Rosnący popyt motorem zmian w podejściu do LED-ów

W tym celu konieczne będą inwestycje w automatyzację i standaryzację procesów produkcyjnych, a także pogłębienie współpracy między głównymi dostawcami LED-ów, również w celu opracowania wizji rozwoju całej branży. Za wzór do naśladowania stawia się przemysł półprzewodnikowy, borykający się kilka lat temu z podobnymi problemami. Od momentu wprowadzenia do produkcji LED-y wykorzystywane są w różnych urządzeniach.

Początkowo, tzn. jeszcze w latach 80. ubiegłego wieku, instalowano je głównie jako wskaźniki w urządzeniach elektronicznych oraz w pilotach do zdalnego sterowania odbiornikami TV. Obecnie tzw. HB-LED-y (high-brightness LED) są powszechnie używane do podświetlania ekranów LCD w laptopach i telewizorach oraz w oświetleniu, które parametrami przewyższa, a ceną zaczyna dorównywać tradycyjnym źródłom światła, stając się dla nich poważną konkurencją.

HB-LED-y w LCD i...

Znaczenie LED-ów na rynku podświetlaczy LCD znacznie wzrosło, odkąd stały się konkurencję dla dotychczas dominujących w tym zastosowaniu lamp CCFL (Cold-Cathode Fluorescent Lamp), między innymi pod względem kosztów i wydajności. Zaletą LED-ów jest też mniejszy pobór mocy oraz to, że umożliwiają konstruowanie cieńszych ekranów o żywszych kolorach wyświetlanych obrazów i większym kontraście. Ponadto jest to technologia bezrtęciowa. Według analityków DisplaySearch w ciągu najbliższych pięciu lat HB-LED-y staną się czołową technologią podświetlania ekranów LCD, osiągając w 2011 roku 56% udział w tym rynku. Zresztą już dziś odbiorniki TV podświetlane LED-ami mają w swojej ofercie praktycznie wszyscy najwięksi producenci.

...w oświetleniu

Obiecującym rynkiem dla HB-LED-ów jest również oświetlenie. W latach 2000–2009 był to najszybciej rozwijający się segment rynku LED o wzroście rzędu 37% rocznie, chociaż do niedawna diody wykorzystywano głównie w niszowych aplikacjach, takich jak oświetlenie architektoniczne i dekoracyjne. W międzyczasie jednak koszty LED-ów znacznie spadły, a jednocześnie poprawiły się ich parametry, zwłaszcza jasność.

Charakteryzuje w porównaniu do innych źródeł światła, co jest istotne ze względu na uregulowania prawne nakazujące wycofanie z rynku energochłonnych żarówek oraz wprowadzające ulgi dla inwestycji w oświetlenie energooszczędne. Dzięki temu białe LED-y są coraz częściej używane również np. w oświetleniu wystawowym, ulicznym oraz w mieszkaniach, co sprawia, że prognozy na najbliższe lata są jeszcze bardziej optymistyczne niż dotychczas. Analitycy przewidują, że przez kolejnych pięć lat rynek LED-ów w instalacjach oświetleniowych będzie rósł średnio nawet o 45% rocznie.

Klucze do sukcesu

By prognozy te mogły się spełnić, systematycznie powinien maleć koszt HB-LED-ów w przeliczeniu na lumen. Zależy on od sprawności świetlnej diody oraz kosztów produkcji. Zmniejszenie tego ostatniego możliwe jest dzięki zwiększeniu wydajności produkcji oraz poprawie jakości wytwarzanych produktów. Wybrakowane komponenty – np. diody o parametrach elektrycznych, długości emitowanego światła lub sprawności odbiegających od przyjętej normy, są bowiem przyczyną dużych strat. Wydajność produkcji można z kolei zwiększyć, modernizując sprzęt oraz dzięki automatyzacji realizowanych procesów.

Automatyzacja MOCVD

W przeciwieństwie do wieloetapowej produkcji układów scalonych w technologii CMOS, HB-LED-y powstają w ramach jednego procesu i w obrębie jednej maszyny – reaktora MOCVD, którego koszt stanowi często ponad 50% wydatków kapitałowych na wyposażenie fabryki ponoszonych przez producentów LED-ów. Proces produkcji diod w reaktorze MOCVD jest jednocześnie prosty z zasady i skomplikowany w realizacji, ponieważ wymaga kontroli szeregu parametrów (patrz ramka). Dodatkowo przebiega bardzo wolno, trwając przeważnie od pięciu do dziesięciu godzin, a czasem nawet dłużej.

Do tego uwzględnić trzeba też czas przygotowania urządzenia do pracy, różny w zależności od konstrukcji systemu MOCVD. Ponieważ ze względu na specyfikę formowania warstw LED-ów nie można przyspieszyć samego procesu produkcyjnego, sposobem na zwiększenie wydajności jest przede wszystkim skrócenie czasu obsługi samej maszyny. Jedną z możliwości jest zautomatyzowanie ładowania i rozładowywania reaktora. Systemy niezautomatyzowane wcześniej trzeba schłodzić, by operator mógł do nich wprowadzić płytki podłożowe, a ponadto najpierw trzeba je całkowicie opróżnić, nim włoży się do nich nową porcję płytek.

Zautomatyzowanie tych czynności umożliwiłoby opróżnianie reaktora z gotowych płytek przy znacznie wyższych temperaturach, co zapewniłoby dużą oszczędność czasu. Ponadto automatyczne systemy mogą wykorzystywać wiele pojemników z płytkami jednocześnie, co pozwala załadować nową porcję płytek w czasie, gdy poprzednia jest jeszcze w środku. To również znacząco skraca czas produkcji.

Standaryzacja

Obecnie branża LED przypomina przemysł półprzewodnikowy sprzed kilku lat. Funkcjonuje w niej kilku dużych producentów, jak np. Cree i Nichia, którzy we własnym zakresie modyfikują procesy produkcyjne, a wprowadzanych zmian z reguły nie upubliczniają. Dlatego w przemyśle LED funkcjonuje wiele rozwiązań prowizorycznych, a wysiłki zespołów R&D i inżynierów produkcji są w większym stopniu skupione na dążeniu do spełnienia oczekiwań klientów zamiast na zwiększaniu wydajności produkcji i obniżaniu jej kosztów.

Dzieje się tak przede wszystkim ze względu na brak standardów, których producenci wystrzegają się z obawy, że jeżeli im się podporządkują, stracą technologiczną przewagę nad konkurencją. Wadą takiego podejścia jest to, że często sprzęt do produkcji wykonywany jest na specjalne zamówienie. Zwiększa to jednak cenę o koszty, jakie jego dostawca musi ponieść dostosowując swoje linie produkcyjne do takich zleceń realizowanych zazwyczaj w niewielkiej ilości.

Podobnie było we wczesnych latach rozwoju branży półprzewodnikowej, gdy działający w niej producenci nie byli w stanie ze sobą współpracować. Gdy w końcu sytuacja ta uległa zmianie, możliwe stało się opracowanie tańszych rozwiązań. Pracami nad standaryzacją w branży LED, która objąć powinna wszystkie aspekty produkcji od rozmiaru podłoży po pojemniki do ich transportu, zajmuje się grupa SEMI.

Celem jest przede wszystkim znormalizowanie wymiarów i oznaczeń, co nie wpłynie na unikalne cechy produktów wyróżniające je wśród konkurencji, ale ułatwi funkcjonowanie np. producentom płytek podłożowych, którzy będą mogli dostarczać zestandaryzowane produkty wielu różnym odbiorcom z branży LED. Ułatwi to też automatyzację produkcji.

Podsumowanie

Mimo potencjalnych korzyści zdaniem analityków zmiany nie nastąpią szybko. Obecnie bowiem producenci, nie dostrzegając problemu, nie poświęcają kwestiom automatyzacji i standaryzacji zbyt wiele uwagi, przede wszystkim wszelkimi dostępnymi sposobami starając się podołać olbrzymieniu popytowi na ich produkty, głównie w zakresie komponentów do podświetlania ekranów LCD. Kłopoty pojawią się dopiero, gdy do bieżących zamówień dołączą masowe zlecenia na produkty do systemów oświetleniowych. By im podołać, wprowadzenie opisanych zmian stanie się koniecznością.