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多方面因素制约 UV LED市场何时成“红海”?

发布时间:2015/09/18 文章来源: 网点击次数:3106

  在LED市场供过于求与景气度不佳的背景下,UV LED与红外线、车用照明被视为当下最有潜力的高毛利细分市场,成为厂商为争取获利空间积极布局的新应用领域。
  相对于已陷入“红海”竞争的白光LED,UV LED市场可谓一片蓝海,前景不可估量。但由于UV LED技术门槛高、芯片与封装技术还不够成熟、商业模式尚在摸索中,导致其产业化进程相对缓慢。
  随着国家对UV LED的政策扶持力度加大,市场需求量不断增加,一旦UV LED产业链芯片及封装技术实现突破性进展,大多数企业将蜂拥而入,推动产业化快速发展。
  高效率芯片是量产关键
  高效率芯片的研发进展或将成为UV LED市场实现增长的关键,将直接影响UV LED的普及率。
  紫外线杀菌的有效波长范围可分为四个不同波段:UV-A(400-315nm)、UV-B(315-280nm)、UV-C(280-200nm)和真空紫外线(200-100nm)。真正具有杀菌作用的是UV-C紫外线,因为它很易被生物体的DNA吸收,尤其以253.7nm左右的LED紫外线为最佳。UV LED目前尚未在净化及消毒用途领域普及的原因在于,UV-C达不到足够的效率。
  现阶段,90%紫外LED应用市场主要集中在365-405nm波段,多用于固化。紫外LED对胶水的固化效果是由光引发剂材料的吸收率决定的。对大多数光引发剂材料来说,越短吸收率越高,波长要短于405nm才有较高的吸收率。从这个角度来说,理论上用于固化的紫外LED应该尽量采用短波长的LED。
  然而,实际上由于UV-A可以采用氮化镓(GaN)和发光效率高的铟镓氮(InGaN)。而UV-B和UV-C的结构都采用难以生长和发光效率低的铝镓氮(AlGaN)材料,不能用氮化镓和铟镓氮材料,因为这两种材料会吸收紫外光,会导致UV-B和UV-C的发光效率低很多。本来UV-B和UV-C波段的LED发光效率只是UV-A的10%-20%。综上所述,紫外LED采用较长波长的LED固化效果可能会更好。
虽然波长越短的紫外LED发光效率越低,但价格却越贵。随着波长由365nm向280nm逐渐缩短,制备难度不断提高。现在,UV-B、UV-C LED价格约是UV-A LED价格的10倍,UV-A中主要应用的365nm波长LED价格是另一主要应用波长385-405nm LED的2-3倍。
  提高内部量子效率、量子注入效率及光提取效率,可将倒装芯片构造及光电子学构造等效率提高技术直接用于UV LED。但UV LED存在源于In/AlGaN外延层的固有课题,需要从基板和结晶生长的层面推进研发,专门解决这一课题。
要解决这一问题,UV LED外延层的生长机制需要企业持续投入,因为它比生长普通蓝光外延复杂得多,传统MOCVD不适合其生长,因此需要了解其生长机制后,向MOCVD企业订制设备,或者自主研发MOCVD设备。
受现阶段紫外LED的技术限制,紫外波段选取的芯片波长越长越好。首先,紫外芯片波长越长,芯片本身的外部量子效率越高,如日本三菱电线工业与Stanley电气以及山口大学共同发布的数据显示,波长400nm的外部量子效率是380nm的近2倍。其次,使用的紫外芯片波长越长,越有利于提高荧光体的RGB转换效率。因为紫外激发波长越大,RGB各自的波长与紫外光之间的波长差距较小。波长差距越大,波长转换前后的光能量差也就越大。这一能量差将转换成热量,最终会减少转换成光的能量。然后,紫外波长越短,其对封装材料的要求越高,泄露的紫外光对环境的危害越大,不利于达到环保的标准。最后,目前制备近紫外芯片的技术比制备紫外和深紫外芯片的技术成熟,芯片成本也会低很多。
  封装技术尚不成熟
  与芯片一样,UV LED的封装技术也还不成熟。能实现对UV LED进行无机封装的方式很少,封装技术稍显落后,因此寻求一种稳定可靠的封装方式变得非常迫切。
  目前,国内对UV LED芯片封装仍沿用白光LED的封装方式,能在一定程度上满足对可靠性要求低的市场需求。由于几乎所有白光LED封装都不同程度采用了树脂一类的有机材料,因此UV LED封装过程中会出现以下三方面的问题。
  第一,紫外光辐射加速有机材料氧化,降低产品使用寿命。特别针对365nm以下的波段,可见光LED封装方式无法满足其要求。因为随着波段变短,辐射能量变强,采用有机类的树脂材料耐紫外性能急剧下降,影响UV LED的寿命和稳定性。
  第二,热应力导致失效。事实上,主要采用传统的可见光封装方式必然存在着有机和无机的两个界面物质。在热学效应上,无机物质比有机物质的热膨胀系数要小很多。因此必然导致热应力拉扯的问题,致使产品失效。
  第三,湿应力及杂质侵入导致失效。硅胶或硅树脂在不同程度上有一个透氧透湿性,在产生开关瞬间,因水汽蒸发而产生作用力导致失效。另外由于透氧透湿性的存在不可避免其他杂质的侵入产生失效。
为解决上述问题,一些国外UV LED制造商推出了采用玻璃封装的UV LED,在封装结构中始终无法避免采用有机填充材料或者有机粘结材料,只能尽量做到少用有机类封装材料,进而减少因有机材料导致的衰减问题、湿热应力导致失效的问题。
  显然,有机材料是影响UV LED寿命和稳定性的关键。它使得器件无法实现气密性的封装,导致LED信赖性中冷热循环实验中存在巨大风险。采用类似激光器的TO方式对UV-C LED进行封装,能够避免使用有机材料进行封装,其工艺已经相当成熟,在稳定性方面表现也相当突出。而能适应SMT(Surface Mount Technology)工艺的SMD(Surface Mounted Devices)的封装方式暂时尚未成熟,其可靠性的和应用还有待进一步开发。
  成本制约市场推广
  现阶段,UV LED处于高毛利市场,国内外一些大厂逐渐开始布局。但相对于竞争白热化的LED照明领域,进入UV LED的企业屈指可数,如杰生电气、旭明LED(SEMI LED)及日本、韩国、美国的企业。
  作为未来几年最有前景的细分市场之一,UV LED被各大厂商纷纷看好,但现在仍处于市场培育阶段。由于技术与价格都尚未到大规模切入市场的时机,大多数厂家仍然保持观望。随着市场需求的扩大,将有更多企业参与UV LED市场竞争。
  较高的技术门槛和稀缺的设备使UV LED企业一直处于投入状态。UV LED照明产品要想得到大规模推广和应用必须要解决成本高、发光效率低和知识产权弱三大问题。
  目前,UV LED价格居高不小,主要是物以稀为贵。芯片及封装技术不够成熟,同时订制MOCVD设备造成成本上涨,而UV LED外延片的产量及良品率也成了制约成本下降的关键因素。“蓝光外延一炉100多片,UV LED做不到。”但青岛杰生电气河北快3副总经理武帅博士认为,当市场需求大时价格自然会降下来。
显然任何一个产业前期,降低成本最有效的方法是提高技术。近期,日本立命馆大学研究人员开发出一种低成本高效制作深紫外线LED技术,利用廉价的硅酮取代蓝宝石作为基板制作深紫外线LED光源,可大幅度削减成本。
过去的工艺中为了让电流通过,需要剥离基板上的一部分绝缘层。新方法是在硅酮基板上附着一层氮化铝作为绝缘体,然后在上面开出多个微孔让电流通过。这样做无需剥离绝缘层,大幅缩短了工序,以前需要5天的制作工作可以缩短到1天,而且避免了剥离绝缘层时对LED的损伤,发光效率也得到提高。
  同时,我国UV LED照明的发展进程中,要吸取LED产业发展的经验教训,在产业布局、市场准入、非关税性贸易壁垒等方面加强前期的研究和准备,特别是知识产权问题,减少日后激烈的技术与市场竞争中的专利风险。
  现在,UV LED仍处于发展初期,国内仅有杰生电气等少数企业进入。但随着技术与价格大规模切入市场时机的到来,UV LED将与LED照明发展一样,吸引各路资金投入,涌现规模化发展热潮,或进一步引发市场格局变化。
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