中国におけるシリコン基板LED照明産業は、なぜ日本とアメリカに勝ったのか
近年、皆さんの周りに「メイド・イン・チャイナ」の製品が増えているのか？その背景は、中国における研究開発力の向上と産業の高度化であろうと思います。
その一例は、中国のLED(発光ダイオード)照明産業の発展です。今回は、中国のSNSで話題になっている「中国のLED産業の発展」についての記事を翻訳し、紹介したいと思います。
「中国におけるシリコン基板LED照明産業は、なぜ日本とアメリカに勝ったのか」
Source (Text, Chinese): https://mp.weixin.qq.com/s/vmGycbQyXzCaTQXFx5mXKA 这项技术全球只有三条路线，美国、日本和中国
Source (Video, Chinese): https://www.bilibili.com/video/BV1Wy411a7N1/ 打破日美垄断，一项国家技术发明一等奖的前10年与后10年
1.42ワットのLEDチップは、単価が約1.5元です。このようなチップを64個組み合わせると、100ワットの街路灯を作ることができ、価格は約500元です。照明効果は定格250ワットの高圧ナトリウムランプに相当し、1晩平均11時間点灯すると仮定すると、1日の消費電力は3度（「度」は中国で電力の計量単位「キロワット時」の俗称ですので、「1度」と一キロワット時は等しいです）から約1度に減少します。主道路の場合、以前は定格400ワットの高圧ナトリウムランプを使用していましたが、現在は150ワットのLEDランプに置き換えることができ、1晩で約3度の電力を節約できます。
2018年、銀川市は350以上の道路に設置された4.5万個以上の高圧ナトリウムランプをLEDランプに置き換えました。これまで6年間、LEDランプの運用により年間で4840万kWhの電力を節約しています。
さらに、高圧ナトリウムランプの寿命はわずか1〜2年であり、LEDの寿命は一般的に5万時間以上であり、基本的に10年以上使用できます。また、LEDランプは本質的に光電チップの組み合わせであり、デジタル技術との組み合わせがより容易であり、個々のランプ制御やバックエンドの監視を容易に実現でき、運用およびメンテナンスコストが低く抑えられます。10年間の周期で計算すると、LEDランプに切り替えることによって節約される電気代から、交換設備のコストを差し引いた後、一般的に多額の余剰が生じるでしょう。
この小さなガリウムナイトライドベースのLEDチップは、人類のトップクラスの知恵を結集した技術と言っても過言ではありません。
このようなLEDチップを作るには、基板上にガリウムナイトライドの発光膜を成長させる必要があります。そのプロセスは非常に複雑で、またの機会に詳しく説明します。
基板について言えば、現在、技術ルートは日本、アメリカ、中国の3つだけであり、それぞれの国で最高の栄誉を得ています。
日本のチームは1993年に「サファイア基板」という技術ルートを発明しました。その後の20年間、このルートに基づくLED技術と産業は急速に発展し、現在の市場で主流となっています。今日使用しているLEDランプ、LEDテレビやディスプレイ、スマートフォンのLEDスクリーンなどは、大部分がこの技術から生まれたものです。日本の科学者である中村修二氏と赤崎勇氏が率いるチームは、この功績により2014年にノーベル物理学賞を受賞し、日本国内では天皇文化勲章も授与されました。
しかし、「サファイア基板」ルートには完璧とは言えない点があります。まず、サファイアは絶縁体であり、硬度が高く、薄くすることや切断、剥離が難しい上に、熱伝導性も比較的に悪いです。これらの先天的な特徴のために、垂直構造のデバイスを作ることができず、発光品質と効率に影響を及ぼします。そのため、サファイア基板を使用して大出力のLEDを製作するには大きな制約があります。
アメリカのチームは1995年に「炭化ケイ素（SiC）基板」技術ルートを発明し、2003年にアメリカ大統領技術賞を受賞しました。炭化ケイ素は材料特性上、導電性を持つ半導体であり、垂直構造のデバイスを作ることができ、発光品質も優れています。また、熱伝導性はサファイアの10倍以上で、サファイア基板技術の放熱問題と結晶品質を改善しました。
しかし、「炭化ケイ素基板」ルートの欠点は高コストであるため、「貴族技術」と呼ばれています。まず、「サファイア基板」ルートには先発優位があり、次に、過去20年間で世界の半導体産業が東アジアに集中しているため、「炭化ケイ素基板」ルートは低価格製品で規模を拡大してコストを下げることが難しいのです。
南昌大学の江風益教授のチームは、第三のルートである「シリコン基板」ルートを開拓し、中国国家技術発明賞の一等賞を受賞しました。
シリコンは基板材料としての先天的な利点が際立っており、サファイアと炭化ケイ素の両方の利点を兼ね備えています。しかし、シリコン基板上で高効率のLEDチップを製造することは、長年にわたって世界的な難題とされてきました。これは、シリコンとガリウムナイトライド材料の間に深刻な熱不一致と格子不一致があるためです。各国の研究者が40年以上にわたりこの問題に取り組んできましたが、決定的な技術的難点を克服する理想的な方法は見つかっていませんでした。特に、前の二つのルートが相次いで確立された後、シリコン基板の技術ルートは一時業界で「死刑宣告」を受けたほどです。
しかし、LED製造の大国である中国が、日本やアメリカのルートに根本的に依存することには、リスクがあることは明白です。（注：近年、中国では政府も公式メディアも、そして民間の世論も、中国における技術と産業の独立自主性を非常に強調しています。これは、日本やアメリカなどの西洋諸国への依存を減らすことを意味します。）国内には多くの企業が長年にわたり「サファイア基板」ルートを採用してきましたが、その中には海外の大手企業が巧妙に埋めた特許の「地雷」が散らばっています。このため、一方では中国のLED製品や企業が国際市場に参入するのを妨げ、他方ではこれらの「地雷」が爆発しなくても、常に頭上にぶら下がるダモクレスの剣のような存在となっています。
江風益教授のチームが排除しようとしているのは、まさにこれらの「地雷」です。彼の理解によれば、科学研究の目標と産業化は一体であり、合計して「0から1」、「1からN」、そして「Nから0」の3つのステップを完了する必要があります。まず、技術的な成果の有無の問題を解決し（0から1）、次にその成果をN個の製品に変換し（1からN）、最後にN個の製品を0に戻して、すべてを販売する（Nから0）ことが必要です。
2003年、江風益教授は南昌大学の半導体発光材料実験室で3000回以上の実験を経て、ついにシリコン基板上に窒化ガリウム発光薄膜を成長させることに成功しました。
2005年、実験室から試作品が出され、2006年には「晶能光電」（注：LEDの製造企業）を設立し、2007年には工場を建設し、2008年には少量の試験生産を行い、2009年には低出力LEDチップの量産を開始しました。
2011年、アメリカのマサチューセッツ工科大学の「テクノロジー・エントレプレナー」誌は「世界で最も革新的な企業50社」を選出し、晶能光電はAppleやIBMと共にリストに掲載されました。
2012年、高出力LEDチップの量産が国際半導体照明連盟（ISA）によって「2012年の注目イベント」として評価されました。
一連の偉業の後、我々は完全に自主制御可能な技術を源流から持つようになり、産業全体の特許リスクが軽減されました。中国の通信業界を見ると、5G時代の技術特許の増加により、過去の2G、3G時代の外国の既存の特許障壁が解消されたという意味合いです。
成功は容易ではありませんでした。すべての段階が挑戦であり、特に産業化プロセスでは、研究室とは異なる困難がありました。
江風益教授と彼のチームが設立した晶能光電は、最初は上流のLEDチップの生産に焦点を当てることを考えていました。彼らは、先端技術を持ち、知的財産権のリスクがないと自然に考えました。したがって、中下流の封装および照明応用企業が自然と協力を求めて来ると考えました。 しかし、現実は異なりました。中下流の企業は協力しませんでした。 当時、中流の封装企業は主流のサファイア基板チップを採用しており、装置もサファイア基板チップの特性に基づいて設計されていました。みんながうまくやっていて、制裁を受けることもない。突然訪れて、技術ルートを変更するよう求めると、それは新たなコストとリスクを意味します。いくつかの封装企業を説得して新しい技術を試してみましたが、工程条件の制限により、シリコン基板チップの利点を発揮するのは難しい状況でした。
今日、江西省は光電産業の上流から下流までの垂直統合された産業チェーンを初めて形成しました。これは未来に備えるように見えますが、実際にはすべて迫られてのことです。
産業の中流において、晶能光電は自社でセラミックス封装ラインを立ち上げ、電球の製造を行いました。
下流のメーカーが協力しない場合はどうすればよいか？最小の接点から動き始め、共同創業者の王敏は自ら営業チームを率いて、「懐中電灯の里」と呼ばれる浙江省寧波市西店鎮に訪れ、顧客を個別に訪問しました。シリコン基板ルートの光源の効率が高く、方向性が優れている特性を示すために、2キロ先まで照射できる大型の懐中電灯を製作し、ようやく協力者を引き付けることができました。
初期段階では、懐中電灯に加えて、先に述べた街路灯もありました。晶能光電の照明部門は独立し、国有中央企業である「中国節能」の子会社である「晶和科技」となり、G端（注：ＧはGovermentを指す。政府向けの業務）の顧客を主体とした「契約エネルギー管理」ビジネスモデルを徐々に模索しました。
このモデルでは、長期的なサイクルで、新しい機器を導入することでどれだけの節約が得られるかに基づいて、その部分の費用が会社の利益に還元されるか、あるいは政府と一定の割合で共有されます。
このようなモデルは、本当に技術が優れ、機器が信頼性が高い企業に最も適しています。現在、晶和科技は全国最大の街路照明契約エネルギー管理サービスプロバイダーであり、60以上のプロジェクトを投入し、管理されている照明器具の総数は65万以上で、運用プロジェクトの全期間での省エネ量は約21億キロワット時を超えています。
……
現在、他の多くの企業が晶和科技との技術提携を求めており、産業エコシステムも徐々に正しい方向に進んでいます。だからこそ、シリコン基板のこのルートが最終的に成功したと言えます。この道の始まりは、江風益教授のチームが研究室での努力であり、その過程には晶能光電が市場を探し、産業チェーンを自ら構築するという決意と努力が欠かせませんでした。
「人々はしばしば未来2年間の変化を過大評価し、一方で未来10年間の変革を過小評価します」という言葉は、私たちがよく口にします。今日の物語もまた、この言葉をよく裏付けています。江風益教授が研究を始めたのは実は1990年代であり、今では30年以上になります。「シリコン基板」技術と産業チェーンはまだまだ未熟な段階であり、その潜在能力を全て発揮していないと言えます。
この記事が気に入ったらサポートをしてみませんか？