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半导体照明产业发展现状与趋势

时间:2020-10-18 17:43

  半导体照明亦称固态照明(Solid State Lighting,SSL),是用第3代半导体材料和有机半导体材料制作的发光器件,是第3代半导体材料产业化的第1个成功突破口。“十二五”期间,我国多部门、多举措共同推进半导体照明产业发展•,相关部门大力实施半导体照明科技创新,节能技术改造工程,半导体照明应用推广等,我国半导体照明产业发展取得长足进步,已成为全球半导体照明产业发展最快的区域之一。

  刚刚过去的杭州G20峰会上•,中美两国率先批准《巴黎协定》并联合发布《中美气候变化合作成果》,中美2个排碳大国携手迈出的这关键一步,极具示范效应,将助力《巴黎协定》早日生效,加快全球气候治理进程。《巴黎协定》提出的在2 100年之前将全球平均气温较工业化前水平的升高幅度控制在2℃范围之内,可以说是人类环境治理史上的里程碑,展示了人类应对气候变化的决心。2015年12月在巴黎联合国气候控制会议上发布的《全球照明挑战》计划提出2018年配置100亿盏LED灯具。2016年10月1日,15W及以上普通照明用白炽灯将在中国全面退市……这一系列重大举措,无疑将重燃人们对半导体照明产业的热情。

  随着全球生态环境恶化和能源紧缺问题的日益严峻,半导体照明作为实现社会经济绿色可持续发展重要手段之一,其产业迎来了新的发展机遇期。

  过去十余年的发展•,使LED成为了性价比有优势的生态光源,已经全面进入照明替代市场。在全球淘汰白炽灯和限制荧光灯(含汞)使用的大趋势下,全球半导体照明市场已呈现爆发式增长。

  当前,半导体照明技术正处于快速发展时期。2015年,国际上大功率白光LED产业化的光效水平已经超过160 lm/W。根据美国能源部(DOE)2016年发布的半导体照明研发计划,2015年冷白LED器件的光效达到168 lm/W,LED灯具整体光效达108 lm/W;预计2016年冷白LED器件的光效将达到184 lm/W,LED灯具整体光效达125 lm/W,至2020年冷白LED器件的光效可以达到218 lm/W,LED灯具整体光效达196 lm/W;而目标是LED器件的光效达到255 lm/W,LED灯具整体光效达230 lm/W。

  随着技术进步,半导体照明的应用领域不断拓宽,市场规模不断增长。据美国产业研究机构Strategies Unlimited 2016年发布的报告显示,2015年,LED器件营收约147亿美元,预计2016年约152亿美元;2020年超过180亿美元(详见图2)。LED器件照明应用仍是主流应用••,约占30%以上,并稳步增长;LED在汽车以及农业等应用逐年扩大。

  近年来,LED照明产品的市场渗透率快速增长,特别是在新增销售量的渗透率有较快增长,但在已安装市场上,由于基数庞大,LED目前的(在用量)市场渗透率仍不高。据IHS信息咨询公司2015年的报告显示,2015年•,LED灯安装数量在整体照明产品在用量中的渗透率仅为6%,预计未来几年有较快增长•,到2022年接近40%;Strategies Unlimited预计2020年LED灯销售数量在整体照明产品中的渗透率为42%•,安装数量在整体照明产品在用量中的渗透率接近1/3•,而其销售额在整体照明市场的市场份额为76%。同时,国际照明巨头LED照明在其营收中比重也不断提升,大多超过一半,如飞利浦(Philips)LED业务营收占总营收比重为50%,欧司朗(Osram)占48%,奥德堡(Zumtobel)约占63%,敏度品牌(Acuity Brands)占55%•。

  全球半导体照明市场新一轮的增长是以应用需求为导向进行的,正在实现从节能到智能的转变。如在材料方面,新型衬底材料与技术路线进展迅速;在照明应用方面,以提升产品的性价比•、可靠性以及光品质的创新较为集中;在非视觉照明方面,生物、农业、医疗、紫外LED的研究快速发展;在产业化应用方面,建筑材料与LED照明的结合有所突破;而智能照明是目前最为瞩目的领域,技术及应用发展迅猛。

  在追求高光效的同时•,LED照明由替代应用向按需照明和超越照明迈进,半导体照明产业将继续朝着智能化•、信息化、品质化•、标准化方向发展,而石墨烯、量子点材料、纳米新材料及新技术也将进一步与半导体照明相融合,并有可能产生开拓性和颠覆性的创新应用,同时引领整个第3代半导体产业加速发展。

  据美国DOE发布的《固态照明在通用照明应用中的节能潜力预测报告》指出,2013年,美国照明用电约占全社会用电的17%,LED照明产品的使用将会大大减少照明用电的消耗(详见图3)。报告测算,预计2020年•,LED照明产品在通用照明市场中的市场渗透率(基于流明-小时)将从2013年的3%,上升到48%•,照明能源消耗将减少15%•;而在2030年,LED照明将会主宰各照明细分市场,其整体市场渗透率达84%,照明能源消耗将减少40%,以目前的电价换算相当于节省了260亿美元,足够2 400万户美国家庭供电。LED照明的高速增长得益于LED成本的竞争力以及新能效标准的颁布。这份报告从节能潜力的角度再次向人们展示了LED照明的无限市场空间。

  据国家半导体照明工程研发及产业联盟产业研究院(CSA Research)发布的报告显示,2015年•,中国照明用电约占全社会用电的14%,LED照明产品市场渗透率(基于市场销量)超过30%,年节电约1 000亿kWh;预计2020年•,LED照明市场渗透率将超过70%,年节电约3 400亿kWh,节约的电量相当于4个三峡的发电量。

  国际各利益集团角逐布局标准化领域,期望通过制定标准来抢占国际话语权,照明系统•、智能照明和生物效应逐渐成为标准布局的重点领域。受IESNA(北美照明工程学会)、其他国家积极参与等因素影响,中国、日本、韩国、加拿大等非欧洲国家参与度日益加强。IEC/TC34灯及相关设备技术委员会关于LED照明产品本身的标准项目减少,OLED和照明系统领域标准活动日渐增多。2012年底,CIE(国际照明学会)推动成立ISO/TC274光与照明技术委员会,工作范围前者负责基础,后者负责应用。自适应照明•、以人为本照明等列入重点主题工作,ISO/TC274启动建筑照明节能、照明系统调试、生物效应照明、维护因子测试方法等标准的起草工作。

  我国政府高度重视半导体照明技术创新与产业发展,“十二五”期间,我国半导体照明领域取得了丰硕的成果,为发展成为半导体照明产业强国奠定了良好的基础•。

  我国半导体照明领域关键技术与国际水平差距不断缩小。2015年功率型白光LED光效在实验室160 lm/W的基础上,已实现150 lm/W的产业化生产(详见图4);具有自主知识产权的功率型硅衬底LED芯片产业化光效超过140 lm/W;GaN同质衬底白光LED技术进展显著,采用GaN/Al2O3复合衬底同质外延技术制备的高亮度LED光效超过130 lm/W;深紫外LED发光波长293nm,在20mA电流下输出功率达到4.8mW•;OLED器件制备技术接近国际先进水平,在1 000 cd/m2亮度下,效率为99 lm/W,显色指数为85,寿命超过10 000h。此外,2015年国家技术发明一等奖花落“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”,这一具有自主知识产权的LED技术路线获奖无疑将给我国的LED行业带来无限空间。

  近年来•,我国半导体照明产业总体呈现持续上升态势。据国家半导体照明工程研发及产业联盟产业研究院(CSA Research)统计•,2015年,我国半导体照明产业整体规模达到4 245亿元,较2014年增长21%,增速有所放缓,增速从“超高速•”向•“中速”转变•,但“十二五”期间产值平均年增长率仍然接近30%。2016年以来半导体照明产业规模(产值)整体持续增长,同比增长约25%(见图5)。

  我国是照明产业大国,近年来LED照明增长迅速,2015年中国照明产业规模约5 600亿元,其中LED照明产业规模约1 550亿元,年增长率为32.5%,LED照明在照明产业中比例约28%;国内LED照明产品产量约60亿只,国内销量约28亿只,LED照明产品国内市场渗透率(LED照明产品国内销售数量/照明产品国内总销售数量)约32%;LED照明出口额120亿美元,同比增长15%(详见图6)•。

  2015年智能照明、超越照明等创新应用成果显著•。智能照明、农业照明、汽车照明、紫外LED等细分领域方兴未艾,大部分企业均开始布局,Micro LED•、QLED等技术成为研发的新热点方向。半导体照明技术与AR、VR•、物联网•、大数据等技术的融合也催生了许多新的应用领域。

  例如,智能控制系统已得到应用示范,无线调光调色系统和LED智能可变色温灯具实现了可变情景的照明光环境应用;用于医用照明的可调色温LED筒灯,色温3 000~5 000K可调,完成了LED光源安全性、治疗作用分析;开展了符合植物生长光照生理特性的LED光源系统设计和LED光源环境下植物电信号的研究;研制出了基于荧光型白光LED和PIN管双向100Mbps等级的OOK调制可见光无线上网演示系统•,传输距离3m。此外,一些新兴的细分市场关注程度明显提高,车用LED、小间距LED、植物照明、禽类照明、紫外(UV) LED、红外(IR)LED等市场纷纷开始进入行业主流视线。目前,小间距显示屏已成为LED板块新支撑点;车用LED、农业照明的替换市场已经启动。在中兴通讯•、华为技术有限公司、青岛海尔等大批企业进入智慧城市领域后,智能照明商业模式逐步明确。而紫外和红外LED等则代表着固化、光疗、催化净化、杀菌消毒、通讯、安防等未来市场,成为新兴增长点。

  上市公司发展对整个产业起到重要引领作用,其业绩是反映整个行业的晴雨表。CSA Research 统计,“十二五•”期间以LED为主营业务的A股主板上市公司数量增长迅速,从2010年的2家,增长到2016年的26家。而且随着新三板的兴起,截至2015年年底,新三板上市的LED主营上市公司108家,有LED概念的上市公司更多。作为LED行业的典型代表企业,LED上市企业表现抢眼,营收持续增长,“增收不增利”现象有所缓解。

  CSA Research根据上市公司财报分析,2015年A股25家LED上市公司营业收入总额为492亿元,较2014年同比增长27.8%,实现利润总额达59.1亿元,同比增长18•.14%(详见图7)。而2016年第一季度LED板块实现营业收入总额111亿元,同比增长40%,增幅创历史新高(2015年Q1为20%);同时利润总额达12•.6亿元,同比增长23%,库存状况也为近2年最好(存货周转率为0.68)•。

  中国作为全球照明产品的制造基地,LED照明产品出口持续增长•。CSA Research对海关出口数据的分析表明,2014年,我国LED照明产品出口金额约108.5亿美元•,增幅高达86%。2015年我国LED照明产品出口在2014年的高速增长后增速趋于平缓••,2015年我国LED照明产品累计出口金额近120亿美元,较2014年同期增长15%(见图8)。

  “十二五”期间是半导体照明行业加速洗牌的战国时代•,各大企业通过并购整合快速做大做强已经成为格局调整和行业发展的重要趋势,产业格局初定,逐渐形成以龙头企业为核心的星系化产业集团。如上游进入三安光电股份有限公司、华灿光电股份有限公司、德豪润达等几家独大的局面,而中游的木林森持续凭借价格优势抢占市场份额•,同时与华灿光电股份有限公司、澳洋顺昌以及下游众多企业形成合作同盟,并不断通过参股•、收购扩大版图,已经成为中游重要的市场势力。

  据CSA Research统计,2015年,半导体照明行业共发生46起重要的并购整合交易,交易总金额近400亿元,并购目的除延伸产业链实现多元化发展之外,还考虑渠道、品牌、专利、产能等多个方面。2016年上半年,行业内共发生28起并购案,交易金额超过140亿元,标的或业务延伸或从LED领域转向其他领域•。此外,2015年发生的并购案中有6起为跨国并购•,2016年1-7月份共发生3起我国LED企业并购国外知名品牌的事件,我国企业走出国门,深度参与国际竞争已峥嵘初现。

  在国家发展改革委•、国家标准化管理委员会、科学技术部•、工业和信息化部等政府部门的引导下,在相关行业组织及机构的推动下,标准认证工作改革逐步推进,标准检测认证取得阶段性进展。

  相关机构在重点领域标准技术文件制定•,国际标准化协作平台构建•、领跑者制度实施,检测能力提升、认证体系完善等方面开展了大量工作•,取得了一定成效。发布一批半导体照明相关国家标准及行业标准••;积极参与国际组织标准化工作;检测能力逐步提升•;开展针对半导体照明产品的节能认证和质量认证;联盟等团体标准化试点工作取得进展;智能照明•、健康照明•、医疗应用、农业光照等团体标准制定成为发展趋势。

  随着技术进步推动和市场需求的拉动,半导体照明产业正在进入新一轮高速增长期,逐渐开启跨领域交叉融合,形成更高技术含量与附加值的产品•,未来几年半导体照明发展将保持增长态势,呈现以下特点:

  目前,LED技术的突破远远超过预期,未来LED技术仍将以超乎想像的速度发展。美国能源部(DOE)2016年发布的半导体照明技术路线图中,LED器件的光效目标是255 lm/W。虽然白光LED理论发光效率极限为400 lm/W,但从制备条件和材料的制约以及实际应用的性价比来看•,是否能够以及必要实现这一理论极限尚无定论。后海茨法则时代,光效不再是人们唯一关注的焦点,光品质的提升和光环境的健康和舒适、生态、安全更引人瞩目。

  同时,技术热点频出,研发方向百花齐放;技术将进一步向集成化方向发展,结合集成电路工艺的芯片级光源技术、多功能系统集成封装技术、超越封装的LED模组技术等获得持续关注和跟进•;标准化、模块化•、低成本、高可靠•、高效率是应用产品及系统的主要发展方向;LED技术将与新一代信息技术深度融合,呈现智能化、远程化、数字化、网络化的发展趋势。

  此外,以氮化物LED发光芯片为核心的半导体照明技术取得了长足进步,成为第3代半导体材料产业化的第1个成功突破口。而第3代半导体材料将引领众多技术领域的基础性研发,基于第3代半导体材料的众多创新应用,将推动第3代半导体相关产业爆发性成长,并整体推动材料、信息、能源、交通等高新技术产业的发展,开启微电子与光电子携手并进的时代。

  半导体照明产业正在从原来的技术驱动转变为应用驱动•。学科交叉加速,产业前沿延伸,应用领域拓宽,创新应用将成为替代阶段之后的新增长点和长期成长动力。未来,半导体照明将替代照明进入到按需照明时代及超越照明时代,半导体照明产品也成为智慧家庭、智慧城市、智能社会的重要组成部分。

  除了主流的照明应用之外•,半导体照明在农业•、医疗•、通讯、安全等超越照明的应用不可小视,目前正蓄势待发,CSA Research预计2020年超越照明应用将在LED应用市场中占有20%以上的份额。

  此外•,围绕应用需求,新材料、新器件、新结构、新产品将不断被开发,LED本身体积小、易加工以及数字化等特点将会使颠覆现有的产品形式,与建材等一体化,实现“见光不见灯”的情形。未来的半导体照明产品将是轻、薄、柔、美、多功能、智能化,不但性能提升,更给人们带来美的视觉享受和艺术体验。

  随着半导体照明产业基本进入成熟期后,行业的整体增速显著放缓•,借力资本市场成为改善企业业绩的重要途径,并购整合成为半导体照明行业的新常态。新一轮整合的特点是优势资源逐步向行业巨头集聚•,整合方向也从业内并购逐渐转向跨界融合,双主业并行为企业提供了发展新思路。半导体照明企业转型升级加速,一种是通过整合并购打造“巨无霸”企业,以规模效应和集成能力取胜;另一种是采用“小而美”战略,聚焦细分市场深耕细作,谋求差异化发展。

  同时,传统意义的学科界别、产业界别、商业界别日趋模糊,新兴商业模式和业态也不断涌现,多层次的跨界融合时代已经到来。除不同技术的融合之外,还包括不同应用领域的融合,不同企业文化的融合,不同运营模式的融合,科技和文化的融合,服务和制造的融合等,半导体照明企业也从LED产品的制造厂商转变为提供系统解决方案的服务集成商。

  此外,全球产业格局不断调整,原有的美、日、欧领先,韩国、中国追赶的局面正在改变,中国在部分核心技术领域的突破、巨大的产能和应用市场将支撑我国产业又大变强•,全球半导体照明产业竞争格局有望重塑。

  当前,世界经济步入“大调整”与“大过渡”的时期,我国经济进入稳增长•、调结构的新常态•。随着全球气候治理进程加快、技术进步的推动和市场需求的拉动,全球半导体照明产业进入新一轮的高速增长期,发展呈现新格局新趋势•。我国半导体照明产业发展进入新阶段,增速放缓,正在从替代照明市场进入以智能化、个性化为特征的按需照明及超越照明应用领域。新常态下,我国半导体照明产业面临新的形势和需求,我们只有坚持创新,不懈奋斗,才能抓住机遇迎接挑战,在我国半导体照明乃至第3代半导体领域弯道超车的重要时间窗口期把握主动,实现半导体照明产业中国梦。

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