热搜
您的位置:首页 >> 旅游

稀土发光材料的发展变化从终端应用市场谈起

2019年05月14日 栏目:旅游

稀土发光材料的发展变化——从终端应用市场谈起作者:熊家齐 日期: 加入收藏在琳琅满目的稀土新材料系列中,发光材料无疑属一重大领域,

稀土发光材料的发展变化——从终端应用市场谈起

作者:熊家齐 日期: 加入收藏

在琳琅满目的稀土新材料系列中,发光材料无疑属一重大领域,不仅应用的稀土总量大,其所需单一稀土的品种之多还居各种稀土新材料之冠。其中,以“屏幕显示”与“照明”两类材料更为突出。加之,其终端应用五光十色,令人目不暇接,且里面既蕴藏着巨大的机遇,又面临严峻的挑战。因此,这两种与终端应用多元联系的稀土新材料格外瞩目。

1.屏幕显示

稀土“屏幕显示”材料是随着电子、信息与通信产业而诞生、发展的。40年前,稀土荧光材料首次用于CRT(阴极射线管)彩电,用于PC也有20余年的历史。现在,全球彩电年销售量约1.3亿台,PC约1.4亿台,在总量约2.7亿台显示屏幕中,CRT管仍占多数。此外,问世不久、以大而薄的显示屏为特点的PDP(等离子显示屏幕)彩电将用更多的稀土荧光材料,一台42英寸的PDP需稀土荧光粉近百克,而且红蓝绿三种粉都用到稀土,不仅用到钇、铕、铈、铽,连用处较少的钆也派上了用途。

今年1月,在美国拉斯维加斯举行了2003年国际消费电子大展(CES)。3月2日在同一城市,全球顶极摄影行业展——国际摄影营销协会年会及行业展览会(PMA)拉开了序幕。3月12日,在德国汉诺威又举办了世界上的计算机与通信博览会(CeBIT)。全球经济不振,IT(信息技术产业)低迷,不确定因素增加。这三大国际展虽无惊天动地之举,但也不无亮点,“显示屏幕”技术就是吸引眼球的一大亮点。甚至有媒体称,CES国际展中,“电视机又

一次成为展览的主角”。

综合各种报道,三个国际展览上的“显示屏幕”技术可概括为以下四个特点:一是表明了显示屏的发展历史和趋势,既有历史悠久的CRT,也有势头正旺的PDP与LCD(液晶显示屏),还有崭露头角OLED(有机电致发光显示屏)。二是显示屏尺寸丰富,小到2.2英寸,大到65英寸。三是显示屏应用领域十分广阔:彩电、计算机、移动、数码相机(当然,远不止于此)。四是各种彩电争奇斗妍,除了PDP与LCD彩电外,还有各种背投彩电:CRT背投、LCoS(反射式液晶)背投、DLP(数码光处理)背投等。而且多是数字、平面、大而薄显示屏的高清晰度彩电。

在年初CES国际展上,索尼公司总裁主题讲演中说:“索尼将使电视机获得新生,电视机将重新成为家庭娱乐和信息交流的核心”。其意为:电视机将取代计算机。而今年一季度取得全球计算机销售量的美国戴尔公司CEO戴尔却与之针锋相对,重申了计算机作为数字多媒体的中心地位。不论两种显示屏的前景如何,终端显示屏幕不可或缺,荧光粉专家关心的是这两种显示屏所需荧光粉的物理、化学性能差异,对于稀土界而言,更为关注的可能是需要稀土荧光粉的技术(CRT、PDP)与不需稀土荧光粉的技术(LCD等)的命运如何?两者竞争潜力何在?

先看CRT。近年来,CRT在“纯平”与“高亮”上作了不少文章,在彩电与PC上都获得进展,近,三星、飞利浦、优派、明基、NEC等名家仍在推出新款“主流CRT”的PC显示器。去年12月,全球的显示器跨国集团美国的优派公司推出了一款21英寸的PC用CRT显示器,报道称,“其色彩的还原、过渡和辉度方面的表现仍然优于目前市场上绝大多数LCD显示器”。“因而是专业设计人员和游戏玩家的不二之选”,当时售价为5699元。直到今年2月底,优派公司在北京宣布,其一款18英寸LCD显示器价格降至5999元。两相比较,CRT仍具有性价比优势。即使如此,优派公司董事长兼CEO于去年8月就曾预言,“CRT多只能有5~7年的寿命,”CRT有被LCD逐出市场的之虞。CRT屏幕的弱点是屏幕作不大,痼疾是无法作薄,作不成便携式笔记本电脑。不过,从彩电的角度看,中小屏幕仍有市场,无论从国内外的经济与社会发展状况,还是从居民收入与住房面积来观察,36英寸以下的CRT彩电在中短期内还不会从市场上消失。至于CRT背投彩电,比一般的CRT彩电还是要“薄轻大”许多,而且有性价比优势,对于我国来说,尚未普及,正处于上升期。去年8月,我国市场上一台日立43英寸背投彩电降到了7999元,LG44英寸降至8999元,飞利浦降至9580元。同年同月,以研发和生产DLP背投彩电着名的美国丽讯科技公司中国区总裁透露,43英寸的DLP背投彩电价格不超过2万元,52英寸不超过3万元。今年年初的CES国际展上,东芝公司推出了全球款的57英寸LCoS背投彩电,建议零售价高达8999.9美元。CRT背投彩电的价格优势明显。长虹彩电总产销量居世界第二,,其CRT背投彩电的尺寸从38英寸到70英寸应有尽有。今年4月8日,长虹掀起了CRT背投新一轮降价风暴,43英寸降至6599元。据报道,去年我国背投彩电市场规模为56万台,有媒体预测,今年可能达到120~150万台。但是尽管CRT背投在中国,甚至世界市场上仍处于成长期,毕竟“廉颇老矣”,与LCD等比较,CRT已没有什么技术发展空间了。据权威人士称,CRT背投至少还有7年左右的商机。综上所述,CRT或CRT背投可能至少坚持到2010年。

再看PDP。1997年初,日本的PDP彩电在该国上市,因其能作成大而薄的屏幕,故而比CRT电视“轻薄”得多,又由于LCD虽然也是薄屏幕,但难以作大,成品率低,成本高,所以当时PDP在“壁挂”电视中的呼声。但是由于技术进步,2002年10月,夏普公司推出了37英寸当时日本的LCD彩电,今年3月,德国CeBIT国际展上,三星电子公司又推出了54英寸的LCD彩电,成为展览会上引人注目的亮点之一。于是,克服了难以作大的LCD彩电成了PDP的有力竞争者。PDP与LCD两种彩电,各有所长,LCD的清晰度、亮度、色彩饱和度,分辨率皆优于PDP,但PDP的视觉广阔,水平与垂直视觉皆可达160°甚至更大,而三星54英寸LCD彩电的各方面的可视角度才超过85°。此外,LCD的功耗大约仅为PDP的1/3~1/2,而且寿命(约6万小时)比PDP(约3万小时)长得多,再加上PDP的屏幕玻璃很薄而易碎。?

综合各种观点,对LCD前景看好者多于PDP。不过还应指出,LCD的价格仍高于PDP,去年底,日本一台30英寸LCD彩电零售价55万日元,一台32英寸PDP为45万日元,相差15%~20%。尤其是屏幕越大,目前的价格优势还在PDP手中。故有专家称,3~5年内大屏幕LCD可能还形不成市场的主流。下面再观察一下国内外大公司的动向。2000年12月,长虹公司的PDP彩电生产线剪彩,此后有关信息稀少。去年8月,长虹公司研制成功中国当时尺寸的30英寸LCD彩电,今年1月,长虹发言人称:液晶电视的技术比等离子电视更成熟,如等离子的功耗等问题在短期内还难以解决,而液晶在走向大屏幕并不存在障碍,一些厂家已相继推出40英寸、50英寸的大型液晶电视机。而性能方面的优势更是等离子所无法媲美的。显然,正在我国大力普及CRT背投彩电的长虹公司,下步目标是LCD。去年9月,厦华公司也推出了32英寸LCD彩电。与此相反,TCL与海信两大公司的PDP争夺激烈,今年2月18日,海信公司42英寸PDP彩电跌破了3万元,3月17日,TCL公司宣布,由于突破了新技术,一台PDP彩电可下降3000元至5000元,4月5日,海信公司披露,要以10亿元巨资来打造以PDP为首的高端彩电。此外,今年3月初,先科公司也要进军PDP市场,而且与日本的松下和先锋两家公司合作研发并生产。松下和先锋是日本PDP彩电的代表性生产厂商。我国有专家认为,日本、韩国企业在PDP与LCD两条战线上同时作战,但在战略上LCD早已取代了PDP成为他们的主攻方向,PDP只不过是其短线产品。专家进一步指出:“跨国企业在充分造势的前提下,用PDP技术诱惑国内企业跟进,试图通过以合作、授权生产等方式在短期内实现利润化来平衡巨额的前期(研发)投入”。此外,今年3月德国CeBIT国际展上,LCD显示设备的种类与数量都明显超过了只能用大尺寸显示的PDP。今年1月的美国CES国际大展会上,东芝公司还展示了8.4英寸的LCD显示屏,其屏幕具有柔软性,可以转曲。看来,PDP与LCD的近、中、长期的争夺战有待跟踪观察。

提到柔性屏幕,今年年初,美国CES国际展上出现了一颗耀眼的新星:OLED。这种有机发光材料可蒸镀或涂布于玻璃或柔性塑料基衬上,可实现能卷曲的软屏,从而使“衣着型”的计算机或彩电成为可能。CES国际展上,东芝公司和三洋公司各自推出了一款带有2.2英寸OLED显示屏的移动,远远超出了普通薄膜晶体管LCD的26万种色彩,而且更加明亮、更加节能。三洋公司展出了一台15英寸的OLED彩电。索尼公司展出了世界款的24英寸OLED彩色显示器。东芝公司还在CES国际展上宣称,该公司将OLED作为未来显示技术的两个重点之一。从CRT、LCD、PDP,一直作到现在的日本公司也将战略重点锁在了OLED。此外,在美国PMA国际展上,柯达公司展示了全球架采用2.2英寸OLED显示屏的数码相机。柯达公司同时宣布,该类相机首先在中国、澳大利亚与欧洲市场销售。时过一个月,4月份在中国市场上果然有此种数码相机上市。

与一般的显示技术,尤其是风头正盛的LCD相比,OLED具有什么优势呢?一是视角大,上述柯达数码相机视角为165°。二是响应速度快,特别适于动态画面,响应速度为微秒级,比LCD(毫秒级)快2~3个数量级。三是多层薄膜结构,总厚度在100纳米上下,加上封装的总厚度小于2mm,而LCD不能自发光,需有背光源,增加了厚度与体积,其厚度约为OLED的3倍。四是色彩与亮度上明显优于LCD。五是由于全固态结构,抗震性好,适于在恶劣环境中工作。六是工作温度范围宽:-40°~70℃,LCD在低温下显示效果不佳。七是对材料与工艺的要求比LCD宽容,其量产成本比LCD低20%。八是低电压:2V~10V,安全。九是能作成柔性软屏。十是节能。

由于优于以往各种显示屏的性能,应用范围更加广泛,除了消费电子、计算机、通信外,在交通(汽车、飞机等)、甚至商业(自动售货机、公用亭、加油站、门道系统、电子秤等的显示屏)等领域都有广阔的前景。据权威机构调查与预测,2000年全球OLED市场为1800万美元,2005年可望达45亿美元,年均增长率超过200%。

1979年,就职于柯达公司的美籍华人邓青云博士偶然发现了OLED,1983年柯达公司申请了世界上个OLED专利(该公司现有百多项专利)。据有机薄膜材料的不同,分为小分子OLED与聚合物高分子(PLED)两大类。柯达公司主攻小分子,英国的剑桥显示技术公司(CDT)是PLED的发明者。现在研发、生产这种材料的公司等单位超百家,且不乏跨国大公司,如日本的索尼、东芝、三洋、TDK、先锋和NEC公司,韩国的三星、LG公司,美国的摩托罗拉、英特尔、杜邦,台湾省的铼宝、东元激光、精碟、先磊、联宗等公司。

我国大陆也有不少单位进行研发。清华大学与北京维信诺公司合作,不仅建立了联合实验室,在国内外申请了近30项专利,还建了一条中试生产线,并制出了1.28英寸全彩OLED显示屏。从许多报道看,我国比较有优势的是发光材料,而要想使显示屏量产化,在其他新材料、制备技术以及相关精密装备上与国外有较大差距。

其实,2000年底就有报道,我国稀土铕的有机发光材料长寿命突破400小时,当然,这与实用有很大距离。上述柯达数码相机上的OLED寿命超过1万小时,虽然用于数码相机,移动,数码摄像机已经足够了,但要用于彩电等产品,与LCD 6万小时寿命相比,劣势突出,这仍是有待克服的大弱点。

看来有机发光材料真要得到广泛应用的市场化仍有相当长的路要走。对于稀土界而言,关心的是稀土的这类材料的潜力与前景如何?为此,笔者电访了我国稀土材料化学着名学者、中科院长春应用化学研究所副所长张洪杰研究员。张先生首先肯定了有机发光材料的良好前景,至于现在出现的众多相关产品,据他分析与估计,都是不含稀土的材料。但是,他肯定稀土在这一领域有光明的前景,实际上现在国内外许多机构都在研究稀土的有机发光材料,以期克服其使用寿命短、效率低、不稳定的缺点。

2.照明

19世纪80年代后期,用于铈富集物的汽灯纱罩是稀土对“照明”领域的首次贡献,同时,这既是稀土在人类历史上的个应用成果,也促进了稀土工业的诞生。1973年问世的三基色节能荧光灯开创了稀土“照明”的新时代。此外,市场规模远不及三基色荧光灯的镝钬(铥)卤化物灯、钪钠灯、高压荧光汞灯等展现了稀土在“照明”领域中的实力和多姿多彩。现在,处于发轫时期的发白光LED(发光二极管)又给新的稀土荧光材料提供了新机遇。

使LED发白光可以通过三种途径。一是将分别发红、蓝、绿三种单色光的LED芯片组合在一起做成白光光源,这种方式无需荧光粉,但结构复杂。二是将黄色荧光粉涂敷于发蓝光的LED(GaN,即氮化镓)芯片上,GaN发出的蓝光激发黄粉发光,蓝光与黄光混合成白光。三是在发紫光或紫外光的LED芯片上涂敷红、蓝、绿三基色荧光粉,由紫光或紫外光激发三基色粉发白光。这点与三基色荧光灯类似,只不过激发光源从汞改成了LED,而且,因白光LED要求荧光粉在更低能量的紫光或紫外光激发下有较高的发光效率,不能沿袭三基色荧光灯的荧光粉,必须另辟蹊径。

在2002年9月召开的第四届全国稀土发光材料学术研讨会上,有研稀土新材料有限公司的庄卫东博士介绍了他们研制黄粉和新三基色粉的情况,有效的黄粉是铈激活的钇铝石榴石(YAG)。在三基色粉中,虽然红粉用Y2O3∶Eu3+与Y2O2S∶Eu3+的效果非常显着,但其色纯度明显不如锰激活的铝酸盐、硅酸盐、锗酸盐、砷酸盐等红粉。绿粉有二价铕、二价锰激活的铝酸盐、硅酸盐等。蓝粉有二价铕激活的磷酸盐、氯磷酸盐与硼磷酸盐。他们还与台湾省着名LED厂商结成产业链,提供黄粉与新三基色粉,台商加工成白光LED。台湾大学刘如熹教授应邀在会上报告了他们对黄粉的研发,因为从国外进口批量的GaN芯片发蓝光的主峰波长“长短”不一,如果用一种黄粉,则量产芯片终发出的白光不均匀,为此,可改变黄粉的成份,使其发出的黄光主峰也“有长有短”,再与发不同波长蓝光的GaN匹配成色调均一的白光光源。在YAG中,以稀土Gd取代部分Y则红移(移向长波长方向),用Ga取代部分Al则蓝移(短波方向)。

上述的是市场份额的白光LED。实际上,早就有了发其他单色光的LED,现在是从红到紫,一应俱全。与以往各种光源比较,LED光源有其特点,综合各种报道分述如下。首先是体积小,一颗LED芯片约为边长3~5mm的正方形,能做成微型光源,如果用于LCD显示的背光源,则可缩小LCD电视或PC的体积。其次,LED光源是固体封装,“体质皮实”,抗震,适于在恶劣环境中工作。三是低压光源,在6~24V之间,安全,特别适于公共场所照明。四是寿命长,可达10万小时,本文前述的LCD背投彩电有个不如GRT背头的短处,即背光源寿命有限,如果以LED作背光源则可解其大忧。五是三基色荧光灯、高强度气体放电灯(金属卤化物灯、高压钠灯、高压汞灯)中都有汞,而LED光源中无汞,属真正的绿色照明。六是耗电少、节能。但是,现在LED的弱点是这种芯片价格昂贵,作成的光源难以推广。此外,作为白光照明,技术尚不成熟,2002年,白光LED的光效为30lm/W(流明/瓦),虽然高于或相当于白炽灯,但大大低于三基色荧光灯(100lm/W),再加上单片LED的功率小,单片白光LED光通量就很有限,必须将许多单片白光LED整合在一起制成光源。尽管LED是“冷光源”,但整合在一起工作时发热,输出光会急剧下降,作成小型壁灯、台灯尚可,较大的光源就有问题,飞利浦公司在室外照明试验场用 LED作路灯时就采用风冷来降温。

不过,由于技术进步,白光LED的光效正以5lm/W的年增长值提高,2002年底,美国有一家媒体更为乐观,认为到2007年,白光LED的光效可达75lm/W。另外,2002年第三季度即有报道,“紫外发光二极管配上荧光粉后,将紫外线转变为可见光,其发光效率可接近100lm/W”。台湾大学刘如熹教授认为,紫外LED加三基色粉可能有前途。为了增加白光LED的光通量,还可以从另一角度考虑:提高单片LED的功率,即在低电压下提高电流。一般LED驱动电流仅20毫安左右,因技术革新,20世纪90年代已有单色LED光源的驱动电流达50~70毫安,甚至达300~500毫安,后来还出现达安培级的单色LED光源。

白光LED光源的历史不长,是随蓝光GaN的问世才萌芽的。曾几何时,蓝光LED久攻不克,发达国家一些大公司、研究机构甚至都放弃了这一课题,日本的日亚化学工业株式会社坚忍不拔,终于在1993年由中村秀二开发出世界只发蓝光的GaN。“届国际LED新型照明事业战略研讨会”也只是在2000年2月才在旧金山召开的。现在,以世界三大光源公司(通用电气、飞利浦、欧斯朗)为首的跨国公司投巨资进行研发和生产。2002年6月报道,美国能源部提出的“下一代光源照明计划”得到美国国会强有力的支持,并列入了《能源法案》。计划10年内投资5亿美元,以期解决包括LED光源在内的固态光源中的问题。日本也投巨资进行研发,准备3至5年后逐步以白光LED光源替代荧光灯与白炽灯。

两年前就有关于以GaN为基底的LED芯片市场统计与预测报告,分为6种照明:一般照明、全彩色信号、背景光源、汽车内部、交通信号、其它(装饰、招牌等),时间间隔从1999年至2009年。1999年,6种光源用GaN芯片总数为7.76亿只,其中一般照明位列第五,为3700万只,占总芯片量的0.5%,2009年,GaN芯片总量增至117.33亿只,年均增长31.2%而一般照明33.65亿只位升至6种光源之首,占芯片总量的28.7%,年均增长率高达97.6%。当然,发展过程中不可知因素多,难言其预测数据的准确,但发展趋势还应算是有较高可信度和可预期性的。

应该指出的是,据悉,1千克黄粉可涂敷30万只GaN芯片,即每只芯片只消费约3.3毫克黄粉。纵使上述2009年117.33亿只GaN芯片全用黄粉,也不过40吨而已。看来价值链高端在两头:GaN芯片和光源。

3.综上所述,可归纳出以下几点:

(1)技术替代,推陈出新是普遍规律,不过老技术,旧产品的退出有个过程。其中有两个原因,一是国内外市场的高中低档产品呈梯度展开。节能荧光灯问世已30年,不仅普通荧光灯还有市场,连普通白炽灯也没销声匿迹。二是大公司推出新技术、新产品有一过渡期,开发有机发光显示屏技术的国际大型跨国公司,大多也是研发并生产LCD显示屏的公司,当LCD还在市场大行其道时,即使OLED技术再成熟,也不会让这两种产品自相残杀。发明了GaN芯片的日亚公司,今年还要在上海建一条年产200吨红色灯粉的生产线。当然,作为我国稀土界,倒是应随时关注动态、未雨绸缪。

(2)既注意发挥自身核心竞争力,又强调协作与双赢或多赢。北京有色冶金研究总院致力开发黄粉和紫外芯片用三基色粉,让有作白色LED光源能力的台商作下游产品,优势互补。美国柯达公司在数码相机上安装的2.2英寸OLED显示屏是与日本三洋公司合作在日本生产的,美国柯达公司有OLED专利,但制造的看家本领是各种相机,调动三洋OLED屏生产积极性,自身集中精力于主业,投入少,而转化生产快。在市场竞争异常激烈的国际化大潮中,无疑是上策。

(3)研发的重要性。美国柯达公司研究OLED已20余年,终推出实用化产品。日本日亚公司的中村秀二用10年多的时间,在GaN研究上取得成果。

(4)专利保护。台湾大学刘如熹教授研究白光LED历时5年,既有专着,也持有专利。对于研发机构或生产企业,不仅要用专利保护自己,尽快将专利转化为经济效益,还要研究别人的专利,已免“触雷”。

(5)各种稀土元素之间的相悖与平衡。LCD显示屏与CRT、PDP争夺市场,对用于荧光粉的中重稀土不利,但却是铈的新用户。LCD所用铈抛光粉比CRT用铈抛光粉的档次高;此外,LCD所用彩色滤波片还要用硝酸铈铵作蚀刻剂。如果稀土将来用于OLED显示屏,从功能器件角度看,与白光LED光源、长余辉稀土磷光体之间除了功能互补外,也可能相互挤市场。稀土各元素之间的此消彼长也令稀土业界关注。

水性金属漆
捕鱼游戏注册送20元
星力游戏代理加盟
  • 友情链接
  • 合作媒体