宮學源

21世紀初，熒光激光光源技術誕生后，激光顯示技術的發(fā)展進入了快車道，近年來，激光顯示技術相繼突破了高亮度、低成本、長壽命、低能耗、小體積、超短焦等諸多技術難題，并在分辨率、對比度、色域范圍等顯示指標上快速進步，因而在電影放映、商業(yè)投影、家用顯示和工程投影等產(chǎn)品領域得到廣泛應用，正迅速搶占傳統(tǒng)投影顯示光源如氙燈、LED光源的市場額。作為熒光激光光源的核心部件，熒光色輪技術和陶瓷熒光體技術已經(jīng)在激光顯示行業(yè)實現(xiàn)了商業(yè)應用。其中，陶瓷熒光體具有高耐熱性、高可靠性、高亮度和低維護成本等優(yōu)勢，有望在下一代激光顯示產(chǎn)品中開始推廣。預計到2025年，陶瓷熒光體及器件的市場規(guī)模可達到數(shù)十億元量級。

1? 激光顯示行業(yè)發(fā)展迅猛，滲透率快速提升

1.1? 顯示行業(yè)：LCD、OLED技術是主流

顯示技術是繼印刷技術之后人類社會最重要的知識展示和信息交流途徑，也是信息時代最關鍵的基礎設施之一。自1939年第一臺黑白電視誕生以來，顯示面板經(jīng)歷了黑白面板—彩色面板—數(shù)字面板的快速迭代，顯示技術則由CRT技術快速過渡到LCD和OLED，對人類生產(chǎn)生活的方式帶來了深刻影響（圖1）。顯示技術的創(chuàng)新正在驅動市場迅猛發(fā)展，截至2020年全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴張至萬億元量級。

一般來說，顯示系統(tǒng)包含光源系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、信號調制系統(tǒng)和顯像系統(tǒng)等，涉及凝聚態(tài)物理、微電子、光學等諸多學科，是一個高復雜度的系統(tǒng)。當前，手機、平板、電視等消費電子設備采用的主流顯示技術為LCD和OLED技術。其中，LCD顯示技術依靠背光模組（LED背光板）發(fā)光實現(xiàn)屏幕顯示，OLED不依靠背光模組而是通過自發(fā)光實現(xiàn)屏幕顯示。目前，LCD面板和OLED面板已經(jīng)占據(jù)整個顯示面板出貨量的95%以上，2020年的市場規(guī)模約為1 000億美元。未來一段時間，OLED面板出貨量將快速上升，實現(xiàn)對LCD面板的部分替代。

1.2? 激光顯示：大屏細分市場快速滲透

激光顯示技術采用紅、綠、藍（RGB）三基色激光作為顯示光源，具有大色域、高亮度、極限高清、真3D等顛覆性優(yōu)勢，是繼CRT顯示、液晶顯示、LED顯示之后的新一代技術。從色域角度看，激光顯示的色域覆蓋率可高達90%以上;從成本角度看，激光光源維護費用低，壽命可長達10年;從環(huán)保角度看，激光電視功耗是傳統(tǒng)電視的1/3左右，且激光光源生產(chǎn)的過程中無重金屬材料，屬于環(huán)境友好型光源。鑒于以上產(chǎn)品優(yōu)勢，激光顯示在大屏幕電視、大屏高清投影2大領域得到了飛速發(fā)展（圖2）。

隨著激光顯示技術不斷成熟，終端產(chǎn)品規(guī)模的持續(xù)放大，激光電視和激光投影的市場也在迅速擴張。根據(jù)奧維云網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2020年中國激光電視銷售量為20余萬臺，總銷售額約46億元;激光微投產(chǎn)品銷量約為2萬臺，總銷售額約1億元。未來5年，隨著高端消費需求的逐漸滲透，激光電視和激光微投帶來的市場規(guī)模有望達到百億水平。

1.3? 激光光源：熒光色輪技術是關鍵

激光顯示技術有LED+激光、單色激光（熒光材料+藍光）、RGB三色激光技術以及雙色（紅色+藍色+熒光材料）激光4種技術，其中LED+激光存在亮度限制（≤3 000流明），RGB三色激光是最為純正的激光光源，但存在散斑（激光相干性）和成本高的問題，單色及雙色激光主要通過藍色激光+熒光材料轉化為綠色及紅色激光，色域較廣，成本更低。

深圳光峰科技股份有限公司提出熒光激光光源的技術概念，利用激光光源激發(fā)熒光材料，結合了激光高亮度以及熒光高光效和無散斑的優(yōu)勢，極大地推動了激光投影顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。熒光激光光源因其技術優(yōu)勢被眾多廠商采用和發(fā)展，已形成了ALPD技術、SSI技術和混合光源技術3大技術陣營。光峰科技原創(chuàng)的第一代ALPD技術使用藍色激光激發(fā)旋轉的稀土熒光色輪（投射式），可將藍色激光轉化為紅色和綠色激光;第4代ALPD技術采用三色激光和反射式熒光輪，進一步提升了光源亮度和顯示色域（圖3）。

從原理上看，稀土熒光色輪由色輪基底（玻璃、陶瓷等）、稀土熒光粉、粘結劑和其他封裝材料組成，高溫耐受能力存在一定短板;熒光材料存在“激光高溫灼燒淬滅”問題，限制了熒光激光光源的亮度。通過轉動熒光色輪，激光可以不再聚焦灼燒一點，因此該技術能夠有效實現(xiàn)熱管理，保障材料的高溫壽命和器件整體效率。目前，熒光色輪相關專利主要被海信、光峰科技、卡西歐和德州儀器等少數(shù)公司所掌控。

2? 陶瓷熒光體優(yōu)勢顯著，未來市場前景廣闊

20世紀50年代，美國GE公司首次研制出半透明氧化鋁陶瓷。自此開始，透明陶瓷的研究和發(fā)展已逾半個多世紀，其在激光、高能物理、航空航天和醫(yī)療等領域已經(jīng)取得了諸多應用。根據(jù)功能性分類，透明陶瓷主要包括激光陶瓷、熒光陶瓷、閃爍陶瓷、鐵電陶瓷等。1967年，荷蘭飛利浦實驗室首次利用陰極射線激發(fā)的方式研究了鈰離子摻雜釔鋁石榴石（YAG：Ce）的發(fā)光特性，結果表明YAG：Ce的主激發(fā)峰在460nm的藍光區(qū)域，能夠被藍光激發(fā)并直接獲得白光，其具有高量子效率、高熱穩(wěn)定性。目前，YAG：Ce黃色熒光粉已經(jīng)成為照明和顯示行業(yè)應用最為廣泛的熒光轉換材料。

2.1? 業(yè)界聚焦陶瓷熒光體技術

傳統(tǒng)熒光色輪包含有機材質，在激光的長時間照射下容易損壞或者偏色的情況。為提升熒光色輪的高溫耐用性，業(yè)界開始采用純無機的陶瓷熒光色輪。與現(xiàn)有熒光色輪相比，陶瓷熒光色輪直接由YAG：Ce熒光陶瓷粉末制成，突破了有機粘合劑高溫可靠性問題，從而允許高亮度激光投影，同時顯著降低了維護成本。

為進一步提升熒光組件的發(fā)光效率、縮小激光顯示/投影設備的尺寸，以日立Maxell公司為代表的投影設備制造商正嘗試轉向微型陶瓷熒光體技術，徹底替代采用機械轉動方式工作的熒光色輪技術（圖4）。由于不采用機械轉動的方式工作，所以在散熱上可以采用貼片式導熱技術，能夠將熒光轉換部分做成全封閉結構，進一步提升產(chǎn)品的可靠性、抗灰塵侵襲能力，也帶來產(chǎn)品始終如一的亮度和色彩表現(xiàn)。以Maxell為代表的企業(yè)希望通過此舉，打破光峰科技在熒光色輪方面的專利壟斷，提升其在激光投影、激光顯示方面的競爭優(yōu)勢。

2.2? 技術壁壘顯著，國內已有布局

在激光顯示/投影行業(yè)，上游核心元器件主要包括激光器、芯片和鏡頭，由于所需精密度和性能要求較高，所能生產(chǎn)的供應商有限。其中，激光器供應商主要包括日亞、歐司朗和夏普等;鏡頭供應商主要包括日本理光、天活松林光學等;顯示芯片則主要被德州儀器和索尼等少數(shù)企業(yè)壟斷。中游核心部件包括光源、光機和配套的投影屏幕，下游則包括激光電視、微型激光投影等C端市場，以及激光商用投影、激光電影放映機等B端市場（圖5）。

熒光色輪（含有機粘結劑）屬于上游光源的核心部件，但技術壁壘相對激光器、鏡頭和顯示芯片等部件較弱，一般直接由激光顯示/投影生廠商進行研發(fā)和量產(chǎn)。陶瓷熒光色輪/陶瓷熒光體技術壁壘相對較高，且需要新型封裝/熱管理技術，目前僅有肖特（Shott）等少數(shù)公司能夠量產(chǎn)。中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國科學院過程工程研究所等科研機構已經(jīng)在陶瓷熒光體領域有多年研發(fā)積累，亦有一定的專利布局，未來或可快速實現(xiàn)進口替代。

2.3? 市場總規(guī)模較小，未來勢頭良好

在顯示和投影行業(yè)，激光光源的應用仍處于比較早期的階段，但市場發(fā)展趨勢良好。據(jù)奧維云網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2020年1—7月激光電視零售量同比增長77.5%，2013—2018年激光電視年復合增長率超過200%。作為對比的是，2020年上半年中國彩電市場零售量下滑9.1%，零售額下降22.2%。未來5年，假設激光電視滲透率上升至1%，預計市場總規(guī)?？蛇_80億元左右;假設激光微投滲透率快速上升至3%（微投行業(yè)滲透率高），預計市場總規(guī)模同樣可達80億元左右，兩者綜合可達到150億元以上。

目前，傳統(tǒng)熒光色輪的技術比較較低，基本是由激光顯示生產(chǎn)商自行研發(fā)，因此其在整機中的成本占比較低。未來，隨著激光顯示行業(yè)的迅速發(fā)展以及高亮度需求，具有高技術壁壘的陶瓷熒光體/陶瓷熒光色輪或將被大部分激光顯示企業(yè)所沿用，成本市場競爭中的“殺手锏”。簡單估計，新型陶瓷熒光器件在整機中的成本，在未來數(shù)年內將高達10%～20%，由此產(chǎn)生的市場空間可達數(shù)十億元。

3? 熒光陶瓷行業(yè)未來發(fā)展展望

3.1? 應用范圍寬廣，未來想象空間大

3.1.1? 醫(yī)療應用

在醫(yī)療應用中，光學內窺鏡一般采用氙燈光源，但其存在轉換效率低、光纜末端溫度高、照明不均勻及產(chǎn)生無影圖像的弊端。激光熒光光源應用于內窺鏡照明時，可將藍色激光束發(fā)射到光纖中，在光纖的末端涂有合適的熒光粉成分，產(chǎn)生的白色激光能有效避免氙燈光源的缺點。激光可以聚焦在光纖上遠距離傳輸，而不會造成嚴重的光損耗。

3.1.2? 可見光通信

可見光通信（VLC）是一種利用LED或激光二極管（LD）進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屡d技術，可為航空、醫(yī)院和室內無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸提供更多解決方案。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，基于LED的VLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率會受到LED直接調制帶寬的限制;相較而言，基于LD的VLC技術具備了小體積、窄帶寬、高調制速度以及無效率下降等諸多優(yōu)勢。采用LD激發(fā)熒光粉進行數(shù)據(jù)通訊，結果表明可實現(xiàn)1Gb/s以上的超高傳輸速率。

3.2? 新型技術嶄露頭角，或帶來產(chǎn)業(yè)顛覆

3.2.1? 平板激光顯示技術

2019年6月，中國科學院化學研究所趙永生課題組充分發(fā)揮有機材料在溶液加工方面的優(yōu)勢，利用噴墨打印的方式精準構建了紅綠藍微納激光陣列作為顯示面板，首次實現(xiàn)了主動發(fā)光平板激光顯示，解決了當前激光投影顯示無法用于手機、平板、可穿戴設備等領域的問題。相關成果發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。該工作為發(fā)展高性能、易加工的平板激光顯示及照明器件提供了一種可行的解決方案。

3.2.2? 低成本3D打印技術

2020年7月，浙江大學邱建榮教授團隊在《Nature Communications》上發(fā)表論文，報道了一種3D打印和無壓燒結技術用于快速制造量子效率高、顏色可調、物理化學性能優(yōu)異的熒光轉換體，實現(xiàn)了全無機熒光轉換體的增材制造，有望應用于高功率LED和激光照明領域。研究發(fā)現(xiàn)，石英玻璃納米粉與熒光粉（例如YAG：Ce）調成漿料，經(jīng)過脫脂后，在1 250℃燒結時反應能形成致密的熒光粉和石英玻璃的復合體，并且熒光粉與石英玻璃的反應抑制在界面附近。該項研究不但為熒光粉/石英玻璃的熒光轉換體提供了一種簡單而且通用的合成策略，成功實現(xiàn)了全無機熒光轉換體的增材制造和無壓燒結，對于開發(fā)其他具有高溫穩(wěn)定性的復合材料具有重要的指導意義。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.007