半导体照明产业与标准化研究

　　摘要

　　半导体照明被世界公认为节能绿色的照明光源。本文阐述国内外半导体照明发展计划，通过对我国半导体照明产业状况进行分析，结合自身特点，提出半导体照明产业的发展建议。

　　关键字：半导体照明、产业、节能、标准化

　　1.引言

　　半导体照明即采用发光二极管（LED）作为光源的照明方式。LED是一种由半导体技术研制成的光源，具有可靠性高、功耗低、寿命长、污染少、抗震力强等优点，由无毒材料制作而成，属于典型的节能绿色照明光源，耗电相当于低直流驱动，超低功耗，电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。

　　半导体照明在特殊照明领域的应用，如交通信号灯、景观照明、LED全彩显示屏等，节能的效果明显：如景观照明（替代霓虹灯）节能70%,如水立方5万平方米的景观照明工程全部采用LED,与传统荧光灯相比，全年预计可节约电能74.5万度，节约电费约84.9万元，节能73.34%;交通信号灯（替代白炽灯）节能80%;庭院灯节能70%.在功能性照明领域，节能效果已开始显现，如LED作为次干道路灯（替代高压钠灯）节能70%.虽然初始采购价格是普通灯的3倍，综合节约成本约3-4年可以持平。

　　随着技术的不断突破，功率的不断增大，2010年，LED产品的发光效率已达到100lm/w,开始进入普通照明领域，如LED汽车灯、LED背光源、LED手电筒、LED台灯、LED射灯、LED路灯、LED遂道灯、LED室内照明等，年节电500亿度，通过节电可以减少CO2,SO2、NOX、粉尘排放5000万吨。预计2015年，LED产品的发光效率可以达到150lm/w,LED照明占有20%的照明市场，每年将节约用电1000亿度，超过三峡水电站年发电量。通过节电可以减少CO2,SO2、NOX、粉尘排放1亿吨。

　　近年来出现的ACLED在指示灯、霓虹灯等产品上的应用可节省30%~40%的电能。据测算，我国照明用电约占总用电量的12%,因此照明方向上的节能潜力可挖掘空间极大。

　　我国是能源消耗大国，据统计2009年我国能源消耗为33.66亿吨标准煤，成为仅次于美国的第二大能源消耗国，而在照明上消耗能量占社会总量消耗的10%以上。半导体照明具有资源能耗低的特点，从材料制备、产品制造和应用3个阶段全生命周期能耗低于传统照明。如果我国现有家庭平均每户使用一只LED灯代替普通白炽灯，每年可减少650万吨煤的燃烧。

　　世界照明工业正在转型，根据国际社会创造节能的新局面的目标，很多国家都在加紧立法，鼓励使用节能型光源。欧盟、澳大利亚和美国分别将从2009、2010和2020年开始禁用白炽灯泡。以LED占普通照明市场10%计，LED普通照明市场的潜在规模将达250亿美元。

　　豪无疑问地，半导体照明是21世纪发展前景的高技术领域之一 .以“节能、环保”为目的的“绿色照明”已成为世界性主流。

　　2.国内外半导体照明发展计划

　　1）美国

　　美国从20世纪90年代就开始致力于照明节能标准的研究工作，并且各州都有相应的能耗限制标准，涉及了居住、办公、商业、体育、交通运输、医院、学校等建筑的照明节能。美国能源部推进固态照明计划和SSL（固态照明）能源之星标准的发展。

　　2001年7月在美国“半导体照明技术蓝图”的基础上，美国能源部启动“下一代照明计划”.美国能源部（DOE）针对“国家半导体照明研究计划”进行技术的投资。其中与照明产品检测验证相关的有白光LED产品能源之星（Energy Star）标准、商品检测工程（CPTP）、LED普通照明技术展示工程等。

　　2）日本

　　“21世纪照明计划”是由日本金属研发中心和新能源产业技术综合开发机构（NEDO）发起和组织的为期5年（1998-2004）的一个国家计划。目标旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍，减少CO2的产生。日本已经完成了“二十一世纪照明”发展计划的期目标，正在组织实施第二期计划，他们计划到2010年，LED的发光效率达到120lm/W.

　　3）欧盟

　　欧盟将以节能灯、卤素灯泡和LED灯来代替白炽灯成为欧洲居民的主要照明灯。2011年前欧洲强制实施机动车日行灯，LED将更加广泛的应用于汽车。

　　欧盟设立了多色光源的“彩虹计划”,成立了执行研究总暑，通过推广半导体照明实现高效、节能、使用无害材料、制造自然光的目标。

　　4）其他国家和地区的半导体照明计划

　　2000年，韩国政府制定了“氮化镓半导体开发计划”,并成立光产业振兴会负责计划的组织与实施。韩国的“固态照明计划”经政府审议批准，2008年达到80lm/W.

　　澳洲从2010年起禁用白炽灯。英国商业、企业和改革部于2007年7月启动了“用于有效照明解决方案的新型发光二极管”计划，目标是开发新型氮化镓芯片技术，将发光二极管光源商业化。

　　台湾从今年开始实行永续能源政策纲领，全面应用LED照明。2002年9月成立“下一代照明光源研发联盟”,进行高亮度白光LED的研究和开发。2002年10月成立“半导体照明产业推动联盟”,并建立“高亮度白光LED专案计划”,台湾地区推动的“下一代照明光源开发计划”,2005年目标是40lm/W的LED投入生产，而实验室目标100lm/W.

　　5）中国的半导体照明发展计划

　　2003年，科技部开始实施“国家半导体照明工程”,首批50个项目于2004年7月正式启动，计划到2012年半导体照明灯取代荧光灯。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将研究开发高效节能、长寿命的半导体照明产品作为工业节能的优先主题。2006年，“半导体照明工程”被列为国家863计划重大项目。在十大重点节能工程、高新技术产业化示范工程、企业技术升级和结构调整专项等领域先后支持半导体照明技术研发和产业化项目。

　　2009年9月22日国家发改委、工信部等六部委联合发布《半导体照明节能产业发展意见》，明确了加快半导体照明产业发展的指导思想、基本原则、发展目标及发展重点等，为推动产业健康发展，培育新的经济增长点，扩大消费需求，促进节能减排有重要指导意义。

　　温家宝总理的《2010年政府工作》对建设低碳经济、循环经济、绿色经济，大力推进节能减排工作，保护环境、积极应对气候变化给予了极大的关注。他指出，要“打好节能减排攻坚战和持久战”,“积极发展循环经济和节能环保产业”,“大力开发低碳技术，推广高效节能技术”.

　　3. 半导体照明技术和产业发展现状

　　1）技术及产业现状

　　从1962年只红光LED诞生起，LED经历了46年的历程。国外LED技术特别在蓝光、白光、功率LED以及应用方面均有较大突破。但都集中在几个大集团公司，如日本日亚、丰田合成公司、美国Gree、 Lumileds公司和德国Osram公司等。他们申请有关LED的有1万多项，形成了高度的技术垄断。

　　中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国的LED产业已经形成了包括LED外延片的生产，LED芯片的制备、封装以及LED应用产品在内的较完整的产业链。但是我国的半导体照明大部分只做技术含量不是很高的封装工艺，而中上游领域发展的时间不长，产品的推广力度不够，多数应用还是在特种照明领域，层次主要停留在中低档上，在国际市场上占有的份额还比较低。

　　LED的技术是外延、芯片制造技术，特别是高亮度LED和功率LED的技术。外延和芯片是产业的关键环节占到成本的60-70%,这方面的制造处于行业成长期、市场潜力大，但是技术门槛高，技术的成熟度、人员、持续创新能力、技术导向等都对产业的发展有很大的影响。

　　目前设备MOCVD（金属有机源化学气相沉积设备）基本依赖进口。其中装备与原材料及高端应用产品成为制约我国产业发展的关键环节。

　　高亮度及白光LED近年来在我国内地发展非常迅速，增长率均超过50%.国产LED外延材料、芯片以中低档为主，80%以上的功率型LED芯片、器件依赖进口。

　　照明用LED的发光亮度、光电转换效率、能效、寿命等受到普遍关注。因此提高内量子效率和出光效率、提高抗光衰能力和功率芯片的散热水平等重要技术的研究非常重要。据报道，驱动电流为350mA条件下，发光效率为140lm/W,比2007年1月（140lm/W）提高了22%.

　　我国的功率型白光封装取得了较大进展，发光效率基本达到国际产业化水平。在半导体照明应用产品的系统技术集成开发方面也有了不小的进步，新开发的应用产品实现批量生产并有部分产品出口。

　　2）发展半导体照明产业的基础

　　在国家节能减排背景下，发展半导体照明产业应将政府引导与市场机制相结合，技术引领与需求带动相结合，LED产业发展终还是需要靠产品标准和能效标准等政策引导，因此从标准、检测、等多个方面共同努力，为半导体照明产业的发展营造良好的环境。目前半导体照明产业的发展已经具有了一定的基础：

　　①     标准方面

　　标准是产业长远发展的方向，具有战略制高点的意义。半导体照明产业链及标准体系已初步形成，相关标准化组织逐步成立，标准相继出台。原信息产业部组织成立了“半导体照明技术标准工作组”,并推出了 “企业联盟”等有代表性的标准化组织，这一标准化新举措得到了广大企业的重视和支持。

　　目前半导体照明技术标准工作组成员单位有73家，涵盖了产业链上的芯片制作、器件封装、荧光粉制备和应用产品制造等各方面的产学研用企事业单位、科研院所和大专院校。该工作组并于2009年发布了9项半导体照明电子行业标准，涉及术语、材料、芯片技术、封装产品检测和测试方法等多个领域，全国照明电器委员会颁布了8项标准涉及LED模块安全、性能、测试方法、术语和LED灯具，这些是半导体照明领域重要的技术标准。

　　②     检测方面

　　半导体照明产品越来越多地进入人们的日常生活，无论是政府采购、工程招标，还是民众购买，都对半导体照明产品的质量和能耗非常关注，市场对半导体照明产品检测机构需求非常巨大。检测平台能够为发展半导体照明产业发展提供必要的支撑。

　　我国自半导体照明工程启动之后，产业化关键技术有了一定的突破，产业投资非常踊跃，但是，我国在LED及其应用产品的检测能力方面还处于起步阶段。各地纷纷大力投资建设检测机构，但仍存在很多问题：一是设备重复投入，缺乏国家层面的统筹协调；二是产品检测方法不统一，检测机构之间对同一产品的检测结果不一致；三是检测机构的大力建设，有经验的技术人员的队伍建设速度跟不上；目前比较有影响力的检测机构有：国家电光源质量监督检验中心（北京）和上海时代之光照明电器检测有限公司、厦门市LED检测中心、中国电子科技集团公司第十三研究所、中国赛宝实验室以及正在建设的广州赛西光电标准检测研究院等。

　　③     方面

　　开展半导体照明产品的节能是半导体照明产业发展的重要环节。出口美国、欧洲等国家的产品都需进行能效的检测并贴能效标签。国家采信的节能产品机构中国质量中心（CQC）建立了高效照明电器产品的和标识制度，即将对半导体照明产品等开展节能工作，其中主要包括LED道路/隧道照明产品、LED筒灯和发射型自镇流LED灯三类产品。半导体照明产品的节能的开展是与国际接轨重要途径。

　　3）存在的问题

　　半导体照明产业作为革命性的技术产业，LED产品技术创新与应用开发能力的提高，器件可靠性研究位置越来越突出，测试技术与标准也渐成热点，中国LED产业已经进入了一个崭新的发展阶段。但仍存在的一些关键问题制约着产业的发展。主要表现在：

　　①     研发层面上

　　缺乏与战略；研发投入不足，缺乏支持基础理论研究的长效机制，共性技术研发平台尚不完善，关键技术研发没有形成合力。人才结构性缺乏，特别是产业化人才；资源分散、共享机制尚未形成；企业尚未成为研发主体，成果转化与持续创新能力不足。

　　②企业层面上

　　我国半导体照明生产企业超过3000家，其中70%集中于下游产业，且技术水平和产品质量参差不齐。企业规模小，产品档次低，赢利能力差；尚未形成竞争优势和品牌；装备与关键材料严重依赖进口。

　　③产业环境方面

　　检测设备、检测方法研发和标准制定工作不能完全适应产业快速发展的要求。半导体照明产品的标准与检测体系建设亟待完善，权威检测平台尚未建立，无法对现有半导体照明产品进行质量评价或。据调查，国内对半导体照明光源LED性能参数的检测还没有一家设备齐全、公正的检测机构，也没有统一、规范的检测仪器和方法。因此目前国内的检测能力还不能完全满足当前产业快速发展的需要。

　　虽然不少地方将半导体照明节能产业作为发展的重点产业，加大支持力度，但也同时存在盲目投资、低水平建设、产业无序竞争，产品质量良莠不齐的现象，资源浪费严重，影响消费者信心，不利于产业健康发展。

　　我国的LED产业的国际竞争力还比较弱，虽然中国是照明产业的大国但却不是强国。如何用高新技术改造传统产业，提升产业的竞争力，半导体光源这项高技术是中国照明产业从半导体照明的大国走向强国的关键，培育有国际竞争力的新型照明产业是非常重要的。

　　4.半导体照明发展建议

　　在节能环保背景下，政府的大力支持和巨大的市场需求对我国的半导体照明是千载难逢的历史机遇。目前，我国相关的政策办法也相继出台，效果虽好但存在不甚满意的地方，根据我国半导体照明的发展状况提出几点建议如下：

　　1）积极推动半导体照明标准制定、产品检测和节能工作

　　对于整个产业的发展而言，政府通过制定标准或者产品补贴来进行政策引导。因此

　　按照已有的半导体照明技术标准体系、有规划、有步骤地完成标准制修订工作，同时注重与传统照明产业技术上的区别，根据产品本身的技术特点制定科学、合理、可操作的标准；标准的制定应以国内的技术水平为基础，在满足产业需求同时注重标准的时效性；

　　此外，积极推动我国半导体照明权威检测机构的建设速度，促进节能工作的进程，使其更快更好的服务于产业。

　　2）重视技术和知识产权战略研究

　　由于白光普通照明远没有达到产业化程度，因此仍有很大的技术发展空间。因此应该以此为契机，专门组织的分析研究以寻找突破，在此基础上选择优先发展方向，增强半导体照明研究型企业申请保护的意识。

　　3）加强半导体照明人才队伍建设

　　半导体照明产业是技术密集、知识密集的高科技产业，关键技术的研发、测试方法的研究等都需要大量高素质、高技能的人才。因此需要提升国内相关技术和管理人员的水平，加快培养产业发展急需的人才的进度。加大标准化知识的培训力度，提高运用标准化技能开发产品和参与市场竞争的能力。

　　4）积极参与国际相关组织和活动

　　积极参与国际相关组织和活动，密切关注国内外半导体照明节能标准、法规和政策，跟踪国内外半导体照明的先进技术和成果，做到与国际接轨。