【中國安防展覽網(wǎng) 科技動(dòng)態(tài)】半導(dǎo)體照明作為我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)節(jié)能環(huán)保意義重大，中國是半導(dǎo)體照明產(chǎn)品生產(chǎn)、使用和出口大國。然而，在特種LED光源領(lǐng)域，由于技術(shù)門檻較高，市場一直被國外公司所壟斷。
近日，中科院蘇州醫(yī)工所光健康中心研究員熊大曦團(tuán)隊(duì)與蘇州科醫(yī)世凱半導(dǎo)體有限責(zé)任公司聯(lián)合申報(bào)的“超大功率高光密度多光譜特種LED光源技術(shù)和應(yīng)用”項(xiàng)目喜獲中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
著眼LED應(yīng)用市場
由于市場潛力巨大，LED相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用正從通用照明迅速擴(kuò)展到幾乎所有領(lǐng)域。有別于通用照明，一些特殊領(lǐng)域的照明應(yīng)用也得到越來越多的關(guān)注，市場前景也越來越被看好，而這些應(yīng)用，需依賴特種LED光源。
熊大曦表示，特種LED光源是一類追求在小發(fā)光面積內(nèi)發(fā)出更多光能的LED光源，要求單模組有高的電功率和功率密度，強(qiáng)度與激光類似。特種LED光源技術(shù)于2000年前后開始起步，發(fā)展很慢，國內(nèi)公司幾乎沒有生產(chǎn)，而國外，只有歐司朗和美國朗明納斯兩家高技術(shù)起點(diǎn)公司能夠提供。
究其原因，當(dāng)時(shí)國內(nèi)缺乏大尺寸的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，同時(shí)，特殊封裝技術(shù)、散熱技術(shù)、光學(xué)設(shè)計(jì)和集成技術(shù)不過關(guān)。
從2009年開始，為了突破國外廠商對(duì)該領(lǐng)域的壟斷，熊大曦帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在中科院、江蘇省、蘇州市和高新區(qū)的大力支持下，著眼于特種LED光源的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在超大功率LED光源研發(fā)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)方面著力研發(fā)、另辟蹊徑，取得了重大突破。
研究團(tuán)隊(duì)建立了技術(shù)上的優(yōu)勢，并且聯(lián)合蘇州科醫(yī)世凱半導(dǎo)體技術(shù)有限責(zé)任公司，開展產(chǎn)業(yè)化工作，提供超亮高光密度LED芯片光源的解決方案。
熊大曦說：“我們研發(fā)的特種LED技術(shù)，著眼于LED應(yīng)用的和特殊市場，采用不同的技術(shù)路線，產(chǎn)生了一系列技術(shù)和核心，打破了國外產(chǎn)品的壟斷，助力我國在新興細(xì)分領(lǐng)域國外，提升制造業(yè)的核心競爭力。”
獨(dú)辟蹊徑的LED芯片光源技術(shù)
在研發(fā)人員的努力下，科研團(tuán)隊(duì)突破了種種障礙，終形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)路線。
熊大曦說：“針對(duì)特種LED光源需要較大的、基于垂直結(jié)構(gòu)芯片發(fā)光面的問題，我們開發(fā)出了‘準(zhǔn)單芯片’封裝技術(shù)，采用特殊工藝，使用小尺寸垂直結(jié)構(gòu)芯片超緊密封裝成大功率模組。”
這項(xiàng)技術(shù)，不僅可以在同樣的發(fā)光面上產(chǎn)生高的光輸出，而且能靈活使用小芯片，擴(kuò)大發(fā)光面積，從而提高總的光輸出。
“美國朗明納斯單模組的大電功率不到150W，我們的單模組電功率可以達(dá)到600W以上。國外公司基于單顆大芯片技術(shù)的光源，發(fā)光面一般為長方形，而我們的芯片，發(fā)光面可以靈活配置，能與特定光學(xué)系統(tǒng)匹配成任何形狀。”熊大曦表示。目前，基于超高光密度集成封裝模組技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)成為市場主流。
在之前的特種LED光源產(chǎn)品里，國外廠商只能提供白光，或者紅、藍(lán)、綠中的一種的單色光。面對(duì)生物醫(yī)學(xué)等特殊領(lǐng)域?qū)庾V的需求，團(tuán)隊(duì)又開發(fā)出了帶多光譜高光密度模組。
在微小的2.5毫米×2.5毫米的發(fā)光面上，可以集成16種波長的窄帶光，而且每種光的波長可以任意選定。這項(xiàng)技術(shù)用電控代替機(jī)械控制，大大簡化了各類光學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)，為熒光顯微鏡和眼科全光譜眼底檢測儀等多種生物醫(yī)療儀器帶來了革命性的變化。
與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還研究了高導(dǎo)熱的垂直結(jié)構(gòu)芯片的基底材料、高導(dǎo)熱固晶材料的選擇、固晶層的厚度控制、烘烤溫度和時(shí)間控制以及封裝基板的設(shè)計(jì)，基于這些技術(shù)組合，600W模組的熱阻可以低至0.10K/W，在處于水平。
細(xì)分市場得到應(yīng)用
自2009年開展研發(fā)工作以來，經(jīng)過多年的完善和積累，團(tuán)隊(duì)推出的產(chǎn)品從2010年開始在市場上逐步得到推廣，目前在一些細(xì)分市場中已經(jīng)得到大量應(yīng)用，其中一些已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。
“60%~70%的舞臺(tái)燈光在中國生產(chǎn)，總產(chǎn)值數(shù)百億元，生產(chǎn)廠家有800家左右。以前高功率密度大功率的LED特種光源主要由美國公司提供，2012年起我們的產(chǎn)品進(jìn)入市場，積累了200家客戶，而美國的產(chǎn)品已經(jīng)被邊緣化。”熊大曦表示。不僅如此，投影顯示市場、遠(yuǎn)程投光和遠(yuǎn)距離照明市場都出現(xiàn)了蘇州醫(yī)工所的身影。
2014年，在中科院“璀璨計(jì)劃”的支持下，團(tuán)隊(duì)正式啟動(dòng)研制超遠(yuǎn)程投光燈。去年，團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開發(fā)出基于大功率高亮度LED光源的投彈照明燈，有3臺(tái)已成功應(yīng)用于某后勤保障部隊(duì)；批量生產(chǎn)的小型LED探照燈，已經(jīng)運(yùn)用于昆明機(jī)場驅(qū)鳥警示車。
熊大曦說：“特種LED光源在現(xiàn)代分子生物學(xué)研究和醫(yī)學(xué)照明、診斷、治療和康復(fù)理療中開始發(fā)揮重大作用。其中，基于窄帶多光譜的光源已經(jīng)應(yīng)用于多波段熒光顯微鏡，2017年小批量生產(chǎn)了11套；基于高光密度的特種光源的超分辨結(jié)構(gòu)光顯微鏡已經(jīng)研制成功，成像品質(zhì)、成像速度上達(dá)到水平，成本遠(yuǎn)低于競爭對(duì)手，市場前景十分廣泛。”
現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)也瞄準(zhǔn)了正在興起的基于LED的光健康方向。熊大曦告訴記者，LED光健康工程的研究內(nèi)容包括光衛(wèi)生防御、疾病的早期預(yù)防和檢測、疾病的光治療、康復(fù)以及光保健理療。2016年，半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合蘇州醫(yī)工所，將光健康研究中心設(shè)在蘇州，致力于開拓特種LED光源在光健康領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用。
“目前課題組已經(jīng)基于紅外LED芯片，開發(fā)了多款紅外理療儀，包括手持式和立式以及正在加工裝調(diào)的臥式三款。特種LED以其特有的優(yōu)勢，特別適合家居老年人保健理療、可穿戴光治療理療設(shè)備，按照我國人口規(guī)模，以及人口老齡化的趨勢，這個(gè)市場的規(guī)模將達(dá)到數(shù)千億。”熊大曦說。
Micro LED或能幫助耳聾患者找回聽力
人工耳蝸是一種電子裝置，由體外言語處理器將聲音轉(zhuǎn)換為一定編碼形式的電信號(hào)，通過植入體內(nèi)的電極系統(tǒng)直接興奮聽神經(jīng)來恢復(fù)或重建聾人的聽覺功能。但是受電極周圍電流擴(kuò)散的限制，人工耳蝸對(duì)復(fù)雜聲音的分辨率仍然很低。
近日，德國哥廷根大學(xué)醫(yī)學(xué)中心聽覺神經(jīng)科學(xué)研究所和內(nèi)耳實(shí)驗(yàn)室的克里斯蒂安·羅貝爾等研究人員，利用光遺傳學(xué)技術(shù)開發(fā)出了一種光學(xué)耳蝸植入物。
研究人員通過老鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種耳蝸植入物能利用光線對(duì)失聰老鼠的聽覺神經(jīng)進(jìn)行刺激。他們利用病毒載體，向耳蝸神經(jīng)元引入一種光敏蛋白，植入后刺激失聰老鼠的聽覺通路并恢復(fù)其聽覺能力。這種光學(xué)耳蝸植入物表現(xiàn)出對(duì)復(fù)雜聲音有高分辨率的潛力。
目前，研究團(tuán)隊(duì)只用到一條光波，下一步將研發(fā)出能制造多條光波的裝置，在裝置設(shè)計(jì)上可能會(huì)使用Micro LED array或波導(dǎo)技術(shù)，引導(dǎo)光學(xué)纖維產(chǎn)生的光。
專業(yè)人士指出，LED是比較好的選擇，但是光線相對(duì)模糊，需要技術(shù)上的突破。
LED技術(shù)，為治療癌癥提供可能性
除了顯示和照明以外，LED技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷進(jìn)步，研究發(fā)現(xiàn)，LED技術(shù)為治療癌癥創(chuàng)造了可能性。
據(jù)悉，日本早稻田大學(xué)(Waseda University)研究者已開發(fā)出一個(gè)由LED芯片與生物粘附納米薄片構(gòu)成的可植入式裝置，能夠通過光動(dòng)力療法成功縮小老鼠體內(nèi)的腫瘤。該研究成果已于2018年7月16日刊登在自然生物醫(yī)學(xué)工程雜志上(Nature Biomedical Engineering journal)。
節(jié)律光動(dòng)力療法是一種長期采用低劑量特殊藥物及特殊照明以殺死癌細(xì)胞的治療方法。為采用節(jié)律光動(dòng)力療法，研究者將可植入式裝置設(shè)計(jì)于動(dòng)物組織內(nèi)表面，在那里，該裝置可以釋放低強(qiáng)度的照射來治療靶向性病變，從而達(dá)到治療目的。
研究團(tuán)隊(duì)表示，相比傳統(tǒng)的光動(dòng)力療法，該裝置將光強(qiáng)度降低了1000倍，能夠避免對(duì)正常組織造成傷害，同時(shí)有效地治療腫瘤。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)隊(duì)長Toshinori Fujie介紹，對(duì)頭腦或胰臟等身體部位的癌性腫瘤進(jìn)行手術(shù)或放射治療都是有風(fēng)險(xiǎn)的，而可植入式裝置或?qū)?duì)治療起到重要作用。
具體而言，即通過直接在靶向性病變之處安裝節(jié)律光動(dòng)力療法裝置，就能夠減少對(duì)健康區(qū)域的威脅。
新型白光LED發(fā)光效率創(chuàng)紀(jì)錄
據(jù)美國每日科學(xué)網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，土耳其科學(xué)家研制出了一種新型白光發(fā)光二極管(LED)，發(fā)光效率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的105流明/瓦。研究人員稱，隨著進(jìn)一步發(fā)展，這款LED的效率可達(dá)200流明/瓦以上，有望在家庭、辦公室等領(lǐng)域大顯身手，實(shí)現(xiàn)更節(jié)能環(huán)保的照明。
新型LED使用市售的藍(lán)色LED與柔性透鏡相結(jié)合制造而成，柔性透鏡填充有被稱為量子點(diǎn)的納米半導(dǎo)體顆粒的溶液，藍(lán)色LED發(fā)出的光使量子點(diǎn)發(fā)出綠光和紅光，其與藍(lán)光結(jié)合產(chǎn)生了具有色溫和光學(xué)特性的高質(zhì)量白光。
土耳其科學(xué)家制造出了基于納米材料的白光LED。
研究人員解釋，在制造白光LED方面，量子點(diǎn)具有多項(xiàng)優(yōu)勢：便于制造；可通過增加半導(dǎo)體顆粒的大小來改變它們的發(fā)光顏色；改變摻入量子點(diǎn)的濃度，可控制光的特性。
為了制造出這種LED，需要能將藍(lán)光地轉(zhuǎn)化為紅光或綠光的量子點(diǎn)。為此，他們進(jìn)行了300多項(xiàng)合成反應(yīng)，得到了可發(fā)出不同顏色的光且效率表現(xiàn)佳的量子點(diǎn)。他們?cè)诟邷叵禄旌湘k、硒、鋅、硫制成量子點(diǎn)溶液，將其填充在硅樹脂制造的透鏡與LED芯片之間的空隙。硅樹脂透鏡具有彈性，溶液注入其中不會(huì)產(chǎn)生任何泄露，而且材料的透明度保證了必需的光線可以通過。
目前，研究人員正著手提升LED的效率，并希望采用環(huán)保的無鎘無鉛材料。他們還計(jì)劃研究不同條件下的液體LED，以保證它們可長期穩(wěn)定地使用。
研究負(fù)責(zé)人、科克大學(xué)的賽達(dá)特·尼扎茂格魯說：“新LED的效率比其他基于量子點(diǎn)的白光LED更高，而且，制造量子點(diǎn)及合成新LED的方法簡單、便宜，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。如果能用效率為200流明/瓦的LED取代傳統(tǒng)照明光源，將使照明用電量減少一半以上，可減少2億噸溫室氣體排放。”
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綠光LED燈泡，降低誤抓保育物種的幾率
由英國艾希特大學(xué)博士Jeffrey Mangel的跨國研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)布新研究報(bào)告，指出如果在漁網(wǎng)上使用以綠能電池發(fā)電的LED燈泡，海鳥和海洋生物被漁網(wǎng)纏住的機(jī)率將減少超過85%。
研究團(tuán)隊(duì)在祕(mì)魯北部Sechura Bay海域做實(shí)驗(yàn)，從傍晚開始撒網(wǎng)直到隔天清晨收網(wǎng)為止，將114組漁網(wǎng)分別放置海中固定，每組有兩個(gè)漁網(wǎng)，其中一個(gè)沿著魚網(wǎng)浮繩每10公尺裝設(shè)一個(gè)LED燈泡，另一個(gè)未裝LED燈泡作為對(duì)照組。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)裝設(shè)LED燈泡的漁網(wǎng)，和未裝設(shè)的漁網(wǎng)相比，「南美鸕鶿」被纏住的機(jī)率會(huì)大幅降低。南美鸕鶿是當(dāng)?shù)靥赜蟹N，會(huì)潛到水中捕魚，不過也因此常受困在漁網(wǎng)上。
這項(xiàng)研究發(fā)表在「學(xué)會(huì)開放科學(xué)」雜志， Mangel博士表示研究結(jié)果顯示出，人類能以低成本方式讓漁夫能在工作同時(shí)，降低誤抓其他保育物種的機(jī)率。
先前研究團(tuán)隊(duì)就曾以做過類似實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)他們也將漁網(wǎng)分成裝設(shè)發(fā)出綠光LED燈泡的實(shí)驗(yàn)組和沒裝LED燈泡的對(duì)照組，結(jié)果顯示海龜被抓到的機(jī)率降低64%，而且沒有影響到漁獲量。
研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正積極擴(kuò)大與秘魯漁夫合作，想測試不同顏色的光能不能對(duì)不同保育類動(dòng)物達(dá)成相同效果。
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