(敏感:当局)LED照明產業應用趨勢分析

本文作者:admin       點擊: 2007-10-11 00:00
前言:
目前照明能源使用極為不具效率,使得照明能源消耗增加率,大於整體能源消耗增加率。為了控制照明能源消耗增加率,開發能源效率更佳光源對於解決全球能源短缺將有極大助益。近年來LED發光效率呈現大幅度成長,以照明所需白光LED為例,商品化規格已達50lm/W,超越目前常用白熾燈泡與鹵素燈,日商Nichia預定於2006年底推出100lm/W產品上市,其發光效率與常用螢光燈相當。且依據理論來推算,白光LED發光效率極大值為199lm/W,未來仍有相當大進步空間。



LED照明簡介
照明是人類文明標誌,一如衣食般,首求其應足夠再以求其品質。照明不足,光度不夠,將會影響工作效率及個人視力正常發展,戕害身心健康。
照明光源依發光原理分為熱輻射發光、氣體放電發光、場致發光、半導體發光四大類。在一般照明市場中以白熾燈/鹵素燈、螢光燈、緊湊型螢光燈、高強度放電燈最為常用。

自十八世紀工業革命後,人類開始大量消耗能源,以取得大量生產和工業化產品,此外也由於工業化集中生產緣故,人類也開始大量集中於都市生活,使得都市範圍擴大,人口大量增加,刺激對照明能源消耗。舉例而言,美國與日本為全球主要能源消耗國,兩國人口僅佔全球7%,但卻消耗全球30%能源。
照明市場規模龐大,照明能源佔全球能源消耗相當重要比例。但目前在照明能源使用卻極為不具效率,使得照明能源消耗增加率,大於整體能源消耗增加率。舉例而言,2001年美國商業用途照明使用為3,910 億千瓦小時能源,其中白熾燈消耗了其中32%能源,卻僅產生8%照明量,比較高效率螢光燈或HID則消耗剩下68%能源,來產生其他92%照明量(DOE,2002)。為了控制照明能源消耗增加率,開發能源效率更佳光源,對於解決全球能源短缺將有極大助益。
發光二極體(Light Emitting Diode;LED)是由半導體材料所製成之發光元件,元件具有兩個電極端子,在端子間施加電壓,通入極小電流,經由電子電洞之結合可將剩餘能量以光的形式激發釋出。

早年,發光二極體以指示光源最主要應用,應用於照明領域相當少,僅應用於指示燈,或一些特殊應用,如軍事、隔離的工業照明,以及其它場合(在這些場合,發光二極體可靠性所能降低維護費用,將補償發光二極體照明高成本)。不過過去三、四年來,由於發光二極體製造成本持續降低,以及效率和亮度不斷提高,配合發光二極體所具有壽命長、安全性高、發光效率高(低功率)、色彩豐富、驅動與調控彈性高、體積小、環保等特點,使得發光二極體在一般照明市場應用得以大幅度擴張,帶動其市場需求成長。

近年來LED發光效率呈現大幅度成長,以照明所需白光LED為例,商品化規格已達50lm/W,超越目前常用白熾燈泡與鹵素燈,日商Nichia預定於2006年底推出100lm/W產品上市,其發光效率與常用螢光燈相當。且依據理論來推算,白光LED發光效率極大值為199lm/W,未來仍有相當大進步空間。

LED照明全球市場分析
受限於LED價格、產業標準未定、與光形、壽命、可靠度等技術問題尚待解決,2006年LED照明市場規模僅2.05億美元,其中主要市場來自於建築照明應用,市場規模達0.93億美元,佔整體市場約45%左右。隨著LED技術不斷提昇及廣泛應用領域,預計至2010年市場規模將達7.71億美元,2006-2010年復合成長率達39%。

以區域市場來看,LED照明發展以北美、歐洲、中國及日本發展最快,下列將針對這幾個國家發展現況做簡單介紹。

首先,美國在固態照明發展較早,政府做法也相當積極,如通過Energy Policy Act of 2005以促進固態照明產業的發展,此法由美國能源部(DOE)主導,聯合產業、學界和國家重點實驗室之力量,來宣示對"下一代照明計畫"(Next-generation Lighting Initiative, NGLI)的支持。另外,美國能源部(DOE)從2006~2008年,每年將提撥5000萬美元支持"下一代照明計畫",針對固態照明-LED及OLED技術研發,包括尋找提高LED效率的半導體材料、LED燈具結構及系統改善等。

除政府積極切入固態照明外,美國前五大照明廠為Acuity、Cooper、Genlyte、Hubbell及Juno亦陸續推出LED照明產品,目前五大照明廠僅侷限於LED基礎照明產品如出口指示燈、戶外景觀照明燈而已,然而覬覦LED照明市場的不只有照明大廠而已,預計在2007年會有更多公司進入此市場,勢必競爭將更加激烈。

歐洲照明廠商對於照明燈具設計屬於較前瞻,消費者對於新產品接受度亦較高,因此在LED照明發展較早,目前歐洲照明廠商已相繼投入LED基礎照明產品的發展,尤其是在建築景觀照明的應用,但是由於LED成本以及發光效率仍無法與傳統燈源比較,因此在2006年LED照明營收仍相當的小。然而歐洲節能意識高漲且電價也相對較高,若未來LED成本及發光效率優於傳統燈源時,LED照明市場將會在歐洲快速普及,普及速度甚至會超越美國。

以歐洲著名照明廠商Philips為例,Philips為因應蓬勃發展的LED市場,除以併購方式、化敵為友強化供應鏈,掌握專利、建立與同業間競合的關係外,藉由Lumileds及其通路商建構Luxeon Lighting Network網路平台及成立Lumileds Future Electronics組織,藉由此方式讓燈具製造商和照明解決方案廠商能快速進入LED照明市場,並將公司產品透過此方式快速推廣出去,創造雙贏的局面。

中國為全球最大照明燈具生產國,燈具製造商達5千多家左右,然而中國燈具製造商主要提供低階的燈具如聖誕燈串等等,或者只能為國際燈具大廠代工,例如Zumtobel看中中國燈具廠商低成本的生產優勢,以契約方式與數百家中國燈具廠合作,藉此進入大陸市場及控制產品品質。

有鑑於此,中國當局在2006年提出的「十一五規劃」中,將固態照明列為國家發展重點產業,預計投入350萬人民幣作為固態照明研發經費,其中LED磊晶、晶粒、封裝以及LED照明應用更是發展重點,中國當局希望健全整個LED產業的發展,使得LED照明生產能力提升,朝較高階的燈具製造,甚至有能力外銷至世界各國。

最後,日本的白光LED的投入非常積極,一方面是因為日亞化學工業與Sumitomo Electric掌握的全球技術的領先地位,另一方面是日本政府因應1997年12月全球氣候變化綱要公約締約國第三回會議(COP3)中,同意於2010年時因使用能源而產生之CO2排放量能較1990年更安定化,為防止地球溫暖化以及減少CO2排放量等前提,民生部門的節約能源列為重要課題。日本國內照明方面所耗電力約佔全國之20%,希望藉由省能源型之照明裝置的開發而達到上述目標,因此具有低耗電、長壽命、小型以及輕量等優點的LED便列為開發新省能照明實用化的目標。

為達到開發新省能照明實用化的目標,日本通商產業省基礎產業局於1998年3月正式擬定「高效率電光變換化合物半導體開發(21世紀光計畫)」基礎計畫,是領先全球針對省能源型LED照明光源進行實用化之相關研究。LED於影像、顯示光源方面目前已實用化,且近年來由於光電半導體技術急速進步,高亮度白光LED技術持續突破,其消耗電力僅白熾燈泡之1/8及日光燈之1/2,發展白光照明為刻不容緩的任務。雖然日本21世紀光計畫已於2002年結束,後續日本並未有以技術研發為主體大型國家計畫出現。但觀察日本LED政策走向,發現日本對於LED產業政策發展已轉向,由過去以協助技術成長為主,轉向於建構/培養需求市場,具體作為有協助LED標準設立及租稅獎助LED使用,以擴大市場。

另外,依照LED照明市場應用領域區分,則包括字型燈/輪廓照明(Channel Letter/Contour)、建築照明(Architectural Lighting)、零售展示用照明(Retail Display)、消費者手持式照明(Consumer Portable)、居住用照明(Residential)、娛樂用照明(Entertainment)、機械影像/檢查(Machine Vision)、安全&保全(Safety/Security)、屋外用照明(Outdoor Area)、離網型照明(Off-Grid)等十大應用,其中以建築照明應用為最大宗,2006年佔整體市場約45%左右,其次為字型燈/輪廓照明及消費者手持式照明,分別佔整體市場16.6%及14.6%,再其次為安全&保全及機械影像/檢查,分別佔整體市場7.8%及6.3%,其餘應用比重不大,僅0%-4%左右。下列將針對十大應用領域作簡單介紹。

字型燈/輪廓照明(Channel Letter/Contour)
字型燈/輪廓照明2006年營收約0.34億美元,佔整體市場16.6%,為LED照明第二大應用領域。此應用市場屬於小型專案性質,主要客戶為全球性的大型連鎖企業,如BP、McDonald's和Wal-Mark。另外,絕大部分的字型燈/輪廓照明廠商都屬於小型公司且有屬地主義的現象,以美國為例,字型燈/輪廓照明廠商約有6千多家,但整個美國市場僅0.05億美元。預計至2010年字型燈/輪廓照明營收將成長至0.7億美元,2006-2010年年複合成長率為19%。

建築照明(Architectural Lighting)
建築照明2006年營收約0.93億美元,佔整體市場45%,為LED照明最大應用領域,主要是因為其屬於商業照明領域,對於價格敏感度相對一般消費者低,且隨著白光LED光通量及發光效率提升,包括庭園路燈(Path light)、探照燈(Floodlight)、階梯燈(Step lights)、陽台燈等對於LED使用比率快速成長。

2006年LED建築照明應用最多的地區為中國,約佔36.4%,中國主要是近年來經濟不斷成長且為迎接2008年奧運,基礎建設持續推出中,而LED除色彩優勢外更具有省電功能,正好符合中國政府省能的政策目標,因此LED廣泛被應用在新的建築照明中。其次為歐洲地區及北美地區,分別佔30.8%及28.9%。隨著LED光通量及發光效率提升,包括庭園路燈(Path light)、探照燈(Floodlight)、階梯燈(Step lights)、陽台燈等對於LED使用比率將快速成長,預計至2010年建築照明營收將成長至3.84億美元,年複合成長率為42%,佔整體LED照明營收約50%左右。

零售展示用照明(Retail Display)
零售展示用照明2006年營收約0.07億美元,市場不大僅佔整體市場3.2%。在展場中,零售展示用照明不但需要大範圍的照明,更需要能呈現出產品特色的光源,展示產品種類眾多,包括衣服、化妝品、食物、珠寶等等,要如何利用不同的照明呈現出產品與眾不同的地方,將是一門重要的學問。LED於2006年開始進入零售展示用照明領域中,主要LED有幾個特色:1.LED壽命長,可降低維修成本;2. LED光色、色溫、演色性可變,可以依被照體不同,選擇不同的光源,大大提升展示的美學效果;3.LED光線中缺少紅外光及紫外光可避免破壞產品本身;4.成本較光纖低、效率較白熾燈泡高、色彩呈現較螢光燈好等優勢。在眾多優勢趨使下,預計至2010年零售展示用照明營收將達1.07億美元,年複合成長率高達101%。

以Wal-Mark為例,Wal-Mart率先將美國店面約500多家店面的冷凍/藏櫃光源改為LED,總經費投入0.13億美元。由於LED高發光效率、使用壽命長低等特性,預估每年可省超過2.6百萬美元能源成本,較現有螢光燈少66%。有助於降低對環境的威脅, 每年將可減少3500萬磅的二氧化碳, 也就相當於種植4,464公頃的樹木或是在道路上減少3,143台汽車的效果。Wal-Mart下一階段的目標是要將全球約6,689間店面內的低溫冷凍/藏櫃改裝LED照明系統。

消費者手持式照明(Consumer Portable)
消費者手持式照明2006年營收約0.3億美元,佔整體市場14.6%。消費者手持式照明包括手電筒、閱讀燈及礦工燈等等。目前來說消費者手持式照明整體市場約10億美元,其中手電筒佔最大的市場份額,而LED在特殊及專業的手電筒滲透率將近30%,主要是因為在特殊及專業的手電筒價格敏感度相對較一般消費者低,若LED技術及價格能進一步改善,未來將有機會進入一般照明用手電筒,進一步擴大其市佔率。預計至2010年消費者手持式照明營收將達0.84億美元,2006-2010年年複合成長率達29.4%。

居住用照明(Residential)及屋外用照明(Outdoor Area)
居住用照明包括嵌燈(Recessed cans)、投射燈(Track lights)、吊燈(Pendants)等,屋外用照明則包括路燈、街燈等等戶外照明,然而受限於LED價格、產業標準未定、與光形、壽命、可靠度等技術問題尚待解決,LED在市場潛量最大的居住用照明及屋外用照明市場佔有率相當低,於2006年營收分別為1.6百萬美元及0.23百萬美元。

娛樂用照明(Entertainment)
娛樂用照明主要是包括LED使用在聚焦燈、舞台的天幕燈或LED光條使用在戲院、電視、現場音樂會、魔術秀,以及舞廳、俱樂部、招待所等地方都包括在娛樂用照明中。LED於娛樂用照明較傳統燈源優勢在於LED光色、色溫、演色性可變以及壽命長,然而娛樂用照明廠商主要是以出租方式提供給舞廳、俱樂部等需要燈光設備的客戶,在投資新設備上較不積極,造成LED在市場滲透率較慢,因此2006年娛樂用照明營收約0.03億美元,僅佔整體市場1.7%,預計至2010年營收將成長至0.13億元。

機械影像/檢查(Machine Vision)
2006年機械影像/檢查照明營收約0.13億美元,佔整體市場6.3%。LED應用於機器影像/檢查除LED可變化不同形狀外,LED更有壽命長的優勢,預計2010年營收將成長至0.28億美元。

安全&保全照明(Safety/Security)
安全&保全照明主要包括緊急照明及出口指示,2006年安全&保全照明營收約0.16億美元,佔整體市場7.8%,依區域別來看,北美佔65%居冠,主要是因為美國能源部(DOE)及環保署(EPA)透過"Energy Star"計畫提倡節源效率,而LED出口指示燈正符合此計畫目標,因此直接影響消費者購買行為,使得美國成為LED安全&保全照明最大應用國。其次為中國22%,再其次為歐洲10%。
然而由於出口指示燈市場已經趨近於飽和,因此未來LED出口指示燈市場主要來至於取代及新的裝置市場,預計至2010年LED出口指示燈將會完全取代舊有的出口指示燈,尤其是LED價格持續下降時取代速度將會更快。

離網型照明(Off-Grid)
LED離網型照明包括以風力、太陽能等不使用市網電力發電,也包括在遊艇及船隻上的使用。2006年LED離網型照明營收僅7.7百萬美元,而主要營收來自於與太陽能結合的產品,發展較快的地區則是在美國及歐洲,分別佔46%及34%,另外值得注意的是,許多供應商亦將LED與太陽能結合產品銷售至第三世界國家如印度,主要是因為第三世界國家市網電力不普及且鋪設線路成本高,因此使用太陽能可以省去鋪設線路的成本及困難,未來將持續改善太陽能面板及太陽能發電技術,預計至2010年LED離網型照明營收將達0.3億美元,2006-2010年複合成長率達40%。

技術發展
LED照明發展上,目前仍侷限於LED本身存在著許多問題尚待解決,包括成本、發光效率及散熱問題等,業者認為待LED本身問題解決後,LED照明產業才會開始蓬勃發展。

舉例來說,目前LED積極想進入一般照明光源市場,以取代目前普遍使用白熾燈、鹵素燈、螢光燈等光源。比較LED與現有光源產品特性差異,可以發現LED目前在發光效率有長足進步,但是仍較螢光燈有一段明顯距離,且LED所能發出光通量也明顯不足,再加上LED高單價,要在短時間內取代現有光源仍有相當困難。

所以未來LED照明應用上關鍵課題,在於如何光通量特性以及降低成本,而降低成本又與特性改良息息相關,彙整LED技術發展方向在於發光效率與亮度等光特性改良。

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