白光LED市场分析
自从爱迪生发明灯泡以来,全球人类都享受着照明产品,不过随着环保意识高涨,传统照明设备的高耗电性和废弃物污染的问题,已引起各先进国家的注意,大量的金钱与人力物力研发新的环保光源。而有“绿色照明光源”之称的白光LED,由于具有低耗电、废弃物可回收的优点,已成为各先进国家积极发展的方向,十年甚至可能全面取代现有的灯炮照明产品。
发光二极管(Light Emitting Diode;LED),第一项产品是出现在1968年,由美国HP(新惠普前身)首先以磷砷化镓(GaAsP)为材质所制成的黄光LED,产品主要应用于手表及计算器上。LED为半导体发光组件,是利用半导体电子与电洞结合释能发光,与一般白炽灯泡利用加热发光不同,属于冷光,具有耗电量小,寿命长,反映快,体积小,耐天候等优点。
白光LED的特色
此外,LED主要分为可见光与不可见光,其中可见光LED产品包括红、黄及橘光等,应用面主要为背光源、汽车用等,而不可见光LED包括IrDA、VCSEL及LD等,应用面以通讯为主。而其中白光LED即是最被看好的LED新兴产品,由于白光LED与钨丝灯泡及日光灯相比,具有体积小(多颗、多种组合)、发热量低(没有热幅射)、耗电量小(低电压、低电流起动)、寿命长(1万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收,没有污染)等优点,因此早已被业界看好在未来十年内,将全面取代现有的照明产品,成为新式照明器具。
白光LED与现今照明器具比较
白光LED的技术概况
目前发出白光的方式主要可分成两种,一种是单晶型,这种方式与日光灯的发光方式一样,就是把蓝光加上黄色萤光粉或紫外光LED加上RGB三波长萤光粉来产生白光。另一种是多晶型,即利用互补的2色或把3原色做混光而形成白光。若采用多晶型的方式,基于不同LED的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同,因此造成用此方法会有很多要控制的因素,也使得所产生的成本亦较高;若采用单晶型,则只要用一种元素即可,而且在驱动回路上的设计会较为容易,因此,可以发现目前多数厂商较倾向往单晶型的方式来做研发的方向。
目前各厂商主要都先从蓝光LED开始研发及量产,有了蓝光的技术之后再开始研发白光LED,然而目前最常用蓝光加上黄色萤光粉来产生白光,但是用蓝光LED来发白光的发光效率仍然不足,因此另外一个方向就是往紫外光LED来发展,利用紫外光加RGB三波长萤光粉来达到白光的效果,其发光效率比蓝光好上许多,研究显示若发光波长能到254nm,则可以不加萤光粉也能自发白光。
至于紫外光LED以美国Cree所做的紫外光LED技术层级最高,已达21 lm/W(目前市售蓝光LED约为4 lm/W)。
目前全球白光LED的主要厂商一是日亚化学(Nichia),该公司即是利用上述多晶型式,以460nm波长的蓝光晶粒涂上一层YAG萤光物质,利用蓝光LED照射此一萤光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光,再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合,便可得出所需的白光。
另外,丰田合成(Toyoda Gosei)与东芝所共同开发的白光LED,则是采用紫外光LED与萤光体组合的方式,与一般蓝光LED与萤光体组合的方式做区隔。因为,蓝光LED与萤光体的组合方式,当照在红色物体的时候,其红色的色泽效果比较不理想。紫外光LED与萤光体组合可以弥补这个缺点,但是,其发光效率却仍低于蓝光LED与萤光体组合的方式。不过在未来较被看好也是这种三波长光,此外有机单层三波长型白光LED也有成本低、制作容易的优点。
至于日本住友电工则开发出以ZnSe为材料的白光LED,但发光效率与上述二者相较下,发光效率较差。
白光LED的应用与市场规模
自1990年代陆续开发出磷化铝镓铟 (A1GaInP) 与氮化镓 (GaN)等二种材料后,长期以来,可见光LED发展趋势主要以高亮度化、全彩化及白光技术为主,虽然相关技术专利多由日本大厂掌握,不过由于其应用层面相当广泛,且深具市场规模,因此在各国纷纷投入后,已有突破垄断。至于其主要应用层面如下:
汽车方面
汽车室内照明的应用是LED致力发展的重点之一,目前已使用在仪表板背光源、开关指示灯、功能指示灯及第三煞车灯等辅助光源,并扩大用途至门灯、阅读灯、照明灯、方向灯、尾灯等开发。此外,公车为另一个新应用市场,使用的灯具有标示灯、煞车灯、转弯灯、尾灯等,由于LED 具有使用寿命长、维护成本低及节省电力的优势下,高功率、高亮度LED 于汽车市场的应用应有相当大的发展空间。
显示看板
可见光 LED 在大型看板方面的显示功能较其它显示技术效果佳,并具有耗电量低、寿命长、视角广、高精细、薄型化、施工容易等优势,且随着蓝光、纯绿光等高亮度 LED 相继开发量产成功,配合既有高亮度红光 LED,可制作全彩显示看板,可广泛应用于公共场所的大型看板及室内各种显示看板等。
交通号志
由于LED 较白热灯具有节约能源价值,且因多集结为一个号灯,不似单一灯泡故障后功能全无而影响交通安全,因此在交通号志灯上的使用渐趋普遍,在欧美地区推展 LED 交通号志灯已十余年。由于交通号志需面对严苛的户外气候条件,LED 具有省电、寿命长、维修频率大为减少等优点,取代传统灯泡应用交通号志应是未来趋势。
照明应用
白光LED具有发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、体积小可平面封装等优点,而就发光效率约301m/W来看,已超过传统灯泡 (效率 151m/W),而距萤光灯管 (效率 801m/W) 尚有一段差距,再加上照明设备发展已超过百年,其价格早已相当普遍化,因此相关厂商大量投入技术研发。
根据照明器材业者观察,若白光LED以亮度1 lm每颗单价为基础,当降到40日圆时,将进入一般家庭的户外照明;当降到20日圆时,可望进入家庭室内玄关、走廊的灯具市场;当降到10日圆时,将会出现白光LED全面替换日光灯管的效应。若从发光效率来看,白光LED一旦跨过60lm/W(相当于20W日光灯管)的门槛之后,白光LED照明灯具便会开始迅速普及化。未来3~4年若技术突破至80lm/W,再加上单价持续下降趋势推断,自2006~2007年起,白光照明将渐渐普及至一般家庭的各种照明灯具,未来若能将成本降至0.01美元/lm,预计将可完全取代现有照明市场。
此外,在面板光源部分,传统的CCFL所占空间较大、重量较重,而且需要有变流器(Inverter)的装置,不合乎行动产品的需要,因此,LED即成为目前手机光源的唯一选择。早期于手机面板所使用的LED型态以黄绿光LED为主,直到1999年底日本NTT DoCoMo推出I-Mode彩色屏幕手机,才开启白光LED于手机应用,加上未来行动通讯产品全彩化后,所使用的显示面板将是Color-STN或TFT-LCD的天下,在亮度、色度的搭配上,更是非白光LED莫属,因此彩色手机市场成长带动白光LED市场需求已然确定。
目前大多数移动电话外产品所采用的LED灯数约在2~4个,全彩手机在彩色面板、按键上更需要用到6-8颗白光LED,以全球手机市场规模约为4亿支,若未来50%采用彩色化估算,将有近15亿颗市场。以目前全球白光LED生产规模来看仍严重供不应求,未来仍有宽广的成长空间。
除移动电话外外,PDA则将是白光LED另一个发展区域,虽然白光LED在耗电方面的数值仍高于CCFL,但考虑轻薄、短小趋势后,白光LED光源后势仍较看好,故SONY等公司已在其产品采用白光LED为背光源,类似PDA规模的产品应用也会陆续出现。
此外,近年大幅成长的数字相机部分,由于白光LED已开始采用于手机附数字相机的闪光灯,今年手机附数字相机比重约15%,明年则预计将提升至20%,如以闪光灯约需三至四颗估,则一年需求量约2.7至3.6亿颗。
白光LCD市场概况
据总计,白光LCD在2001年的使用量,约为2亿个,2002年估计有62亿个的使用量,2003年则大幅提升到12亿个。而产值部分,根据Strategies Un-limited的统计,日本大型车灯厂小系 (Kohido)估算,到2008年所有的新车都会以LED作为车灯,每辆车约1万元的产值,因此新车市场即有新台币1,750亿元的商机。
若是照明市场方面,根据Frost & Sullivan的预估,2000年白炽灯泡及日光灯的全球市场规模约为43亿美元,每年成长率约为5%,是2000年全球可见光LED市场规模的2.5倍左右,照明市场的发展空间颇大。再根据Reed Electronics Research统计,99年全球白光LED市场有8800万美元的市场,2000年则已成长至1.18亿美元的规模,至2003年皆会保持40%左右的成长速度,并可达到2.7亿美元的市场规模,预估2005年市场规模将成长至3.95 亿美元,且年平均复合成长率达39.6%,显见此一照明市场具有相大的成长空间。
此外,富士总研亦统计指出,2001年全球白光LED生产个数达247,000千个,产值达154百万美元,2002产量年成长率则达到55.5%,产值年成长率则为52.6%。依应用产品别加以区分,则高达94.7%是应用于移动电话外市场。而从今年开始,全球白光LED亦会有显著成长,从去年的190亿日圆增加到今年的254亿日圆,2004年则会成长到350亿日圆,2005年达到480亿日圆。平均单价则是呈现缓慢下滑,从去年的79日圆,到2005年下降到68日圆,约为蓝光LED价格的2倍。
白光LED进入战国时代
目前白光LED的关键技术仍源自于蓝光LED技术,专利权过去掌握在日亚化等少数厂商手中,日亚化学(Nichia)的专利独家垄断,让白光LED的价格与供应完全由他支配,导致精于量产的业者切入困难。
日亚化学工业在1993年时成功地开发出蓝光LED,其所拥有之相关专利超过100件以上,日亚化学为完全垄断蓝光LED市场,运用坚守专利的策略,拒绝将该专利授权给其它任何的厂商,设下切入市场的障碍,初期便相当顺利的垄断蓝光LED市场。
直到1998年丰田合成(Toyoda Gosei)的氮化物(Nitride)高亮度LED产品在市场上推出,日亚向东京地方法院提起诉讼,指控丰田合成侵害其蓝光LED专利,1999年,日亚再度控告美国的知名蓝光LED大厂Cree侵害其产品专利,但最后则是败诉收场,才使得其它的竞争者有机会可以进入蓝光LED的市场,进而切入白光LCD的开发。
LED产业现况及厂商投入概况
LED的产业炼亦可区分成上中下游三大区域,LED上游磊芯片制作,是将一层或多层单晶层成长于单晶基板(Substrate)上,透过化合作用(主流技术包含LPE、VPE及目前最为先进且重要的MOCVD技术),形成含有多种化学元素累积的芯片,长晶形成磊芯片。
中游则是将磊芯片进行金属蒸镀后,制作出LED两端的金属电极,之后在磊芯片上进行光罩蚀刻及热处理,接着将基板磨薄、拋光后,再切割崩裂成单颗的LED晶粒。
下游技术层次较低,为封装晶粒,制成各式LED成品,如指示灯、数字显示器、点矩阵显示器、红外线发射器等产品。
虽然早期的白光LED受制于日亚化学在蓝光的专利屏障,进展并不顺利。不过各国在材料以及制程技术的研发仍积极研发投产上,其中仍是以美、日大厂较为积极,因此未来5~10年美、日仍是白光LED的领导者。
为了规避日亚化学的专利,各国厂商多往三波长紫外光加上萤光粉发出白光之技术发展,而紫外光LED以美国Cree技术层级最高,其发光效率已达21 lm/W(为市售蓝光LED约的4-5倍)。若以紫外光专利数来看,目前研究紫外光LED专利数目最多的是日本,以Toyoda Gosel和Nichia发展的最积极,紫外光LED的专利数分别为15件及11件,在白光亮度领先的机会最大。
相对于美日两地,韩国厂商相对也有产能扩充计划。其中LG Innotek的蓝光生产线由01年的150颗/月扩增至2002年的450万颗/月;Seoul Semiconductor,则于去年下半年启用蓝光LED生产线,营收比重将由10%提升至80%;光电子预计自5月起将蓝光生产线倍增至600万个/月。
至于台湾业者部分,由于蓝光LED去年的流行,目前台湾投入GaN蓝绿光磊晶生产的厂商共有17家,其中以上市柜的国联、晶电、和灿圆规模较大,根据统计,至2002年底台湾厂商光晶粒的量产高居全球第二位,仅次于日本,因此成为2002年蓝光LED热潮下的主要受惠者。
根据光电协进会统计,至去年年底,台湾MOCVD机台密度最高的地区,其中四元机台有77台、氮化物机台88台、LD和HBT机台50台,若以氮化物机台推估,台湾蓝绿光LED的全产月产能4至5亿颗,但去年的产出只有2.1亿颗,虽然较去年初的1亿颗有相当大的成长,但仍显示出蓝绿光LED的生产良率仍低。
但蓝光LED的降价幅度仍是今年重要的议题,相对白光LED目前仍有一颗新台币10元的高价,去年用在手机的蓝光LED平均售价仍在新台币3元到3.5元,但目前已跌破3元,由于今年蓝光LED用在手机的背光源会从去年的20%提高到80%,因此蓝光LED的需求仍会持续成长。
目前台湾在可见光LED部份全球总产值市占率约二成,根据光电协进会统计,台湾LED下游封装产值受到蓝光手机热卖影响,在2002年达到新台币 231.7亿元,年成长率高达33.8 %,同时台湾蓝光LED晶粒月产量也达到2亿1,000万颗,占全球26%市场,仅次于日本的 41%,位居世界第二位,已在全球传统LED市场上占有极重要的地位,在面对高亮度蓝、白光LED庞大的市场潜力,厂商态度更是积极。过去由于日亚化工对InGaN系LED技术授权障碍,导致业者即使具备量产高亮度蓝、白光LED的能力,仍得避开日本市场。
不过日亚化学在白光LED的晶粒、萤光粉比例、制程等方面专利,经过近年来与各国厂商的多次诉讼以及相对不利于日亚的判决后,近几年技术已逐渐突破,早期业者投入此领域的努力终于有成果,如上游的国联、晶元;中下游的光宝、华上、李洲、宏齐等都陆续量产蓝白光产品。
白光LED主要是以蓝光LED加上萤光粉制造而成,萤光粉的专利掌握在美国的Gelcore,欧洲的Osram、和日本的日亚化学(Nichia),这种铁三角的局面将因Osram的授权而打破。目前白光LED大厂亿光是台湾第一家可以合法供应白光LED的厂商,其取得授权的进度最快,因此将成为白光LED的最大受惠者。
此外,由博达科技与日本住友合资的博友光电开发出ZnSe白光LE-D,已在6月量产,9月出货,月产能360万颗,成为全球第一颗发白光的LED晶粒。博友规划初期的产能规划是今年底前达到360万颗,明年上半年则可达到1,000万颗。
此外,另一大厂宏齐自9月开始将大量替OSRAM代工白光LED,且RGB混成的白光LED主要作为数字相机的闪光灯和中大型LCD背光源,藉以区隔蓝光LED加上莹光粉混成白光LED的市场,目前出货量已出现明显成长。至于东贝白光LED也开始小量出货,其出货量可以从目前每月200万颗,到明年8月做到2000万颗。
信息来源:半导体照明网