半導體照明作為我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，對節(jié)能環(huán)保意義重大，中國是全球半導體照明產(chǎn)品生產(chǎn)、使用和出口大國。然而，在特種LED光源領域，由于技術門檻較高，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隊與蘇州科醫(yī)世凱半導體有限責任公司聯(lián)合申報的“超大功率高光密度多光譜特種LED光源技術和應用”項目喜獲中國光學工程學會技術發(fā)明獎一等獎。
著眼LED應用高端市場
由于市場潛力巨大，LED相關產(chǎn)業(yè)應用正從通用照明迅速擴展到幾乎所有領域。有別于通用照明，一些特殊領域的照明應用也得到越來越多的關注，市場前景也越來越被看好，而這些應用，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，強度與激光類似。特種LED光源技術于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起點公司能夠提供。
究其原因，當時國內(nèi)缺乏大尺寸的垂直結構LED芯片，同時，特殊封裝技術、散熱技術、光學設計和集成技術不過關。
從2009年開始，為了突破國外廠商對該領域的壟斷，熊大曦帶領團隊在中科院、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)設計和制造技術方面著力研發(fā)、另辟蹊徑，取得了重大突破。
研究團隊建立了技術上的優(yōu)勢，并且聯(lián)合蘇州科醫(yī)世凱半導體技術有限責任公司，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，著眼于LED應用的高端和特殊市場，采用不同的技術路線，產(chǎn)生了一系列獨創(chuàng)技術和核心專利，打破了國外產(chǎn)品的壟斷，助力我國在新興細分領域領先國外，提升制造業(yè)的核心競爭力。”
獨辟蹊徑的LED芯片光源技術
在研發(fā)人員的努力下，科研團隊突破了種種障礙，最終形成了具有自主知識產(chǎn)權的技術路線。
熊大曦說：“針對特種LED光源需要較大的、基于垂直結構芯片發(fā)光面的問題，我們開發(fā)出了‘準單芯片’封裝技術，采用特殊工藝，使用小尺寸垂直結構芯片超緊密封裝成大功率模組。”
這項技術，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最大電功率不到150W，我們的單模組電功率可以達到600W以上。國外公司基于單顆大芯片技術的光源，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、綠中的一種的單色光。面對生物醫(yī)學等特殊領域對光譜的需求，團隊又開發(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。這項技術用電控代替機械控制，大大簡化了各類光學儀器的結構，為高端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，團隊還研究了高導熱的垂直結構芯片的基底材料、高導熱固晶材料的選擇、固晶層的厚度控制、烘烤溫度和時間控制以及封裝基板的設計，基于這些技術組合，600W模組的熱阻可以低至0.10K/W，在全球處于領先水平。
細分市場得到應用
自2009年開展研發(fā)工作以來，經(jīng)過多年的完善和積累，團隊推出的產(chǎn)品從2010年開始在市場上逐步得到推廣，目前在一些細分市場中已經(jīng)得到大量應用，其中一些已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。
“全球60%~70%的舞臺燈光在中國生產(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、遠程投光和遠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“璀璨計劃”的支持下，團隊正式啟動研制超遠程投光燈。去年，團隊陸續(xù)開發(fā)出基于大功率高亮度LED光源的投彈照明燈，有3臺已成功應用于某后勤保障部隊；批量生產(chǎn)的小型LED探照燈，已經(jīng)運用于昆明機場驅鳥警示車。
熊大曦說：“特種LED光源在現(xiàn)代分子生物學研究和醫(yī)學照明、診斷、治療和康復理療中開始發(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構光顯微鏡已經(jīng)研制成功，成像品質、成像速度上達到國際領先水平，成本遠低于競爭對手，市場前景十分廣泛。”
現(xiàn)在，團隊也瞄準了正在興起的基于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、疾病的早期預防和檢測、疾病的光治療、康復以及光保健理療。2016年，半導體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點實驗室聯(lián)合蘇州醫(yī)工所，將光健康研究中心設在蘇州，致力于開拓特種LED光源在光健康領域的研發(fā)和應用。
“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備，按照我國人口規(guī)模，以及人口老齡化的趨勢，這個市場的規(guī)模將達到數(shù)千億。”熊大曦說。
來源：中國科學報
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