美国能源部固态照明制造研发路线图

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1、美国能源部发布固态照明（美国能源部发布固态照明（SSLSSL）制造研发（更新）路线图）制造研发（更新）路线图时间：2010-12-28 17:13:00 作者： 来源：中国低碳照明网 2009 年 9 月 24 日,美国能源部(DOE)发布了一份固态照明（SSL）制造研发的产品路线图（Roadmap ）,这一路线图体现了业界对 SSL 制造、最优方法和时机进行沟通和交流的最新看法和共同期望。 这一蓝图的制定是对 DOE 早先发布的 SSL 研发多年计划的有效补充，将对SSL 计划以及未来新型 SSL 产品的生产制造提供指引性意见。这一新计划主要目标为：一是改进产品一致性和质量，二是通过改善制造

2、工艺来有效降低成本，三是鼓励美国国内厂商将 SSL 产品制造本土化。除此之外，这一蓝图计划也有意扮演设备和材料供应商的指导者角色，帮助他们降低风险，并最终降低 SSL 制造的成本。 路线图发布之时，美国能源部就明确了其作为多年度方案，该路线图还会根据项目进展以及优先目标进行适当的调整和更新。 2010 年 7 月，最新的 SSL 路线图如期而至，为了让读者及时了解到该路线图的最新情况，本刊特将更新后的路线图进行连载刊登，以飨读者。 固态照明研究与发展：工业路线图固态照明研究与发展：工业路线图 美国能源部：能源效率和再生能源 国家低碳照明研究中心（译） 本研究课题主要服务以下领域： 照明研究和发

3、展 建筑技术项目 能源效率和再生能源办公室 美国能源部 本研究课题获得以下机构的专业支持： 巴兹利咨询 Navigant 咨询公司 拉德克利夫顾问股份有限公司 SB 咨询 固态照明服务公司 前言前言 2005 能源政策法案指示能源部推出“下一代照明行动”，其中包括对以比当前照明技术更高效、更持久和更少影响环境为目标的固态照明研究与发展的支持。能源部在这些目标上已取得很大的进步，现在的市场上也确实出现了许多有效的 LED 照明产品。 2009 年，为完成指导芯片与产品研发方案的固态照明研发多年度方案计划，能源部开始了一项新的固态照明制造业行动。那项行动作为 2009 多年度方案计划的延伸，包括专

4、家圆桌会议和两个研讨会，最终成就了 2009 固态照明制造业路线图。2009 固态照明制造业路线图关注的是取得固态照明产品成本效益、高质量制造能力的研发需求，包括封装器具、替代灯泡或者完整的灯具。报告包括一些列举固态照明所需和预期进步的图表。由于是多年度方案计划的一部分，能源部打算与行业搭档合作每年都回顾、更新这个报告。 今年，建立在 2009 年确立的总体时间与目标之上，已有一项为了达成方案最终目标在近一至两年内优先工作具体领域的重点研究。 很多固态照明方案的背景资料，包括重大成就综述、研究热点、立法框架和财政支持，会出现在 2010 年 3 月的多年度方案计划中（本刊随后也将刊载该计划 编

5、者），我们不在此重复那个材料，但恳请读者将其作为阅读这篇固态照明制造业路线图的背景资料来进行查阅。 1.1. 概述概述 固态照明制造业行动的目标是： 1 降低固态照明光源和灯具的成本； 2 在保持高质量产品的同时提高产品的一致性； 3 为该行业中基于美国国内的制造业塑造一个重要的角色。 能源部相信在理解最佳实践、一般设备需求、过程控制、以及其他制造方法与问题上进行竞争前的合作是达成这些目标的最佳途径。 这个固态照明制造业路线图将指导未来包括为征求合作研发项目募集资金在内的能源部研发行动计划。这是在本年内高度合作与参与努力的结果。2010 年更新工作开始于 2010 年 3 月 16 至 17

6、日。那时能源部为 LED 和 OLED 召集了两个专家小组来介绍近期需完成的具体任务以及路线图本身的更新材料。然后，在 2010年 4 月 21 至 22 日，也就是能源部在弗吉尼亚州费尔法克斯的首次制造业研讨会后刚好一年，大约 280 名来自固态照明价值链中广泛部门的代表聚集在加州圣何塞，参加制造业研讨会和路线图更新。这个数字相对于 2009 年研讨会的出席人数来说有一个很大的增长，其中有一大部分的出席者是头一次参加能源部的固态照明研讨会上面已经提到，这个路线图的初衷是指导研发方案和帮助直接募集资金。另外，它还在固态照明制造业预期发展的业界共识基础上为设备及材料供应商提供指引，以降低风险，最

7、终降低整个固态照明制造业的成本。对关键设备及标准化组件多渠道发展的支持也可以提高质量和降低成本。同时，找到最佳做法可以降低产品易变性和提高产量。从这种意义上说，公司都是很愿意来分享自己的经验的。 值得注意的是，这个文件里各项具体路线图所讨论的活动中有许多都超越了能源部固态照明制造业行动的范围，有些还超越了能源部固态照明总体方案的范围。能源部固态照明方案将努力穷尽属于方案章程的所有问题，但是能源部固态照明制造业路线图中的有些活动预计将由企业、行业协会或者其他利益相关者来进行更恰当地讨论。同样可以预见的是，随着每一次的修订，能源部固态照明制造业路线图将变得更加全面、精确，而且更加详细。持续的改进使

8、得它成为一部有生命力的文件。 研讨会的介绍和宣传可见： 这个文件的组织结构采用与 2009 版相同的形式，并分为独立的 LED 和 OLED两个部分。随着更多需求细节的出现，一个描述由圆桌会议及后来研讨会所认定的优先研发任务的新章节被加入到这次的更新中。第五部分继续去年开始的对固态照明相关标准进步的更新。在参与者提出对尚不存在标准附加或者持续的需求时，这些建议已经被注意到。附录 A 提供了许多领域内已定和待定标准的信息，包括与制造业并无直接联系但却相关的检测及性能指标。 1.11.1 20102010 年的关键发现和总体建议年的关键发现和总体建议 2009 年的路线图从总体上说是提供了固态照明

9、制造业预期发展的大量信息，那么今年更新的一个重要组成就是在达成近期目标所需的关键具体任务上汇集一些共识，以按照路线图的大方向取得进步。3 月份圆桌会议期间的讨论提供了一些研发专题，他们是从研讨会上所介绍的优先任务中精选出来的一小部分。研讨会的参加者们在 LED 和 OLED 的单独分会期间对这些任务进行了讨论和精炼。另外，这些小组介绍了整个路线图中的变化，其中一些是更新数字以反映当前的状态，另一些是对 2009 年版的某些讨论进行明晰和细化。接下来的部分总结了优先任务以及一些在这个报告的随后章节中更详细的附加变化。 1.1.11.1.1 LEDLED 制造业研发的优先事项制造业研发的优先事项

10、在 3 月份的圆桌会议期间，7 件 LED 的优先任务被确定下来。在 4 月份的研讨会上，其中的两件被结合到一起，另外又有一件被确定下来。下面列出研讨会所选择的标题和简要描述，更多细节可见 4.2.1 部分。 表一：LED 制造业研发优先任务 在这些任务中，前两个是关于灯具制造的，最后四个是关于 LED 晶片与封装，第三条是兼顾两样的。 一些在研讨会上关于独立任务或路线图其他方面的讨论所产生具体建议贯穿于这整个文件。还有一些并不专门与路线图相关的更加宽泛的建议： 提供 LED 灯具设计的教育和证书 考虑到一个 LED 灯具的寿命末期，可能的话还要建立一个回收机制 定义 LED 封装的标准足迹有

11、助于替代性 鼓励发展全行业共享的零件和材料数据库 1.1.21.1.2 OLEDOLED 制造业研发的优先事项制造业研发的优先事项 圆桌会议明确了 OLED 制造业五个优先的备选任务。其中，只有下面列举的四个在研讨会上得到了大力支持。另外一个关于在线监测的被并到了任务 M.O2中去。经过研讨会的讨论，这些任务的标题和描述有了一些变化。更多详情可见4.2.2。 表二：OLED 制造业研发优先任务 除了制造业任务建议，圆桌会议上还有些被认为更适合于芯片与产品研发方案的任务建议。这些将在多年度方案计划 2011 年的更新中被加以考虑。 对于这个方案还有一些关于 OLED 的宽泛建议： 发展产品、程序

12、、工具和封装的具体规范 区分试生产的程序并将他们定义清楚 用分好的程序来确定所需工具 弄清各层与系统元件之间的接口 采取修复和材料回收战略以使浪费最小化和降低成本 研究国际标准以保证发展的兼容性 1 12 2 降低成本的整体计划或贡献降低成本的整体计划或贡献 1.2.11.2.1 LEDLED 照明照明 一些两个研讨会都参加过的演讲者为多个领域的发展都提出了路线图，而随后引发的讨论更精炼了那些想法。从一个高层次的角度来看，找到逐渐降低成本的主要因素应该是可能的，然后在这些因素中还能为材料、程序或者性能精炼出更多具体的目标。 图 1 展示了一个高级别的费用分解和基于 LED 的灯具成本降低的预测

13、。最初的 2009 年成本细目是 Cree LLS 在 2010 年 4 月的研讨会上所提供信息的基础上做出的。这个数据反映了基于固态照明多年度方案计划中 LED 封装价格之上的成本降低预期，汇集了两个研讨会的报告和灯具分会的讨论。 图 1：LED 灯具成本轨迹预期 来源：能源部制造业研讨会达成的共识 图 1 中的预期说明因为改进制造程序和“专为制造而设计”灯具所产生的潜在成本节约，这将最直接地影响到机械和驱动器的成本。在这个意义上，机械包括两种机械部件，即完整的灯具装置和安装 LED、驱动器、光学元件的工具，以及用来较好处理装置里所产生热量的热组件。驱动器是指带有为运转一个 LED套装或模块

14、或者灯泡而设计的整体控制电路的电源。请注意这包括了将分支电路转换成直流电的电源还有电子控制装置。另外，随着自动化制造和集合化运行代替灯具和附属元件制造的手动程序也可以节约成本。由于这项新的照明技术是基于半导体技术和制造程序的，最终的灯具产品可能会得益于为制造和装配消费性电子产品而发展起来的自动化技术。自动化可以为整套灯具和附属元件降低劳动力成本，这就解除了灯具制造业迁出美国的一个动因之一。正如能源部 2010 多年度方案计划所反映的，LED 灯具的总体目标是预期每年价格下降（以美元每千流明计）大概 22%，到 2015 年大约表现为 4，到 2020 年大约表现为 2。 见 5.1.1 部分

15、LED 和 OLED 元件的定义。 如图 2 所示，对于 LED 封装也建立了一个类似的高级别费用分解和成本降低预期。这个费用分解和预期是建立在成本建模工作小组所提供的初步数据的基础之上的。我们需要特别注意去比较一下这里的成本预期和表 3 所示的价格预期。这里的成本预期是基于每套的原始美元制造成本所做出的，而表 3 中的价格预期则是综合了流明输出和毛利等其他一些因素所做出的。 图 2 表明封装成本占了整套 LED 成本的最大一部分。虽然没有在成本预期中反映出来，但制造业上游程序的改进，比如外延程序中均匀性的改善，将通过提高装仓量来起到一个杠杆的作用并可以极大地影响到最终的装置成本和销售价格。图

16、 2：LED 封装成本轨迹预期 来源：成本建模工作小组提供的初步数据 图 3 展示了 2010 年固态照明制造成本的柏列特曲线分析（结合了灯具和 LED制造成本分解）。机械/热组件的制造成本目前主导着灯具的总体成本。驱动器成本和 LED 封装成本是紧随其后的两大部分，但这两项成本都预期会很快下降。所以，机械/热组件成本将占据更加主导的地位，未来积极实施成本降低战略的步骤也需要转移到这个部分上来。这种形式的分析可以指导能源部的固态照明制造业行动而且我们希望这种预期在接下来的制造业研讨会上，以及通过成本建模工作小组的努力将继续细化。 图 3：固态照明制造业的柏列特曲线分析。2010 年预期 1.2.21.2.2 OLEDOLED 照明照明 到目前为止，OLED 制造实践主要取决于显示屏的应用。对于照明应用的要求在某些方面是比较简单的，但在另一些方面是更加具有挑战性的。关于照明应用的挑战之一就是为了与其他照明技术竞争必须将成本从 OLED 显示屏那种典型的每平米 2000 美元大幅地降下来。这种成本降低