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【中國科學報】讓LED走進“尋常百姓家”

2020-01-19

 

 

說起慶祝中華人民共和國成立70周年聯歡活動,中國科學院半導體研究所(以下簡稱半導體所)研究員、半導體照明聯合創新國家重點實驗室主任李晉閩至今仍流露出驕傲自豪的神情:“天安門廣場上幾乎所有的光源,我們項目團隊都有參與?!?/p>

李晉閩口中的“項目”,便是獲得2019年度國家科技進步獎一等獎的“高光效長壽命半導體照明關鍵技術與產業化”項目。該項目由半導體所牽頭、三安光電股份有限公司(以下簡稱三安光電)等單位參與完成。

半導體照明作為人類照明史上第二次革命,“其光效是節能燈的5倍、白熾燈的20倍”。李晉閩告訴《中國科學報》,目前我國半導體照明核心器件已經實現國產化,使用率約為50%,每年節約用電量約2700億度,相當于3個三峽水電站的發電量。

優化芯片

140年前,愛迪生發明白熾燈驚動了全世界,這是人類照明史上的第一次革命。在這之前,人類的祖先在漫長的進化過程中,一直用火作為照明光源。

隨著科技進步,白熾燈之后又發展出水銀燈、鹵素燈、鈉燈、熒光燈等多種照明光源,但這些傳統照明光源都存在電光轉換效率低的問題。李晉閩在接受《中國科學報》采訪時介紹,這些傳統照明光源只有約5%的電能轉化成了光,造成巨大的光能浪費。

上世紀末,科學家又研制出了新的照明光源——發光二極管(LED),這觸發了人類照明史上的第二次革命。

李晉閩表示,小米粒大小的LED光源是半導體照明產品的優質光源材料,但這樣的光源有個致命的硬傷——價格貴。

“17年前一個光源要賣100多元,而一個射燈一般有3個光源,就需要300多元,普通家庭用不起?!崩顣x閩說。

要讓半導體照明產品走進千家萬戶,其性能要提高8倍,價格要降到原來的1%。

LED利用固體半導體芯片作為發光材料,由于早期芯片研發的工藝環節無法得到精準控制,其發光效率遲遲難以提高。

李晉閩和團隊成員十七年磨一劍,不斷改進工藝,最終使電轉化為光的效率達到90%?!斑@是我國自主研發的?!崩顣x閩表示,現在一個光源的價格是之前的1/100,甚至1/400。

由此,半導體照明芯片從此前完全依賴進口,發展到自主可控并全面實現國產化。

作為項目的重要參與單位,三安光電副總經理蔡文必也很自豪。他告訴《中國科學報》,項目成果的多項外延芯片技術率先在三安光電進行推廣與量產,讓公司一舉成為全球知名的外延芯片廠。目前三安光電的半導體照明芯片生產數量已遠超美國、日本、歐洲的總和。

勇挑重擔

回想起17年前,李晉閩仍記憶猶新。那時,發達國家圍繞LED的研制展開激烈的技術競賽,許多國家紛紛發布半導體照明發展計劃,如美國的“下一代照明計劃”、歐盟的“彩虹計劃”、日本的“21世紀光計劃”等。

“當時,國內的研究很難尋求與國外合作,研究很是艱難?!崩顣x閩說。而這恰恰激發了國人奮發圖強的斗志。

2003年5月,非典期間,半導體所一間充滿84消毒液氣味的小會議室內,科技部領導聽取了時任半導體所所長李晉閩的工作匯報。隨后,科技部組織專家學者進行研討、資料檢索、企業調研,籌劃發展中國LED的可行性論證。

多方論證后,專家們認為可以啟動LED項目?!斑@個事情一定要抓,而且還要立即抓,不能猶豫,不然將來有可能會‘犯歷史性錯誤’?!睍r任科技部高新技術發展與產業化司司長李健說。

僅僅在一個半月后,國家半導體照明工程協調領導小組第一次電視電話會議在京召開。會上,科技部等六部委正式啟動國家半導體照明工程,這是我國首次提出發展半導體照明計劃。

2006年,半導體照明列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》;2013年,國務院發布《關于加快發展節能環保產業的意見》,大力推動半導體照明產業化。今天,我國已成為全球最大的半導體照明產品的制造、消費和出口國。

李晉閩自始至終都參與其中,見證了我國半導體照明技術從無到有、從弱到強,這其中凝聚著科研人員近20年的接續奮斗。在他看來,取得這樣的成績并不僅僅歸功于獲獎項目的10家單位,而是全行業共同努力的結果。

超越照明

隨著科技的進一步發展,LED的作用已不僅僅用于照明。李晉閩表示,基于LED的“超越照明”成為半導體照明領域的新技術與應用新方向,且發展非常迅猛。

基于紫外LED的超越照明技術,已經出現了市場化的深紫外光源應用產品,可用于光固化、殺菌、消毒、醫學光照療法等;此外還有基于LED的醫學光療技術,在神經、血管、皮膚和人體代謝等重大疾病的治療和人體健康保健方面的應用不斷增多;基于LED的植物生長技術和病蟲害控制技術、基于LED光生物反應的家禽和水產養殖技術、基于白光LED的可見光通信技術等。

以深紫外光源為例,李晉閩向《中國科學報》介紹,根據我國加入的《水俁公約》,從今年起,將限制并逐步禁止生產及進出口含汞產品,其中就包括目前廣泛使用的熒光燈。

“深紫外LED替代傳統汞燈在消毒殺菌方面的應用類似于白光LED替代傳統光源在照明領域的應用,這將促成一個巨大的新興產業?!崩顣x閩說。

李晉閩等專家之所以將這一類技術稱為“超越照明”,是借鑒了摩爾定律和超越摩爾定律。

現在,李晉閩及其團隊基本實現了17年前的目標,即讓半導體照明產品走進千家萬戶。

接下來,李晉閩團隊將繼續攻克基于LED的超越照明,推廣相關產品。他堅信,十幾年后,超越照明同現在的半導體照明產品一樣,會越來越大眾化。

 ?。ㄔd于《中國科學報》 2020-01-16 第3版 信息技術)



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