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植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

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2018-10-11 作者:陈华 来源:阿拉丁照明网 浏览量: 网友评论: 0
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摘要: 随着LED照明技术的发展,众多企业纷纷从竞争惨烈的通用照明市场转战植物、UV LED等特种照明应用领域,国内外照明巨头也纷纷布局植物照明领域,其应用市场逐渐成为LED行业发展的新方向。

  1. 国内外主流植物照明封装厂技术及产品研究现状

  随着LED照明技术的发展,众多企业纷纷从竞争惨烈的通用照明市场转战植物、UV LED等特种照明应用领域,国内外照明巨头也纷纷布局植物照明领域,其应用市场逐渐成为LED行业发展的新方向。目前,LED植物照明应用市场主要集中在欧美、日本等LED技术前沿以及从事农业人员较少的国家 , 国内紧跟其后。国外公司主要包括:德国Osram、西门子,美国Cree、Lumileds,日本日亚、三菱、夏普等;国内公司主要包括:台湾亿光、鸿海、台积电, 大陆中科三安、鸿利、瑞丰、添光彩、巨宏光电等也一直在进行相关产品的开发。

  LED植物照明应用被认为是21世纪解决世界资源、人口和环境问题的重要途径。1949年,美国园艺学家和植物学家在加州建立了第一座人工气候室,其出现就是植物工厂的早期模型,为植物工厂的发展和完善进行了成功的探索和实践,并引发了模拟生态环境领域里的一场风暴。随后,日本和前苏联也先后建立了这种人工气候室。

  从某种意义上说,1957年丹麦在哥本哈根市郊约克里斯顿农场真正建起了世界上第一座真正意义上的植物工厂,因为其规模达到了1000m?,采用人工光和太阳能并用技术,从播种到收获采用全自动传送带流水作业,且产400万袋水芹(100万kg),而这些是植物工厂的重要特征。2009年,中环易达在吉林长春建成200m?植物苗工厂,此植物苗工厂采用LED光源。2010年,日本三菱化学用大型集装箱改造植物工厂,并以LED光源进行农作物的光合作用,2012年首套LED照明的植物工厂系统用来栽培莴苣和嫩叶菜,并于当年开始销售,从而拉开LED植物照明的帷幕。2014年松下在新加坡启动了该国政府批准的首座室内蔬菜工厂,生产品种为红叶生菜等10种蔬菜,年产量3.6吨。2015年,中科三安在福建安溪拟建植物工厂,2016年6月运用自有知识产权技术建成国际上单体面积最大的首栋1万平方米的生长环境全智慧控制的植物工厂并正式投产,日产绿色无污染、高质量蔬菜1.5吨,7月,首条金线莲生产线投产,标志中科三安开始药用植物工厂种植的产业化发展。2017年10月,飞利浦将HPS顶光照明和Philips GrennPower LED植株间照明模组高输出型结合,为新建温室安装超过26000个GreenPower LED植株间照明模组,覆盖10.6公顷总面积。目前,人工光源技术在植物照明领域的应用越来越广泛,特别是LED以其光效高、发热低、体积小、寿命长、调光技术等诸多优点,在植物照明领域优势越来越明显。

  植物灯的光谱主要为红(660nm)蓝(450nm)以及远红(730nm)配合,常规光源光谱变化大,分布不均,而LED光源的光谱可以根据种植工艺要求进行设计,同时,LED光源的光谱可以通过调光技术实现可变光谱的控制,是目前唯一可以实现可变光谱的植物灯光源,可变光谱技术主要是针对光形态控制,普通植物灯通过光周期的调整也是可以调节,但应用成本会提高很多。随着植物照明快速发展,准确客观地评价照明产品以及现场照明环境越来越受到关注,有必要从两点出发考虑对植物照明的评价,一是植物健康生长需求,二是充分节能环保的照明。

  在植物照明封装领域,封装器件种类繁多而无统一测量评判标准体系,涉及此领域的厂家包括深圳阿凡达旗下子公司添光彩的2835/5730系列单色光和白光产品等,深圳瑞丰光电子的PCT2835单色光以及XC3535红、蓝单色光产品等。台湾地区厂家包括各种尺寸的高功率、中功率及低功率产品,如亿光的2835/3030单色光与3535单色光和白光产品。国外大厂主要在大功率、COB和模组方向,兼顾植物照明白光系列,结合植物生长特性和人性化照明环境,较国内产品,其在可靠性、光效、不同植物不同生长周期光合辐照特性研究等方面有较大的技术优势。

  Lumileds推出LUXEON SunPlus3030/2020/COB植物照明系列LED芯片,导入光合作用光子通量(Photosynthetic Photon Flux,PPF) 以确保能够系统设计出植物生长灯─提供特定的波长作为温室、垂直农场和其他植物生长应用。欧司朗光电半导体的陶瓷3030借助Oslon Square Hyper Red原型的660nm波长,再加上450nm的深蓝光和730nm的远红光,Oslon系列完美涵盖了植物生长的整个过程。2017年在美国费城举办的照明展上,欧司朗光电半导体展示一款能促进植物健康生长的LED原型:Oslon Square Hyper Red,这款第三代2W级LED发射特性得到改善,光输出更高,耐腐蚀性出众,采用Oslon Square Hyper Red的植物照明系统具有很高的性价比。台湾亿光在美国也展示了开发的波长涵盖完整的PAR 450nm ~ 730nm全系列农业LEDs,当中包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率产品,以满足各种植物在不同生长环境的需求,期望达到植物成长最大化及节能的目标。

  芯片外延片作为植物照明封装领域的重要组成部分,其大量的核心专利仍掌握在日本日亚、美国科锐等早期领跑企业手中,国内芯片厂商仍缺乏具有市场竞争力的专利产品。其中三安光电开发的基于Si衬底的AlGaInP R6(650-670nm)、R7(680-700nm)、R8(720- 740nm)系列植物照明应用封装芯片。台湾晶元AlGaInP 660nm芯片调整磊晶结构提升量子井发光效率外,在晶片制程端亦导入新的技术平台,提高外部发光效率,开发出WPE≈40~44%660nm LED产品 (BRPN42B),将产品效能再提升。国外芯片厂商利用核心专利拥有很大的市场占有率,同时很多公司在植物照明封装芯片领域也在开发新的技术,如欧司朗基于薄膜技术令芯片紧密地封装在一起,创造出大面积照明表面,将波长660nm的高效LED节能40%。

  目前涉及植物照明产业链的公司和机构如下图所示:  

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  植物照明虽是新兴市场,但国外巨头已开发得较为成熟,并早已在专利方面进行严密的布局,尤其是上游芯片领域的核心专利。在开发模式上,则基本是LED光源公司与植物工厂相配合的模式进行。

  日本的LED技术在国际上处于领先地位,且拥有完善的LED产业链,同时,日本的生物技术水平较高,因此在结合LED和生物的应用领域,拥有其他国家和地区无法比拟的优势。欧司朗作为持续关注LED技术的发展的跨国公司,目前已经形成了外延芯片、LED器件、荧光材料、应用等全产业链的布局。近年来,欧司朗逐渐将旗下LED聚焦在植物灯的应用层面,全力抢攻农业市场。这些国际大厂在全球LED市场有较完整的专利布局,如果联合控股的下游厂家或者与研究机构合作进入植物照明领域将具有较强的竞争力。国内植物照明领域的发展可以说是刚刚开始,植物工厂概念在近几年才逐渐被人们接受,国内一些大厂虽然均已开发植物照明产品,但由于大部分是“重LED,轻植物”的发展模式,缺少技术人才、投入成本高、核心专利缺失、产品出口难度大等因素制约,进度缓慢。

采用Osram植物照明技术方案的植物工厂

  2. 植物照明单色光封装器件的技术及产品现状

  植物照明单色光(主要450nm、660nm、730nm) 封装器件,国内外多家公司均涵盖,而国内产品种类较为繁杂,规格较多,国外厂家产品较为标准化,同时在光合光子通量、光效等上国内与国外封装大厂仍存在很大差距,并且在其他波段单色光方面,国内外都在进行新产品开发,部分国内外封装厂单色光产品如下:

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  Lumileds和Osram植物照明单色光光谱如下图4、5,两家产品B(Blue)、DR(Deep Red)产品光谱分布相似,峰值波长分别为450nm和660nm;FR(Far Red)光谱分布两者略有差别,Osram峰值波长725nm,Lumileds峰值波长735nm,并且半波宽略长。

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 4 Lumileds单色光光谱图

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 5 Osram 单色光 B/DR/FR 光谱图

  植物照明单色光封装器件除了主要波段450nm、660nm、730nm产品,很多厂家也在开发其他波段的新产品,实现产品完整的PAR(450nm-730nm)波长涵盖。如Osram的3030单色光芯片470nm、528nm、590nm、617nm、623nm植物照明彩光系列;Lumileds的采用450nm芯片加荧光粉调配的2020/3535/COB Purple、Lime色光植物产品,规格参数和光谱如下:

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局
植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  Osram470nm单色光 Osram528nm单色光 Osram590nm单色光

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  Osram617nm单色光 Osram623nm单色光

  图 6 Osram 其他色光光谱

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 7 Lumileds 2020/3535Purple、Lime 色光光谱图

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 8 Lumileds COB Purple色光光谱图

  3. 植物照明全光谱封装器件的技术及产品现状

  由于每种植物在生长阶段的统计数据并不完善,单色光LED植物生长灯并非适用于任何植物的生长,全光谱LED的优势因此而凸显,因为它适合于大多数植物的补光需求。植物生长照明设备的全光谱首先要达到可见光全光谱400-700nm全覆盖,另外要提高470nm-510nm蓝绿光、660nm-700nm深红光两处波段表现,绿光及黄光属于配色用于提高 CRI/Ra表现,400nm以下UV波段则根据客户需求添加。用普通LED蓝光或者紫外芯片搭配荧光粉做到“全”光谱,其光合效率各有高低,行业内没有统一规格和标准。植物单色光封装器件很多国内外厂商都有涉及,而在植物照明全光谱封装器件上主要还是国内大厂、日韩和欧美企业,比如深圳瑞丰光电子、德国欧司朗、日本日亚,韩国三星、首尔等,其主要产品规格如下:

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  植物照明白光封装器件大部分厂家采用Blue chip+荧光粉实现全光谱,如深圳瑞丰光电子的2216/2835/3528小功率产品、日亚、三星的中高功率产品3030、COB等,Ra均在90 以上。其中瑞丰产品显色指数可做到97以上,并且增加660-700nm深红光段的表现,更有利于植物生长(图9)。三星和日亚产品470nm-510nm蓝绿光波段表现较佳(图10、11),在2018法兰克福展上,三星展示的White+Red植物照明产品,并将其光谱与普通植物照明的白光光谱及Blue+Red光谱进行比对,凸显了其对植物生产所需光谱的契合程度(图12)。欧司朗植物照明EQ白光产品,在470nm-510nm蓝绿光、660nm-700nm深红光的缺失,非真正意义上的全光谱,其白光产品更注重高光效、补光与人性化的工作环境(图13)。首尔半导体联手Yeelight,采用Sunlike技术,结合先进的紫光LED芯片技术与TRI-R荧光粉技术,从而生成的光谱非常接近自然光,包含了405nm的紫光波段和730nm的远红光波段,同时减少了对人眼有害的过量蓝光,显色指数更高达97(图 14)。主要厂家产品光谱如下图: 

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 9 瑞丰全光谱产品光谱图(Bchip+荧光粉Ra95)

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 10 日亚植物照明产品光谱图(Bchip+荧光粉Ra90/95)

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图11三星Mid power 植物照明产品光谱图

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 12 三星植物照明(White+Red)产品光谱图

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 13 欧司朗植物照明EQ白光产品光谱(Bchip+荧光粉Ra70)  

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 14 首尔半导体sunlike系列光谱图(UVchip+荧光粉Ra97)

  4. 植物照明调光类封装器件的技术及产品现状

  植物照明封装器件除了单色光和蓝光或紫外芯片加荧光粉实现白光的封装模式外,还有一种使用两种或者以上波长芯片复合封装的模式,比如红+蓝/紫外、RGB、RGBW。这种封装模式在调光方面有很大优势。对于R/B或者R/B/DR更多采用的模组封装模式用于植物照明,如广州巨宏光电的JH-50RB14G45系列植物生长灯(图15),单颗多波段芯片复合封装各厂家常采用RGB或者RGBW封装模式。

图16 天电光电EMC3030 3 in 1 RGB

  图 17 CREE XML RGBW5050

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  在调光类封装器件领域,深圳市瑞丰光电子开发的全球首创,拥有自主专利的5050五色合一产品(图18),此款产品结构紧凑,满足灯珠密集排布,集成度高,可结合植物生长光环境和人性化环境调节光色,一种产品可实现无限种可能。

植物照明封装厂的技术发展状况与竞争格局

  图 18 瑞丰 5050RGBWW

  5. 植物照明封装器件竞争格局总结及目前的问题点

  植物照明是一项专业性、综合性很强的技术,植物照明系统应用包括育苗技术、植保技术、植物生长调控技术、植物品质控制技术等,而目前国内大部分植物灯仅仅是围绕在植物生长方面的应用。而就植物生长的应用,也缺乏光质、光量子、光周期的技术研究能力。此外国内LED封装器件厂一直都存在“重LED、轻植物”的问题,光源企业的研发人员对植物及其栽培原理缺乏深刻的认识,实际工作中往往以LED为主体,而不是以植物为主体,没有从植物栽培原理的总体性需求综合考量;而农业领域的研究人员对光合光源缺乏原理性深刻认识,因而难以从光和光源的角度,为植物对光的合理需求并为光源研制应用提供适宜的方案。同时随着国内大批企业纷纷涌入LED植物照明这篇新蓝海,但市场并没有制定一系列的标准规范,以至于目前市场较为混乱。与国外相比,政府对LED植物照明支持力度不够,缺乏系统性的研究与推广,LED植物照明产品评价和测量标准体系仍有待完善。

  单从植物照明封装器件领域,国内外在单色光、全光谱、复合封装均有布局,国内产品种类繁多,光效不高,往往单从封装角度发展植物照明;国外大厂产品在光效、大功率产品、光合辐照度上拥有很大技术优势,通常结合植物研究能提出自己完整的技术方案。植物照明封装领域前沿技术仍掌握在欧美和日韩手里,如半导体芯片外延片大量的核心专利掌握在日本日亚、美国科锐等企业手中。国外照明封装器件大厂往往布局整个植物照明产业链,结合植物研究,智能控制,芯片外延片等方面优势完善发展自己的植物照明技术方案,国内植物照明领域发展仍然任重道远。


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