[科普中国]-半导体照明技术

简介

半导体照明被看作是第三代照明装置，可用于大屏幕彩显，特种照明，交通信号，多媒体显示LCD背光源，光通讯等领域。由于是冷光源，半导体照明不仅自身对环境没有任何污染，而且与传统的白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到90%以上。

半导体技术在业内又被称为LED 照明技术，主要包括了LED芯技术、LED 封装技术和LED 应用技术最近几年来，LED芯片技术在各国家的扶持下飞速发展，LED 芯片的尺寸越来越大，功率越来越大，单颗LED芯片的功率可以做大3W的LED佳装技术的发展使得封装产品的尺寸、形状、功能不断得到发展完善。为LED 应用技术的设计和制造提供了广阔空间，同时凸显了LED 照明技术多样性、灵活性、复杂性和广泛性。

美国、日本、韩国等国家和地区，近年来相继推出半导体照明计划，投入巨资进行研发。世界三大照明厂商——通用电气、飞利浦、奥斯拉姆都已相继与半导体公司合作，成立半导体照明公司。在美国能源部、美国光电产业发展协会等几家单位的发起下，美国桑迪亚国家实验室从2001年3月开始起草美国半导体照明技术发展蓝图（2002—2020），旨在为下一代照明规划提供技术论证。与此同时，日本也大力发展半导体照明技术，其中典型的是“日本21世纪照明计划”，该计划是由日本金属研发中心（The Japan Research andDevelopment Center ofMetals）和新能源产业技术综合开发机构（NEDO）发起和组织的为期5年的1个国家计划。这项计划的参与机构包括4所大学、13家公司和1个协会，目标旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术，使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍（即降低传统照明的能量消耗），减少CO2的产生。整个计划的财砬予币笪为60亿日元。1

半导体照明技术的构成要素半导体技术的客体要素客体要素主要指技术活动中的客观性技术要素，既包括劳动过程中的技术手段，工具、机器等生产工具，也包括劳动过程中的技术对象与技术成果。工具、机器等生产工具在技术活动中占据非常重要的地位。LED 技术的客体要素可以粗略划分为LED 相关部件的生产设备和各环节生产时质量监测控制方面的器、工其和设备。例如，LED 芯片生产技术的客体要素是指LED发光芯片的机构和设备，LED 封装的机构和设备，和以上两工艺技术在生产制造过程中可能产生污染的防治处理设备，LED 灯具应用相关的工具、设备和测试仪器，以及LED灯具安装维护设备的处理等五个不同方面。

这些客体要素因所涉及的具体技术主体在整个半导体照明产业链中所处的制造环节不同，呈现出了一种设备、工具可以有多个方面的用述等特点。这一点体现了即照明技术客体要表的多角色、应用广等特点例如，在即芯片和即灯其的特测设备方面，都利用到了光福光港仪来测试芯片和封装光源、灯具的光学和色度学参数。2

半导体技术的主体要素主体要素是指技术中的经验、技能与知识等智能性技术要素。经验、技能是最基本的技术表现形态。经验是人们在长期工艺操作中的体验，主要是在生产过程中，对生产方式及方法等直觉体验的积累和综合。技能则是以技术知识、劳动工具和试验为基础，在劳动过程中所表现出来的主体活动能力，包括技巧、诀窍等实际知识。LED技术是涉及半导体物理学、力学、色度学、光度学、热学、电学等多学科综合技术。于是经验、技能在不同的LED制造环节所表现的形式也不尽相同，如在LED芯片的生产过程中涉及物质掺杂就主要靠经验技能手工操作为基础，而LED 封装经验技能以机器操作为基础，而电源的研制以及灯具散热结构的设计的经验技能则以技术理论知识为基础。以上三种形式的经验技能代表了人们在利用自然和改造自然的过程中主体舌动能力或方式的不同发展阶段。知识形态的技术要素主要是指人科学理论为基础的技术知识，它是现代技术构成中的主导要素，人们主住把技术看作对科学的应用。但这只是一方面，远在照明原理产生之前，人类就已经凭借技能和经验使用技术了，如燃烧动植物的脂的来得到光芒、用于取暖和防御野兽袭击。显然，这个时代是利用经验的。到白炽灯和紧凑型荧光灯具的时代，人们就开始普遍利用技术知识了。技术知识就是人类在劳动过程中所掌握的技术经验和理论。它有两种表现形式，一种是经验知识，一种是理论知识前者是关于生产过程和操作方法规范化的描述或记载，后者则是关于生产过程和操作方法的机制或规律性的阐述。

LED 照明技术的多学科综合与多学科交叉的特点，使人们对LED技术涉及的问题要知其然，也要知其所以然。例如，要想做出高品质的LED照明产品就需要主体要素系统了解和掌握LED性能、LED技术的单元操作工艺等是基础性的知识，在LED封装技术中就需要掌握顺色的合成原理，以及还要掌握在封装过程中的胶水、荧光粉等的化学性质。在灯具的散热结构方面的就需要有良好的热学辐射与传导方面的知识和经验在哲学层面上讲，“涉及对声音、顾色和气味的威觉的神经中动是物理事牛，还是心灵事件?”这为我们在半导体照明技术的创新提供了一种新的思维方式那就是如何以人的意识、心灵、精神、主观情感去理解照明，一直以来，西方科学技术认为以“物理时间”去理解照明自然地将照明归纳为科学的、标准的、可客观检测的物理量去研究。但是半导体照明光源的出现后，这些物理描述与人的主观感觉的差距越来越大了，人们普遍的感觉是：LED光源看着亮，而测得的参数不理想；颜色的感觉较为舒适（特别是低色温产品），在某种程度上提高了愉悦度，然而测试的显色指数不是很理想。最近，我解读了一些这方面的文章，主要论述的是LED光源引发的照明理念的变革、光度学和色度学的创新，生理和心理光学效应的研究等等，都没有离开过“物理事件”的思维方式。

半导体照明技术的工艺要素在技术中，除了工具、机器、设备的客体要素，知识、经验技能的主体要素，还有表现在它的结合方式和运作状态的工艺要素。工艺要指人们利用物质手段去进行加工处理，不能把工艺等同于知识、经验（尽管工艺中有知识、经验和技能）；同时又不能把工艺等同于客体。也就是说，工艺乃是把工具、加工机器、生产设备等客体，与知识、经验、技能等主体要素相组合而形成的过程和方法，工艺乃是客体要素和主体要素在生产加工活动中的结合，是技术的结构性要素。关于工艺与技术之间的关系，在技术哲学流派中也两种不同观点，一种观点认为是同一体，所谓工艺就是技术。另一种观点认为工艺的范畴大于技术。目前对两者之间关系的讨论，大多学者还是认为工艺是技术的重要构成要素。半导体照明技术的工艺要素体现在，LED芯片工艺可做成单片，也可以是做成多芯片串联的高压芯片，甚至可做成不合常规的交流芯月到了LED封装技术的工艺要素就助加灵活多样，可以利用一是上不同的工艺生产出尺寸、功率、色温等不同的产品；到LED灯具那说技术阶段凭借前两个技术的工艺和电源控制技术、灯具结构散热技术，工程师可以优化各阶段的工艺要素，生产出符合客户自身喜爱的产品。

要素之间相互关系各要者的关系体现在三个方面。首先相关性与独立性，是相关性是指各类技术要素之间是相互联知的。在半导体照明技术中，体现在LED光潮电源支术的高低，决定若整个照明产品的品质高低。其次，互补性与主导性。例如，在光源封装中如果光学的指标不理想，可以在灯具制造中利用多光谐的光源来混色，达到理想的色温和显色指数。最后，自稳性与变异性。尽快照明技术日新月异，但是半导体照明支术将长期占据很大的照明市场，并且随善物联网技术的全面爆发，智慧照明将是未来半导体照明技术的战略高地。2

LED发展史1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。20世纪80年代早期，半导体技术取得重大技术突破，商用化红色LED性能以翻番速度提高。当今。效率最高的LED是用透明衬底AIlnGaP材料做的。在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍，效率达到每瓦大约100 Im（流明）。

1994年，日本日亚公司的中村修二研究员在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此人们看到了白光LED的曙光以及GaN基LED广阔的市场前景和巨大商机，也由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。随着能发出红光、黄光的GaAIlnP和发出绿光、蓝光的GalnN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2001年，前者做成的LED在红、橙色光区域（波长615 nm左右）的光效达到100lm/W，而后者制成的LED在绿色区域（波长为530 nm）的光效也可以达到50 lm/W。

半导体照明技术大发展过程中的最重要突破之一，就是实现了可发出白色光的目标。在上世纪末，在紫外和蓝光技术上的突破使得另外一种生成白光的技术成为可能。受到荧光灯发光原理的启发，即在单枚LED上通过蓝光激发荧光粉，生成白光，20世纪90年代后期制成了第一只这样的LED。此外，通过采用不同的荧光粉，可发出色温为4 500～10 000 K及色温为2 850～3 800 K的多种白光LED，也让白光LED具备了成为新一代照明设备的能力。下图所示为其发展趋势。3

LED的分类（1）按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。其中红、黄、黄绿光的LED以AlGalnP材料为主制成，蓝绿光LED以AlGaInN材料为主制成。另外，有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。
前沿领域新材料根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。

（2）按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

（3）按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度小于1 000毫坎德拉，mcd）；超高亮度的LED（发光强度大于1 500 mcd）；把发光强度在1 000～1 500 mcd之间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2mA以下。

（4）按照用途的不同，大致可以分为：LED指示/照明设备和LED显示成像设备两大类。3

LED作为光源的优点和不足与其他光源比较，LED半导体光源被称为“绿色光源”当之无愧。在照明行业中，将其与传统光源比较分析，某些方面表现出难以替代的优点：

（1）发光效率高。白炽灯、卤钨灯光效为12～24 lm/W，荧光灯50～70 lm/W，钠灯90～140 lm/W。LED光效经改良后将达到达50～200 lm/W，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。

（2）耗电量少。LED单管功率0.03～0.06 W，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5 V，电流15～18 mA，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。

（3）使用寿命长。采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。

（4）亮度和色彩的动态控制容易。可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩动态变换和数字化控制；能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光。

（5）外形尺寸灵活。体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

（6）环保。LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。

但是LED与其他光源比较也有不足的方面，比如在白光照明中显色性偏低。目前用黄色荧光粉和蓝光产生的白光LED，作为一般照明还可以，但对于一些色彩分辨要求高的场所就显得不足。通过白炽灯、荧光灯、普通LED与大功率LED的寿命对比，可以看出，大功率LED在寿命上有很大的优势，白炽灯和荧光灯在很多技术方面提升的空间已经很小了。3