照明應(yīng)用中LED和OLED的比較及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

張?zhí)煲?顧 磊

(1.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，賽迪顧問(wèn)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(jí)，到2000年已增長(zhǎng)1000多倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(guó)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(jí)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(shì)。

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(guò)低于10伏的直流電驅(qū)動(dòng)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(guò)RGB三色光源獲得白光OLED［9］，為OLED照明應(yīng)用帶來(lái)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(kāi)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(guò)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(wàn)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(guó)國(guó)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(chǎng)趨勢(shì)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(chǎng)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(shì);

(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(chǎng)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(lái)自于飛利浦公司，型號(hào)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(guò)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](méi)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(guò)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(lái)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(dòng)下，將繼續(xù)保持快速發(fā)展，而OLED仍然面臨成本過(guò)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(guó)能源部的預(yù)測(cè)，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(jiàn)表4。

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

本文在表5中對(duì)OLED面板的成本進(jìn)行了分解，其中設(shè)備、勞動(dòng)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(jí)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(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代量產(chǎn)設(shè)備，如卷對(duì)卷成膜工藝。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)

3.1 LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由于政府對(duì)價(jià)格不敏感且自身具有推動(dòng)節(jié)能產(chǎn)品普及的需求，因此公共照明領(lǐng)域?qū)⒊蔀長(zhǎng)ED市場(chǎng)發(fā)展的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。就我國(guó)市場(chǎng)而言，由于國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列的政策，如十城萬(wàn)盞專項(xiàng)、城市照明工程等，以及一些新的市場(chǎng)需求的快速成長(zhǎng)，如LED背光、LED顯示屏等的共同推動(dòng)下，我國(guó)LED市場(chǎng)在未來(lái)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(chǎng)所、政府機(jī)關(guān)、國(guó)有企事業(yè)單位等財(cái)政或國(guó)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(zhēng)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(dòng)全社會(huì)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(dòng)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(duì)推動(dòng)LED產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展具有積極意義，在全國(guó)也具有積極的示范推動(dòng)作用。

據(jù)賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)，到2015年我國(guó)LED市場(chǎng)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(shì)預(yù)測(cè)

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

盡管OLED還沒(méi)有發(fā)展到產(chǎn)業(yè)化的階段，但其前進(jìn)的步伐卻沒(méi)有減緩，包括歐洲、美國(guó)與日本等國(guó)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(kāi)的SID2012展會(huì)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(jiàn)表6。

表6 SID2012展會(huì)上松下和東芝OLED照明產(chǎn)品參數(shù)對(duì)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(chǎng)總規(guī)模將達(dá)到60億美元，并保持年均34.8%的增長(zhǎng) (圖4)。由于OLED照明還處于起步階段，因此處于發(fā)展中國(guó)家的中國(guó)，市場(chǎng)份額應(yīng)比重較小，本文以全球市場(chǎng)為范圍進(jìn)行規(guī)模預(yù)測(cè)。

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(chǎng)發(fā)展空間，我國(guó)企業(yè)如何在其中獲得更多的市場(chǎng)份額，本文首先針對(duì)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(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)Fig.4 2011—2015 OLED lighting market in the world

(1)由于OLED成本過(guò)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(shì)，但在科學(xué)家和研究人員面前仍有一條漫長(zhǎng)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(lái)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(tái)燈或者柔性顯示器等。

(4)對(duì)于我國(guó)政府而言，全球經(jīng)濟(jì)衰退時(shí)期正是引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)OLED技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，為我國(guó)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(dòng)我國(guó)OLED產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。

對(duì)于LED產(chǎn)業(yè)，我國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)在過(guò)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(guó)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(wú)法滿足終端市場(chǎng) (如液晶電視的LED背光源)，只能在低端的照明市場(chǎng)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。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(wú)法點(diǎn)亮，從而導(dǎo)致退貨而對(duì)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(mén)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(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，增強(qiáng)行業(yè)自律。對(duì)企業(yè)而言，更應(yīng)立足長(zhǎng)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(huì)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(duì)未來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，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(chǎng)份額。在本文的模擬和討論之后，作者也分別對(duì)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。

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