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LED

LED

  • 中文名称:发光二极管
  • 诞生日期:2019-11-11
  • 外文名称:LED
  • 发明人:

      发光二极管简称为LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。发光二极管是一种常用的发光器件,通过电子与空穴复合释放能量发光,它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能,在现代社会具有广泛的用途,如照明、平板显示、医疗器件等。这种电子元件早在1962年出现,早期只能发出低光度的红光,之后发展出其他单色光的版本,时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线,光度也提高到相当的光度。 而用途也由...显示全部

      发光二极管简称为LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。发光二极管是一种常用的发光器件,通过电子与空穴复合释放能量发光,它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能,在现代社会具有广泛的用途,如照明、平板显示、医疗器件等。这种电子元件早在1962年出现,早期只能发出低光度的红光,之后发展出其他单色光的版本,时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线,光度也提高到相当的光度。 而用途也由初时作为指示灯、显示板,被广泛地应用于显示器和照明。LED(Light Emitting Diode,发光二极管),最早在1907年由英国马可尼实验室的科学家Henry Joseph Round 发现:当施加电流时,无机材料能够发光。LED经历了科学原理发现、技术突破、产业化、大规模产业化应用到目前进入成熟期,历时已110年。在此期间,LED照明技术、性能不断提高,成功颠覆传统照明,逐步替代白炽灯、节能灯,成为第四代照明光源。  收起

 

发展历程:

1. LED科学发现历程

1907年,英国马可尼实验室的科学家Henry Joseph Round 发现,当施加电流时,无机材料能够发光。同年,他将这一发现发表在《电世界》杂志上。由于他主要研究的领域是一种新的海上运输定向系统,所以这一发现最初并未引起重视。但这个发现奠定了LED被发明的物理基础。

1921年,俄罗斯物理学家Oleg Lossew 再次观察到光发射的Round 效应。接着,从1927年到1942年,他更为详细地检验并描述了这一现象。1927年前后,他独立制作了世界上第一颗LED,其研究成果曾先后在俄国、德国和英国的科学杂志上发表,可惜当时并没有人理睬他。天意弄人,1942年,39岁的洛谢夫在列宁格勒城被德军封锁时因饥饿而死,后来这段故事淡出了历史舞台。

1935年,法国物理学家Georges Destriau在硫化锌中观察到光发射现象。为了纪念上文中提到的俄罗斯物理学家,他将这一效应命名为“Lossew光”。今天,Georges Destriau被誉为电致发光现象的发现者。

1951年,晶体管的发展标志着半导体物理学又向前迈进了一步。这时,可以对光发射现象做出解释了。1955年,美国无线电公司33岁的物理学家Rubin Braunstein首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用并在物理上实现了二极管的发光,可惜发出的光不是可见光而是红外线,但这个贡献也很大了。

1961年,德州仪器公司的科学家Bob Biard和Gary Pittman发现砷化镓在施加电子流时会释放红外光辐射。他们率先生产出了用于商业用途的红外LED并获得了砷化镓红外二极管的发明专利。1962年,由来自美国的Nick Holonyak开发的首个红色发光二级管投入了市场。首个可见光波长范围的LED标志着工业生产LED的开始。

2. LED技术突破历程

白光LED问世

全球LED产业兴起于20世纪60年代。1965年,全球第一款商业化发光二级管诞生,它是用锗材料做成的可发出红外光的LED,当时的单价约为45美元。其后不久,Monsanto和惠普公司推出了用GaAsp材料制作的商业化红色LED。这种LED的效率大约为0.1lm/w,比一般的60-100w白织灯的15lm/w要低100多倍。

1968年,LED的研发取得了突破性进展,利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1lm/w,并且能够发出红光、橙光和黄光。

1971年,业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

1985年,该领域的科学家们将铝元素引入到砷化镓材料中,成功研制了第一代高亮度LED。高效GaAIAS和超高效InGaAIP发光材料的成功开发使LED的发光效率大大提高。

直到1993年,在日本日亚化工工作的中村修二成功把氮渗入,发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓和铟氮化稼的具有商业应用价值的蓝光LED,这类LED在1990年代后期得到广泛应用。

之后LED光源迅猛发展,1996年,Schlotter和Nakamura等人先后发明了用蓝光管芯加黄光荧光粉封装成白光LED的技术。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心,在这个发光芯片上抹上荧光粉,然后荧光粉通过吸收来自芯片的蓝色光源再转化为白光。利用这种技术能制造出任何可见颜色的光。

光效不断提升

2002年,因为使用激光切割的技术取代钻石刀切割,20片机左右的MOCVD取代6片机,LED芯片成本开始大幅下降。在市场上开始有5W的LED的出现,而其效率大约是每瓦18至22lm/w。随后,外延粗化与ITO透明电极技术让LED亮度瞬间提高一倍。倒装Flip Chip与正装大功率技术相继出现。

2008年,芯片技术迎来了一轮新技术大突破,图形衬底PSS技术可以将亮度再提高30%以上,LED混光技术和外延54片机开始应用。

2008年以后,LED技术继续不断提升,外延54片机、69片机相继推出,大电流驱动技术、反射电极等技术相继出现。

3. LED产业生命历程

2002年以前,全彩显示屏与交通灯是主力应用,当时的手电筒,小礼品钥匙圈与验钞笔也因为蓝光LED成了奢侈品,中村修二的发明成果还没有完全开花结果,1999年就跟老东家日亚化学闹翻去美国了,但是他留给日亚的技术资产,让日亚垄断了市场,专利也阻碍了LED的进步。

2002年,LED芯片成本开始大幅下降,使得LED的需求显著增加,从手机按键到手机背光开始一个接一个被渗透。外延粗化与ITO透明电极技术让LED亮度瞬间提高一倍,中小尺寸液晶的背光也失陷了。倒装Flip Chip与正装大功率技术,让路灯与室外照明开始进入LED时代。根据市调公司Strategies Unlimited的数据显示,全世界LED封装组件市场在2001年至2004年这一段期间,年营收的平均成长高达44%。2006年开始,绿光芯片技术开始成熟,芯片尺寸缩小,切割技术成熟,市场的应用开始朝向更大面积的GPS屏幕、电子相框和笔记本电脑等背光发展,LED市场持续成长,LED光效则不断提升,价格则因量大而逐步下降。

2008年,芯片技术迎来了一轮新技术大突破,图形衬底PSS技术可以将亮度再提高30%以上,LED开始进入电视背光,台湾晶粒厂商和韩国厂商三星及LG合作,适时推出侧光式LED背光源的液晶电视,由于采用LED混光技术,提升晶粒使用率,晶粒价格的降低,使得采用侧光式LED背光源的液晶电视与采用冷阴极管当背光源的液晶电视价差缩小,再加上侧光式LED背光的液晶电视,具有超薄屏幕及重量轻的优点,受到极大追捧。同期LED照明应用也开始发展,全球于2010年开始出现LED供不应求的局面。也据统计,2010年全球高亮度LED的市场较2009年大幅成长了93%。

2011年,开始由于受到全球经济景气复苏脚步缓慢的影响,LED背光的液晶电视销售不如预期,另一方面中国大陆的LED企业,在政府的政策性支持及财务补贴下,大幅的扩充产能,造成LED的供给远大于需求,市场上LED组件的杀价竞争更趋激烈。然而也由于LED组件价格的下降,让LED照明光源的价格不再高不可攀,美国科锐于2013年2月推出的60瓦白炽灯取代型LED灯泡,以9.5瓦的耗电量可以发出800流明的亮度,而售价只有12.97美元。随后欧洲的欧司朗于2013年4月也宣布将开始销售价格低于10欧元的LED灯泡。虽然LED灯泡的价格竞争越演越烈,但这将有助于刺激消费大众的购买意愿,LED渗透率不断提高,LED产业生命历程如图1所示。

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图1 LED产业生命历程


 

知识图谱:

1. 科学图谱

图2中给出了全球LED论文数量在各个领域分布的情况。可以看出,物理科学是LED重点依靠的研究领域, 包括LED的颜色、电流、电压、色温等重要指标。其次是材料科学、化学、工程学,此外还涉及到了光学、聚合物科学、结晶学、仪表仪器、电化学等多学科领域。


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图2 LED文献学科分布

2. 技术图谱

LED是一种可以将电能转化为光能的半导体器件,它利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。芯片是 LED 的核心部分,不同材料的芯片可以发出红、橙、黄、绿、蓝、紫色等不同颜色的光。单颗LED结构图如图3所示。


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图3 单颗LED结构图

LED照明技术领域包括6个一级技术分支,27个二级技术分支,如表1所示。其中一级技术分支包括:衬底技术、外延技术、芯片结构技术、封装技术、照明组件技术、一体化灯具技术。

表1 LED技术分支

一级技术分支

二级技术分支

技术类别

衬底

四族元素

核心技术

四族化合物元素

二六族元素

三五族元素III-VI族

衬底其它

外延

方法

核心技术

结构

芯片结构

电极

核心技术

结构

新结构

反射镜

粗化

侧面腐蚀

衬底剥离

键合

划片

保护层

保护电路

微结构

封装

封装结构

核心技术

封装技术

封装材料

照明组件

颜色

辅助技术

出光面特性

发光强度

组件外形

一体化灯具

应用

辅助技术


3. 产业图谱

进入21世纪,随着世界范围内能源危机的日益严重,作为第四代照明光源的LED一经发明便受到人们的追捧,LED产业成为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。LED 与前几代灯源的比较如表2所示。

表2 LED与前几带灯源比较

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LED具有发光效率高、光线质量好、能耗低、响应时间短、寿命长、适用性强、可靠耐用、安全环保等优点。具体如下:

1)光效率高:光谱几乎全部集中于可见光频率,效率可以达到80%-90%。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。LED电能转化为光能转换率接近90%,而目前通常的室内照明灯具的平均电光转换率大约20%,有80%的电能因转化为热能而浪费掉。

2)光线质量好:由于光谱中没有紫外线和红外线,故没有热量和辐射,属于典型的绿色照明光源。

3)能耗小:小功率LED一般在0.05W左右,在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/10。

4)响应时间短:白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级。

5)寿命长:光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时,一个半导体灯正常情况下可以使用50年。

6)适用性强:每个单元LED小片是3-5mm的正方形,可以制备成各种形状的器件,且适合于易变的环境。

7)可靠耐用:没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件,非正常报废率很小,维护费用极为低廉。

8)安全:单位工作电压大致在3V左右,工作电流在20mA左右。

9)绿色环保:废弃物可回收,没有污染。

LED行业上游为外延片和芯片制备,中游为封装领域,下游主要是LED应用领域,包括显示、照明、背光等,如图4所示。其中,上游技术门槛较高,主要由国外大厂商主导,如首尔半导体、日亚化学等;而中下游技术含量则相对较低,国内厂商主要集中在该领域。

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图4 LED行业产业链

上游领域:外延片和芯片制备。LED芯片制备的第一步要在衬底上制作GaN(氮化镓)基的外延片,这个过程主要是在MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor DePosition,金属有机化合物化学气相沉积外延炉)中完成的。常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底,还有砷化镓、氮化铝、氧化锌等材料。MOCVD 外延炉是制作LED外延片最常用的设备。MOCVD利用气相反应物(前驱物)及Ⅲ族的有机金属和V族的氨气在衬底表面进行反应,将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例,从而控制镀膜成分、晶相等品质。接下来是对LED PN结的两个电极进行加工,电极加工是制作LED芯片的关键工序,包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨;然后对LED毛片进行划片、测试和分选,最后可以得到所需的LED芯片,各式 LED 制作流程如图5所示。

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图5 各式LED制作流程

中游领域:芯片封装。LED封装的主要目的是实现LED芯片和外界电路的电气互连与机械接触,保护LED免受机械、热、潮湿等外部冲击,实现光学方面的要求,提高出光效率,满足芯片散热要求,提高其使用性能和可靠性。封装是白光LED制备的关键环节:半导体材料的发光机理决定了单一的LED芯片无法发出连续光谱的白光,因此工艺上必须混合两种以上互补色的光而形成白光,目前实现白光LED的方法主要有三种:蓝光LED+YAG黄色荧光粉,RGB三色LED,紫外LED+多色荧光粉,而白光LED的实现都是在封装环节。良好的工艺精度控制以及好的材料、设备是白光LED器件一致性的保证。LED封装一般包括十一个步骤:扩晶;背胶;将备好银浆的扩晶环放入刺晶架中,由操作员在显微镜下将LED晶片用刺晶笔刺在 PCB 印刷线路板上;将刺好晶的PCB印刷线路板放入热循环烘箱中恒温静置一段时间,待银浆固化后取出;粘芯片;烘干;绑定;前测;点胶;固化;后测。经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式、贴片式、功率型和板上芯片直装式型等发展阶段。此外,LED封装还可分为正装和倒装,部分LED 器件封装形式如表3所示。

表3 部分LED器件封装形式

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下游应用:显示、照明、背光等。随着技术创新以及成本下降,LED下游应用加速拓展,照明已成为LED最大的下游应用市场。在显示屏和背光源领域,进一步提升的空间已较小。另外,LED在红外和紫外光区也具备广阔的应用前景。其中红外LED主要用于安防监测和传感器,安防监测红外LED在汽车电子领域可用于夜视系统。2016年,农业照明等新兴应用快速成长,智慧照明、小间距显示、UV-LED 等成为应用市场热点,LED应用领域分类如表4所示。

表4 LED应用领域分类

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全球范围内,LED产业逐渐形成亚洲、美国、欧洲三足鼎立的竞争态势。其中上游衬底制作、外延生长和芯片制造具有技术和资本密集的特点,参与竞争的企业数量相对较少,主要是日本的Nichia、ToyodaGosei,美国的Cree、Lumileds,德国的Osram等垄断。上游既是技术进步的瓶颈,也是整个LED产业发展的关键,上游企业资源比较集中,同时利润率也较高;中游封装与下游应用的进入门槛相对较低,参与其中的企业数量较多,利润率较低,近年来中国大陆地区承接全球产业转移,同时受益于成本优势和旺盛的下游产品市场需求,已成为世界重要的LED封装生产基地,全球LED产业链布局如图6所示。

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图6 全球LED产业链布局

 

演化分析:

1. 演化态分析

1.1 基于论文的定量分析

全球LED论文增长趋势如图7所示。报告检索数据下载日为2017年8月30日,检索关键词“light emitting diode”,检索数据库为web of science,文献类型为article。共检索到全球LED论文总量63275篇。

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图7  LED论文趋势 

1.2 基于专利的定量分析

全球LED专利增长趋势如8图所示。报告检索数据下载日为2017年8月30日,检索关键词“light emitting diode”,检索数据库为德温特,共检索到全球LED专利申请总量94740条。专利数量走势总体呈现先扬后抑的技术生命曲线形态,2013年新型LED的出现再次引发了专利数量的提升。专利数量的增长曲线呈现出早期振幅波动跳跃,中期趋于稳定,后期出现下滑并重现回升的形态。

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图8 LED专利趋势

1.3 基于产经数据的定量分析

LED从产品产业化以来,历经了几次发展高低谷,从LedInside等统计数据获取的2002-2016年LED产值曲线如图9所示,2011-2016年LED灯泡价格如图10、图11所示。2003年LED产业产值相较2002年出现一个较大的增长,随后开始稳定增长,2010年出现小高峰。2011年出现第一次增长低谷,主要系LED产品价格大幅下滑所致。2012年出现第二次爆发,主要系价格下滑导致LED照明渗透率快速提升所致。2013-2014年出现小幅波动,2015年增长率首次为负。

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图9 LED产值趋势(亿美元)

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图10 取代40瓦白炽灯的LED灯泡零售均价(美元)

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图11 取代60瓦白炽灯的LED灯泡零售均价(美元)

将专利与文献、产值数据作对比,可以发现,LED在技术和论文的演进趋势早期具有一定的同步性, LED在技术和市场的演进趋势也具有一定的同步性。其中,论文增长和爆发早于技术增长和爆发,技术增长和爆发略早于产业爆发。因此,可以从一定程度上认为技术爆发是基础研究爆发的结果,产业爆发是技术爆发的结果。技术爆发可以作为识别技术产业化的重要指标。但是,我们也可以看出,产业趋势并不总是与技术趋势相一致,我们认为这是由政策及市场竞争等其他原因所导致的。

2. 演化机理分析

2.1 科学演进机理

从电致发光现象的发现,到对电致发光现象的深入研究,再到在物理上实现二极管发光,以物理学为基础的理论研究持续演进。

2.2 技术演进机理

LED技术发展历程显示,红光LED,橙光、黄光及绿光LED,蓝光LED、白光LED在LED技术发展过程中代表4个技术级差,在每个级差之间呈现一定程度的原理性突破。具体来看,LED技术实现对传统照明的颠覆,主要是通过递阶式的原理性突破——技术改进,逐步推动了LED技术从早期的性能较低走向成熟。

LED光效提升和成本下降是LED技术提升的外在表现。LED所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率的比值,称为LED的光效。发光效率值越高,表明LED将电能转化为光能的能力越强,即在提供同等亮度的情况下,该LED的节能性越强;在同等功率下,该LED的照明性越强,即亮度越大。发光效率单位为流明/瓦(lm/w)。

1. LED技术的原理性突破(2002年之前)

a.红光LED到绿光、黄光及橙光LED(光效由0.1lm/w到1 lm/w)

1965年,全球第一款商业化LED诞生,它是可发出红外光的LED。红光LED面临着发光效率低的主要瓶颈。当时所用的材料是GaAsP,发红光(λp=650nm),在驱动电流为20毫安时,光通量只有千分之几个流明,相应的发光效率约0.1lm/w,比一般的60-100w白炽灯的15lm/w要低100多倍。

70年代中期,引入元素In和N,利用氮掺杂工艺使LED产生绿光(λp=555nm),黄光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm),光效也提高到1lm/w。

b.绿光、黄光及橙光LED到蓝光LED(光效提高)

虽然绿光、黄光及橙光LED相对红光LED光效有所提升,但与一般白炽灯仍相差甚远,且这些LED的电流密度有限,使得亮度很低,并不适于普通照明。

直到1993年,在日本日亚化工工作的中村修二成功把氮渗入,发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓和铟氮化稼的具有商业应用价值的蓝光LED,这类LED在1990年代后期得到广泛应用。蓝光相对于红光和绿光,光子能量更高,适合制作蓝光LED的材料生长难度大,很多研究机构都在屡屡受挫后选择了放弃。但就有那么很少的一部分人坚持不懈,终于创造了奇迹。1973年,当时在日本松下电器公司东京研究所的赤崎勇最早开始了蓝光LED的研究。后来,赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行了蓝光LED的基础性研发,1989年首次研发成功了蓝光LED。1989年,日本的赤崎勇和天野浩师徒克服重重困难首次研发出了蓝光LED,第一个基于SiC材料体系的蓝光LED商品化,但由于SiC是间接带隙半导体,使得其效率很低。虽然当时蓝光LED发光很弱,没有实际的应用价值,但是它却燃起了人们对于蓝光LED研究的热情与希望。1993年,在日亚工作的中村修二成功研发出高亮度蓝光LED的技术,使蓝光LED走向实用化,真正开启了LED照明时代。他们的坚持与付出,最终破除了20世纪不可能实现蓝光LED的预言。

c.蓝光LED到白光LED(光通量提高)

蓝光LED虽然在亮度和光效上有所提高,但其光通量并不高。1996年,Schlotter和Nakamura等人先后发明了用蓝光管芯加黄光荧光粉封装成白光LED的技术。白光LED的产生大大提高了蓝光LED的光通量,是原蓝光LED光通量的8倍。利用这种荧光粉技术可以制造出任何颜色光的LED(如紫色光和粉红色光)。蓝光和白光LED的出现拓宽了LED的应用领域,使全彩色LED显示、LED照明等应用成为可能。

2. LED性能逐步提升(2002年-2017年)

LED芯片的光提取效率是限制LED发光外量子效率的主要因素。提取效率低的主要原因是衬底、外延层和空气之间的折射率差值较大。GaN的的折射率约为2.4,而蓝宝石和空气分别为1.7和1,有源区发出的光在GaN与蓝宝石衬底界面,GaN与空气界面会发生全反射,导致光不能有效的导出芯片。目前解决该问题的方法主要有PSS衬底(蓝宝石衬底图形化)技术,表面粗化技术和侧壁腐蚀技术等,都是通过改变GaN与衬底或者GaN与空气或者衬底与空气之间接触面的几何图形,从而改变光的反射方向,使光偏离全反射角,从而提高光的提取效率。

a.成本下降,亮度提高(2002年)

2002年,因为使用激光切割的技术取代钻石刀切割,20片机左右的MOCVD取代6片机,LED芯片成本开始大幅下降,从手机按键到手机背光开始一个接一个被渗透。外延粗化与ITO透明电极技术让LED亮度瞬间提高一倍,中小尺寸液晶的背光也失陷了。倒装Flip Chip与正装大功率技术,让路灯与室外照明开始进入LED时代。

b.亮度再提高(2008年)

2008年开始,芯片技术迎来了一轮新技术大突破,PSS技术可以将亮度再提高30%以上,同时LED混光技术,提升了晶粒使用率,LED开始进入电视背光。

PSS技术是以蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方式,在蓝宝石基板上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制LED之输出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加光的取出率),同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷,改善磊晶质量,并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝石基板的LED相比,亮度增加了30%以上。

c.光效不断提高,成本下降(2008年—2017年)

2008年以后,LED技术继续不断提升,外延54片机、69片机相继推出,大大降低了LED的制造成本。此外,大电流驱动技术、反射电极等技术的出现进一步提高LED光效。2016年,全球功率型白光LED产业化光效可达176lm/W。

2.3 产业演进机理

1. LED导入期——LED技术的原始创新与早期应用探索(2002年之前)

英国马可尼实验室的科学家Henry Joseph Round、俄罗斯物理学家Oleg Lossew、法国物理学家Georges Destriau、美国物理学家Rubin Braunstein、德州科学家Bob Biard 和Gary Pittman、美国Nick Holonyak对LED技术原理的发现以及应用,是形成LED产业最初的科学要素。Monsanto和惠普公司推出用GaAsp材料制作的商业化红色LED,后橙光、黄光及绿光LED被相继研发,日本日亚化工的中村修二发明基于宽禁带半导体材料GaN和InGaN的具有商业应用价值的蓝光LED,是形成LED产业的重要技术要素。

2002年以前,全球范围内LED技术仍不成熟,成本较高,全彩显示屏与交通灯是主力应用,当时的手电筒,小礼品钥匙圈与验钞笔也因为蓝光LED成了奢侈品。

2. LED产业突破期——激光切割、外延粗化与ITO透明电极、倒装Flip Chip与正装大功率技术等技术推动显示和小尺寸背光产品、路灯和室外照明应用(2002年-2008年)

该阶段是LED产业的孕育期,标志着LED产业的形成,表现在:一是核心技术不断得到突破,并得以产业化;二是外延粗化与ITO透明电极等技术使得LED亮度得到提高,符合当时中小尺寸背光市场需求;三是激光切割技术使得生产成本、产品价格有所下降,不再高不可攀,渗透率开始显著提升。四是倒装Flip Chip与正装大功率技术,让LED路灯与室外照明开始逐渐得到应用。总的来说,LED产业在此期间市场持续成长,光效不断提升,价格则因量大而逐步下降。

3. LED产业成长期——大尺寸电视背光已成熟,LED照明高速发展(2008年-2014年)

LED的成长期进入大尺寸电视背光和LED照明时代,是LED产业第三次跃迁。该时期市场需求明显扩大,产业发展呈加速度递增,产业规模迅速扩张。表现在:一是应用领域的扩张,即LED从显示和小尺寸背光产品应用到大尺寸电视背光应用,再到市场空间最大的照明应用发展;二是市场渗透率的提高,即从进入大尺寸电池背光领域到市场饱和,从进入LED照明领域到取代白炽灯、节能灯成为主要照明产品;三是数量上的扩张,即LED产值持续提高,产业内企业数量不断增加,大规模投资扩产持续进行;四是质量上的提高,即LED光效不断提升,制备工艺不断提高,价格逐渐下降至可接受范围,产业链配套逐渐完善,并已基本形成;五是产业政策的陆续颁布,美国、中国、中国台湾、日本、欧盟、澳大利亚、韩国等国家和地区陆续颁布政策扶持LED产业发展,并逐步禁用白炽灯。总的来说,在成长期早期阶段,技术突破仍是产业发展的首要驱动因素。随着技术的不断发展成熟,在成长期中后期阶段,政策和市场(需求、投资、竞争等)取代技术驱动战略成为首要驱动因素。

4. LED产业成熟期——LED照明成为照明市场主流(2015年-至今)

根据高工产研LED研究所数据,2015年全球LED产业市场规模高达143亿美元,增长率首次为负,全球LED产业市场规模增长放缓,LED产业步入成熟期。

进入成熟期,全球范围内,LED产业逐渐形成亚洲、美国、欧洲三足鼎立的竞争态势。中国大陆地区承接全球产业转移,同时受益于成本优势和旺盛的下游产品市场需求,已成为世界重要的LED封装生产基地。从全球LED应用领域来看,LED背光应用市场逐渐饱和,LED照明产品规模保持较为快速的增长态势。根据DIGITIMES Research预估,2016年全球LED照明市场规模将达346.4亿美元,以产值计渗透率将为31.3%。此外,LED汽车照明、医疗、农业等新兴领域的应用也在不断开拓。

总的来看,LED产业演进的历程具有以下特点:①LED产业的发展是沿着奢侈品(边缘市场)——小中大尺寸背光(中间市场)——照明(主流市场)发展路线,由边缘市场切入,逐步提升性能、降低价格直至赶超传统照明实现颠覆;②对于LED产业而言,技术-市场-政策是产业发展的关键因素。早期的LED技术大突破,催生了LED产业。后在产业政策的支持下,相关技术不断完善,应用范围不断扩展,产品价格不断下降,拉动了市场需求和产业投资的不断增长。市场需求和产业投资的增长又反过来拉动技术的提高。三者相互作用共同促进LED产业发展。

3. 爆发点分析

参考爆发机制的理论说明,标定的特征可选择规模(销售总量与增速)、结构等要素前后显著不同,定量上选择演化形态的拐点区,定性上选择关键事件。为此,根据LED大事年表,结合LED产业演化形态特征,从定量和定性上综合标定以下3个爆发点。

爆发点1——产品实用化标志——对应产业突破期的爆发点:2002年用激光切割的技术取代钻石刀切割,20片机左右的MOCVD取代6片机,外延粗化与ITO透明电极技术的出现,使得以中小尺寸背光为代表的LED产品得到应用。倒装Flip Chip与正装大功率技术,让路灯与室外照明开始进入LED时代。

爆发点2——产品量产化标志——对应产业成长期的爆发点:2008年PSS技术出现,LED开始大量应用于以大尺寸电视背光为代表的产品,实现产业化。 与此同时,LED通用照明应用也开始发展。

爆发点3——产品主流化标志——对应LED产业成熟期的爆发点:2015年白炽灯基本退出照明市场,LED灯成为主流产品实现颠覆。

各爆发点的基本态势如表5所示。


表5 LED爆发点分析


企业维度

政策维度

市场维度

技术维度

实用化爆发

2002

台湾的LED厂家,透过海归与工研院的技术融合,开始取得技术的突破

1998年,日本“21世纪照明计划”正式启动;2000年美国开始启动国家半导体照明研究计划、欧盟实施了“彩虹计划”、韩国政府制定了“氮化镓半导体开发计划”

LED进入以显示和小尺寸背光产品为代表的应用、路灯与室外照明开始进入LED时代

激光切割、外延粗化与ITO透明电极、倒装Flip Chip与正装大功率技术等技术得到应用

量产化爆发

(2008)

台湾晶粒厂商和韩国厂商三星及LG合作,适时推出侧光式LED背光源的液晶电视;中国大陆开始疯狂大投资,LED逐步进入中国节奏的时代

中国政府发布《高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法》,确保实现“十一五”期间通过财政补贴方式推广高效照明产品1.5亿只

大尺寸电视背光成为LED关键应用领域,LED通用照明应用开始发展

PSS技术将LED亮度再提高30%以上

主流化爆发

(2015)

LED产业逐渐形成亚洲、美国、欧洲三足鼎立的竞争态势;日本的Nichia、ToyodaGosei,美国的Cree、Lumileds,德国的Osram等仍垄断下游市场,中国大陆地区成为世界重要的 LED 封装生产基地,厂商之间重组兼并频繁,竞争激烈

各国全面禁用白炽灯

LED通用照明引爆市场,LED产品成本及价格进一步降低;白炽灯退出照明市场,LED等渗透率快速提高

制备工艺不断完善,光效不断提高


 

案例启示:

1. 演化模型及其机理

LED技术的创新之路,从发展方式来看,是一条“技术+政策+市场”相互促进的创新之路;从组织方式来看,是一条“政府主导+企业主体+研发机构支撑”的集合政府、企业、高等院校、科研院所各方力量的创新之路;从技术特性来看,是一条面向广阔市场需求,从边缘市场需求入手,结合产业发展特点实现技术升级,逐渐打入主流市场的创新之路,其渐进式演化路径如图12所示。

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图12 LED渐进式演化路径示意图

从发展方式来看,LED技术起源于1907年,英国Marconi实验室的科学家Henry Joseph Round 发现当施加电流时,无机材料能够发光这一现象。后经过红光LED,橙光、黄光及绿光LED,蓝光LED、白光LED 4个LED技术级差的发展,截至1996年,LED技术原理性突破逐渐稳定。1998年开始,各国LED政策的陆续颁布(日本“21世纪照明计划”;美国国家半导体照明研究计划、欧盟“彩虹计划”、韩国“氮化镓半导体开发计划”),一方面推动了LED技术的持续提升,另一方面也带动了LED市场的扩大。技术的提升使得LED技术的应用范围更加广泛,从手电筒,小礼品钥匙圈与验钞笔到显示和小尺寸背光产品、路灯和室外照明,再到大尺寸电视背光,最后到市场空间最大的照明,一步步推动着市场的发展。市场的扩大带来了投资的增加,又反向推动了技术的进步。同时,技术的逐步完善反向拉动了政策的制定(各国全面禁用白炽灯),禁用白炽灯政策的制定又极大的拉动了LED产品的需求,进一步扩大了市场。

从组织方式来看,LED技术原理最初是由科研院所和高等院校的科学家发现,原理成熟后,企业开始将原理应用于实践,逐渐成为LED技术的应用推广主体。1993年,在日本日亚化工工作的中村修二成功把氮渗入,发明了基于宽禁带半导体材料GaN和InGaN的具有商业应用价值的蓝光LED,开启了LED技术的新阶段。在LED技术的后续发展过程中,政府通过颁布规划类政策(日本“21世纪照明计划”等)、扶持政策等(财政补贴、全面禁用白炽灯),在大方向上主导者LED技术及产业的发展。同时,高等院校、科研院所等研发机构不断进行基础研究,LED技术论文数量不断增加,为LED技术突破奠定基础。企业作为LED技术创新和产业发展的主体,在研发机构的基础上,政府的支持下,不断进行技术创新、产品创新和产业投资,推动LED技术的发展。

从技术特性来看,LED技术符合Christensen提出的颠覆性技术演化路径。Christensen提出颠覆性技术一般从边缘市场切入,初始阶段性能低于主流技术性能,随着性能与功能的不断改进与完善,最终取代已有技术,形成新的技术体系。2002年以前,全球范围内LED技术仍不成熟,成本较高,全彩显示屏与交通灯是主力应用,当时的手电筒,小礼品钥匙圈与验钞笔也因为蓝光LED成了奢侈品。后随着LED技术性能的不断提升,LED技术开始应用于通用照明领域。但相对于照明领域的白炽灯、节能灯而言,其初始性能与功能并没有优势,光效偏低,价格偏高。在政策和市场带动下,LED灯光效不断提升,价格不断降低,截至目前,LED灯光效已远远超过以前的市场主流节能灯,且价格已经下降至与节能灯同一水平,LED照明市场份额迅速提升,取代了原有的节能灯技术,形成了新的技术体系,实现了对原有技术的颠覆。

2. 爆发点及其爆发机制

LED产业爆发点包括三个,如图13所示。爆发点1是产品实用化标志,对应产业突破期,即2002年激光切割的技术取代钻石刀切割,20片机左右的MOCVD取代6片机,外延粗化与ITO透明电极技术的出现,使得以中小尺寸背光为代表的LED产品得到应用。倒装Flip Chip与正装大功率技术,让路灯与室外照明开始进入LED时代。爆发点2是产品量产化标志,对应产业成长期,即2008年PSS技术出现,LED开始大量应用于以大尺寸电视背光为代表的产品,实现产业化。与此同时,LED通用照明应用也开始发展。爆发点3是产品主流化标志,对应LED产业成熟期,即2015年白炽灯基本退出照明市场,LED灯成为主流产品实现颠覆。

通过对3个爆发点的分析,可以发现以下规律:一是,产品实用化爆发点一般是由大量的技术突破及应用导致的,且一旦最初的颠覆性技术得到应用,专利数量将加速增长,如图14所示。二是,产品量产化爆发点是技术、市场、政策的共同作用导致的,在该爆发点,专利数量达到阶段最高点并开始下降,政策支持和市场投资不断加强。三是,在产品主流化爆发点,颠覆性技术形成的产品占领市场主流,技术研发开始朝新的分支方向发展。政策开始逐渐退出,产品价格逐渐趋于稳定,市场成为产业发展的主要推动力,兼并整合现象明显。

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图13 LED产业规模演化

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图14 LED专利数量演化

3. 关键驱动因素及其作用机制

对于LED产业而言,科学技术-市场-政策是产业发展的关键驱动因素。早期的LED科学技术大突破,催生了LED产业。后在产业政策的支持下,相关技术不断完善,应用范围不断扩展,产品价格不断下降,拉动了市场需求和产业投资的不断增长。市场需求和产业投资的增长又反过来拉动技术的提高。三者相互作用共同促进产业发展。扩展到基于颠覆性技术发展起来的产业,徐蕾等(2010) 认为市场需求、政策干预和技术投入是推动太阳能光伏产业成长的主要因素;桂黄宝(2012)认为创新驱动、政策推动、需求拉动以及市场竞争是我国新能源汽车产业的成长动力。结合对LED产业的研究,报告认为技术-市场-政策是基于颠覆性技术发展起来的关键因素。其中技术因素包括关键技术引进、技术创新、技术标准、技术研发投入等;市场因素包括价格、应用范围、产业投资、海外并购、市场需求等;政策因素包括研发资助、财政补贴、示范工程、产业联盟等。

3.1 科学技术维度:产业技术水平和创新能力是提高产业竞争力的关键

在LED产业发展过程中,技术水平和创新能力是提高产业竞争力的关键。技术水平和创新能力的不断提高,一方面可以带来LED光效的不断提高,生产制造成本的不断下降,从而使得LED应用范围扩展和价格下降,增加市场需求;另一方面,核心技术的掌握可以增强LED企业的竞争力,避免受到其他国家的专利审查,降低技术引进支出。从我国的角度来看,由于我国早期不掌握LED核心技术,欧美照明市场提高技术壁垒,遭遇反倾销调查的问题。2008年2月20日,美国Rothschild女士对包括6家中国企业在内的全球34家公司,以专利侵权为由,向ITC提出申请,要求对这些企业进行行政制裁。2008年8月30日,我国又有6家LED企业即半导体照明企业,被控涉嫌专利侵权而将面临美国国际贸易委员会的“337调查”,这些对我国LED产业的发展产生了严重的负面影响。由于颠覆性技术的水平和创新难度要高于一般类型的技术,且需要多种学科、技术相结合,因此对于一个国家而言,要想提高基于颠覆性技术的产业的竞争力,就要重点提高自身技术水平和创新能力。

3.2 产业政策维度:合理、科学制定政策是产业发展的重要推动力

鉴于LED照明产业潜在的巨大经济和社会效益,LED产业要迈入新的发展历程,如果仅靠产业的自身滚动发展很难在短期内实现突破,必须通过国家和地方政府的政策扶持启动市场,如规划类政策(日本“21世纪照明计划”;美国国家半导体照明研究计划、欧盟“彩虹计划”、韩国“氮化镓半导体开发计划”,中国“国家半导体照明工程”),为LED产业的发展指明了方向;补贴类政策(高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法),财政补贴是我国政府为了发展LED产业采取的关键措施,对于LED产品价格下降,渗透率的提高至关重要。示范工程类(“十城万盏”),LED照明示范工程的开展,给LED企业的发展提供了良好的发展环境,对LED产品起到了极大的推广作用。基于颠覆性技术发展起来的产业,一般在发展过程中对政府依赖性较大,其发展也取决于政府政策的科学性和稳定性。因此,建立正确的激励机制,是促进掌握先进技术、工艺和管理能力的企业发展壮大,防止一窝蜂低效复制、画地为牢式发展的关键。

3.3 市场维度:价格和应用范围变化是产业颠覆的直接推动力

从LED颠覆传统照明业的路径来看,每一次价格下降和应用范围的扩展都将带来新一轮的产业增长。LED产品价格的不断下降及应用范围的扩展可以直接拉动市场需求,进而推动产业发展。2003年,随着低端白光LED封装技术的逐步普及,蓝黄混色型白光LED产品的价格迅速下滑,售价指数已经能为大多数LED应用类企业接受,LED开始应用于手机等小尺寸背光产品,直接导致LED市场规模提升至100亿,带动了LED第一波大量的需求。2009-2010年,在全球LED-TV加速应用的背景下,我国基于LED在液晶电视等大尺寸背光领域展现强大的爆发力,价格因量大而逐步下降,采用侧光式LED背光源的液晶电视与采用冷阴极管当背光源的液晶电视价差缩小,再加上侧光式LED背光的液晶电视,具有超薄屏幕及重量轻的优点,带动了LED第二波大量的需求。2011年以后我国LED产业快速发展,相关产品价格不断大幅下降,让LED照明光源的价格不再高不可攀,刺激了消费大众的购买意愿,LED照明市场不断扩大,LED产业进入第三波的高成长期。对于任何基于颠覆性技术发展起来的产业而言,只有产品价格下降至一定程度时,才能进行大范围推广。只有应用范围不断扩展,渗透率不断提高,才能逐渐实现颠覆。

4. 其他启示

通过研究LED产业的成长路径,寻求其成长过程中的影响因素和重要推动力,认识LED产业创新发展的主要经验、问题及机制,对于面临相似发展历程的颠覆性新兴产业具有借鉴意义。因此,本小节对颠覆性技术和基于颠覆性技术的新兴产业的发展提出以下几点对策建议。

4.1 重视基础研究和技术研发投入,培育颠覆性技术增长点

从历史上看,许多颠覆性技术的诞生与发展都源自基础研究和交叉学科的重要突破。为此,美国等世界科技强国始终重视对基础研究和交叉学科的投入,形成能够长期培育孵化颠覆性技术的丰厚土壤。美国国防部近年来在基础研究领域的投入每年约21亿美元,主要集中在DARPA和各军种研究实验室,研究领域中包括了许多交叉学科研究,致力挖掘和培育新的颠覆性技术增长点。在这一研究过程中,要重视产学研联合攻关,促进协同创新。促进国内外知名院校、研究机构、核心企业的紧密配合以实现联合攻关,促进各学科之间的分工合作、各专业人才团队的相互协同,有效克服单个企业创新资源有限、创新能力不足的弊端。如以色列就通过“磁铁计划”使产学研结合形成常态,鼓励实业集团与学术机构组成合作体,共同开发通用技术。

此外,加强技术研发投入是培育颠覆性技术增长点的重要手段。一是,加强对国外先进技术的引进消化吸收和再创新。具体做法包括加大消化吸收再创新的投入力度,建立推进消化吸收再创新的跨国合作机制,鼓励和引导企业与跨国公司或发达国家技术先进企业建立战略联盟关系,跨国并购整合等。统计显示,以色列科研经费的近50%源于国外,还从国外引进了大量的创新技术和创新性人才,这是以色列长期以来重视国际研发合作的成果。为了吸引国外优秀人才,以色列在1995年推出GILADI计划(即外国专家引入项目),聘请世界一流的530位外国科学家(绝大多数是犹太裔)赴以色列进行为期3年的研究工作。二是,给予资金和项目支持,加强关键技术攻关。引导和支持具有相关技术背景的大学/科研机构/龙头企业为主体,给予资金和项目支持,加强包含关键环节、关键部件、关键共性技术和重大产品的技术攻关,力争在一些关键领域有重大技术突破。同时,跟踪技术的发展动态,选择合适时机,有前瞻性地布置下一代先进技术项目,争取在新一轮技术竞争中抢先取得领先优势。

4.2 合理、科学制定政策法规,建立先进的创新机制

一是,完善需求端政策。需求端创新政策就是指通过为创新增加需求、改善促进创新吸收的条件、提高对市场需求的认知等途径,刺激市场的出现或重构新的市场。需求端创新政策的目的在于营造有利于创新的市场环境,加速实现创新扩散。历史上,各国政府通过制定供给政策来推动企业的创新发展,例如:政府R&D投入、平台建设、税收优惠、科技人员队伍建设等等。但随着对创新模式认识和创新过程中供给和需求之间反馈机制认识的深化,英国、芬兰、日本、欧盟等OECD国家,都在加强需求端创新政策的研究和应用方面做出了明确的政策规定。把政策支点由企业转变为最终用户,政策支持方式由拉动企业生产能力转变为拉动最终用户消费能力,加强对以最终用户为支点的市场拉动政策的设计。在公共领域,应扩大政府采购和示范工程的范围和力度,同时,必须完善对政府采购和示范工程的考核和评价机制。在民用消费领域,要采用用户补贴、消费者税收减免等政策工具,帮助企业逐步打开市场。

二是,加强产业标准建设。《国家标准化体系建设发展规划(2016-2020年)》指出,标准是经济活动和社会发展的技术支撑,是国家治理体系和治理能力现代化的基础性制度。推进国家标准、行业标准的建立和贯彻实施,使各企事业单位和有关机构了解产业标准体系、产品标准、检测标准、应用标准等方面的要求对于基于颠覆性技术形成的产业的发展至关重要。要坚持政府主导制定的标准与市场自主制定的标准协同发展、协调配套,强制性标准守底线、推荐性标准保基本、企业标准强质量的作用充分发挥,在技术发展快、市场创新活跃的领域培育和发展一批具有国际影响力的团体标准。要鼓励企业和社会组织制定严于国家标准、行业标准的企业标准和团体标准,将拥有自主知识产权的关键技术纳入企业标准或团体标准,促进技术创新、标准研制和产业化协调发展。

三是,设立产业联盟等行业性组织。包括国家级产业联盟、研发合作产业联盟、产业链合作产业联盟、市场合作产业联盟、技术标准产业联盟等。作为将政府、企业、高校、金融机构等各方集纳到一起的平台,产业联盟在整合创新资源等方面发挥了重要作用。在“1+1>2”的原理被日益验证的时代,成立“产业创新联盟”正成为越来越多企业抱团发展的方式,联盟这种组织形式已被企业界认可并广为采用。近年来,“国家半导体照明工程研发及产业联盟”、“中国新能源汽车产业联盟”、“人工智能产业联盟”、“智能穿戴产业联盟”相继成立,为产业链企业搭建了一个产、学、研、资协同创新的交流平台,加快了研究成果的共享与转化,为基于颠覆性技术形成的产业的发展做出了重要贡献。

4.3 充分发挥市场配置资源作用

降低价格和扩展应用范围是产业快速发展的重要推动力。降低价格和扩展应用范围一方面依赖于技术的提升以及政策的支持,任何一项技术的研发过程,随着现有技术水平的不断提升,单位研发投入所能带来的边际产出将不断下降。另一方面离不开产业资金投资。产业资金投资有助于企业扩大生产规模,从而产生规模效应,降低生产成本。在政府调控的基础上,要注意充分发挥市场配置资源的重要性,注重产业链投资的协调性,避免出现产业链某一环节投资过多,产能过剩导致的价格非正常下降。

现代科学技术从研发到应用,都有赖于科研、产业和资本的有力支撑。尤其是进入21世纪,全球商业驱动力在未来技术发展中扮演着重要角色,技术研发越来越受市场机会和需求驱动,原本针对军方的技术也能带来巨大商机。反之市场驱动下的技术创新也为军事应用提供了更多的选择。为此,西方国家在推动颠覆性技术的发展应用中,依托其比较完善市场体制,通过风险投资、种子基金、市场融资等方式,通过资本市场使各类资源要素投向前景好、回报高的颠覆性技术。谷歌、特斯拉、SpaceX等新兴科技公司的崛起,不仅在于这些公司所具有的技术研发优势,也在于美国科技与市场、与资本的紧密结合,这些公司在成长过程中获得了巨大的资源投入实现了迅速的扩张。