LED行业发展状况
 
  LED产业链:上游磊晶及芯片制作约占LED产品制造成本7成,其发光颜色与亮度由磊晶材料决定;下游则封装晶粒,制成各式LED器件与应用产品。
  LED芯片封装后可用于照明,由于LED采用半导体制程,LED照明也称半导体照明,半导体照明完全不同于传统的白炽灯、荧光灯照明原理,其具有节能(能耗为白炽灯的1/8~1/10、节能荧光灯的1/3~1/2)、环保(可回收、无污染)、可数字化设计等优势,是下一代照明光源,可全面替代白炽灯、荧光灯、汽车灯及各种背光源。
  目前白光LED的发光效率、可靠性、寿命以及大功率LED封装等技术等还需要进一步提高,成本需要降到到合理水平才能进入通用照明市场,从目前全球产业进程看,这一时间预计在2010年前后。但在特种照明市场,白光LED照明会提前导入。
  目前从全球来看,手机背光占领LED的大部分市场,在接下来的一波推进潮中,笔记本电脑、高端液晶电视背光及汽车灯将成为LED的新增长点;预计在2010年左右LED在通用照明应用将取得突破。从中国市场看,建筑装饰照明、室内外显示屏、交通指示是主要应用市场,随着国内技术水平提高与规模扩大,国内企业在手机背光、NB背光、特种白光照明(包括路灯)、车用LED光源市场的渗透率将持续提高。而当白光通用照明时代来临时,整个行业将步入爆发性增长的发展阶段。
  国内LED产业可简化为两个阶段,第一个阶段生产除高亮蓝绿以外的的各类光色芯片;目前是第二个阶段,即在高亮蓝绿芯片外延、制程产业化技术方面取得突破,这是企业在LED高亮蓝、绿、红芯片领域领先的重要标志。
  由于白光LED靠蓝光芯片+YAG荧光粉封装出来的,突破蓝绿芯片意味着可以生产全色系芯片,意味着突破了产业发展的一个关键瓶颈。因此,国内部分企业蓝绿芯片的量产意味着国内产业发展到一个新的阶段,上中游产业发展进程会加快。
  海外LED上市公司股价近一年呈现强劲走势,LED行业投资机会凸现,中国呢?国内几家优秀LED企业,如大连路明、厦门三安、晶能光电等都没有上市;上市公司中涉足LED的比较少,其LED产品销售大多低于10%(联创光电(10.31,-0.04,-0.39%)销售占比最多,30%,主要销售集中中下游领域),因此国内投资者暂时还不能分享到LED行业快速成长带来的好处。随着半导体照明产业的蓬勃发展,预计将有越来越多从事半导体照明的公司上市,行业投资价值值得持续关注。
  从国内产业发展进程看,行业有五类企业具有高投资价值:一类是具有核心知识产权的企业,这些企业具备全球核心技术专利竞争力;第二类企业是目前在芯片产业化及技术跟踪方面做得比较成功的企业,这些企业将具备全球产业竞争力;第三类企业是优秀的下游封装的企业;第四类企业将崛起于未来的LED通用照明领域;第五类企业在LED产业链外围电子材料领域,如硅片、硅树脂、封装用引线框架、散热模块等;以及LED驱动芯片领域。
  目前全球初步形成以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的LED产业格局,以日本日亚、丰田合成、美国Cree、Lumileds和欧洲Osram为专利核心的技术竞争格局,这五大企业之间通过交互授权避免专利纠纷,其它企业则通过获得这些企业的单边授权避免专利纠纷,五大企业各具优势,但都专注于各自领域的高端市场,其它企业则角逐中高端、中低端乃至低端市场,构成产业的中心—外围格局。
  作为朝阳产业,半导体照明产业的技术仍在处于不断进步过程中,特别是关系到全球近1000亿美元的通用照明市场的半导体照明白光技术还需进一步成熟,所以,尽管日本日亚及丰田合成、美国Cree与Lumileds、欧洲Orsram在世界半导体照明专利市场上暂时处于技术垄断地位,但全球半导体照明产业竞争格局还并未完全形成,这不仅指这五大巨头相互之间的竞争格局还未形成,也包括新的技术涌现会打破这五大巨头的技术垄断,还包括目前围绕这五大巨头的全球其它公司的竞争格局更不能说已经稳定,中国市场也不例外。
  未来的产业竞争将取决于两方面,一是技术,这包括提高发光效率、降低成本的技术,提高器件功率的技术,方向上有现有技术路线的延伸,也有可能出现新的技术路线;也包括获得高质量产品的工艺技术,如提高可靠性、一致性和寿命,以及外围如照明系统设计及驱动芯片设计技术;二是规模,一方面是由于规模大可以降低成本,市场议价能力强;另一方面,化合物外延片与集成电路制造用的硅片很大不同在于即使同一片外延上制作出来的芯片性能也可能有较大差别,这对一致性要求比较高的应用领域(典型的如液晶面板背光)而言,一片外延上只有一部分符合要求,但对规模大的企业而言,其有多层次的市场结构,可以将不符合某一市场要求的芯片产品调配至另一市场,公司总的产出效率得到充分提高。

  第一章、全球LED产业发展
  1.1全球LED产业概况

  目前,半导体照明产业形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局,美国Cree、Lumileds,日本日亚(Nichia)、丰田合成(Toyoda Gosei),德国Osram等垄断高端产品市场。
  五大企业在产品与市场方面各具特色,日亚化学和丰田合成在LED发展中占有重要地位,都形成了LED完整的产业链,其中日亚化学1994年第一个生产出蓝光芯片,并在专利技术方面具有垄断优势;Cree、GelCore等都有自己成熟的技术体系,但其在产业链上只集中在外延和芯片的制备上;Lumileds则关注于大功率LED的研发,在白光照明领域实力雄厚。
  新加入业者的生产能力、技术能力与LED老将即将并驾齐驱。就像台湾已经是日美欧以外,白光LED的主要产地,更是蓝光LED芯片的重要量产地。例如部分台湾业者在高亮度蓝光LED芯片已开发出1700mcd,而1400mcd也达到了出货阶段。所以就产品产出能力与质量技术而言,已经不逊色于传统LED大厂。
  全球LED市场第一波销售成长由手机带动,在白光LED在一般通用照明市场发力之前,恐需NB、液晶电视背光及汽车内饰与后灯市场扛起第二波销售成长大旗,而一旦成本降到并且质量达到一般通用照明水平,其增长不可限量。
  国内LED设备产能状况
  至于大陆LED产能方面,厦门三安MOCVD 12台,红黄芯片产能为1000KK/月,蓝绿200KK/月,国内最大,初步具备国际竞争规模;上市公司中士兰微( 11.29,0.04,0.36%)MOCVD目前2台,8月再进2台,明年进两台,总数达6台,产能达到高亮蓝、绿、红芯片300kk/月;联创光电MOCVD2台,LPE普亮红、绿机台4台,年产芯片100亿粒,其MOCVD机台目前主要用于研发;深圳方大MOCVD三台,年产外延2.5~3万片,年产蓝绿芯片约3亿粒,产能不大。
  其它未上市LED企业,产能统计比较困难,缺乏准确性,初步了解信息大连路美产能为蓝绿芯片100kk/月,其主要产能可能在控股子公司美国AXT;上海蓝光被彩虹集团并购后2008年规划产能150kk/月蓝绿芯片,2010年达到250kk/月。
  值得关注清华同方旗下“清芯光电”,该公司可自行研制LED生产线的核心设备MOCVD机台,这样其采购成本、维护成本大大低于原装进口设备,并且有助于公司提高产品研发能力(日本日亚就全部用自己改装的机台,由于熟悉设备性能,在外延制备上灵活性增强)。2006年7月,清芯光电的MOCVD设备调试一次通过,生产出合格产品;2006年8月外延片、芯片生产线落成投产。据称目前公司能够批量生产发光效率平均达到59lm/W的白光LED,该指标达到国际产业化先进水平。
  2007年3月同方股份( 36.44,1.82,5.26%)加大投入力度,通过增资取得控股地位。目前清芯光电有两台MOCVD设备,月产1000万粒芯片。根据公告,通过同方股份向其提供的不高于2000万美元的担保或资金支持,清芯光电将分批添置13台MOCVD设备,总共形成15条生产线,最终形成年产16亿粒(12mil)高亮度LED管芯的产能,其产业化能力与市场开拓能力还需要观察。
 
 1.2全球主要LED大厂
  日亚化工

       日亚化工是GaN系的开拓者,在LED和激光领域居世界首位。在蓝色、白色LED市场遥遥领先于其他同类企业。它以蓝色LED的开发而闻名于全球,与此同时,它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。它的荧光粉生产在日本国内市场占据70%的比例,在全球则占据36%的市场份额。荧光粉除了灯具专用的以外,还有CRT专用、PDP专用、X光专用等类型,这成为日亚化工扩大LED事业的坚实基础。除此以外,日亚化工还生产磁性材料、电池材料以及薄膜材料等精细化工制品,广泛地涉足于光的各个领域。
  在该公司LED的生产当中,70%是白色LED,主要有单色芯片型和RGB三色型两大类型。
  此外,该公司是世界上唯一一家可以同时量产蓝色LED和紫外线LED两种产品的厂商。以此为基础,日亚化工不断开发出新产品,特别是在SMD(表面封装)型的高能LED方面,新品层出不穷。
  日亚以销售LED封装产品为主,并不对外销售外延或芯片产品,并通过对蓝光和白光LED专利的垄断来建构进入障碍,几乎垄断整个可携式产品的白光LED市场,并获取巨大利润。
  以蓝色、白色LED市场的扩大为起爆剂,日亚化工的总销售额也呈现出逐年上升的势头,由1996年的290亿日元增长到2006年的2000亿日元。这期间,荧光粉的销售额每年基本稳定在300亿日元左右。2006年全球LED市场约为7335亿日元,因此,日亚化工占据了约27.3%的全球市场份额。
  丰田合成(株)
  如果将LED比喻为汽车,那么可以说,日亚化工提出了车轮和发动机的概念,而丰田合成则提出了车体和轮胎的概念。1986年,受名誉教授赤崎先生的委托,丰田合成利用自身在汽车零部件薄膜技术方面的积累,开始展开LED方面的研发工作。1987年,受科学技术振兴事业团的开发委托,丰田合成成功地在蓝宝石上形成了LED电极。因此,把丰田合成誉为“蓝色LED的先锋”并不为过。
  丰田合成在近年来的发展速度也相当快。1998年,其销售额为63亿日元,但到2006年,已增长至276亿日元。
  在应用方面,手机占了72%,此外应用较多的还有液晶背光、按键、背面液晶背光(3in1)等,信号设备、大型显示屏等方面的应用也比较多。此外,汽车导航系统和电脑专用液晶控制器、TV专用大型液晶的背光等也是丰田化合的目标市场。照明应用方面的设计开发也正在紧锣密鼓之中。丰田化合的生产据点除了爱知县平和町的工厂以外,还在佐贺县武雄市建立了生产蓝色LED等GaN LED的第二个生产据点,其设备投资总额达156亿日元,届时两个工厂的总生产能力可达到月产4.2亿个,其目标是2008年LED的销售额达到1200亿日元。
  
Cree
  Cree公司建于1987年,位于美国加利福尼亚洲。主要从事SiC,GaN和Si衬底的开发,是美国宽禁带材料和器件的领导者,也是生产GaN材料的最大公司之一。最突出的还是他们对蓝光LED方面的贡献,公司在SiC衬底上生长GaN外延片制作蓝光上拥有专利,该专利不同于日亚以蓝宝石为衬底生长GaN外延制作蓝光的专利,而蓝光是生成白光的基础,因而在LED上游也占据核心地位。公司的产品包括绿光、蓝光和紫外光LEDs,近紫外激光、射频和微波半导体设备,电源转换设备和半导体集成芯片。这些产品的目标应用包括固态照明、光学存储、无线基础和电路转换等。公司的大部分利润来自于LED产品和SiC、GaN材料的生产,产品销往北美、欧洲和亚洲。
  Lumileds
  创建于1999年,Lumileds照明是世界著名的LED生产商,在包括自动照明、计算机显示、液晶电视、信号灯及通用照明在内的固态照明应用领域中居领先地位。公司获得专利的Luxeon是首次将传统照明与具有小针脚、长寿命等优点的LED相结合的高功率发光材料。
  公司也提供核心LED材料和LED封装产品,每年LEDs的产品达数十亿只,是世界上最亮的红光、琥珀光、蓝光、绿光和白光LED生产商。公司总部在加利福尼亚州的圣荷塞,在荷兰、日本和马来西亚有分支机构,并且拥有遍及全球各地的销售网络。
  Lumileds的前身是40年前惠普公司的光电子事业部,是惠普的专家们从无到有创建的。到了90年代后期,在意识固态发光的前景后,惠普和当时世界上最大的照明设备公司之一的飞利浦公司开始了如何一起发展最新的固态照明技术并引入市场的计划。1999年惠普公司一分为二,她的光电子事业部被安捷伦技术公司收购,同年11月,巨大的市场潜力促使安捷伦和飞利浦组成了Lumileds公司,赋予其开发世界上亮度最大的LED发光材料的使命,并向市场推广。今天的Lumileds,作为一个安捷伦科技和飞利浦照明的合资公司,继续领导着世界固态照明产业的发展。该公司的Luxeon功率光源专利技术率先把传统照明的亮度与LED的小巧体积、超长寿命及其它优势结合了起来。Lumileds每年LED的产量达十亿只,并提供核心LED材料和LED封装。
  近期,在收购Lumileds和TIR Systems之后,飞利浦电子又收购了LED照明系统供应商Color Kinetics,此举帮助这家荷兰电子巨头完成覆盖整个固态照明系统价值链的布局。
  
Lumination
  GELcore是GE照明与EMCORE公司的合资公司,创建于1999年1月,总部位于美国新泽西州。2007年2月,GELcore改名Lumination,公司致力于高亮度LED产品的研发和生产。通过把GE先进的照明技术、品牌优势和全球渠道与EMCORE权威的半导体技术相结合,GELcore已经在转变人们对照明的认识过程中扮演了重要的角色。GELcore几乎涉足所有GaN LED相关产品,现有的产品包括大功率LED交通信号灯、大型景观灯、其他建筑、消费和特殊照明应用等。通过把电子、光学、机械和热能管理等各个领域的技术相结合,GELcore加快了LED技术的应用并创造了世界级的LED系统。另外,GELcore还利用独特的客户管理系统来和那些LED专家和产品应用客户保持长期的友好关系。
  
Osram
  OSRAM是全世界最大的两个照明生厂商之一。建于1919年,最大的股东为Siemens AG,总部位于慕尼黑,在全世界拥有超过36,000的员工。OSRAM商标早在1906年注册,到目前为止是世界公认的历史最悠久的商标名称之一。
  Osram拥有有别于日亚(蓝光+YAG荧光粉)的蓝光+TGA荧光粉白光专利技术,开发出采用SiC衬底的GaN型光电器件,采用蓝光LED芯片和黄荧光粉组合产生白光LED,在大尺寸LCD背光源、白光照明和车用LED产品上具有优势。Osram主要的经营领域在欧洲市场及汽车用白光LED市场,与日亚化学有明显市场区隔。
  Color Kinetics(CK)
  公司组建于1997年,总部位于马萨诸塞州的波士顿市,其在智能固态照明系统及技术设计、市场开发方面处于行业领先地位,并获得了相关技术的许可权。公司的获奖系列产品利用LED的实用及美观性能,在高性能灯具及OEM许可应用中,突破了传统光源的局限。其产品及技术优势使其在数码智能方面获得了一项称为Chromacore(R)的专利,这项专利可用来产生并控制数以百万计的LED灯光颜色及动态效果,应用于舞台照明和景观照明。
CK公司自诞生以来,智能特性一直是CK阵营的主要手段,合作伙伴的战略能够提供给新加入者卓越的范例。当将数字智能技术用于基于高亮度二极管的数百万颜色的产生与控制时,CK公司显然是该领域的驱动者,他们的智能文件夹包括32项已授专利和120多项正在申请的专利。CK公司采取公开、积极的方式与那些认识到智能固体照明的价值及其普遍深入的应用前景的制造商形成委托加工与许可的关系,以促进刚刚起步的固体照明工业的发展。目前CK公司在英国、中国都设有办事处,在日本还成立了一家合资公司。

  第二章、全球LED专利布局
  
2.1全球LED专利概况
  就技术而言,LED具有技术成长瓶颈高,学习门坎低特性;初始投资额也不大,资本门槛不高,为了保持技术竞争力,降低技术外溢风险,专利为最好的保护伞。而专利屏障,对于是领先厂商规避竞争的主要手段,因此专利成为LED产业发展过程中不能回避的重要课题。
  庞大的市场潜力,刺激著全球LED业者积极抢进,面对市场成长快速的白光LED,在各方面都已经超越这些关键专利拥有的LED业者控制的范围,所以拥有关键专利的业者也绞尽心力的利用专利保护伞,来维护市场利益与排除新挑战者的加入。
  如日亚化学工业在1993年时成功地开发出蓝光LED,而该公司为了达完全垄断蓝光LED市场的企图霸心,即运用了坚守专利的策略,悍然拒绝将该专利授权给其它任何的厂商,设下进入市场的专利障碍。日亚挟其在化学工业领域长期研发的优势与专利保护策略,初期很顺利走向垄断蓝光LED市场之路,如同风云中的雄霸一般,野心想独吞天下。1998年竞争对手丰田合成(Toyoda Gosei)的氮化物(Nitride)高亮度LED产品在市场上一推出时,日亚就向东京地方法院提起诉讼,指控丰田合成侵害其蓝光LED专利。在1999年,日亚再转移目标对准美国的知名蓝光LED大厂Cree,向东京地方法院指控Cree在日本当地经销商住友商事侵害其产品专利。2000年12月12日,Cree和日本半导体制造商Rohm公司组成蓝光LED的技术联盟,并签订五年的专属专利授权合约。Rohm即于同年12月15日向美国宾州东区地方法院指控日亚因制造与销售氮化镓LED产品,而侵害其美国第6084899与第6115399号专利,最后日亚败给了Cree。而在2006年日亚发动9起专利诉讼,5起和解收场,三起未决,一起失败。
  时至今日,五大公司Nichia、Osram、Toyoda Gosei、Cree和Lumileds几乎控制了整个白光LED产业,这里专利密集,可以说是雷区重重,使得想进驻这一领域的其他商家忧虑重重、望而却步。尽管如此,很多公司还是极力争取在此领域占有一立足之地,白光LED的广泛、快速应用,以及各大公司在此领域的大力投入,专利侵权、交叉授权等法律事务不断发生。
  国外大厂在LED的专利布局分为三大类:蓝光晶粒专利、白光荧光粉封装专利及高功率LED专利。由于白光荧光粉专利在举证时较为容易,过去厂商的侵权多来自于此,影响层面以LED下游封装厂为主。近来高功率LED应用于LCD面板背光的形式逐渐形成,高功率封装的专利极可能成为继白光荧光粉专利后专利诉讼的主要标的。
  2.2全球LED专利发展变化特点
 
 2.2.1专利集中度日降,大厂之间交互授权成为发展主流
  在2002年以前,日亚凭借1991年至2001年间取得的74件基本专利,主要依靠构建专利壁垒及专利诉讼阻止其它厂商进入市场与其竞争,以获取高额的独占市场利益。
  随着Osram、丰田合成(Toyoda Gosei)、Cree、Lumileds等公司在LED领域拥有的专利数不断增加,2001年起日亚在专利诉讼方面遭到挫败,使其不得不更改专利授权的态度,分别与上述公司达成了专利和解和授权协议。随着拥有核心专利的公司进一步增多,日亚、Osram、丰田合成、Cree等专利垄断公司都更加积极地通过专利授权扩大自身在LED市场的影响力,并通过台湾及韩国企业的授权代工来扩大产品的市场份额。
  同时,技术的快速发展也迫使技术领先企业放弃了独自发展的念头,转而趋向多边技术合作。
  最明显的是日亚化学,其在2002年还希望只靠自身的技术继续白色LED的开发,但现在为了进一步发展白色LED市场,转而趋向有效利用多方的专利合作,来提高技术和产品开发速度。日亚宣布放弃404专利,在很大程度上也是出于这种考虑,另一方面,随著专利期限的步步逼近,这些拥有关键技术专利的LED业者领悟到若继续采取诉讼策略,对日益薄弱的专利期限保护伞是无益的,因为在既有市场下,面临台湾与韩国业者的猛烈攻势,包括日亚化学、OSRAM等等的这些传统业者若坚持死守,势必会面临更艰巨的挑战,此外也因为繁复及冗长的诉讼程序,间接的弱化了开发新技术的力量。所以激烈的技术竞争环境下,出现欧美以及日本等等主要LED业者一改过去的市场策略,例如包括日亚、丰田合成、Cree、飞利浦、OSRAM等业者积极采取相互授权,来回避专利问题,平息彼此纠纷。而在截至2003年以前,这些业者为了维护本身的立场,而热中专利侵权诉讼,也因为如此,使得其它的业者,包括LED封装业者、LED应用业者等等也无端的被卷入诉讼洪潮之中。因此可以发现从2002-2003年开始,令人注目的各诉讼案件,逐渐以交换授权等等的和解方式收场。
 
 2.2.2新入业者带来诉讼风潮LED老将改变策略—扩大单边授权委托生产
  与LED大厂相互之间交互授权“以和为贵”不同,新入业者在发展初期带来诉讼风潮。随著台湾与韩国LED厂商的成长,专利权的纷争更明显,甚至于本来并无直接纷争的传统LED大厂,也因此间接性被卷入诉讼案,例如OSRAM Opto控告接受日亚化学白光LED授权的CITIZEN电子、以及控告接受Cree白光LED相关授权的今台等业者。而日亚化学也针对白光LED封装的新技术,控告了亿光与Seoul Semiconductor等,而对宏齐则是提出了警告。日亚化学的诉讼起缘是因为,亿光与宏齐等获得OSRAM Opto的授权,SeoulSemiconductor则接受美国Cree的授权,所衍生出来的。
  随着时间的流逝,当初各公司所建构的专利网,也逐渐面临薄弱化的情况,在跨越专利期限之后,这些技术将会成为新兴业者生产LED的捷径。与其因为花费巨大人力资金获得诉讼获胜的赔偿金(以美国为例,每一个专利诉讼基本花费达100万美元),不如与这些新兴业者结盟,在BRICs等地区收取授权金,不仅在成效上大幅度提升,甚至可以扩大新兴市场。
  当这样的转变对于新兴LED生产、LED应用业者而言,也是一项好消息,因为对于新兴LED业者而言,如此可以提高产品的质量并且得以扩充新的销售通路,而在LED应用业者方面,除了避免被卷入专利纷争,还可以获得更低成本、高质量的LED。
  各大LED业者从诉讼的漩涡中跳出,扩大授权范围、相互委托生产,就像朝授权收权利金、授权代工的营运模式发展。例如OSRAM采取“收权利金”方式,授权亿光、光宝、宏齐,OSRAM的操作方式是,首先收取一笔2亿新台币的授权金,然后每个产品抽4-7%的权利金;而日亚、丰田合成授权晶元光电代工,AVAGO、OSRAM授权宏齐生产,日亚、日立授权光磊代工生产等等。这种方式让LED应用业者可以获得更低价与质量更好的LED,同时也可以让LED领导业者集中火力的来开发下一代LED关键技术,来巩固原有的市场机会与利益。
  这样,呈现欧美与日本等传统LED大厂与拥有高生产技术、制造能力强大的亚洲新兴业者协商委托生产及合作的新局面。如果持续发展下去,相信整体的变化不仅于此,更进一步所带来的是,这些新兴LED生产业者将会拉近与传统LED大厂的技术距离,以及在更多的单向授权与交叉授权下,生产机会将会流向低制造成本的地区,而这些的变化,却是传统LED大厂所不愿意乐见的;另一方面,这些新兴的LED业者,也必定持续的开发出新的技术来扩大专利伞,所带来影响是,另一波新兴LED业者所带动的诉讼漩涡,又将展开,未来交叉授权的家数,相信也不再会是仅仅只有眼前的数家,而是会扩到大十多家,届时复杂程度比起今天,将是有过之而无不及。
  相信在接下来数年间,将会采取扩大授权的策略。就这样的演变环境下,预计有强大制造能力的台湾与韩国的LED业者将会是第一波最大的受惠者。如台湾已经是欧、美、日市场上LED的主要产地,更是蓝光LED芯片的重要量产地,就全球整体的生产能力而言,台湾已经占全球40%左右,而在实际的产出与销售量方面,也拥有全球市场的25%。不但如此,在质量方面,也已经追上一些LED大厂。而中国大陆目前规模普遍比较小,产品整体技术水平还有待进一步提高,将成为继台湾和韩国之后的下一波获利者。
  
2.2.3专利纠纷重点向应用环节转移
  以前的专利纠纷及授权等专利事件绝大多数集中在蓝光外延、芯片领域,再延伸至白光LED领域,日本日亚(Nichia)正是凭借在这些方面的绝对优势,并通过大量的专利侵权控告来维护其在LED方面的垄断地位。而现在,随着应用市场规模和应用领域的不断扩大,围绕照明应用系统的专利事件逐渐增多,预计在近几年仍将成为专利事件的主体。
  2006年的专利事件也反映了这一趋势,如5月12日,美国法庭判Color Kinetics公司在与Super Vision International的专利诉讼中胜诉,这两个公司都是LED照明系统制造商,其专利纠纷也集中在LED照明应用产品领域;5月25日(Osram)与安华高科技(Avago)在专利纠纷收场后宣布进行专利交互授权,欧司朗将同意Avago以欧司朗专利进行白光LED的制造与销售,而Avago则授予欧司朗使用Avago专利,投入液晶面板背光用的LED系统制造等权利,是以应用产品专利交换LED器件基本专利的典型事件。
  2.3专利保护模糊性与未来趋势
  尽管相互授权的范围涵盖了固定发光晶体管技术的方方面面,但在此领域最重要也是有意义的技术是使用磷光粉将蓝光和紫外光转化成白光的技术。
  但是,这些协议对澄清IP位置、确定哪些专利有效、哪些有优先权等并没有多大帮助。阅读一下专利文献就可以发现一系列与美国专利重复甚至冲突的专利文件存在。目前,有关侵权的法令已逐渐颁布,虽然有一部分上诉存在侵权行为,但另一部分人却驳回此类上诉。到目前为止,真正有关专利有效性的法令还是十分有限的。
  在很多实际案例当中,专利需要保护的主体不是很清晰。当时甚至没有一份真正有效的专利对白光LED的发光原理进行保护,1970年那份保护用屏幕来转换颜色的美国专利也不例外,1991年Nichia通过利用荧光粉来将蓝LED转成白光的专利在美国申请专利而遭拒绝。至于拒绝的理由,不知道是否是因为先前美国专利局已经受理过相同性质的专利。
  比较一下众多专利,其保护重点都集中在磷光体的使用上(交叉约定签订之前,Nichia上诉Osram公司侵权使用一份日本专利而遭到拒绝,拒绝理由就是Osram并没有使用石榴石磷光体)。因此,之后的专利就开始扩展保护范围,以至于保护的内容越来越广但同时也越来越不清晰。
  2005年以来,半导体照明产品开发和应用范围不断扩大,更多公司拥有了相关专利,特别是随着半导体照明应用产品种类和生产厂商越来越多、市场规模急剧扩大,专利关系也越来越复杂。
  在这种形势下,怎样保证一个公司的产品不会侵犯其他公司的专利权就是一个迫切需要解决的问题。从法律角度来看,单纯听信卖家的承诺显然不够,极有可能要冒侵权的风险;聘请专利律师进行调查可以解决这个问题,但要花费大量的时间和资金,并不是每个企业都有能力采用。
  2006年5月美国固态照明公司Intematix及BridgeLux提出了一个解决方法:组成知识产权安全照明业联盟(IPSLA)。IPSLA为半导体照明的零配件供应商提供了一个网络平台,联盟成员的产品及工艺都经由资格专利律师检查证明其在任何方面都不侵权,以保证成员之间购买的零配件不会有违权行为。预计此类的知识产权联盟会在全球范围内得到发展,以保证半导体照明稳步发展成为一个成熟的行业,并促进其在各个相关领域的应用。
  相信全球白光LED的市场与生产结构,将会从2010年出现重大改变,因为从1990年开始所提出的LED相关专利,到2010年时预计20年的有效专利期限将逐渐到期,因此伴随著产业专利结构被打破,紧接而来的是迈入混战时期的高亮度LED产业。
  2.4白光LED主要美国专利状况
  Nichia是在1996年首先将白光LED推向商业化,而白光LED的历史可以说是十分复杂。美国巨大的市场一直是商家必争之地,在美国,主要专利如下:
  贝尔实验室将单个或多个磷光体用于荧光屏的发光,得到了美国专利(3691482)的保护,同时也建立起了光的波长转换原理,该专利受理时间是1970年1月17日;Nichia于1991年11月25日为“荧光粉使用在树脂中并用来模塑成型”这一方法申请一项日本专利,该技术已于1993年6月18日公布,但是申请于1998年6月23日被拒绝,于1999年12月2日,Nichia收回此项申请;Cree拥有一项专利6600175所有权(该专利最初被授权给AMTI),受理日期是1996年3月26日,授权日期是2003年7月29日。该专利声称保护一项“由单颗LED通过降频变换的磷光体产生白光的设备”,并且该专利试图保护所有与之相关的技术和工艺。但是该专利提到的仅仅是白光之外的光源对磷光体的激励,似乎没有涵盖通常的蓝光LED对黄色磷光体的激励,Nichia在专利中提到了蓝光LED对黄色磷光体的激励,但是没有对之进行论述,也没有对基于石榴石的磷光体技术进行论述;Osram的专利6245259在美国专利受理是在2000年8月29日,授权日期是在2001年6月12日,但在此之前的1997年6月26日,其已经获得国际专利的保护。从那时起,就开始存在专利重叠问题了。最初的专利说明了蓝、绿和紫外线LED与掺铈、铽或硫代石榴石的磷光体,这一点在之前的Nichia白光LED和Nichia日本专利申请中都没有提到。这项技术保护的重点似乎在磷光体尺寸规格上(尺寸要在5微米之下)。HP(Agilent)专利5847507受理日期是1997年7月14日,授权日期是1998年12月8日,该专利的描述涉及到已经存在的Nichia产品并且保护的重点是磷光体的发光原理(方式),这就涵盖了较大范围的各种式样的磷光体。
  在白光LED应用方面的第一个Nichia专利5998925在美国被授权是在1999年12月7日,它的受理日期是1997年7月29日,它被整合到后来Nichia专利6069440和6614179中。此专利涉及到基于石榴石的GaN LED磷光体——描述了Nichia商业白光LED;Toyoda Gosei拥有专利6809347保护掺入铕的碱土正硅酸盐磷光体和蓝色或紫外线LED配合使用,此专利具有2000年12月28日的优先权日期,授权时间是2004年10月26日,它把保护重点集中在一种特别的磷光体设计上,它不象其它专利一样措词含糊,它的保护内容清楚明朗。
  2.5白光专利核心——磷光体
  众多专利的最大不同之处在于:磷光体的选择,主要磷光体有下面一些:
  掺入铈元素的钇铝石榴石(YAG),此种化合材料在460纳闷米光波的照射下处于受激状态,能发出宽范围内的550纳米的光波;Osram公司授权给少数生产商的铽铝石榴石(TAG);硫化物构成的磷光体,如掺入铕元素的硫代锶酸盐,此种化合材料在460纳闷米光波的照射下处于受激状态,并能够发出波长为550钠米的绿光;或者掺入铕元素的锶的硫化物,在该条件下能产生红光;含硅酸盐基的磷光体,该用法已被Toyoda Gosei和Tridonic还有Intematix申请专利保护;有机磷光体或者染料(粉),荧光渲色是否包括了第一二项的做法,暂时还没有资料明确说明;毫微粒子磷光体,是其它专利使用最多的方法,但该方法(工艺)在以上几条中均没有提到。
  在可预见未来,专利仍将是LED产业发展关键议题,且专利诉讼的对象将不仅局限在LED厂商,范围也将扩大至应用产品上。

  第三章、LED技术发展
  3.1 LED发展历程
  1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象,由于其发出的黄光太暗,不适合实际应用,更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应,研究被摒弃了。
20世纪20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光,再一次因发光暗淡而停止。
  1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告,随着电流的应用和广泛的认识,最终出现了“电致发光”这个术语。
  20世纪50年代,英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光,但迅速应用于感应与光电领域。
  60年代初,在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED,磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮,甚至产生出橙色的光。当时所用的材料是GaAsP,发红光(λp=650nm),在驱动电流为20毫安时,光通量只有千分之几个流明,相应的发光效率约0.1流明/瓦。
  到70年代中期,引入元素In和N,使LED产生绿光(λp=555nm),黄光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm),光效也提高到1流明/瓦;就在此时,俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED,尽管它不如欧洲的LED高效;但在70年代末,它能发出纯绿色的光。
  80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生,先是红色,其LED的光效达到10流明/瓦接着就是黄色,最后为绿色。
  到20世纪90年代早期,采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。在很长的一段时间内都无法提供发射蓝光的LED,设计工程师仅能采用已有的色彩:红色、绿色和黄色,早期的“蓝光”器件并不是真正的蓝光LED,而是包围有蓝色散射材料的白炽灯。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期(日亚公司1993宣布,中村修二博士发明),再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量,它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。   
  90年代中期,出现了超亮度的氮化镓LED,当前制造蓝光LED的晶体外延材料是氮化铟镓(InGaN),发射波长的范围为450nm至470nm,氮化铟镓LED可以产生五倍于氮化镓LED的光强。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心,在这个发光芯片上抹上荧光磷,然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光,利用这种技术可制造出任何可见颜色的光,今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色,如浅绿色和粉红色。
  在2000年,前者做成的LED在红、橙区(λp=615nm)的光效达到100流明/瓦,而后者制成的LED在绿色区域(λp=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。
  近期开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光,LED发展史到底能走多远还不得而知,也许某天就能开发出能发X射线的LED。然而,LED的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度,像计算机一样,遵守摩尔定律的发展,即每隔18个月它的亮度就会增加一倍,曾经暗淡的发光二极管现在真正预示着LED新时代的来临。
  3.2照明用LED高亮度白光是怎样生成的
  白光LED基本上有两种方式,一种是多晶片型,一种是单晶片型。前者是将红绿蓝三种LED封装在一起,同时使其发光而产生白光,后者是把蓝光或者紫光、紫外光的LED作为光源,在配合使用荧光粉发出白光。前者的方式,必须将各种LED的特性组合起来,驱动电路比较复杂,后者单晶片型的话,LED只有1种,电路设计比较容易。
  单晶片型进一步分成两类,一类是发光源使用蓝光LED,以460nm波长的蓝光晶粒涂上一层YAG萤光物质,利用蓝光LED照射此一萤光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光,再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合,便可得出所需的白光(日亚专利),生产较容易,其效率较高,成本较低,目前大部分白光LED采用此方法;另一类是使用近紫外和紫外光,丰田合成(Toyoda Gosei)与东芝所共同开发的白光LED,是采用紫外光LED与萤光体组合的方式,与一般蓝光LED与萤光体组合的方式做区隔。蓝光LED与萤光体的组合方式,当照在红色物体的时候,其红色的色泽效果比较不理想,紫外光LED与萤光体组合可以弥补这个缺点,但是,其发光效率却仍低于蓝光LED与萤光体组合的方式,至于价格与产品寿命,两者差距不大。
  在过去,只有蓝光LED使用GaN做为基板材料,但是现在从绿光领域到近紫外光领用的LED,也都开始使用GaN化合物做为材料了。并且伴随着白光LED应用的扩大,市场对其效能的期待也逐渐增加。从单纯的角度来看,高效率的追求一直都是被市场与业者所期待的。
  但是另一方面,演色也将会是一个重要的性能指标,如果只是做为显示用途的话,发光色为白色可能就已经足够了,但是从照明的用途来说,为了达到更高效率,如何实现与自然光接近的颜色就显得非常必要了。
  3.3 LED发光效率影响因素
  LED的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料),1994年左右采用AlInGaP(四元素半导体材料)后,其发光强度及发光效率有很大的提高。另外,在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AlInGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED,在发光强度及发光效率上有较大的改进。
  LED的发光强度与正向电流IF几乎成线性关系,即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制,PD=VF×IF(VF为正向压降),若过大地增加IF而使PD超过最大值时,LED会过热而损坏。为了要提高发光强度,开发出中功率LED(一般为几百mW),其工作电流也提高到70mA。为进一步提高发光强度,业者开发出了大功率LED,其功率一般为1~10W(有一些还大于10W),它的工作电流一般为350~700mA,有些可达1A以上。
  市场希望只需一颗就可达到相当亮度的LED,在这一方面的技术落在如何让LED能够支援更大的电流。通常30u㎡的LED最大可以驱动30mA的电流,但是这样的结果远远无法满足市场的期望,所以目标是需要将10倍以上的电流,导通到LED元件中。因此当LED的面积尺寸可以扩充到1m㎡时,那么紧接下来的工作便是如何让电流值能够达到350~500mA,因为驱动电压是3V多,所以就可以有1W的电力能被流进1m㎡的晶片面积。
  而在发光演色的方面,虽然有这么大的功率输入到GaN LED中,但是所投入电力的四分之三都无法转换成光而形成热量,因此LED就会出现过热的现象,这也会直接影响到LED的演色结果。因为LED元件的基本特性是,如果温度上升,发光效率就会下降以及造成演色性偏差,所以如何有效的释放大量产生热量的放热技术成为了关键,因此将LED装在热传导率大、热容量大的材料上就成了相当重要的问题,目前大多是使用有价金属或者陶瓷。
  在现有的发光效率下,如果需要一定程度高辉度,期望因为增加电流量来产生较大亮度的话,这就必须考量如何增加LED的面积来满足所增加的电流,或者利用将数颗小型LED封装在同一个模组之中,来实现封装模组对电流量容许值的提高。在目前的发光效率下,热效应也会成比例的上升,另外,大面积LED比小面积LED的电阻来得要高,使得大面积LED本身的效应也比较大,如果单纯以现有LED为基础来提高辉度的话,将会陷入一个因LED本身价格,和散热材料的成本过高而产生的恶性循环之中,这和以低成本化为基础的市场特性是背道而驰的,而且热效应量的上升会引起封装材料的热劣化,对其使用寿命也有很大的影响。
  由于上述理由,为了扩大未来的白光LED市场,业者就必须提高LED的外部量子效率,如果实现了LED高外部量子效率来提高发光效率的话,所出现的连锁反应就会下降,例如因为减少电流透过而使得热效应比率降低,实现成本的下降和长寿命化。关于这一方面,目前因为透过局部制程的改变、使用不同的化合物半导体材料、各种白色发光方法的开发,以及新一代荧光粉的开发,已经使得LED的发光效率可以达到100lm/W。但现在使用白光LED的发光效率,除了一部分的制品之外,产业化的大多都在30~50lm/W左右。如果要代替节能灯就需要将亮度提升到80~100lm/W,如果要代替使用在汽车头灯上的HID的话,就更需要提高到120lm/W以上的发光效率。就技术上,如果蓝光LED芯片的光输出效率如果达到360mW,配合高阶技术的封装能力,获得100lm/W的白光输出并不困难,包括Cree、日亚等的业者在2006年已开发出高亮度的蓝光LED芯片,紧接着之后的如何降低外部量子效率的损耗便是考验者封装业者的能力,如必须设法减少热阻抗、改善散热等等问题,目前的做法包括了:降低芯片的热阻抗、控制模块和印刷电路板的热阻抗、提高芯片的散热性等等。为了扩大LED特别是白光LED的用途,如何提高发光的效率、相应的辉度、延长使用寿命、降低热效应,以及降低每单位照明的成本等条件,这需要业界做出持续不断的努力。
  在使用寿命的方面,目前已经都能够实现4万小时后才开始进入高峰衰退期的使用时间,但这却只能满足照明的最低要求,照明领域所需要的是更高的使用寿命,现在已经有客户要求LED业者提高寿命的要求,要求4万小时是达到高峰期的70%,也就是说高峰衰退期的使用时间是5.7万小时,而整体的使用寿命题将会提高到11.4万小时,比起目前的8万小时增加了近1/3。另一方面,LED的高峰衰退期是根据投入电量和点灯方法的不同有很大的变动,所以不可能明确定义,使得这一方面还是有一些问题存在。具体上白光LED的长寿命化,大多是透过封装材料的改变来达到,例如由目前的环氧树脂变为silicon来防止树脂黄变,在此同时还能够维持光通量,此外还有包括,采用D/B材料和反射结构的劣化防止技术,来达到改善热效应实现低温驱动。
 

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