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半导体照明前10 年回顾和未来展望(中) 2013/2/27 11:07:08
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分类:默认分类 标签:LED技术 照明技术 专家动态 

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 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:

  2 要想赢得一场革命需要做些什么?

  在过去的两千年间,人类社会经历了许多次不是很有经验的革命,有些革命无疑取得了很大的成功,有些不能算很成功,而有些则是完全失败了。即使对一些范围很小的技术革命,其结果也是如此。究竟有哪些必要且充分的因素决定着技术革命的命运呢?

  最通常的要素是对使用者有益。这一有益之处可从其性能、价格、方便和环境等因素来加以衡量。但是,由下面的两个例子可以看到,只是有益还是不够的。革命要想取得成功至少还需两个附加的要素 [7]:(1)要有跳跃发展的市场,促进金融投资,并促进革新制造流程以使产品达到要求的性能;(2).作为被革命所攻击目标的技术必须是熟透的,或者它无力对攻击做出及时的、勉强的反应。

  汽车和半导体晶体管是两个革命成功的例子。

  汽车比马车有如下的优点:速度快,行程长,易维护,瞬间就能启用,而且污染减少(每公里的二氧化碳排放量与每哩的马粪相比)。此外,因有足够的时间建设道路、加油站和维护设施,从而使运输成降低。自Henry Ford的发明之后,汽车能够完成以前马车所能做的任务,而且做得更好、更快、更便宜、更方便。经过几百年驯化的马已经很成熟了,不可能变得更健壮,跑得更快,从而能够超过汽车,因而现在马车已经移作他用:在巴伐利亚乡间送啤酒,在伦敦参与皇室游行,在旅游热点供游客怀旧,以及在阿们宗派国家里供日常使用。

  与真空电子管相比,半导体晶体管有如下的优点:尺寸小、能耗低、寿命长、在计算机中占有的内存大等等。真空电子管在这些指标方面发展的速度几乎(但不完全)像马车自身指标发展的速度一样慢。真空电子管的体积在50年内从300ml缩小到10ml,此步幅相当于在50年内线性尺寸减小了3倍。真空电子管代表了一种成熟的技术,很少有机会再提高它们的性能。与之相反,在Moore定律初期的那段时间里,晶体管的线度每6年减小3倍,而且50年后依然维持这样的步幅。去除热阴极的高功耗(2W)、玻璃管和相应的压封、灯头,以及解决短寿命等问题之后,在晶体管发明10年后不久就注定了真空电子管死亡的命运。真空电子管棺盖上的最后一颗钉子则是晶体管的集成化:最初是在单个芯片上生成几个晶体管,然后是成千个,现在已经大于100M个。真空电子管扮演着一个无防备能力的角色,给晶体管以足够的时间来赢得竞赛的胜利;而且晶体管实际上具有无数的跳跃式的应用市场,其中绝大多数应用真空电子管是无法实现的。在晶体管20周年之际,它与真空电子管的战斗已经结束了。现今,真空电子管只是用于日常生活中的一些特殊场合,如磁控管用在微波炉中,大功率管用于AM 和 FM无线电发射机中等等。

  GaAs集成电路和场发射显示(field emission display (FED))是两个取得部分成功(或失败)的例子。

  GaAs 或与其类似的III–V化合物作为晶体管材料优于硅,就如同硅优于锗一样。由于GaAs对温度不如硅敏感,而且速度更快,所以GaAs被期望用来替代硅,就像用硅已经取代了锗一样。尽管GaAs晶体管总是处于性能的前列,但是大多数情况下3~5年后硅晶体管也可达到同样“足够”好的性能,而且价格比GaAs便宜得多。因此,GaAs经过50年和无数次的跳跃发展才最终完成它的革命;然而硅是一个很灵活的靶子,并没有被完全打败。物理学定律阻止硅在下列场合应用:以极低的噪声、极高的速度和极大的功率产生光和有效的晶体管性能,除此之外硅还是很好的材料;而在上个世纪60年代早期的认识也依然成立:“GaAs过去总是,现在总是,将来也总是半导体材料。”

  FED比有源液晶显示(LCD)屏优越之处在于它有较高的视觉质量,而且有文献证明其制造工艺简单,从而降低了成本。电视机和计算机的显示器从19世纪一开始就采用阴极射线管(CRTs),这是1个珍贵的玻璃器件。30年前,小型LCD开始进入计算机显示领域,由于体积小、功耗低,很快就在便携式计算机中占据主导地位,这是进入更大的平板显示器的重要跳板。大约在1990年,1种新的平板显示技术FED由硅谷初期的Candescent公司开发出来。Candescent公司以Hewlett-Packard (HP)公司作为它的主要投资者和最大的潜在客户。该公司的FED能够与CRT的视觉性能相匹配,胜过LCD。既然FED的制造技术是建成在LCD更为成熟的生产工艺流程之上,HP坚持要求Candescent引进一家领先的LCD制造商作为合伙者。这一精明的要求是基于FED缺少能够保证这一技术得以逐渐发展的跳跃式发展的市场。在快速成长的笔记本电脑市场,FED从一开始毫无疑问就遇到与LCD的价格竞争。Candescent第1个 FED工厂规模很小:现今第9代LCD生产设备和工厂设计在1999年时耗费约10~15亿美元,没有哪家领先的LCD制造商愿意为FED这一技术风险签约,而且这一技术将和他们已花费巨大投资的LCD直接竞争。没有顶级制造LCD合作者的工艺流程的诀窍,任何被迫单干的方式注定要失败,2000年左右HP退出经营,Candescent成为硅谷历史上投资耗费最大的失败者。尽管FED在技术上不成问题,但预期的这场显示技术革命还是未能成功,而且大约6~7亿美金的投资化为灰烬,作为美好的10年时光和艰苦努力的剩余价值,最后只是将二手设备和一堆最可能有用的专利拍卖掉。这场革命失败的根本原因是FED缺少跳跃式发展的市场,而LCD技术又十分灵活。

  现在我们转过头来研究照明。在白皮书[1]中所作的提议概述了针对根深蒂固、强大的传统照明产业的一场革命,传统照明的产品包括白炽灯以及它的衍生品卤钨灯、荧光灯和高强度放电(HID)灯。在构想这一提议时,遇到大量的困难问题。SSL能够满足或超过根深蒂固的传统照明所设定的性能和价格的要求吗?在满足要求的过程中根深蒂固的传统照明将如何灵活表现呢?我们是否有时间和跳板去筹集资金进行SSL的基础建设以达到与传统照明竞争的水平?抑或在SSL起飞之前就被镇压掉了。1999年时我们只有白色灯的雏形,光通量只有10lm;除了有希望之外,其他什么也没有。是否这是构成了1个虚假的幻想,或是在修建1个核心的基础呢?SSL将成为像硅晶体管一样的成功案例,或者如GaAs 那样仅仅是部分成功?我们当时对SSL打败白炽灯和卤钨灯有信心,因为它们的能量转换效率都很低。但是对余下的技术,尤其是荧光灯将面临的更大的挑战,要战胜这些技术,SSL的光效必须达到150~200lm/W,零售价低于$5 /klm。为实现这些指标,需要在接下去的10年中投资数十亿美元用于研发和形成生产能力。

  照明业界的领导、能源经济学家、大学的研究人员和政府的投资机构都十分清楚,传统光源技术有1个致命弱点:白炽灯将电转换成可见光的效率只有5%,荧光灯也仅28%。这样低的效率似乎为光源效率的提高留下了很大的空间。然而,EPRI1995年对该产业所作的广泛研究[5]得出这样的结论:在可以预见的未来,没有哪一种传统光源技术的转换效率能有重大的飞跃。这给了人们1个启示:就如同马车和真空电子管一样,传统光源技术也是一个容易被攻破的目标。

  1999年时,红光LED的光效有了引人注目的改进,LED和激光LED在红外和光谱的红色区域的转换效率已经达到50%~60%。假如SSL能够在整个可见光区达到这样的性能,那么具有大于50%转换效率的光源看来是有可能实现的。光源的光效增加1倍或两倍将使照明的能耗减少50%~75%;这样,仅在美国就可少发电30~45GW。1999年这一认识在全世界引起了共鸣!

  但是实际上,更高的效率仅仅是照明革命成功所需的判据之一,只有它还是不够的。让我们来看看革命成功需要的其他的一些性能要求和投资准则。如果没有能被接受的价格和光的质量,即使最有效的光源也找不到买主。SSL光源的价格必须足够低,以使用户在合理的使用期内通过节能来补偿其与传统光源的价差。光的质量必须满足现今通常采用的光色标准,而且光色在光源额定的寿命期内保持稳定。SSL光源的寿命必须满足或超过最好的传统光源。这些条件代表了成功所需要的另外一些附加的必要条件,然而还是不够充分的。我们还需要由跳跃式市场机会和坚定的投资者所建立起来的R&D资源。

  在已经满足所有的这些判据之后,仍然留下了一个简单的问题:有无可能已经确定了霸主地位的传统照明业界会将处于襁褓之中的SSL技术压垮呢?这个问题只能婉转地加以回答。SSL可以有两条出路:SSL可以说服传统照明业界,使其相信加入这一革命行列才是它们自身最大的利益所在;或者SSL业界必须有足够的资本以建立自身的基础设施和市场渠道等,最后摧毁传统照明。第一条路取决于SSL的品质;另一条路则要求SSL能成功地获得资源去单干。迄今为止,SSL业界已经能够挥舞获胜的双手了。它开发了一系列单色和白光的跳跃式的应用领域,在交通信号灯、汽车尾灯和装饰景观照明等方面与传统照明的战斗中均获得胜利。2010年前后,遭受像FED那样失败命运的威胁已经一去不复返,传统照明业界已经决定加入这场革命。剩下的唯一问题是:SSL将像晶体管取代电子管那样取得完全的成功;还是仅仅取得部分成功,传统照明仍然占据实质性的市场份额,而并没有被送进博物馆?

  在下面的4个小节中,将对光效、价格、光的品质和生成足够的R&D资源等方面进行详细考察。我们还将指明重要的跳板,以及在对这个相当大的、并且具有风险的投资建立信心方面的心理因素。根据我们在2010年的洞察,可以说这些所需的判据已经或将在这个10年的末期得到满足。通过这些考察,再结合第3节中将要讨论的对未来的展望,给了我们信心:SSL已经具备了满足这些必要而充分判据的力量,将如同晶体管革命那样去赢得这场照明革命的胜利!

  2.1 光效的改善:对荧光粉转换型LED灯的重新认识

  1999年时商用的白光LED灯都是通过采用蓝光LED激发荧光粉来实现的。这些灯的光通量低于3 lm/lamp;光呈蓝白色,且光色一致性差;另外在不同的方向上光色有很大的差异。采用红、绿、蓝LED混光来制成白光LED灯在当时只是工程雏形,或者是早期试制的器件,主要是作为传播媒介用来显示采用SSL可以实现很大的颜色区域。根据参考文献[1]的图2的光效,1999年时混色方法制成的RGB灯的光通量为20 lm,但是这样的RGB灯并不满足我们作为商品的定义,所以不能作为参考文献[1]的图4中的数据点。

  尽管如此,通常还是认为采用混色的方法来做白光灯要比采用荧光粉的方法好。这是因为采用荧光粉的方法时,由于将蓝光转换成更长的波长时的Stokes位移,会产生20%~25%的能量损失。实际上我们认为在当时对于在3~100lm/lamp范围的这类小光通量的应用而言,Stokes位移造成的这点能量损失是可以容忍的。对于这类应用,一个蓝光激发的封装就足够了,而RGB多芯片及其封装的成本则太高了。但是对于大于100 lm/lamp的应用,我们觉得需要采用多芯片封装,因为我们认为Stokes损失可能有很大影响。

  然而迄今为止事实证明我们错了:荧光粉转换型的白光LED灯(译注:以下简称PC-LED灯)持续占据着统治地位,被认为是比混光方式更好的产生白光LED灯的方法。对此至少有下面5方面的理由:

  首先,在可见区效率的改进是不平衡的。比较参考文献[1]的图5的数据,自1999年以来,在85℃时,激发荧光粉用的蓝光LED的效率提高了5倍,而红光、黄光和绿光LED的效率只提高了2~3倍。

  其次,大功率封装的发展速度比预想的更快,技术更有用,采用单颗LED灯可以很容易地获得1klm的光。尤其是采用2×2mm2的芯片的冷白光PC-LED灯可以工作于10W,光效达100lm/W,产生1klm的光通量,寿命50 000h。如果寿命只要3 000h,该灯可以工作于25W,产生2klm的光。事实上,将4个3×3平方毫米的芯片紧贴着封装在一起,可以将输入功率增加到100W,产生6klm的光,而且寿命还可达到50 000h。根据后面将要讨论的光效的改善,这一技术可以很容易地扩展到需要20klm和3 000h的照明应用。

  再则,我们认识到白光LED灯颜色稳定是很重要的。人的视觉系统对于白光的色品正确与否是极其敏感的。对将4~6种单色LED进行混光所获得的白光LED灯,要想使其光色不随温度而变,就需要考虑这4~6种单色LED对温度不同的依赖关系。这样就要求有4~6个独立可控的反馈回路和驱动电路。激发用的蓝光LED和转换的荧光粉远不像红光和黄光LED那样对温度敏感。此外,蓝光LED和所用的荧光粉在100℃以上的高温下可以很好地工作。这些特性使得我们可以设计出这样的PC-LED白光灯,即使对大范围高容量的应用,在允许的温度范围内光色和光输出能维持稳定。原来的作者对这些照明要求的理解不够,因此造成失察。

  还有,传统照明技术并不需要协调色调,因而对于这些性能没有强烈的迫切要求。固态照明的供应商依然在为光通量、价格和光的质量等要求而奋斗;使用者通常则是关注于“最适当的、足够好的白光”的解决方案。

  最后,覆盖绿-红波长范围的优质荧光粉已经开发成功,它们的内量子效率极高,而且具有很好的热和环境稳定性。这些荧光粉中的某些粉价格还是不便宜的,部分原因是要付营业许可费用,部分原因是由于分期偿还开发费用。然而,与荧光灯和紧凑型荧光灯相比,PC-LED所用的粉量是非常少的。因此如果考虑到其他技术的费用的话,荧光粉在SSL灯的全部成本中所占的比例或许可以忽略不计。

  现今PC-LED已经普遍使用,而混色白光LED则被用于要求实时色品调节的特殊市场。而且在今后的一段时间也会是如此。不过我们必须强调,对更长远将来的情形目前尚不清楚。现今的混色白光LED的缺点之一是反馈回路复杂且价格高;然而如果色品数字控制成为灯一个重要性能要求的话,采用混色的方式反倒有优势了。此外,尽管现在反馈回路的实现代价太高,但是将来或许并非如此。由于$/lm持续下降,当降到某一程度时与运转费用相比灯的价格已经不重要了。那时照明业界将希望灯能增加一些新的性能,从而由灯的身上获得更多的利润。色品控制可能就是一个这样的性能(见2.3节)。

  2.2 价格降低:非照明应用在开路

  早期冷白光LED灯每流明的价格在图1红光LED趋势线上方,是红光LED价格的2~3倍。价格这样贵是不奇怪的。在2000~2006年期间,白光灯首先遇到市场对其光色质量的要求:控制,稳定性和显色性。相关的测试使产量受到影响,从而增加了成本。然而在最近3年,每流明的价格已经降低,并向下穿过了红光LED趋势线。考虑到红光LED的价格由于汽车市场的大量需求已在下降,所以白光LED价格的如此快的下降是很引人注目的。那么白光LED是怎么在这样短的时间内在$/lm指标上赶上红光LED的呢?

  在白皮书[1]中,我们概述了早期的白光LED灯和已经根深蒂固的传统灯泡之间的价格差距;白光LED灯要想取得成功,就必须在20年内能够跟上红光LED的$/lm趋势线。只有如此,

  在对价格敏感的消费市场中白光LED灯低能耗的优势才能弥补它与传统灯泡之间的价格差距的不足。要达此目标,LED业界需要对各种色光都有一系列大批量的功率型LED的应用,以为扩大的LED制造基础设施形成阶跃式发展的市场。实际上在白皮书中我们已经指出,这样的非照明应用的阶跃式市场在促使以前LED价格下降上扮演了很重要的角色。就像我们在这一节的后面将要讨论的那样,随后的非照明应用的阶跃式市场还是很重要的,继续为扩大高亮度LED的制造基础设施和降低$/lm值发挥重要作用。

  1999年之前早期的阶跃式市场在白皮书中已有记述。1968年第1个阶跃式市场是文字和数字显示以及指示灯,其后是光藕合器、光编码器、光纤收发器、血氧监视器和大屏幕显示器。大约在1994年,HP和Philips照明的联合项目开始探索LED在照明应用方面的潜能;1996年两个公司成立了合资公司Lumileds;1999年时LED用于照明的新的机遇已经被广泛认识到,HP/Lumileds和Sandia国家实验室(SNL)的研究团队开始定量评估从传统照明转换到以LED为基础的固态照明时的节能潜力。

  从1999年到现在另一个新的阶跃式市场又打开了大门。新安装的交通信号灯已经都采用LED,原有的交通信号灯也在很快地被更换。汽车市场正在完全将传统的灯泡换成LED灯,包括汽车前照灯。LED已被用于大部分的室外显示和广告市场。最近几年已经看到LED被用于街道和建筑照明,这是在商业照明领域的首次应用。最先采用LED灯的消费照明产品有便携式的手电筒和照相机闪光灯等。

  2010年性能指数$/lm值最低的白光LED是销往LCD背光市场的中功率灯。批量销售的100 lm灯的售价是$0.5,这就是图1中曲线上的$0.005/lm数据点。光通量为1klm的灯OEM批量的售价是上述值的两倍。与60W白炽灯光通量相当的LED灯的零售价的中间值约为$0.05/lm,它带灯头、驱动电路和散热器,能直接代替白炽灯使用。额定输出900 lm的便携式的手电筒的零售价为$70~$100。可见,要想与1klm的紧凑型荧光灯竞争去取代白炽灯,LED灯的价格依然存在高10倍的问题。尽管如此,LCD的背光市场正在迅速扩大,这似乎预示着通用照明所需要的价格下降将极有可能实现。

  2.3 光的质量:那是什么?

  1999年撰写白皮书[1]的4位半导体物理学家知道在LED能够接管照明世界之前必须要攻克的那些纯粹的技术问题。如同前面所讨论过的,它们是:光效、klm光通量的封装技术,而尤为重要的是价格。这三者是相互依存的,其中有一项不能满足就等同于失败。

  我们也意识到其他的一些问题,诸如显色性、光色控制、光输出的稳定性以及工作寿命。

  我们知道LED的工作寿命比现存的任何灯泡都要长得多,所以不必顾虑这个问题。采用我们首选的产生白光的方法,即通过有效的反馈回路来控制4~6种等间隔的单色LED进行混光,被期望能够解决三色平衡的问题。在能够生成10M晶体管的硅芯片和kW级控制器的年代,6通道的反馈控制回路看起来只是个小困难问题。

  但是在2.1节中讨论的问题却打乱了我们光色控制的谋略。当时产业界还没有如期望的那样能够解决黄-绿光光效的缺陷;采用蓝光LED芯片激发荧光粉成了生成白光的主流。控制光色的竞赛从软件方案变为令人头痛的硬件问题。现在LED的制造厂商必须要选择窄的激发波长,使其与特别的荧光粉的混合体相匹配,以获得所要求的光色。工艺流程不可避免的小变化限制了试验的产额,使得产品的成本显著增加。此外,环境温度和驱动电流的变化也会使光色产生明显的偏移。所幸的是,氮化物系统具有一些在LED历史上从未见过的独特性质。无论是用于激发的氮化物LED的蓝光还是转换光色用的荧光粉对于温度的变化都不敏感,从而使得用它们生产出的白光灯产品的光色得到“足够好”的控制,对于大范围的市场需求而言其价格也能够被接受#4,#5。

  改善光效和光色控制依然是业界的热点问题。近期的进展是很大的鼓舞,使我们有信心相信:蓝光激发荧光粉生产的白光灯,在接下去的10年中将能满足通用照明市场对光色控制的严格要求,并且达到期望的价格目标。

  2.4 促进发展:研发资金来源

  1999年全球LED市场总量达21亿美元,市场的主体是小信号指示和7段显示。其中包括第1代功率型信号器件4亿美元的份额,这些器件大部分被用于汽车高位刹车灯和交通信号灯。以美国为基地的公司所占有的市场份额约为15%~20%。我们估计2000年美国用于研发的资金总计约为6 000~8 000万美元,资金来源于美国工业界、政府和大学,其中工业界的投入接近其收益的20%。在技术竞争和节能潜能的背景之下,这一适度的研发资源毫无疑问是应该的。

  第1个(保守的)行动方案是建立在这样的基础上:1999年已有的小规模的LED产业自我融资来进行研发。我们预测LED灯的光效将从2000年的10lm/W逐渐增加到2010年的50lm/W,然后趋于平稳。这样的水平将可以对传统的白炽灯和卤钨灯的市场发起攻击,但是尚不能与荧光灯和其他高光效灯的技术相竞争。但这个有限的市场仍然有吸引力,因为它占到照明用电的40%左右。虽然这第1个方案基本上只能摘取“果树”上挂得较低的“果实”,但能激发我们更大的欲望。

  第2个(加快的)行动方案是基于非常大规模的研发投资。在我们确信节能的潜力之后,我们仔细思考了两个问题:我们可将SSL的光效提到多高?怎样做才能加快这一进程?这第2个方案需要一次信任的飞跃:假定我们最终能够在任何可见光波长上实现50%的光电转换效率(那时只有在深红色和红外区域获得这样的效率)。在此假定的基础上我们将能够使光效接近200lm/ W,我们很明确地知道:这是能够对具有130年历史的照明产业实行革命的目标值。如果采取美国LED产业界自身能集合的中等的研发投资,看来很难实现这么艰巨的任务。再者,尽管节能的潜力看来很巨大,但是从节能获益的是消费者,而不是SSL产业界;因而我们需要有国家的研究规划。结果,我们建议美国政府为SSL研究设定10年5亿美元的投资规划,其研究目标是白光的光效达到150~200lm/W。

  此后不久,新墨西哥州民主党参议员JeffBingaman在2001年7月以2060号参议员提案提出了“新一代照明议案”。它成为节能综合安排的一部分,于2003年获得国会批准。然而由于网络经济衰退尚未结束,而且次贷泡沫逐步显现,所以延迟了拨款,到期只拨付了2亿美元[8]。而且,出乎白皮书作者原来的考虑,研究OLED的公司成功地将OLED也掺加到议案之中(尽管当时这一不同的技术的光效很低且寿命很短),使得半导体LED的研究经费减少了一半。

  与国会正考虑支持SSL研究的同时,世界上其余的地方也很快认识到这一重要新技术的潜力。在诸如韩国、中国、日本和台湾等国家及地区,积极支持SSL研发的政府将白皮书变成了他们的蓝图。甚至像英国和法国等国,他们在上世纪60年代曾经对化合物半导体技术作出过重大贡献,但是错过了光电子产业的机会,现在又回来为大学和国家实验室以及与SSL相关领域的新兴公司提供强大的研究支持。

  但迄今为止对全球投资动力最大的诱因还是来源于这个罕见的产业革命的机会,该产业仅就灯泡1年就能为国家产生150亿美元的收益。以前的50年,发展中的半导体技术向人们演示了如何去打败具有50年历史的真空电子管。现在,强有力的半导体产业界的1个分支——很小的化合物半导体产业界,看准了另外一个机会去击败爱迪生130年前发明的白炽灯,以及由它派生出的其他灯泡。白皮书在参考文献[1]的表C3中指示了1条清晰的路径:将光源市场扩大到高于150亿美元的更大规模,市场的增长带来能源价格的大幅降低。这一认知并不直接为研发提供资金,但是它在全球范围内解开了钱袋口上的绳子,使钱跑出董事会的房间成为政府机构的风险资本。白皮书成为许多投资决策者的蓝图,尤其是在亚洲。

在过去的10年间研发的花费是以何种方式发展的呢?对2000年,我们估计美国工业界、大学和国家实验室所花费的研发经费为6 000~8 000万美元[1]。回顾全球,我们估计2000年的研发经费为2.0~2.5亿美元。其后,高亮度(HB)LED市场年增长率约为18%,从12亿美元增加到2009年的53亿美元[9]。而非高亮度LED市场或许从1999年的10亿美元水平有些下降,导致总的LED市场2009年时约60亿美元,2010年时约75亿美元,其中20%是来自以美国为基地的公司。Cree公司最新的资料表明,因2009年经济衰退,其收益为5.67亿美元,用于研发的投资为7 100万美元。现在,高亮度LED市场的动力[9]应该使Cree公司2010年的收益大于7亿美元,研发投入约为1亿美元。加上规模相当的Philips-Lumileds公司和几个小的新创办的公司以及大学的研究投入,2010年美国研发投资达到2.5~3.0亿美元。这一投资量是我们  对2010年保守行动方案[1]中预测的1.3~1.5亿美元的两倍。全球的研发投资比较难估算,但可能也是同样的趋势。

  在经受两场全球经济衰退之时,是什么原因促使对LED研发持续高水平的投入呢?有6点分别的考虑影响着投资决策者的决心:(1)在参考文献[1]中所概述由非照明跳板激活的持续高市场增长率的潜能;(2) 全球增强的对减少碳排放的关注,以及创造照明对这一减少产生重大贡献的机会;(3)政府在“绿色”技术方面研发投资的鼓励;(4)认识到这一创新技术

  可能会引发照明革命,为市场开拓和发展提供机遇;(5)提高销售高附加值产品替换传统灯泡的能力,通过大幅度减少运转成本使得用户仍然获得收益;(6)害怕没有足够强有力的投资就会坐失良机。正是由于这诸多因素的集合,即使在经济不景气的这10年中还是有资金不断投入,其结果对他们是不言而喻的。

所有上述论据的共性在参考文献[1]中都可以找到。白皮书为照明革命提供了一个有充分根据的理论说明,概述了其战略学,而将战术手段留给了市场。在下一节中,我们将讨论直到我们写成这篇文章之前所作的预测的精确程度。

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  注#3. 如果照明要求对光的配置进行时间和空间上的控制,以更容易实现这样的控制,人们就会觉得没必要采用光通量非常大的灯了。

  注#4:按照白皮书中首选的混色途径,可以从广泛分布的LED产品中挑选出46种单色LED组合起来进行混光。通过有效的反馈回路控制,可以修正由于环境温度变化引起的光色的偏移,维持光输出在寿命期内的稳定等。如果数字调色成为市场的需要,那么可能就需要采用这种控制光色的方法(2.3)

#5:在需要有限或广泛变色的照明市场,混色的方案将扮演重要的角色。其市场占有率依赖于红、黄和绿色LED光效提高的进程,还与反馈回路设计的满意程度有关。现今电源变换器和驱动电路的价格已经与基本的LED批量的价格相仿。即使电源变换器能为所有单色的LED所共享,46个独立的驱动器目前也将是一个重大的价格障碍。

  说明:  

译文刊载于《中国照明电器》2012 年第12 期和2013 年第


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