总功率为1kW）（见彩页）

显而易见的是，为了在普通照明领域赢得市场份额，白光LED需要进一步提高效率和功率性能。下一节将讨论LED的颜色和效率特性。

LED照明技术突破与欧洲霸主地位动摇

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