第486期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《新型绿色光源》
讲座题目：透视新科技——新型绿色光源
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：李晋闽，中国科学院半导体研究所研究员。
阮 军，国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长。
讲座时间：2023年8月28日～9月3日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——新型绿色光源
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。不知道大家注意到了没有，我们生活当中的光源，在一点点改变。比如说像过去的白炽灯，还有这个日光灯，已经渐渐离我们远去了，取而代之的是LED灯，它有一个非常专业的名词，叫高光效长寿命半导体光源技术。那这项技术到底会给我们生活带来什么样的改变呢？我们通过短片去了解一下。电灯的出现，在改善人们生活的同时，也消耗了大量电能。据统计全世界照明消耗电力，大约占总发电量的20%左右，如何才能有效节约这部分电能呢？2019年中国科学院半导体研究所科研团队的《高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化》项目，荣获国家科学技术进步奖，一等奖。这项被称为第三代半导体照明技术产业化应用后，每年可为我国节电2700亿千瓦时，相当于三个三峡电站的发电量。这项新型光源除了照明之外，未来还会有哪些新应用？咱们今天请来的两位嘉宾，这位是中科院半导体研究所的研究员李晋闽。接下来一位，是国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长阮军教授，两位先给我们科普一下，什么是绿色光源？
从绿色的角度出发，我觉得毫无疑问就是高效节能，就是绿色的这么一个概念。说起来光源是一个不断进步的过程，从早期的进入电气化时代，爱迪生发明灯泡之后，应该讲的话到出现荧光灯，到节能灯的时候，就应该是比较节能了。在当时的时代也是绿色。对，在当时时代也是绿色的，但是随着技术的进步，人们对于高效节能，提出了更高的要求，就要求这个光效会更高，消耗的能量是更小，这个时候就应运而生了，半导体的照明。阮先生在我们这个照明领域当中，这个绿色应该怎么理解呢？像李老师讲的光源本身的绿色，还有一个就是，在这个使用过程当中，它的绿色，这个绿色实际上就是说节电带来另外一种绿色。因为中国的这个电力的产生，80%是煤的这个火力发电。我们节电实际上也是从另外一个（角度），来降低这个（能耗），节省能源，实际上也是一个绿色。它除了高光效之外，它还有一个实际上它这个全寿命周期，节能环保，什么概念呢？
它基本上没有有害物质，你比如说它用到的是，氮和氮化镓的材料。氮实际上是在自然界中丰度最高的一种材料，镓这都是一种无毒无害（的材料）。它不像节能灯，（节能灯）可能还涉及到有汞。这对环境是不友好的，那么LED的灯，它基本上全寿命周期，制造过程也好，还是它回收的过程中，都是环境友好的。到目前为止，最先进的绿色光源是哪一种？高效节能的毫无疑问，就是半导体照明。这个半导体照明是我们学术的说法，到我们生活当中那怎么叫呢？实际上在生活中的话，应该说就是叫LED的发光（材料），LED。LED实际上就是也是英文的发光二极管的三个词头，就是叫LED。我们听到这个概念，基于第三代半导体技术的LED照明，这个我们怎么理解呢？日常我们大家都有概念，有导体。比如说金属铜、铁，这些都是导体，有绝缘体，你比如像我们这个木头、玻璃，这都是绝缘体。实际上半导体很简单，它就是介于导体和绝缘体之间的这种材料，所以叫半导体。好，半导体它介于导体和绝缘体之间，半导体它有什么特性呢？它就有一个非常独特的一个特性是什么呢？
就是电光转化的这个特性，这是导体和绝缘体所没有，或者这种效应还非常弱，体现不出来的。而只有半导体它有这个特性，什么概念？它就是说基本上它通了电，它就能产生光，或者你接收光，它就能产生电。举两个很典型的例子，一个就是LED，就是我们半导体照明发光。还有一个是光伏太阳能电池，太阳能电池就接收光太阳光，它产生电，满足我们日常的需求。如果要讲到这个第三代（半导体材料），可能就要稍微延伸一下。第一代是什么呢？是以硅为代表的，这种元素的，单一元素的半导体，它所形成的这个就叫第一代半导体。它的典型的应用，带动了全球微电子产业的发展。以硅为代表的材料，在集成电路上的广泛应用已经渗透了我们每一个人的日常生活中，这就是硅到目前为止依然是整个半导体产业占有主导的地位。但是它依然是有一个短板，它的电性能很好，但它不会发光。由此就应运而生了以砷化镓和磷化铟为代表的，这种两种元素形成的，我们叫化合物半导体，也叫第二代的半导体。第二代半导体，它具有什么特性呢？
它具有很好的光电特性，第二代的砷化镓和磷化铟为代表，奠定了信息产业基础。什么概念？我们当今的移动通信、光纤通信，我们的互联网全都得益于它。但是随着时代的进步，人们对节能环保又提出更高的要求，怎么样来形成一种高效节能？这就又应运而生第三代半导体。第三代半导体实际上，它们没有替代的关系，完全是补充递进，补充的这么一种关系。所以第一代奠定了全球我们人类社会的微电子产业，第二代奠定了我们人类，包括我们每个人都能享受到的这个信息产业。那么第三代就是奠定了我们，或者开拓了我们进入新的世纪之后的话，节能环保产业。好，说到这个话题，我们一块来看相关的短片。随着第三代半导体技术的发展，半导体芯片的光电转换能力，正发挥着越来越重要的作用。LED灯正是利用半导体芯片，直接将电能转变为光能。LED灯的发光原理并不复杂，但是从人类认识光电感应原理到最终规模化应用，经历了漫长的过程。那么科学家们，为什么要研制LED光源？他们在研制过程中，又遇到了哪些难题？
说到绿色光源，我们强调的LED灯，还有半导体的这种技术。我相信都是相对于过去我们传统的技术而言的，变得更加绿色了，更加环保，对环境也更加友好，那我们过去使用的传统的这些光源，到底存在哪些问题？两位跟我说一说。几代光源的发展，跟发光原理有关系，大家最早知道的这个白炽灯，从电气时代白炽灯，它实际上是电变成热变成发光，它实际上是在2000（摄氏）度以上的这个高温以后发光。第二代光源，实际上是这个气体放电灯，实际上就我们讲的荧光灯，它是真空以后，通过这个离子去激发荧光粉来发光。像半导体发光，实际上是由电直接来发光，就是这几种光源，它的发光的原理都不一样，所以它们的这个光效就是说是不一样的。就让这个电变成光的这个效率，白炽灯大概在10到15流明每瓦，这个词比较专业。荧光灯大概在50到60流明每瓦，像LED的灯，它现在能超过150流明瓦以上。如果器件来讲，可能应该能达到250流明瓦以上。这是数量级的差异，所以它的节能的这个效果，就体现在这个光效里面。在使用寿命，还有这个环保方面，存在哪些问题？
寿命上，白炽灯的寿命，在1000小时左右，荧光灯的寿命大概在1万小时，但是LED灯的寿命，应该在3万到5万小时以上。那对环保呢？对荧光灯来讲，它最大的一个（问题）是含汞，汞就俗称叫水银，水银实际上对人体是有很大的危害的。因为全球现在也在淘汰这个含汞的产品，除了它这个生产过程中要用到汞，另外它回收的过程（也有污染）。因为这个实际上汞是很难回收，所以基本上你看我们把节能灯也好，荧光灯也好，要（是）它坏了以后，如何回收就是一个大问题，这个回收的成本极高，而且在这过程中不排除因为回收的不到位，导致这个汞渗透到地下以后。造成新的污染。永久性的这种汞的污染是非常严重，几乎对人类的生态，是毁灭性的这么一种影响。我们现在谈到的绿色光源，就是LED光源，您作为这项技术的研究者，同时也是这项技术，我们国家科技进步一等奖的获得者。您觉得这项技术，它的难点体现在哪些方面？
首先第一点的话就是如何，刚才提到了反复提到了一点，这个作为绿色照明，它最基本的一个要素，就是提高它的光效。早期的时候，无论是材料的生产技术也好，还是芯片的制造技术也好，水平相对来讲还比较低，从性能上只是比白炽灯略好了一点。刚才都已经提到了，白炽灯本身就是要淘汰的，低效照明的一种产品。那你只是比它好了一点，大概举一个数据来说的话，白炽灯大概在12到15流明瓦，知道这么一个数据就好。就每瓦产生多少的光，就12到15流明的光。那么LED，那个时候我们刚开始启动做的时候，也大概就是这么一个水平。好，再举一个例子来说，实际上那个时候的荧光灯和节能灯也好，基本上是在30到40（流明瓦），甚至节能灯都能到60（流明瓦），甚至更高一点。所以你看几乎你现在十几流明瓦，这么低的光效怎么能来替代照明，所以当时我记得我们设定的目标，就是有两个指标，要性能提高8倍，价格要降低100倍。当时最高光效的人造光源，是以钠灯代表，它是多少呢？120流明瓦，所以那时候我们如果要按照我们是15流明瓦，你要对标最高光效的人造光源，不是节能灯，这要比节能灯还要更高。对标最高光效的人造光源的话，从15流明瓦要增加到每瓦120流明，就是要提高8倍。但是价格要降低100倍，什么概念呢？
那时候真的是一个光源要卖到一百多块钱，那么贵的东西，老百姓怎么用得起？它不可能进到千家万户里头去，所以就是说你要把一百多块钱的东西，要把它降到一块钱，才有可能，当时是这么一个概念。所以应该说通过这么多年来，大家的这个联合攻关，不单单是科研，包括科研和产业的紧密结合，再加上国家各部委相关的部委的一种通力的这么一种支持，几个五年计划的这个科技计划也好，这个其他的一些计划也好，联合的支持的话，真的是实现了我们这个梦想。那我们这样一个新型的产品，它的创新点体现在哪些方面？两位给我们介绍一下。首先第一点的话，因为实际上半导体照明，它就是利用了半导体的光电的特性，那么要实现这个光电这种效率，非常非常重要的一点，为什么导体和绝缘体它都没有这个性能，而半导体有。首先一个非常非常独特的一个要求，就是什么呢？对这个材料的要求极高，它要求这个材料的纯度要极高。而且要求这个材料的这个完整性要极好，所以这就是半导体材料的一种特性，这就是首先第一点技术难点，要把这个材料问题先解决好。就相当于如果举一个可能不一定很准确的一个例子，你要做一套好的西服，你至少得把这个布料一定要是做的是一个非常好的布料。你如果拿了一个麻袋片的那种很低档的布料，恐怕很难做出一个高档的这么一个西服，这个可能不一定很科学，也很准确，但大概有这么个意思，就是你必须把这个半导体的具有光线特性的这个材料先要做好，这是它的第一大（难点）。
下来以后材料做好了还不行，还要把它做成芯片，发光的芯片，这恐怕又是另外的一个创新的过程。除了芯片之外，下来就必须把它要封装，把它封装好了变成光源，这就可以用在各种的不同应用。那材料决定了它的品质的提升，那这个成本怎么降低的？首先第一点的话就是说，我们在这个基础研究，探索这个发光原理，或者使得能如何制备出这个高光效的这种材料结构。在这些方面做了大量的基础研究的工作之后，通过这些基础研究的这些成果来支撑了一些在工程化或者是共性的一些关键技术。在这些方面就包括材料的生长，芯片的设计了，芯片的制造加工等等这些方面。通过集群技术的突破，最后才能真正移植到产业化，在产业化的平台上，现在为什么我们已经打造了全球最大的芯片制造。在中国已经在全球是最大的芯片制造（基地），那么在这个过程中的话，恰恰是这一系列的从材料、芯片、封装的集群技术的突破之后，最后才支撑了我们国家整个半导体照明（产业），成为全球最大规模的生产制造应用的这么一个现状。
我做一点补充，像这里面随着它的这些的技术的提升工艺的成熟，实际上也是在量产的这个规模上也是有变化，就说我们原来的这个生产的周期一天，比如说大概在两到三次，但随着我的技术稳定，工艺提升，我一天的这个效率可以提升到六次。效率本身的提升，还有半导体的材料是生长出来的，原来的这种设备是比如（一次生产）3片或者是5片，但是随着我们现在量产的技术的成熟，我们可以做到50多片，或者甚至100片的这样一个规模。实际上就是基于技术的突破，所以这个生产效率上的提升，所以把这个成本应该是大幅下降。我们现在谈到的LED光源，那我们从这个发光效率上来讲，它的特点是什么？它发光效率的话，就是每瓦就是相当于是个电光转化效率。因为我们还是通上电希望它（发）光，那么白炽灯的话，基本上就在5%左右。什么概念？95%（的电能）我们本来用它来照明的，但是你通进去一瓦的电以后，它几乎95%的都是没有用的，只有5%是能用到我们电的。是有效的。没错，好，这是白炽灯。节能灯会好一些，但是它也依然是在30%到40%，什么概念呢？
你给它的能源有一半多依然是没有的，转化的只有30%到40%。目前这个LED这个的话，就是半导体照明，或者叫LED照明，这个的话，现在它基本上能接近80%。这么大的差距。对，接近80%，就是说那么在这过程中是什么概念？就几乎它是绝大多数的电能，或者你给它的能源，都变成了人们可利用的这种光。如果都用上了这个LED的光源的话，跟过去我们所用的灯对比，这个节能的效果我们怎么计算？如果按照我们现在这个LED，在这个整个的照明领域里头的50%的渗透率，或者就50%的应用领域里头，得到了广泛应用的情况下的话，那么这时候它的节电的话，是相当于年节电量，相当于是2700亿度（千瓦时）。2700亿度是一个什么概念呢？就相当于三峡电站，因为三峡是我们国家甚至在全球都是最大的水利枢纽了，就相当于三个三峡电站的发电量。这样我们观众听起来，节能的效果就更直观了。这是发光率，导致了这个节能的效果。那它的使用寿命长短是什么样的？LED的寿命，刚才提到大概在3（万）到5万小时，因为我们正常室内的点灯时间比我们的家庭可能是5个小时。实际上这样子算下来，一年2000个小时，如果3万小时的话，就能可以用到10年以上。同样的使用条件下，白炽灯是1000小时，LED是3万小时，（LED灯）寿命是它（白炽灯）的30倍。
一说到这个可能我们就要考虑到它的环境适应性，因为小的时候我有一段有印象，荧光灯到了一定温度的时候，温度太低的话它就会频闪，这个发光效果就不好，LED灯对环境的适应性是什么样的？一个LED它的可以在不同的这个温度条件下（正常使用），就是说我们可以在低温，我们以前也做过实验，像在黑龙江的这个漠河地区，在零下50（摄氏）度左右的低温环境下，我们做过这个实验。还有一个我们也在一些潮湿的环境，尤其像沿海盐雾等这些环境下，就是说它的这种都做过这种应用，就是它有这个很好的温度的适应性。还有一个，就是说我们也在一些特殊的场合。比如说在深海的这个深潜，我们的一些装备上，还有这个像在外太空，这一些特殊的照明设备上，它在这种抗辐照的环境下，它都可以有广泛的这样的一个应用场景。好，我们通过短片去了解一下。
LED光源使用过程中，由于散热少，所以LED灯具不需要设计庞大的散热器件，可以将体积做的极为小巧。通常一个功率一瓦的LED发光元件，直径只有几微米，可以非常方便地制作成各种外形的灯具，甚至可以直接贴在器物或服装的表面。2008年北京奥运会，现场发光道具全部使用了LED光源，从而实现了前所未有的艺术效果。随着LED光源走入寻常百姓家，那么除了日常照明外，它还有哪些特殊用途？在过去我们使用电子产品的时候，我们都有一个这样的印象，当一旦产品升级的时候，就意味着价格的提高。那这个LED灯它的出现，对于生产和使用它的成本是提高了还是降低了？从国家启动了这个半导体照明工程这个专项之后的话，应该讲这个十多年来的发展的过程，除了这个性能的提高之外，包括寿命的提高，刚才讲的是3万小时，实际上是都大于3万小时，甚至更长。另外的一点的话，很重要的一点，第三个关键词，刚才一个高光效，还有一个长寿命，还有一个第三个关键词低成本，所以那不正是因为有了低成本，这才使得我们这个半导体照明或者LED照明这个技术，就是刚才您讲那个现在可以进入到千家万户，老百姓大家都可以用到了。
目前我们所说的这个LED半导体的这个绿色光源，它的应用情况是怎么样的？照明它实际上是人们最基本的一个需求了，但现在正是因为有了这种高效、长寿命、低成本这么一种光源的话。它又刚才讲了拓展了它很多的应用，比如说它不仅仅是照明了，它可能又在超越照明，什么概念呢？它可能在农业、在健康、在医疗上，又得到了更广泛的一些应用。再具体一些呢？再具体一些，比如说在农业，实际上在植物工厂，实际上提出很多年的概念，无土栽培的技术也相应来说比较成熟了，全世界基本上都是这样。但是光合作用这个问题一直没有很好地解决，所以恰恰有了半导体照明LED这种光源之后，比较好地能解决了这个问题。所以这就有可能形成一个什么呢？真的实现以后，将来工厂化的生产。也就是LED灯，它可以替代太阳的这个光源来帮助农作物的生长。没错。这是过去的有传统的这个光源是做不到的吧。传统的光源至少它效率低，它就从经济上来算的话，它这个成本就比较高，恐怕就很难再推广。那么将来以后如果，当然现在还在发展的过程中，还不是说现在就已经很成熟了，但已经给我们开辟了一个新的一个途径，就是在植物照明上，或者在农业照明上，将来以后就变成什么，它完全是工厂化的一种生产。好，我们一块来看看短片。
LED光源光线颜色十分单一，经过调整后甚至可以只发出特定波长范围的光线，这是传统光源难以做到的。而植物对光线的吸收也有一定的选择性，通常每种植物只吸收一定波长范围的光线。因此，可以为每种植物量身定制专用的LED光源，这样不但可以发挥LED光源光效高的优势，而且发出的光线可以完全被植物吸收。对能源的利用率达到最高。那么除了在农业方面外，LED光源未来还能被应用于哪些领域？那这些年这个我们身边生活当中的光源不断地发展，那绿色光源未来会有怎么样的发展，两位给我们展望一下。就是说除了照明之外，它还有更广泛的一些应用，实际上就是在可见光的范围，实际上可见光，还有很多事情要去做，不单单是照明的，甚至在显示这些领域都有很大的一些应用。很宽广的在新型显示上，在其他的一些应用领域，都有很广泛的一些市场空间。回过头来讲，实际上我们在讲，如果要是再进一步地拓展它的光谱的范围，我们在可见光实际上是七色光，赤橙黄绿青蓝紫。但是如果在紫波长再变短的情况下，就变成紫外线。紫外线大家都有概念，实际上紫外线用于消毒杀菌，是一个很古老的一个命题了。
大家都知道，被子晒一晒太阳的话就能消毒杀菌。但是如何来保证高效的这种杀菌消毒的话，恐怕就要用到在医疗，也是包括食品加工，什么医院等等，这些方面的一些应用领域。要用新的一些杀菌消毒的一些技术的话，毫无疑问这就是未来是LED，也是一个巨大的一个这个发展的这么一个方向。举个例子来说，如果可能将来以后我们在家里头，这个光源它在照明的同时，它也同时会对这个室内的空气进行净化。我刚才就想这个问题，因为在疫情期间，我们都知道要勤洗手，这个没有洗手环境的情况下，有这个免水的这个洗手液，这个消毒液，我在想如果有这样一个LED的紫外光源，我们是不是一伸手通过这光一照，手上的菌就被杀灭了，有这种可能性吗？没错，完全有。今年我们事实上也已经推出了一系列的应用产品，包括这个跟老百姓相关的，你比如我们有手持式的这种消毒棒，是用深紫外线来照射，进行一些身上、身体或者一般从外面进入室内的时候，一些消毒杀菌的这么一个过程，现在完全都有。甚至我们现在也开发了一些（产品）。已经开始在用。
当然还是属于还在发展的过程中，不像一个非常成熟的这么一种商品，尤其是从（2020）年开始《水俣公约》，联合国就关于禁用汞的国际公约，我们也是128个缔约国之一。从今年就开始，2020年就正式生效了，所以那么这就意味着近几十年来，甚至上百年来，人们用汞作为产生紫外线这种光源的这种技术，就必须面临着要淘汰掉，那么替代的是什么呢？就是LED，这就跟我们刚才讲到要淘汰低效照明，全球都在列出了淘汰白炽灯低效照明的路线图。我们国家也是，那么淘汰了低效照明，总要有高效的照明来替代，它是什么？是LED半导体照明。那么好回过头来在消毒杀菌的应用领域，要淘汰掉对人类生态，产生巨大影响的这种，含汞的这种消毒杀菌的这种方式，这种光源的话，那它替代的是什么呢？我们就认为是未来LED，一个巨大的一个发展空间，还有哪些绿色光源的技术，两位跟我们补充地介绍一下。
我个人认为，在可预见的未来，可能半导体（光源），就是人类最好的一个礼物，就是最好的一个绿色（光源）。就刚才讲的它具有一系列的，满足人类社会发展和人们需求的各种属性。当然了，如果要是更长远一点的时间，比如说50年100年以后，会不会有新的更好的一些高效的光源，现在还很难预测。但如果要按照科学院做技术预测，是按照50年为周期，所以如果要让我判断可预见的未来，就是50年之内的话，可能半导体照就是人类最好的一个绿色光源。今天非常感谢两位做客我们《透视新科技》节目，跟我们来介绍有关寻找绿色光源这样的一个话题，我希望随着我们科技的不断发展，并且把这些科技成果运用到我们生活当中，我们百姓的家庭当中，也会有更多的绿色光源。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目，如果您想了解我们更多的节目内容呢？可以下载央视频去分享其他节目。好了，这期节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
