照明應用中LED和OLED的比較及產業發展分析

張天翼 顧 磊

(1.中國電子信息產業發展研究院，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

隨著照明技術的不斷發展，人類在經歷了白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈之后，正在步入半導體照明時代。作為新型照明技術的LED，擁有節能、環保、光效高以及易于控制等優點，LED目前已經被廣泛用于照明和顯示領域。

LED由GE公司的N.Jr.Holonyak在1962年所發明［1］，當時LED的光效僅為0.11m W。六年后，Monsanto和HP首次生產出使用GaAs0.6P0.4GaAs材料的紅光LED。在隨后的30年間，LED技術快速發展，LED發光效率的提升遵從于Craford定律［2，3］，器件光效每10年增加一個數量級，到2000年已增長1000多倍，遠遠超過白熾燈和熒光燈［4］。而單個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LED光輸出量每18～24個月翻一番［5，6］。LED照明應用發展如此之快，以至于其發明者Holonyak曾于2000年在美國物理學報(American Journal of Physical)上發表題為“LED將是燈的最終狀態?”的文章［7］，并預言LED能夠也必將不斷發展直到各層級的光亮度和色彩都得以實現。

在照明領域，OLED作為面發光光源，相比LED而言，具有更輕、更薄、可柔性以及潛在的低成本優勢。

作為OLED的發明者，鄧青云研究OLED可追溯到1979年，并于1987年發布首篇關于OLED的研究成果［8］。最早的OLED器件呈現三明治結構，通過低于10伏的直流電驅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照明應用帶來希望。日本先鋒公司最早在1997年將單色OLED應用在汽車的音響系統上，開啟了OLED商業化應用的新篇章。值得注意的是，磷光材料的引入使OLED器件能夠打破內量子效率25%的限制，使器件內量子效率在理論上可以達到100%［10，11］。經過不斷努力，白光 OLED在2009年已經可以達到1000 cd m2的初始亮度以及10萬小時的壽命［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OLED照明的產業化，而中國國內也有維信諾和第壹有機發光在積極投資OLED照明面板的研發和產業化。

本文將從照明效果以及成本兩方面入手，結合LED和OLED的照明市場趨勢及產業化應用提出發展建議。

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)將兩個樣品進行等照度模擬比較;

(3)比較LED和OLED產品的成本發展趨勢;

(4)分析進一步降低產品成本的途徑。

2.1 OLED照明面板和LED燈樣品的參數

OLED照明面板由飛利浦提供，可在市場上獲得，公司網站公布的售價是每片120歐元。面板擁有一個正方形的發光區域，所有發光材料均為磷光材料。其他的參數如表1所示。

LED燈同樣來自于飛利浦公司，型號為FS400D。其他參數如表2所示。

表1 OLED照明面板的參數Table 1 OLED parameter

表2 LED燈樣品的參數Table 2 LED lamp parameter

2.2 配光曲線模擬

基于表1、表2的參數，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，為了達到可比擬的模擬效果，選擇使用16個OLED面板與1個LED燈進行匹配。

亮度分布模擬中作者進行了一定的假設，主要包括燈樣品被放置在桌面上方600毫米處，且桌面足夠寬闊并且其上沒有其他物品。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樣品能夠實現相近的照明效果。在表3中更進一步通過數據驗證了上述結果，即模擬中的OLED面板和LED燈樣品能夠實現相近的照明效果。

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

2.3 成本分析

從以上的模擬結果我們可以看出，雖然OLED產品已經成為業界心目中未來的選擇，但在現階段，其與LED產品的差距還非常懸殊。LED產品在業界的共同推動下，將繼續保持快速發展，而OLED仍然面臨成本過高，關鍵技術有待解決的發展瓶頸。

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

根據美國能源部的預測，到2030年，LED產品的成本將降至現在的1/10，而發光效率將突破200lm/W，詳見表4。

表4 美國能源部預測LED產品發展趨勢Table 4 LED product development tread by DOE

本文在表5中對OLED面板的成本進行了分解，其中設備、勞動力、良品率以及材料成本所占比例遠高于其他因素。而當生產線由4.5代升級為6代線時，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)加強低成本量產設備研發;

(2)改善各生產環節所用設備的可靠性和生產能力;

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

(3)提高材料利用率降低材料成本;

(4)提高產品良品率;

(5)引進低成本的配套工藝，如封裝技術等;

(6)開發具有自主知識產權的新一代量產設備，如卷對卷成膜工藝。

3 產業發展動態

3.1 LED產業發展趨勢預測

由于政府對價格不敏感且自身具有推動節能產品普及的需求，因此公共照明領域將成為LED市場發展的主要增長點。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、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展。以廣東省為例，按照廣東省政府印發的《廣東省推廣使用LED照明產品實施方案》規定，全省道路、公共場所、政府機關、國有企事業單位等財政或國有資本投資建設的照明工程以及南沙、前海、橫琴等新規劃建設的新區一律使用LED照明產品。珠三角地區要力爭在2013年底前，東西北地區在2014年底前，普及LED公共照明，帶動全社會普及LED照明，實現全省同比口徑下照明節能50%以上，拉動LED產業“十二五”期末實現年產值5000億元以上。雖然廣東省的這一舉措有點行政強推的味道，但畢竟對推動LED產品市場發展具有積極意義，在全國也具有積極的示范推動作用。

據賽迪顧問預測，到2015年我國LED市場規模將達到678.7億元 (圖3)。

3.2 OLED照明產業發展趨勢預測

圖3 2011—2015年中國LED照明市場規模及預測Fig.3 2011—2015 LED dighting market in China

盡管OLED還沒有發展到產業化的階段，但其前進的步伐卻沒有減緩，包括歐洲、美國與日本等國家在內，都已有廠商投入大量資金研發OLED照明技術。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，發光效率已經達到90lm W水平，詳見表6。

表6 SID2012展會上松下和東芝OLED照明產品參數對比Table 6 OLED Parameter comparison

根據DisplaySearch的報道，目前已經有很多廠商都在計劃或已經量產OLED照明產品，到2018年，全球OLED照明市場總規模將達到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，因此處于發展中國家的中國，市場份額應比重較小，本文以全球市場為范圍進行規模預測。

4 產業發展建議

由上述數據可以看出，LED和OLED都擁有廣闊的市場發展空間，我國企業如何在其中獲得更多的市場份額，本文首先針對OLED在照明領域的發展給出以下建議:

圖4 2011—2015年全球OLED照明市場規模及預測Fig.4 2011—2015 OLED lighting market in the world

(1)由于OLED成本過高，在短期內還不足以在照明領域替代LED。盡管OLED已經能夠顯現出低成本優勢，但在科學家和研究人員面前仍有一條漫長的路，要去改善器件生產工藝。成熟的產業化技術能夠有效降低OLED面板的成本。

(2)白光OLED材料仍需要進行深入研究，以獲得更佳的照明參數。其中磷光材料分子結構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企業在未來應該更多關注OLED照明器件的功能型應用，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，全球經濟衰退時期正是引進國際先進OLED技術的關鍵時期，為我國OLED產業引入核心技術人才，集中財力攻克關鍵技術環節，能夠推動我國OLED產業持續快速發展。

對于LED產業，我國的LED產業在過去一段時間已經獲得跨越式發展，有眾多中小企業涉足LED封裝及終端產品的生產。但是我國的LED企業，尤其是廣東省的企業，由于不具有核心專利和技術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，中小企業的LED產品質量不夠穩定，往往幾年之后就無法點亮，從而導致退貨而對現金流產生嚴重影響。為了能夠改變這一現狀，作者建議行業主管部門應正確規劃產業發展方向，有效進行資源要素配置，集中力量重點發展。同時，積極推動行業標準出臺，增強行業自律。對企業而言，更應立足長遠發展，以維護行業健康發展為己任，增強企業的社會責任感。

5 結論

LED和OLED分別吸引了全世界的關注，照明應用是他們最為重要的應用領域。本文比較了LED和OLED器件的照明效果，盡管從模擬實驗的結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器件的價格遠遠高于LED。面對未來巨大的市場機會，OLED照明產品的制造者和研究者應不斷改進生產工藝和技術以降低產品成本，而LED產品制造商應該穩定產品質量，維持并進一步擴大市場份額。在本文的模擬和討論之后，作者也分別對OLED和LED產業提出發展建議。

致謝:作者感謝徐慶輝先生在計算機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.