張?zhí)煲?顧 磊

(1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，賽迪顧問股份有限公司，北京 100048;2.麥肯錫咨詢 (上海)有限公司，上海 200020)

1 引言

隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，人類在經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈之后，正在步入半導(dǎo)體照明時(shí)代。作為新型照明技術(shù)的LED，擁有節(jié)能、環(huán)保、光效高以及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，LED目前已經(jīng)被廣泛用于照明和顯示領(lǐng)域。

LED由GE公司的N.Jr.Holonyak在1962年所發(fā)明［1］，當(dāng)時(shí)LED的光效僅為0.11m W。六年后，Monsanto和HP首次生產(chǎn)出使用GaAs0.6P0.4GaAs材料的紅光LED。在隨后的30年間，LED技術(shù)快速發(fā)展，LED發(fā)光效率的提升遵從于Craford定律［2，3］，器件光效每10年增加一個(gè)數(shù)量級，到2000年已增長1000多倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過白熾燈和熒光燈［4］。而單個(gè)LED封裝器件的初始亮度則遵從于R.Haitz在30年前提出的Hatiz定律，即單個(gè)LED光輸出量每18～24個(gè)月翻一番［5，6］。LED照明應(yīng)用發(fā)展如此之快，以至于其發(fā)明者Holonyak曾于2000年在美國物理學(xué)報(bào)(American Journal of Physical)上發(fā)表題為“LED將是燈的最終狀態(tài)?”的文章［7］，并預(yù)言LED能夠也必將不斷發(fā)展直到各層級的光亮度和色彩都得以實(shí)現(xiàn)。

在照明領(lǐng)域，OLED作為面發(fā)光光源，相比LED而言，具有更輕、更薄、可柔性以及潛在的低成本優(yōu)勢。

作為OLED的發(fā)明者，鄧青云研究OLED可追溯到1979年，并于1987年發(fā)布首篇關(guān)于OLED的研究成果［8］。最早的OLED器件呈現(xiàn)三明治結(jié)構(gòu)，通過低于10伏的直流電驅(qū)動后可以放出高亮度的光(＞1000 cd nr)，光效為1.5 lm W。1994年，日本的Kido等人首次通過RGB三色光源獲得白光OLED［9］，為OLED照明應(yīng)用帶來希望。日本先鋒公司最早在1997年將單色OLED應(yīng)用在汽車的音響系統(tǒng)上，開啟了OLED商業(yè)化應(yīng)用的新篇章。值得注意的是，磷光材料的引入使OLED器件能夠打破內(nèi)量子效率25%的限制，使器件內(nèi)量子效率在理論上可以達(dá)到100%［10，11］。經(jīng)過不斷努力，白光 OLED在2009年已經(jīng)可以達(dá)到1000 cd m2的初始亮度以及10萬小時(shí)的壽命［12］。目前，世界著名的幾家公司，如飛利浦、歐司朗、Konica Minolta、GE和CDT都在不斷推進(jìn)OLED照明的產(chǎn)業(yè)化，而中國國內(nèi)也有維信諾和第壹有機(jī)發(fā)光在積極投資OLED照明面板的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

本文將從照明效果以及成本兩方面入手，結(jié)合LED和OLED的照明市場趨勢及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提出發(fā)展建議。

2 模擬和討論

本文模擬和討論的基本研究思路如下:

(1)從市場上各選擇一款OLED照明面板和LED燈的樣品;

(2)將兩個(gè)樣品進(jìn)行等照度模擬比較;

(3)比較LED和OLED產(chǎn)品的成本發(fā)展趨勢;

(4)分析進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本的途徑。

2.1 OLED照明面板和LED燈樣品的參數(shù)

OLED照明面板由飛利浦提供，可在市場上獲得，公司網(wǎng)站公布的售價(jià)是每片120歐元。面板擁有一個(gè)正方形的發(fā)光區(qū)域，所有發(fā)光材料均為磷光材料。其他的參數(shù)如表1所示。

LED燈同樣來自于飛利浦公司，型號為FS400D。其他參數(shù)如表2所示。

表1 OLED照明面板的參數(shù)Table 1 OLED parameter

表2 LED燈樣品的參數(shù)Table 2 LED lamp parameter

2.2 配光曲線模擬

基于表1、表2的參數(shù)，圖1給出通過DIALux軟件獲得的配光曲線。值得注意的是，在模擬中，為了達(dá)到可比擬的模擬效果，選擇使用16個(gè)OLED面板與1個(gè)LED燈進(jìn)行匹配。

亮度分布模擬中作者進(jìn)行了一定的假設(shè)，主要包括燈樣品被放置在桌面上方600毫米處，且桌面足夠?qū)掗煵⑶移渖蠜]有其他物品。圖2所示分別為OLED和LED樣品的等照度圖。

圖2表明在前文模擬中的OLED和LED樣品能夠?qū)崿F(xiàn)相近的照明效果。在表3中更進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上述結(jié)果，即模擬中的OLED面板和LED燈樣品能夠?qū)崿F(xiàn)相近的照明效果。

表3 等照度圖中的主要參數(shù)Table 3 Main parameter in iso-illuminance plot

2.3 成本分析

從以上的模擬結(jié)果我們可以看出，雖然OLED產(chǎn)品已經(jīng)成為業(yè)界心目中未來的選擇，但在現(xiàn)階段，其與LED產(chǎn)品的差距還非常懸殊。LED產(chǎn)品在業(yè)界的共同推動下，將繼續(xù)保持快速發(fā)展，而OLED仍然面臨成本過高，關(guān)鍵技術(shù)有待解決的發(fā)展瓶頸。

圖2 等照度圖 (單位:lx，比例:1∶5)Fig.2 Iso illuminance(unit:lx，1∶5)

根據(jù)美國能源部的預(yù)測，到2030年，LED產(chǎn)品的成本將降至現(xiàn)在的1/10，而發(fā)光效率將突破200lm/W，詳見表4。

表4 美國能源部預(yù)測LED產(chǎn)品發(fā)展趨勢Table 4 LED product development tread by DOE

本文在表5中對OLED面板的成本進(jìn)行了分解，其中設(shè)備、勞動力、良品率以及材料成本所占比例遠(yuǎn)高于其他因素。而當(dāng)生產(chǎn)線由4.5代升級為6代線時(shí)，其單位成本由每平方米243.6美元下降到86.3美元。

除了考慮增加基板尺寸因素以外，還有幾種降低成本的可行方案:

(1)加強(qiáng)低成本量產(chǎn)設(shè)備研發(fā);

(2)改善各生產(chǎn)環(huán)節(jié)所用設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)能力;

表5 G4.5和G6代OLED面板成本構(gòu)成比較Table 5 G4.5 and G6 OLED cost comparison

(3)提高材料利用率降低材料成本;

(4)提高產(chǎn)品良品率;

(5)引進(jìn)低成本的配套工藝，如封裝技術(shù)等;

(6)開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代量產(chǎn)設(shè)備，如卷對卷成膜工藝。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)

3.1 LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢預(yù)測

由于政府對價(jià)格不敏感且自身具有推動節(jié)能產(chǎn)品普及的需求，因此公共照明領(lǐng)域?qū)⒊蔀長ED市場發(fā)展的主要增長點(diǎn)。就我國市場而言，由于國家相繼出臺了一系列的政策，如十城萬盞專項(xiàng)、城市照明工程等，以及一些新的市場需求的快速成長，如LED背光、LED顯示屏等的共同推動下，我國LED市場在未來也將取得了快速發(fā)展。以廣東省為例，按照廣東省政府印發(fā)的《廣東省推廣使用LED照明產(chǎn)品實(shí)施方案》規(guī)定，全省道路、公共場所、政府機(jī)關(guān)、國有企事業(yè)單位等財(cái)政或國有資本投資建設(shè)的照明工程以及南沙、前海、橫琴等新規(guī)劃建設(shè)的新區(qū)一律使用LED照明產(chǎn)品。珠三角地區(qū)要力爭在2013年底前，東西北地區(qū)在2014年底前，普及LED公共照明，帶動全社會普及LED照明，實(shí)現(xiàn)全省同比口徑下照明節(jié)能50%以上，拉動LED產(chǎn)業(yè)“十二五”期末實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值5000億元以上。雖然廣東省的這一舉措有點(diǎn)行政強(qiáng)推的味道，但畢竟對推動LED產(chǎn)品市場發(fā)展具有積極意義，在全國也具有積極的示范推動作用。

據(jù)賽迪顧問預(yù)測，到2015年我國LED市場規(guī)模將達(dá)到678.7億元 (圖3)。

3.2 OLED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢預(yù)測

圖3 2011—2015年中國LED照明市場規(guī)模及預(yù)測Fig.3 2011—2015 LED dighting market in China

盡管OLED還沒有發(fā)展到產(chǎn)業(yè)化的階段，但其前進(jìn)的步伐卻沒有減緩，包括歐洲、美國與日本等國家在內(nèi)，都已有廠商投入大量資金研發(fā)OLED照明技術(shù)。在最近召開的SID2012展會上，松下和東芝分別展出了最新的OLED照明面板，發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到90lm W水平，詳見表6。

表6 SID2012展會上松下和東芝OLED照明產(chǎn)品參數(shù)對比Table 6 OLED Parameter comparison

根據(jù)DisplaySearch的報(bào)道，目前已經(jīng)有很多廠商都在計(jì)劃或已經(jīng)量產(chǎn)OLED照明產(chǎn)品，到2018年，全球OLED照明市場總規(guī)模將達(dá)到60億美元，并保持年均34.8%的增長 (圖4)。由于OLED照明還處于起步階段，因此處于發(fā)展中國家的中國，市場份額應(yīng)比重較小，本文以全球市場為范圍進(jìn)行規(guī)模預(yù)測。

4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

由上述數(shù)據(jù)可以看出，LED和OLED都擁有廣闊的市場發(fā)展空間，我國企業(yè)如何在其中獲得更多的市場份額，本文首先針對OLED在照明領(lǐng)域的發(fā)展給出以下建議:

圖4 2011—2015年全球OLED照明市場規(guī)模及預(yù)測Fig.4 2011—2015 OLED lighting market in the world

(1)由于OLED成本過高，在短期內(nèi)還不足以在照明領(lǐng)域替代LED。盡管OLED已經(jīng)能夠顯現(xiàn)出低成本優(yōu)勢，但在科學(xué)家和研究人員面前仍有一條漫長的路，要去改善器件生產(chǎn)工藝。成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)能夠有效降低OLED面板的成本。

(2)白光OLED材料仍需要進(jìn)行深入研究，以獲得更佳的照明參數(shù)。其中磷光材料分子結(jié)構(gòu)以及不同顏色材料的配比將成為OLED照明面板壽命和效率的決定因素。

(3)在OLED和LED之間最值得關(guān)注的差別是OLED具有柔性和透明的特征。OLED具有制備柔性透明器件的潛力，因此作者建議研究人員和相關(guān)企業(yè)在未來應(yīng)該更多關(guān)注OLED照明器件的功能型應(yīng)用，如紙一樣的燈、透明臺燈或者柔性顯示器等。

(4)對于我國政府而言，全球經(jīng)濟(jì)衰退時(shí)期正是引進(jìn)國際先進(jìn)OLED技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，為我國OLED產(chǎn)業(yè)引入核心技術(shù)人才，集中財(cái)力攻克關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，能夠推動我國OLED產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。

對于LED產(chǎn)業(yè)，我國的LED產(chǎn)業(yè)在過去一段時(shí)間已經(jīng)獲得跨越式發(fā)展，有眾多中小企業(yè)涉足LED封裝及終端產(chǎn)品的生產(chǎn)。但是我國的LED企業(yè)，尤其是廣東省的企業(yè)，由于不具有核心專利和技術(shù)而無法滿足終端市場 (如液晶電視的LED背光源)，只能在低端的照明市場展開競爭。另一方面，中小企業(yè)的LED產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，往往幾年之后就無法點(diǎn)亮，從而導(dǎo)致退貨而對現(xiàn)金流產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了能夠改變這一現(xiàn)狀，作者建議行業(yè)主管部門應(yīng)正確規(guī)劃產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，有效進(jìn)行資源要素配置，集中力量重點(diǎn)發(fā)展。同時(shí)，積極推動行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺，增強(qiáng)行業(yè)自律。對企業(yè)而言，更應(yīng)立足長遠(yuǎn)發(fā)展，以維護(hù)行業(yè)健康發(fā)展為己任，增強(qiáng)企業(yè)的社會責(zé)任感。

5 結(jié)論

LED和OLED分別吸引了全世界的關(guān)注，照明應(yīng)用是他們最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。本文比較了LED和OLED器件的照明效果，盡管從模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果上他們顯示出相近的照明效果 (包括配光曲線和等照度圖曲線)，但OLED器件的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LED。面對未來巨大的市場機(jī)會，OLED照明產(chǎn)品的制造者和研究者應(yīng)不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝和技術(shù)以降低產(chǎn)品成本，而LED產(chǎn)品制造商應(yīng)該穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，維持并進(jìn)一步擴(kuò)大市場份額。在本文的模擬和討論之后，作者也分別對OLED和LED產(chǎn)業(yè)提出發(fā)展建議。

致謝:作者感謝徐慶輝先生在計(jì)算機(jī)模擬方面提供的幫助和有意義的探討。

［1］N.Jr.Holonyak，S.F.Bevagua.Coherent(visible)light emission from Ga(As1-xPx)junctions［J］.Appl.Phys.Lett.，1962，1:82 ～83.

［2］J.Kovac，L.Peternai，O.Lengyel.Advanced light emitting diodes structures for optoelectronic applications［J］.Thin Solid Films，2003，433:22 ～26.

［3］M.G.Craford.Visiblelight-emittingdiodes:Past，Present，and very Bright Future［J］.MRS Bulletin，2000.

［4］Fang Zhilie.History，today and future of LED［J］.Physics，2003，32(5):295 ～301.

［5］R.V.Steele.The story of a new light source［J］.Nature Photonics，2007，1:25～26.

［6］S.Pimputkar，J.S.Speck，S.P.DenBaars，et al.Prospects for LED lighting［J］.Nature Photonics，2009，3:180～182.

［7］N.Holonyak，Jr.Is the light emitting diode(LED)an ultimate lamp?［J］.Am.J.Phys.，2000，68(9):864～868.

［8］C.W.Tang，S.A.VanSlyke.Organic electroluminescent diodes［J］.Appl.Phys.Lett.，1987，51(12):913～915.

［9］J.Kido，K.Hongawa，K.Okuyama，et al.White lightemitting organic electroluminescent devices using the poly(N-vinylcarbazole)emitter layer doped with three fluorescent dyes［J］.Appl.Phys.Lett.，1994，64(7):815～817.

［10］C.Adachi，M.A.Baldo，M.E.Thompson et al.Nearly 100% internal phosphorescence efficiency in an organic light-emitting device［J］.J.Appl.Phys.，2001，90:5048～5051.

［11］Y.Sun，N.C.Giebink，H.Kanno，et al.Management of singlet and triplet excitons for efficient white organic light-emitting devices［J］.Nature，2006，440:908～912.

［12］G.He，C.Rothe，S.Murano，et al.White stacked OLED with 38 lm/W and 100 000-hour lifetime at 1000 cd m2for display and lighting applications［J］.J.Soc.Inf.Display，2009，17(2):159～165.