激光显示产业爆发在即，驱动荧光陶瓷行业快速发展

宫学源

21世纪初，荧光激光光源技术诞生后，激光显示技术的发展进入了快车道，近年来，激光显示技术相继突破了高亮度、低成本、长寿命、低能耗、小体积、超短焦等诸多技术难题，并在分辨率、对比度、色域范围等显示指标上快速进步，因而在电影放映、商业投影、家用显示和工程投影等产品领域得到广泛应用，正迅速抢占传统投影显示光源如氙灯、LED光源的市场额。作为荧光激光光源的核心部件，荧光色轮技术和陶瓷荧光体技术已经在激光显示行业实现了商业应用。其中，陶瓷荧光体具有高耐热性、高可靠性、高亮度和低维护成本等优势，有望在下一代激光显示产品中开始推广。预计到2025年，陶瓷荧光体及器件的市场规模可达到数十亿元量级。

1  激光显示行业发展迅猛，渗透率快速提升

1.1  显示行业：LCD、OLED技术是主流

显示技术是继印刷技术之后人类社会最重要的知识展示和信息交流途径，也是信息时代最关键的基础设施之一。自1939年第一台黑白电视诞生以来，显示面板经历了黑白面板—彩色面板—数字面板的快速迭代，显示技术则由CRT技术快速过渡到LCD和OLED，对人类生产生活的方式带来了深刻影响（图1）。显示技术的创新正在驱动市场迅猛发展，截至2020年全球产业规模迅速扩张至万亿元量级。

一般来说，显示系统包含光源系统、光路系统、信号调制系统和显像系统等，涉及凝聚态物理、微电子、光学等诸多学科，是一个高复杂度的系统。当前，手机、平板、电视等消费电子设备采用的主流显示技术为LCD和OLED技术。其中，LCD显示技术依靠背光模组（LED背光板）发光实现屏幕显示，OLED不依靠背光模组而是通过自发光实现屏幕显示。目前，LCD面板和OLED面板已经占据整个显示面板出货量的95%以上，2020年的市场规模约为1 000亿美元。未来一段时间，OLED面板出货量将快速上升，实现对LCD面板的部分替代。

1.2  激光显示：大屏细分市场快速渗透

激光显示技术采用红、绿、蓝（RGB）三基色激光作为显示光源，具有大色域、高亮度、极限高清、真3D等颠覆性优势，是继CRT显示、液晶显示、LED显示之后的新一代技术。从色域角度看，激光显示的色域覆盖率可高达90%以上;从成本角度看，激光光源维护费用低，寿命可长达10年;从环保角度看，激光电视功耗是传统电视的1/3左右，且激光光源生产的过程中无重金属材料，属于环境友好型光源。鉴于以上产品优势，激光显示在大屏幕电视、大屏高清投影2大领域得到了飞速发展（图2）。

随着激光显示技术不断成熟，终端产品规模的持续放大，激光电视和激光投影的市场也在迅速扩张。根据奥维云网的数据，2020年中国激光电视销售量为20余万台，总销售额约46亿元;激光微投产品销量约为2万台，总销售额约1亿元。未来5年，随着高端消费需求的逐渐渗透，激光电视和激光微投带来的市场规模有望达到百亿水平。

1.3  激光光源：荧光色轮技术是关键

激光显示技术有LED+激光、单色激光（荧光材料+蓝光）、RGB三色激光技术以及双色（红色+蓝色+荧光材料）激光4种技术，其中LED+激光存在亮度限制（≤3 000流明），RGB三色激光是最为纯正的激光光源，但存在散斑（激光相干性）和成本高的问题，单色及双色激光主要通过蓝色激光+荧光材料转化为绿色及红色激光，色域较广，成本更低。

深圳光峰科技股份有限公司提出荧光激光光源的技术概念，利用激光光源激发荧光材料，结合了激光高亮度以及荧光高光效和无散斑的优势，极大地推动了激光投影显示产业的发展。荧光激光光源因其技术优势被众多厂商采用和发展，已形成了ALPD技术、SSI技术和混合光源技术3大技术阵营。光峰科技原创的第一代ALPD技术使用蓝色激光激发旋转的稀土荧光色轮（投射式），可将蓝色激光转化为红色和绿色激光;第4代ALPD技术采用三色激光和反射式荧光轮，进一步提升了光源亮度和显示色域（图3）。

从原理上看，稀土荧光色轮由色轮基底（玻璃、陶瓷等）、稀土荧光粉、粘结剂和其他封装材料组成，高温耐受能力存在一定短板;荧光材料存在“激光高温灼烧淬灭”问题，限制了荧光激光光源的亮度。通过转动荧光色轮，激光可以不再聚焦灼烧一点，因此该技术能够有效实现热管理，保障材料的高温寿命和器件整体效率。目前，荧光色轮相关专利主要被海信、光峰科技、卡西欧和德州仪器等少数公司所掌控。

2  陶瓷荧光体优势显著，未来市场前景广阔

20世纪50年代，美国GE公司首次研制出半透明氧化铝陶瓷。自此开始，透明陶瓷的研究和发展已逾半个多世纪，其在激光、高能物理、航空航天和医疗等领域已经取得了诸多应用。根据功能性分类，透明陶瓷主要包括激光陶瓷、荧光陶瓷、闪烁陶瓷、铁电陶瓷等。1967年，荷兰飞利浦实验室首次利用阴极射线激发的方式研究了铈离子掺杂钇铝石榴石（YAG：Ce）的发光特性，结果表明YAG：Ce的主激发峰在460nm的蓝光区域，能够被蓝光激发并直接获得白光，其具有高量子效率、高热稳定性。目前，YAG：Ce黄色荧光粉已经成为照明和显示行业应用最为广泛的荧光转换材料。

2.1  业界聚焦陶瓷荧光体技术

传统荧光色轮包含有机材质，在激光的长时间照射下容易损坏或者偏色的情况。为提升荧光色輪的高温耐用性，业界开始采用纯无机的陶瓷荧光色轮。与现有荧光色轮相比，陶瓷荧光色轮直接由YAG：Ce荧光陶瓷粉末制成，突破了有机粘合剂高温可靠性问题，从而允许高亮度激光投影，同时显著降低了维护成本。

为进一步提升荧光组件的发光效率、缩小激光显示/投影设备的尺寸，以日立Maxell公司为代表的投影设备制造商正尝试转向微型陶瓷荧光体技术，彻底替代采用机械转动方式工作的荧光色轮技术（图4）。由于不采用机械转动的方式工作，所以在散热上可以采用贴片式导热技术，能够将荧光转换部分做成全封闭结构，进一步提升产品的可靠性、抗灰尘侵袭能力，也带来产品始终如一的亮度和色彩表现。以Maxell为代表的企业希望通过此举，打破光峰科技在荧光色轮方面的专利垄断，提升其在激光投影、激光显示方面的竞争优势。

2.2  技术壁垒显著，国内已有布局

在激光显示/投影行业，上游核心元器件主要包括激光器、芯片和镜头，由于所需精密度和性能要求较高，所能生产的供应商有限。其中，激光器供应商主要包括日亚、欧司朗和夏普等;镜头供应商主要包括日本理光、天活松林光学等;显示芯片则主要被德州仪器和索尼等少数企业垄断。中游核心部件包括光源、光机和配套的投影屏幕，下游则包括激光电视、微型激光投影等C端市场，以及激光商用投影、激光电影放映机等B端市场（图5）。

荧光色轮（含有机粘结剂）属于上游光源的核心部件，但技术壁垒相对激光器、镜头和显示芯片等部件较弱，一般直接由激光显示/投影生厂商进行研发和量产。陶瓷荧光色轮/陶瓷荧光体技术壁垒相对较高，且需要新型封装/热管理技术，目前仅有肖特（Shott）等少数公司能够量产。中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院过程工程研究所等科研机构已经在陶瓷荧光体领域有多年研发积累，亦有一定的专利布局，未来或可快速实现进口替代。

2.3  市场总规模较小，未来势头良好

在显示和投影行业，激光光源的应用仍处于比较早期的阶段，但市场发展趋势良好。据奥维云网数据显示，2020年1—7月激光电视零售量同比增长77.5%，2013—2018年激光电视年复合增长率超过200%。作为对比的是，2020年上半年中国彩电市场零售量下滑9.1%，零售额下降22.2%。未来5年，假设激光电视渗透率上升至1%，预计市场总规模可达80亿元左右;假设激光微投渗透率快速上升至3%（微投行业渗透率高），预计市场总规模同样可达80亿元左右，两者综合可达到150亿元以上。

目前，传统荧光色轮的技术比较较低，基本是由激光显示生产商自行研发，因此其在整机中的成本占比较低。未来，随着激光显示行业的迅速发展以及高亮度需求，具有高技术壁垒的陶瓷荧光体/陶瓷荧光色轮或将被大部分激光显示企业所沿用，成本市场竞争中的“杀手锏”。简单估计，新型陶瓷荧光器件在整机中的成本，在未来数年内将高达10%～20%，由此产生的市场空间可达数十亿元。

3  荧光陶瓷行业未来发展展望

3.1  应用范围宽广，未来想象空间大

3.1.1  医疗应用

在医疗应用中，光学内窥镜一般采用氙灯光源，但其存在转换效率低、光缆末端温度高、照明不均匀及产生无影图像的弊端。激光荧光光源应用于内窥镜照明时，可将蓝色激光束发射到光纤中，在光纤的末端涂有合适的荧光粉成分，产生的白色激光能有效避免氙灯光源的缺点。激光可以聚焦在光纤上远距离传输，而不会造成严重的光损耗。

3.1.2  可见光通信

可见光通信（VLC）是一种利用LED或激光二极管（LD）进行数据传输的新兴技术，可为航空、医院和室内无线网络的数据传输提供更多解决方案。根据数据显示，基于LED的VLC系统的数据速率会受到LED直接调制带宽的限制;相较而言，基于LD的VLC技术具备了小体积、窄带宽、高调制速度以及无效率下降等诸多优势。采用LD激发荧光粉进行数据通讯，结果表明可实现1Gb/s以上的超高传输速率。

3.2  新型技术崭露头角，或带来产业颠覆

3.2.1  平板激光显示技术

2019年6月，中国科学院化学研究所赵永生课题组充分发挥有机材料在溶液加工方面的优势，利用喷墨打印的方式精准构建了红绿蓝微纳激光阵列作为显示面板，首次实现了主动发光平板激光显示，解决了当前激光投影显示无法用于手机、平板、可穿戴设备等领域的问题。相关成果发表在《Nature Communications》期刊上。该工作为发展高性能、易加工的平板激光显示及照明器件提供了一种可行的解决方案。

3.2.2  低成本3D打印技术

2020年7月，浙江大学邱建荣教授团队在《Nature Communications》上发表论文，报道了一种3D打印和无压烧结技术用于快速制造量子效率高、颜色可调、物理化学性能優异的荧光转换体，实现了全无机荧光转换体的增材制造，有望应用于高功率LED和激光照明领域。研究发现，石英玻璃纳米粉与荧光粉（例如YAG：Ce）调成浆料，经过脱脂后，在1 250℃烧结时反应能形成致密的荧光粉和石英玻璃的复合体，并且荧光粉与石英玻璃的反应抑制在界面附近。该项研究不但为荧光粉/石英玻璃的荧光转换体提供了一种简单而且通用的合成策略，成功实现了全无机荧光转换体的增材制造和无压烧结，对于开发其他具有高温稳定性的复合材料具有重要的指导意义。

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