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【中国科学报】让LED走进“寻常百姓家”

2020-01-19

 

 

说起庆祝中华人民共和国成立70周年联欢活动,凤凰彩票注册(以下简称半导体所)研究员、半导体照明联合创新国家重点实验室主任李晋闽至今仍流露出骄傲自豪的神情:“天安门广场上几乎所有的光源,我们项目团队都有参与。”

李晋闽口中的“项目”,便是获得2019年度国家科技进步奖一等奖的“高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化”项目。该项目由半导体所牵头、三安光电股份有限公司(以下简称三安光电)等单位参与完成。

半导体照明作为人类照明史上第二次革命,“其光效是节能灯的5倍、白炽灯的20倍”。李晋闽告诉《中国科学报》,目前我国半导体照明核心器件已经实现国产化,使用率约为50%,每年节约用电量约2700亿度,相当于3个三峡水电站的发电量。

优化芯片

140年前,爱迪生发明白炽灯惊动了全世界,这是人类照明史上的第一次革命。在这之前,人类的祖先在漫长的进化过程中,一直用火作为照明光源。

随着科技进步,白炽灯之后又发展出水银灯、卤素灯、钠灯、荧光灯等多种照明光源,但这些传统照明光源都存在电光转换效率低的问题。李晋闽在接受《中国科学报》采访时介绍,这些传统照明光源只有约5%的电能转化成了光,造成巨大的光能浪费。

上世纪末,科学家又研制出了新的照明光源——发光二极管(LED),这触发了人类照明史上的第二次革命。

李晋闽表示,小米粒大小的LED光源是半导体照明产品的优质光源材料,但这样的光源有个致命的硬伤——价格贵。

“17年前一个光源要卖100多元,而一个射灯一般有3个光源,就需要300多元,普通家庭用不起。”李晋闽说。

要让半导体照明产品走进千家万户,其性能要提高8倍,价格要降到原来的1%。

LED利用固体半导体芯片作为发光材料,由于早期芯片研发的工艺环节无法得到精准控制,其发光效率迟迟难以提高。

李晋闽和团队成员十七年磨一剑,不断改进工艺,最终使电转化为光的效率达到90%。“这是我国自主研发的。”李晋闽表示,现在一个光源的价格是之前的1/100,甚至1/400。

由此,半导体照明芯片从此前完全依赖进口,发展到自主可控并全面实现国产化。

作为项目的重要参与单位,三安光电副总经理蔡文必也很自豪。他告诉《中国科学报》,项目成果的多项外延芯片技术率先在三安光电进行推广与量产,让公司一举成为全球知名的外延芯片厂。目前三安光电的半导体照明芯片生产数量已远超美国、日本、欧洲的总和。

勇挑重担

回想起17年前,李晋闽仍记忆犹新。那时,发达国家围绕LED的研制展开激烈的技术竞赛,许多国家纷纷发布半导体照明发展计划,如美国的“下一代照明计划”、欧盟的“彩虹计划”、日本的“21世纪光计划”等。

“当时,国内的研究很难寻求与国外合作,研究很是艰难。”李晋闽说。而这恰恰激发了国人奋发图强的斗志。

2003年5月,非典期间,半导体所一间充满84消毒液气味的小会议室内,科技部领导听取了时任半导体所所长李晋闽的工作汇报。随后,科技部组织专家学者进行研讨、资料检索、企业调研,筹划发展中国LED的可行性论证。

多方论证后,专家们认为可以启动LED项目。“这个事情一定要抓,而且还要立即抓,不能犹豫,不然将来有可能会‘犯历史性错误’。”时任科技部高新技术发展与产业化司司长李健说。

仅仅在一个半月后,国家半导体照明工程协调领导小组第一次电视电话会议在京召开。会上,科技部等六部委正式启动国家半导体照明工程,这是我国首次提出发展半导体照明计划。

2006年,半导体照明列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》;2013年,国务院发布《关于加快发展节能环保产业的意见》,大力推动半导体照明产业化。今天,我国已成为全球最大的半导体照明产品的制造、消费和出口国。

李晋闽自始至终都参与其中,见证了我国半导体照明技术从无到有、从弱到强,这其中凝聚着科研人员近20年的接续奋斗。在他看来,取得这样的成绩并不仅仅归功于获奖项目的10家单位,而是全行业共同努力的结果。

超越照明

随着科技的进一步发展,LED的作用已不仅仅用于照明。李晋闽表示,基于LED的“超越照明”成为半导体照明领域的新技术与应用新方向,且发展非常迅猛。

基于紫外LED的超越照明技术,已经出现了市场化的深紫外光源应用产品,可用于光固化、杀菌、消毒、医学光照疗法等;此外还有基于LED的医学光疗技术,在神经、血管、皮肤和人体代谢等重大疾病的治疗和人体健康保健方面的应用不断增多;基于LED的植物生长技术和病虫害控制技术、基于LED光生物反应的家禽和水产养殖技术、基于白光LED的可见光通信技术等。

以深紫外光源为例,李晋闽向《中国科学报》介绍,根据我国加入的《水俣公约》,从今年起,将限制并逐步禁止生产及进出口含汞产品,其中就包括目前广泛使用的荧光灯。

“深紫外LED替代传统汞灯在消毒杀菌方面的应用类似于白光LED替代传统光源在照明领域的应用,这将促成一个巨大的新兴产业。”李晋闽说。

李晋闽等专家之所以将这一类技术称为“超越照明”,是借鉴了摩尔定律和超越摩尔定律。

现在,李晋闽及其团队基本实现了17年前的目标,即让半导体照明产品走进千家万户。

接下来,李晋闽团队将继续攻克基于LED的超越照明,推广相关产品。他坚信,十几年后,超越照明同现在的半导体照明产品一样,会越来越大众化。

  (原载于《中国科学报》 2020-01-16 第3版 信息技术)



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