特种LED光源的“中国路径”:发展慢到重大突破

半导体照明作为我国战略新兴产业,对节能环保意义重大,中国是全球半导体照明产品生产、使用和出口大国。然而,在特种LED光源领域,由于技术门槛较高,市场一直被国外公司所垄断。

近日,中科院苏州医工所光健康中心研究员熊大曦团队与苏州科医世凯半导体有限责任公司联合申报的“超大功率高光密度多光谱特种LED光源技术和应用”项目喜获中国光学工程学会技术发明奖一等奖。

着眼LED应用高端市场

由于市场潜力巨大,LED相关产业应用正从通用照明迅速扩展到几乎所有领域。有别于通用照明,一些特殊领域的照明应用也得到越来越多的关注,市场前景也越来越被看好,而这些应用,需依赖特种LED光源。

熊大曦表示,特种LED光源是一类追求在小发光面积内发出更多光能的LED光源,要求单模组有高的电功率和功率密度,强度与激光类似。特种LED光源技术于2000年前后开始起步,发展很慢,国内公司几乎没有生产,而国外,只有欧司朗和美国朗明纳斯两家高技术起点公司能够提供。

究其原因,当时国内缺乏大尺寸的垂直结构LED芯片,同时,特殊封装技术、散热技术、光学设计和集成技术不过关。

从2009年开始,为了突破国外厂商对该领域的垄断,熊大曦带领团队在中科院、江苏省、苏州市和高新区的大力支持下,着眼于特种LED光源的研发和产业化,在超大功率LED光源研发设计和制造技术方面着力研发、另辟蹊径,取得了重大突破。

研究团队建立了技术上的优势,并且联合苏州科医世凯半导体技术有限责任公司,开展产业化工作,提供超亮高光密度LED芯片光源的解决方案。

熊大曦说:“我们研发的特种LED技术,着眼于LED应用的高端和特殊市场,采用不同的技术路线,产生了一系列独创技术和核心专利,打破了国外产品的垄断,助力我国在新兴细分领域领先国外,提升制造业的核心竞争力。”

独辟蹊径的LED芯片光源技术

在研发人员的努力下,科研团队突破了种种障碍,最终形成了具有自主知识产权的技术路线。

熊大曦说:“针对特种LED光源需要较大的、基于垂直结构芯片发光面的问题,我们开发出了‘准单芯片’封装技术,采用特殊工艺,使用小尺寸垂直结构芯片超紧密封装成大功率模组。”

这项技术,不仅可以在同样的发光面上产生高的光输出,而且能灵活使用小芯片,扩大发光面积,从而提高总的光输出。

“美国朗明纳斯单模组的最大电功率不到150W,我们的单模组电功率可以达到600W以上。国外公司基于单颗大芯片技术的光源,发光面一般为长方形,而我们的芯片,发光面可以灵活配置,能与特定光学系统匹配成任何形状。”熊大曦表示。目前,基于超高光密度集成封装模组技术的产品已经成为市场主流。

在之前的特种LED光源产品里,国外厂商只能提供白光,或者红、蓝、绿中的一种的单色光。面对生物医学等特殊领域对光谱的需求,团队又开发出了带多光谱高光密度模组。

在微小的2.5毫米×2.5毫米的发光面上,可以集成16种波长的窄带光,而且每种光的波长可以任意选定。这项技术用电控代替机械控制,大大简化了各类光学仪器的结构,为高端荧光显微镜和眼科全光谱眼底检测仪等多种生物医疗仪器带来了革命性的变化。

与此同时,团队还研究了高导热的垂直结构芯片的基底材料、高导热固晶材料的选择、固晶层的厚度控制、烘烤温度和时间控制以及封装基板的设计,基于这些技术组合,600W模组的热阻可以低至0.10K/W,在全球处于领先水平。

细分市场得到应用

自2009年开展研发工作以来,经过多年的完善和积累,团队推出的产品从2010年开始在市场上逐步得到推广,目前在一些细分市场中已经得到大量应用,其中一些已经成为主流产品。

“全球60%~70%的舞台灯光在中国生产,总产值数百亿元,生产厂家有800家左右。以前高功率密度大功率的LED特种光源主要由美国公司提供,2012年起我们的产品进入市场,积累了200家客户,而美国的产品已经被边缘化。”熊大曦表示。不仅如此,投影显示市场、远程投光和远距离照明市场都出现了苏州医工所的身影。

2014年,在中科院“璀璨计划”的支持下,团队正式启动研制超远程投光灯。去年,团队陆续开发出基于大功率高亮度LED光源的投弹照明灯,有3台已成功应用于某后勤保障部队;批量生产的小型LED探照灯,已经运用于昆明机场驱鸟警示车。

熊大曦说:“特种LED光源在现代分子生物学研究和医学照明、诊断、治疗和康复理疗中开始发挥重大作用。其中,基于窄带多光谱的光源已经应用于多波段荧光显微镜,2017年小批量生产了11套;基于高光密度的特种光源的超分辨结构光显微镜已经研制成功,成像品质、成像速度上达到国际领先水平,成本远低于竞争对手,市场前景十分广泛。”

现在,团队也瞄准了正在兴起的基于LED的光健康方向。熊大曦告诉记者,LED光健康工程的研究内容包括光卫生防御、疾病的早期预防和检测、疾病的光治疗、康复以及光保健理疗。2016年,半导体照明联合创新国家重点实验室联合苏州医工所,将光健康研究中心设在苏州,致力于开拓特种LED光源在光健康领域的研发和应用。

“目前课题组已经基于红外LED芯片,开发了多款红外理疗仪,包括手持式和立式以及正在加工装调的卧式三款。特种LED以其特有的优势,特别适合家居老年人保健理疗、可穿戴光治疗理疗设备,按照我国人口规模,以及人口老龄化的趋势,这个市场的规模将达到数千亿。”熊大曦说。




来源:中国科学报

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