半導體照明技術

半導體照明亦稱固態照明，是指用固態發光器件作為光源的照明，包括發光二極體（LED）和有機發光二極體（OLED），具有耗電量少、壽命長、色彩豐富、耐震動、可控性強等特點。 1990年代以來，半導體照明技術不斷突破，套用領域日益擴展。在指示、顯示領域的技術基本成熟，並廣泛套用；在醫療、農業等特殊領域的技術方興未艾。 近幾年，半導體照明產業發展迅速，國外及我國台灣地區在不同領域具有較強優勢。隨著我國產業結構調整、發展方式轉變進程的加快，半導體照明節能產業作為節能減排的重要措施迎來了新的發展機遇期。

基本介紹

• 中文名：半導體照明技術
• 外文名：LED照明技術
• 亦稱：固態照明
• 光源：固態發光器件
• 特點：耗電量少、壽命長、色彩豐富
• 套用：生活生產照明

作用

半導體照明被看作是第三代照明裝置，可用於大螢幕彩顯，特種照明，交通信號，多媒體顯示LCD背光源，光通訊等領域。由於是冷光源，半導體照明不僅自身對環境沒有任何污染，而且與傳統的白熾燈、螢光燈相比，節電效率可以達到90%以上。

半導體技術在業內又被稱為LED 照明技術，主要包括了LED芯技術、LED 封裝技術和LED 套用技術最近幾年來，LED晶片技術在各國家的扶持下飛速發展，LED 晶片的尺寸越來越大，功率越來越大，單顆LED晶片的功率可以做大3W的LED佳裝技術的發展使得封裝產品的尺寸、形狀、功能不斷得到發展完善。為LED 套用技術的設計和製造提供了廣闊空間，同時凸顯了LED 照明技術多樣性、靈活性、複雜性和廣泛性。

美國、日本、韓國等國家和地區，近年來相繼推出半導體照明計畫，投入巨資進行研發。世界三大照明廠商——通用電氣、飛利浦、奧斯拉姆都已相繼與半導體公司合作，成立半導體照明公司。在美國能源部、美國光電產業發展協會等幾家單位的發起下，美國桑迪亞國家實驗室從2001年3月開始起草美國半導體照明技術發展藍圖（2002—2020），旨在為下一代照明規劃提供技術論證。與此同時，日本也大力發展半導體照明技術，其中典型的是“日本21世紀照明計畫”，該計畫是由日本金屬研發中心（The Japan Research andDevelopment Center ofMetals）和新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）發起和組織的為期5年的1個國家計畫。這項計畫的參與機構包括4所大學、13家公司和1個協會，目標旨在通過使用長壽命、更薄更輕的GaN高效藍光和紫外LED技術，使得照明的能量效率提高為傳統螢光燈的兩倍（即降低傳統照明的能量消耗），減少CO₂的產生。整個計畫的財砬予幣笪為60億日元。

構成要素

半導體技術的客體要素

客體要素主要指技術活動中的客觀性技術要素，既包括勞動過程中的技術手段，工具、機器等生產工具，也包括勞動過程中的技術對象與技術成果。工具、機器等生產工具在技術活動中占據非常重要的地位。LED 技術的客體要素可以粗略劃分為LED 相關部件的生產設備和各環節生產時質量監測控制方面的器、工其和設備。例如，LED 晶片生產技術的客體要素是指LED發光晶片的機構和設備，LED 封裝的機構和設備，和以上兩工藝技術在生產製造過程中可能產生污染的防治處理設備，LED 燈具套用相關的工具、設備和測試儀器，以及LED燈具安裝維護設備的處理等五個不同方面。

這些客體要素因所涉及的具體技術主體在整個半導體照明產業鏈中所處的製造環節不同，呈現出了一種設備、工具可以有多個方面的用述等特點。這一點體現了即照明技術客體要表的多角色、套用廣等特點例如，在即晶片和即燈其的特測設備方面，都利用到了光福光港儀來測試晶片和封裝光源、燈具的光學和色度學參數。

半導體技術的主體要素

主體要素是指技術中的經驗、技能與知識等智慧型性技術要素。經驗、技能是最基本的技術表現形態。經驗是人們在長期工藝操作中的體驗，主要是在生產過程中，對生產方式及方法等直覺體驗的積累和綜合。技能則是以技術知識、勞動工具和試驗為基礎，在勞動過程中所表現出來的主體活動能力，包括技巧、訣竅等實際知識。LED技術是涉及半導體物理學、力學、色度學、光度學、熱學、電學等多學科綜合技術。於是經驗、技能在不同的LED製造環節所表現的形式也不盡相同，如在LED晶片的生產過程中涉及物質摻雜就主要靠經驗技能手工操作為基礎，而LED 封裝經驗技能以機器操作為基礎，而電源的研製以及燈具散熱結構的設計的經驗技能則以技術理論知識為基礎。以上三種形式的經驗技能代表了人們在利用自然和改造自然的過程中主體舌動能力或方式的不同發展階段。知識形態的技術要素主要是指人科學理論為基礎的技術知識，它是現代技術構成中的主導要素，人們主住把技術看作對科學的套用。但這只是一方面，遠在照明原理產生之前，人類就已經憑藉技能和經驗使用技術了，如燃燒動植物的脂的來得到光芒、用於取暖和防禦野獸襲擊。顯然，這個時代是利用經驗的。到白熾燈和緊湊型螢光燈具的時代，人們就開始普遍利用技術知識了。技術知識就是人類在勞動過程中所掌握的技術經驗和理論。它有兩種表現形式，一種是經驗知識，一種是理論知識前者是關於生產過程和操作方法規範化的描述或記載，後者則是關於生產過程和操作方法的機制或規律性的闡述。

LED 照明技術的多學科綜合與多學科交叉的特點，使人們對LED技術涉及的問題要知其然，也要知其所以然。例如，要想做出高品質的LED照明產品就需要主體要素系統了解和掌握LED性能、LED技術的單元操作工藝等是基礎性的知識，在LED封裝技術中就需要掌握順色的合成原理，以及還要掌握在封裝過程中的膠水、螢光粉等的化學性質。在燈具的散熱結構方面的就需要有良好的熱學輻射與傳導方面的知識和經驗在哲學層面上講，“涉及對聲音、顧色和氣味的威覺的神經中動是物理事牛，還是心靈事件?”這為我們在半導體照明技術的創新提供了一種新的思維方式那就是如何以人的意識、心靈、精神、主觀情感去理解照明，一直以來，西方科學技術認為以“物理時間”去理解照明自然地將照明歸納為科學的、標準的、可客觀檢測的物理量去研究。但是半導體照明光源的出現後，這些物理描述與人的主觀感覺的差距越來越大了，人們普遍的感覺是：LED光源看著亮，而測得的參數不理想；顏色的感覺較為舒適（特別是低色溫產品），在某種程度上提高了愉悅度，然而測試的顯色指數不是很理想。最近，我解讀了一些這方面的文章，主要論述的是LED光源引發的照明理念的變革、光度學和色度學的創新，生理和心理光學效應的研究等等，都沒有離開過“物理事件”的思維方式。

半導體照明技術的工藝要素

在技術中，除了工具、機器、設備的客體要素，知識、經驗技能的主體要素，還有表現在它的結合方式和運作狀態的工藝要素。工藝要指人們利用物質手段去進行加工處理，不能把工藝等同於知識、經驗（儘管工藝中有知識、經驗和技能）；同時又不能把工藝等同於客體。也就是說，工藝乃是把工具、加工機器、生產設備等客體，與知識、經驗、技能等主體要素相組合而形成的過程和方法，工藝乃是客體要素和主體要素在生產加工活動中的結合，是技術的結構性要素。關於工藝與技術之間的關係，在技術哲學流派中也兩種不同觀點，一種觀點認為是同一體，所謂工藝就是技術。另一種觀點認為工藝的範疇大於技術。目前對兩者之間關係的討論，大多學者還是認為工藝是技術的重要構成要素。半導體照明技術的工藝要素體現在，LED晶片工藝可做成單片，也可以是做成多晶片串聯的高壓晶片，甚至可做成不合常規的交流芯月到了LED封裝技術的工藝要素就助加靈活多樣，可以利用一是上不同的工藝生產出尺寸、功率、色溫等不同的產品；到LED燈具那說技術階段憑藉前兩個技術的工藝和電源控制技術、燈具結構散熱技術，工程師可以最佳化各階段的工藝要素，生產出符合客戶自身喜愛的產品。

要素之間相互關係

各要者的關係體現在三個方面。首先相關性與獨立性，是相關性是指各類技術要素之間是相互聯知的。在半導體照明技術中，體現在LED光潮電源支術的高低，決定若整個照明產品的品質高低。其次，互補性與主導性。例如，在光源封裝中如果光學的指標不理想，可以在燈具製造中利用多光諧的光源來混色，達到理想的色溫和顯色指數。最後，自穩性與變異性。儘快照明技術日新月異，但是半導體照明支術將長期占據很大的照明市場，並且隨善物聯網技術的全面爆發，智慧照明將是未來半導體照明技術的戰略高地。

發展史

1965年，全球第一款商用化發光二極體誕生，它是用鍺材料做成的可發出紅外光的LED，當時的單價約為45美元。20世紀80年代早期，半導體技術取得重大技術突破，商用化紅色LED性能以翻番速度提高。當今。效率最高的LED是用透明襯底AIlnGaP材料做的。在1991年至2001年期間，材料技術、晶片尺寸和外形方面的進一步發展使商用化LED的光通量提高了將近30倍，效率達到每瓦大約100 Im（流明）。

1994年，日本日亞公司的中村修二研究員在GaN基片上研製出了第一隻藍色發光二極體，由此人們看到了白光LED的曙光以及GaN基LED廣闊的市場前景和巨大商機，也由此引發了對GaN基LED研究和開發的熱潮。隨著能發出紅光、黃光的GaAIlnP和發出綠光、藍光的GalnN兩種新材料的開發成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2001年，前者做成的LED在紅、橙色光區域（波長615 nm左右）的光效達到100lm/W，而後者製成的LED在綠色區域（波長為530 nm）的光效也可以達到50 lm/W。

半導體照明技術大發展過程中的最重要突破之一，就是實現了可發出白色光的目標。在上世紀末，在紫外和藍光技術上的突破使得另外一種生成白光的技術成為可能。受到螢光燈發光原理的啟發，即在單枚LED上通過藍光激發螢光粉，生成白光，20世紀90年代後期製成了第一隻這樣的LED。此外，通過採用不同的螢光粉，可發出色溫為4 500～10 000 K及色溫為2 850～3 800 K的多種白光LED，也讓白光LED具備了成為新一代照明設備的能力。下圖所示為其發展趨勢。

白熾燈、螢光燈和LED燈光效率的發展趨勢

的分類

（1）按發光管發光顏色分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。其中紅、黃、黃綠光的LED以AlGalnP材料為主製成，藍綠光LED以AlGaInN材料為主製成。另外，有的發光二極體中包含兩種或三種顏色的晶片。
前沿領域新材料根據發光二極體出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發光二極體還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極體不適合做指示燈用。

（2）按發光二極體的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

（3）按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發光強度小於1 000毫坎德拉，mcd）；超高亮度的LED（發光強度大於1 500 mcd）；把發光強度在1 000～1 500 mcd之間的叫高亮度發光二極體。一般LED的工作電流在十幾毫安至幾十毫安，而低電流LED的工作電流在2mA以下。

（4）按照用途的不同，大致可以分為：LED指示/照明設備和LED顯示成像設備兩大類。

優點和不足

與其他光源比較，LED半導體光源被稱為“綠色光源”當之無愧。在照明行業中，將其與傳統光源比較分析，某些方面表現出難以替代的優點：

（1）發光效率高。白熾燈、鹵鎢燈光效為12～24 lm/W，螢光燈50～70 lm/W，鈉燈90～140 lm/W。LED光效經改良後將達到達50～200 lm/W，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發出有色可見光。

（2）耗電量少。LED單管功率0.03～0.06 W，採用直流驅動，單管驅動電壓1.5～3.5 V，電流15～18 mA，反應速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，螢光燈管的二分之一。

（3）使用壽命長。採用LED燈體積小、重量輕，環氧樹脂封裝，可承受高強度機械衝擊和震動，不易破碎。平均壽命達10萬小時。

（4）亮度和色彩的動態控制容易。可用紅綠藍三色元素調成各種不同的顏色，可實現亮度連續可調，色彩純度高，可實現色彩動態變換和數位化控制；能精確控制光型及發光角度，光色柔和，無眩光。

（5）外形尺寸靈活。體積小，可以隨意組合，易開發成輕便薄短小型照明產品，也便於安裝和維護。

（6）環保。LED為全固體發光體，耐震、耐衝擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質。

但是LED與其他光源比較也有不足的方面，比如在白光照明中顯色性偏低。目前用黃色螢光粉和藍光產生的白光LED，作為一般照明還可以，但對於一些色彩分辨要求高的場所就顯得不足。通過白熾燈、螢光燈、普通LED與大功率LED的壽命對比，可以看出，大功率LED在壽命上有很大的優勢，白熾燈和螢光燈在很多技術方面提升的空間已經很小了。