宮學(xué)源

21世紀(jì)初，熒光激光光源技術(shù)誕生后，激光顯示技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了快車道，近年來，激光顯示技術(shù)相繼突破了高亮度、低成本、長(zhǎng)壽命、低能耗、小體積、超短焦等諸多技術(shù)難題，并在分辨率、對(duì)比度、色域范圍等顯示指標(biāo)上快速進(jìn)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，正迅速搶占傳統(tǒng)投影顯示光源如氙燈、LED光源的市場(chǎng)額。作為熒光激光光源的核心部件，熒光色輪技術(shù)和陶瓷熒光體技術(shù)已經(jīng)在激光顯示行業(yè)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)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(hù)成本等優(yōu)勢(shì)，有望在下一代激光顯示產(chǎn)品中開始推廣。預(yù)計(jì)到2025年，陶瓷熒光體及器件的市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)到數(shù)十億元量級(jí)。

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(shù)是主流

顯示技術(shù)是繼印刷技術(shù)之后人類社會(huì)最重要的知識(shí)展示和信息交流途徑，也是信息時(shí)代最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施之一。自1939年第一臺(tái)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(shù)則由CRT技術(shù)快速過渡到LCD和OLED，對(duì)人類生產(chǎn)生活的方式帶來了深刻影響（圖1）。顯示技術(shù)的創(chuàng)新正在驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)迅猛發(fā)展，截至2020年全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)張至萬億元量級(jí)。

一般來說，顯示系統(tǒng)包含光源系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)和顯像系統(tǒng)等，涉及凝聚態(tài)物理、微電子、光學(xué)等諸多學(xué)科，是一個(gè)高復(fù)雜度的系統(tǒng)。當(dāng)前，手機(jī)、平板、電視等消費(fèi)電子設(shè)備采用的主流顯示技術(shù)為L(zhǎng)CD和OLED技術(shù)。其中，LCD顯示技術(shù)依靠背光模組（LED背光板）發(fā)光實(shí)現(xiàn)屏幕顯示，OLED不依靠背光模組而是通過自發(fā)光實(shí)現(xiàn)屏幕顯示。目前，LCD面板和OLED面板已經(jīng)占據(jù)整個(gè)顯示面板出貨量的95%以上，2020年的市場(chǎng)規(guī)模約為1 000億美元。未來一段時(shí)間，OLED面板出貨量將快速上升，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD面板的部分替代。

1.2? 激光顯示：大屏細(xì)分市場(chǎng)快速滲透

激光顯示技術(shù)采用紅、綠、藍(lán)（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(shì)，是繼CRT顯示、液晶顯示、LED顯示之后的新一代技術(shù)。從色域角度看，激光顯示的色域覆蓋率可高達(dá)90%以上;從成本角度看，激光光源維護(hù)費(fèi)用低，壽命可長(zhǎng)達(dá)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(shì)，激光顯示在大屏幕電視、大屏高清投影2大領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展（圖2）。

隨著激光顯示技術(shù)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(chǎng)也在迅速擴(kuò)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(tái)，總銷售額約46億元;激光微投產(chǎn)品銷量約為2萬臺(tái)，總銷售額約1億元。未來5年，隨著高端消費(fèi)需求的逐漸滲透，激光電視和激光微投帶來的市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到百億水平。

1.3? 激光光源：熒光色輪技術(shù)是關(guān)鍵

激光顯示技術(shù)有LED+激光、單色激光（熒光材料+藍(lán)光）、RGB三色激光技術(shù)以及雙色（紅色+藍(lán)色+熒光材料）激光4種技術(shù)，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(lán)色激光+熒光材料轉(zhuǎn)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(shù)概念，利用激光光源激發(fā)熒光材料，結(jié)合了激光高亮度以及熒光高光效和無散斑的優(yōu)勢(shì)，極大地推動(dòng)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(shù)優(yōu)勢(shì)被眾多廠商采用和發(fā)展，已形成了ALPD技術(shù)、SSI技術(shù)和混合光源技術(shù)3大技術(shù)陣營。光峰科技原創(chuàng)的第一代ALPD技術(shù)使用藍(lán)色激光激發(fā)旋轉(zhuǎn)的稀土熒光色輪（投射式），可將藍(lán)色激光轉(zhuǎn)化為紅色和綠色激光;第4代ALPD技術(shù)采用三色激光和反射式熒光輪，進(jìn)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(jié)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(zhuǎn)動(dòng)熒光色輪，激光可以不再聚焦灼燒一點(diǎn)，因此該技術(shù)能夠有效實(shí)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(guān)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(shì)顯著，未來市場(chǎng)前景廣闊

20世紀(jì)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(gè)多世紀(jì)，其在激光、高能物理、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)取得了諸多應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(jié)果表明YAG：Ce的主激發(fā)峰在460nm的藍(lán)光區(qū)域，能夠被藍(lán)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(yīng)用最為廣泛的熒光轉(zhuǎn)換材料。

2.1? 業(yè)界聚焦陶瓷熒光體技術(shù)

傳統(tǒng)熒光色輪包含有機(jī)材質(zhì)，在激光的長(zhǎng)時(shí)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(jī)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(jī)粘合劑高溫可靠性問題，從而允許高亮度激光投影，同時(shí)顯著降低了維護(hù)成本。

為進(jìn)一步提升熒光組件的發(fā)光效率、縮小激光顯示/投影設(shè)備的尺寸，以日立Maxell公司為代表的投影設(shè)備制造商正嘗試轉(zhuǎn)向微型陶瓷熒光體技術(shù)，徹底替代采用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)方式工作的熒光色輪技術(shù)（圖4）。由于不采用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的方式工作，所以在散熱上可以采用貼片式導(dǎo)熱技術(shù)，能夠?qū)晒廪D(zhuǎn)換部分做成全封閉結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.2? 技術(shù)壁壘顯著，國內(nèi)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(yīng)商有限。其中，激光器供應(yīng)商主要包括日亞、歐司朗和夏普等;鏡頭供應(yīng)商主要包括日本理光、天活松林光學(xué)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(jī)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(chǎng)，以及激光商用投影、激光電影放映機(jī)等B端市場(chǎng)（圖5）。

熒光色輪（含有機(jī)粘結(jié)劑）屬于上游光源的核心部件，但技術(shù)壁壘相對(duì)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(jìn)行研發(fā)和量產(chǎn)。陶瓷熒光色輪/陶瓷熒光體技術(shù)壁壘相對(duì)較高，且需要新型封裝/熱管理技術(shù)，目前僅有肖特（Shott）等少數(shù)公司能夠量產(chǎn)。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國科學(xué)院過程工程研究所等科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)在陶瓷熒光體領(lǐng)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(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。

2.3? 市場(chǎng)總規(guī)模較小，未來勢(shì)頭良好

在顯示和投影行業(yè)，激光光源的應(yīng)用仍處于比較早期的階段，但市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)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(zhǎng)77.5%，2013—2018年激光電視年復(fù)合增長(zhǎng)率超過200%。作為對(duì)比的是，2020年上半年中國彩電市場(chǎng)零售量下滑9.1%，零售額下降22.2%。未來5年，假設(shè)激光電視滲透率上升至1%，預(yù)計(jì)市場(chǎng)總規(guī)?？蛇_(dá)80億元左右;假設(shè)激光微投滲透率快速上升至3%（微投行業(yè)滲透率高），預(yù)計(jì)市場(chǎng)總規(guī)模同樣可達(dá)80億元左右，兩者綜合可達(dá)到150億元以上。

目前，傳統(tǒng)熒光色輪的技術(shù)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(jī)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(shù)壁壘的陶瓷熒光體/陶瓷熒光色輪或?qū)⒈淮蟛糠旨す怙@示企業(yè)所沿用，成本市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的“殺手锏”。簡(jiǎn)單估計(jì)，新型陶瓷熒光器件在整機(jī)中的成本，在未來數(shù)年內(nèi)將高達(dá)10%～20%，由此產(chǎn)生的市場(chǎng)空間可達(dá)數(shù)十億元。

3? 熒光陶瓷行業(yè)未來發(fā)展展望

3.1? 應(yīng)用范圍寬廣，未來想象空間大

3.1.1? 醫(yī)療應(yīng)用

在醫(yī)療應(yīng)用中，光學(xué)內(nèi)窺鏡一般采用氙燈光源，但其存在轉(zhuǎn)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(yīng)用于內(nèi)窺鏡照明時(shí)，可將藍(lán)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(diǎn)。激光可以聚焦在光纖上遠(yuǎn)距離傳輸，而不會(huì)造成嚴(yán)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屡d技術(shù)，可為航空、醫(yī)院和室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)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(huì)受到LED直接調(diào)制帶寬的限制;相較而言，基于LD的VLC技術(shù)具備了小體積、窄帶寬、高調(diào)制速度以及無效率下降等諸多優(yōu)勢(shì)。采用LD激發(fā)熒光粉進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)1Gb/s以上的超高傳輸速率。

3.2? 新型技術(shù)嶄露頭角，或帶來產(chǎn)業(yè)顛覆

3.2.1? 平板激光顯示技術(shù)

2019年6月，中國科學(xué)院化學(xué)研究所趙永生課題組充分發(fā)揮有機(jī)材料在溶液加工方面的優(yōu)勢(shì)，利用噴墨打印的方式精準(zhǔn)構(gòu)建了紅綠藍(lán)微納激光陣列作為顯示面板，首次實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)發(fā)光平板激光顯示，解決了當(dāng)前激光投影顯示無法用于手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的問題。相關(guān)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(shù)

2020年7月，浙江大學(xué)邱建榮教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表論文，報(bào)道了一種3D打印和無壓燒結(jié)技術(shù)用于快速制造量子效率高、顏色可調(diào)、物理化學(xué)性能優(yōu)異的熒光轉(zhuǎn)換體，實(shí)現(xiàn)了全無機(jī)熒光轉(zhuǎn)換體的增材制造，有望應(yīng)用于高功率LED和激光照明領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，石英玻璃納米粉與熒光粉（例如YAG：Ce）調(diào)成漿料，經(jīng)過脫脂后，在1 250℃燒結(jié)時(shí)反應(yīng)能形成致密的熒光粉和石英玻璃的復(fù)合體，并且熒光粉與石英玻璃的反應(yīng)抑制在界面附近。該項(xiàng)研究不但為熒光粉/石英玻璃的熒光轉(zhuǎn)換體提供了一種簡(jiǎn)單而且通用的合成策略，成功實(shí)現(xiàn)了全無機(jī)熒光轉(zhuǎn)換體的增材制造和無壓燒結(jié)，對(duì)于開發(fā)其他具有高溫穩(wěn)定性的復(fù)合材料具有重要的指導(dǎo)意義。

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