【盘点】LED业技术最新成果,你怎么看
广东LED · 2018-04-09
清明小长假已经结束,相信很多人依然还沉浸在春日的暖阳,或是突然变天的冷意中,不想醒(shang)来(ban)。好啦,振作一点,来看看LED业最近有哪些新技术进展和成果。
用核心技术敲开LED企业大门
汤勇教授获2017年度省科学技术奖一等奖
2018年3月26日下午,广东省委、省政府在珠岛宾馆召开广东省创新大会,大会表彰了2017年度优秀科技成果和优秀科技工作者。中国工程院院士、华南理工大学机械与汽车工程学院教授、聚合物新型成型装备国家工程研究中心主任、广州华新科智造技术有限公司董事长瞿金平获得2017年度广东省科学技术奖突出贡献奖,华南理工大学机械与汽车工程学院教授汤勇获得2017年度广东省科学技术奖一等奖。
华南理工大学机械与汽车工程学院教授汤勇
用核心技术敲开了LED企业大门、国内首个LED组件规范主要制订者,汤勇教授团队的半导体发光器件跨尺度光功能结构设计与制造关键技术取得以下创新成果:
1.提出半导体发光器件跨尺度光功能结构光色矢量设计新理论,开发出宏微统一跨尺度光功能结构协同设计软件,填补国际技术空白。改变企业按经验或单一尺度简化设计的局面,使广东省LED器件产业进入精确设计阶段。
2.打破传统单一尺度光功能结构加工模式,提出半导体发光芯片强化出光/可控发光结构跨尺度协同制造新方法,实现阵列结构与具有分形特征的粗糙结构协同生成,满足半导体发光器件高光效等技术要求。采用新技术的HPF(199.76 lm/W)、CSP1010(1.0 x 1.0 mm)以及RGB0505(0.5 x 0.5 mm)系列器件光效、特征尺寸等性能超过美国CREE及韩国三星等同类产品32.29%、29.58%及50%。功率LED器件关键光效指标超过日本最新发射低轨道微纳光通信卫星LED器件性能。
3.突破微观结构特征与光功能属性耦合的光功能微纳粒子精确配制、多物理场耦合可控分布技术瓶颈。实现功能微纳粒子在胶体中定向定量分布,满足显示等领域LED器件光色性能要求。显示器件被选为抗战胜利70周年阅兵、里约奥运会LED显示器件,且保持0.5 × 0.5 mm世界最小记录。
4.发明阵列透镜结构的无损、近净模压成型规模化制造技术,且开发出成套装备。开发的光源系统光效指标达130 lm/W,性能超过美国CREE同类产品。技术贡献确立广东省LED产业规模与技术优势地位,实现由照明向显示等高附加值领域转型,且为广东省LED产业大规模进入影响我国战略安全的光通信领域奠定基础。作为国内唯一高校参与LED器件国际质量体系标准制定(IECQ WG 09)。
项目在半导体发光器件跨尺度光功能结构光色矢量设计、可控制造等共性技术方面取得突破。获得授权发明专利31项(其中欧洲发明专利1项)、授权实用新型10项、计算机软件著作权2项、技术标准1项,发表SCI论文21篇。专家鉴定和第三方检测表明:整体达到国际先进水平,部分关键指标(器件/系统光效、器件特征尺寸)达到国际领先水平。项目完成单位2014-2016年新增销售额159.37亿元,新增利润15.82亿元。
解决OTC技术瓶颈
苏州纳米所红外光源取得突破性进展
超辐射发光管(SLD)是一种利用放大自发辐射的非相干光源,它兼具了激光器的大功率和LED的宽光谱特性,同时具有弱时间相干性和高光纤耦合效率,是一些非相干光学系统(如光学相干层析成像系统(OCT))的理想光源。 OCT技术是上世纪90年代发展起来的一种具有高分辨率、非接触式、无辐射损伤等诸多优点的一种生物医学成像技术,已在眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中有重要应用,是继X-CT和MRI医学成像技术之后的又一大技术突破。OCT系统的发展与所采用光源息息相关,其应用、升级换代强烈地依赖于核心光源的发展水平。
目前OCT技术虽然已被大众认可,一些国内外医院成立了专门的OCT成像科室,但OCT技术的巨大优势还远远没有体现出来,因为其发展中遇到了两个主要瓶颈:(1)成像分辨率较低;(2)成像深度有待提高。因而对OCT系统所采用的宽谱光源的诉求就是:(1)高功率与宽光谱共存的近红外宽谱光源的制备;(2)宽谱光源的工作波长向中红外波段拓展。
针对这一科学问题,中科院苏州纳米所张子旸课题组与中科院半导体所刘峰奇、王占国实验室合作利用调制掺杂的多层量子点结构,打破了传统半导体宽光谱光源中输出光谱宽度与输出功率相互制约的关系,成功地研制出了近红外波段高输出功率>20 mW、同时宽光谱>130 nm的量子点SLD (如图1所示)。
图1 调制掺杂自组织量子点J型波导SLD结构示意图、光谱和P-I曲线
图2 室温连续工作的中红外量子级联SLD结构及发光示意图
随后,他们又利用子带间跃迁的量子级联材料为增益介质,采用宽谱光源与光放大器单片集成的器件结构,实现了国际上第一支室温连续工作的中红外量子级联SLD(如图2所示),这一进展填补了中红外波段室温连续工作半导体宽光谱光源的空白。这些研究成果为提高目前近红外OCT系统的性能,实现多年前理论预言的中红外OCT系统奠定了材料及器件基础。
有望改变未来照明世界
具有发光特性的碳纳米点研制成功
日前,中科院长春光机所研究员曲松楠课题组突破了碳纳米点在近红外波段发光效率低的难题,首次研制出具有高效近红外吸收/发光特性的碳纳米点,实现了基于碳纳米点的活体近红外荧光成像。
近年来,曲松楠带领课题组频繁在高影响因子的期刊上发表文章。2009年参加工作的曲松楠在工作几年后就独立带课题组,也因此被破格提升为研究员。
曲松楠指出,发光碳纳米点是新兴的纳米发光材料,具有尺寸小(小于20 纳米)、无毒、发光性能好、生物相容性好、光稳定性好、原料广泛、易修饰等优点,引起国内外的广泛关注。
早前,发光无机半导体纳米粒子的研究非常活跃,但无机半导体纳米粒子一般含重金属内核(铅、镉),有一定毒性,对环境也存在危害,所以科学家们开始以一些无毒的化合物制备新的发光纳米粒子。
2006年,美国克莱蒙森大学的科学家们制造出一种碳纳米粒子,在光照的情况下,可以发出明亮的光。科学家们还发现发光碳纳米粒子具有独特的优点,如化学稳定性、无光闪烁、耐光漂、无毒、造价比较便宜以及优异的生物相容性。
2012年,时任长春光机所副研究员的曲松楠所在团队发现,利用碳纳米粒子激发波长依赖的特性,与有机染料配合,在生物制品上可构筑具有信息加密的图形,这可以应用于信息存储和信息加密中。
图1. 通过表面吸电子基团修饰后构建近红外吸收/发射碳纳米点及其发光机制的示意图。
图2. (a)碳纳米点@PVP复合物的吸收、发射光谱。(b-d)以碳纳米点@PVP复合物为成像试剂的近红外荧光成像(b)和小鼠胃部(c)及尾静脉注射后血液循环过程中的活体近红外荧光成像(d)。
图3. 近红外-Ⅱ区飞秒光激发碳纳米点的多光子诱导发光。(a-b)1200 nm飞秒光激发碳纳米点的发射光谱和发光强度-激发光功率曲线,(c-d)1400 nm飞秒光激发碳纳米点的发射光谱和发光强度-激发光功率曲线。
“这些独特的性质使碳纳米点走进我们的现实生活成为可能。”曲松楠告诉记者,随后他们团队研制出一种新型的荧光墨水。“这种墨水可以应用到生物成像、生物产品鉴定、信息存储、信息加密、防伪、照明显示、传感、光伏器件等多种领域。”
采用LED照明
科学家成功在南极种植蔬菜
据报道,德国位于南极的诺伊迈尔三号站(Neumayer Station III)的科学家,于室外温度低于-20°C的条件下,在高科技温室(EDEN-ISS)成功种出了无需泥土、日光及农药的蔬菜,包括3.6公斤色拉生菜、18条黄瓜和70颗小萝卜。
(图翻摄自德国太空中心网站)
据了解,科学家们基于水栽培法,使用可重复使用的水循环与营养系统,同时,以LED照明代替日光,并仔细监控室内的二氧化碳。
(图来源于美联社)
这项种植计画目的是为了研究如何让太空人能在恶劣的气候环境中种植蔬果,负责研究的德国太空中心(DLR)表示,他们希望能在5月的时候,达到每周收成4.5公斤蔬果的目标。
尽管美国太空总署(NASA)先前就曾在国际太空站种植出叶菜类蔬菜,但「DLR」的研究计画希望能增加更多能在太空种植的蔬果种类,目前已经能成功种植的有叶菜类、小黄瓜、番茄、胡椒、樱桃萝卜、罗勒、香菜与韭菜等,「DLR」的研究专案经理舒伯特(Daniel Schubert)更说,他们正在尝试种植草莓。
既能种植植物又能提供热能
瑞典正计划建LED植物大厦
瑞典一家食物科技公司Plantagon曾发布了一项名为“植物大厦”的办公楼设计,就像其他室内农场一样,会在大楼中以LED照明来种植植物。但是Plantagon不同之处在于,原本房间中因照明而产生的热气,通常会被排出房间以防植物过热,但Plantagon却直接将热气搜集起来,存于大楼的热能存储系统中,可协助办公大楼里的人们在寒冬保持温暖。
能源是室内城市农场的一个关键问题,它们必须使用人造光源。尽管近年来LED效率的提高有助于降低能耗,但仍会导致巨大的能量浪费,其中大部分会以热量的形式消失(大约70%的电能都变成了热能)。
这套地底农场搜集热能的方法为,利用通过LED灯上方的水管,将热能保存在水中,再引至上方办公室的热泵系统。Plantagon表示,它将在其6500平方英尺的地下室中捕获约70%浪费的热量。这套热能储存系统将让大楼每年省下70万千瓦小时的能量,相当于节省了3倍地下室的租金。此外,办公室中制造的二氧化碳,也会被排至农场中,并将农场蔬果产生的新鲜氧气送回给上班族。
地底农场产生的热能和氧气,可供同栋大楼的上班族使用(图片来源:Plantagon)
“大楼业者同意让我们免缴租金3年,所以我们目前不需为这间地下室付任何一毛瑞典克朗,”Plantagon的共同创办人Hans Hassle表示,“对于都市农夫来说,如果你真的想在都市中种植蔬果,必须找到新颖的商业模式,才能使产出的食物不那么昂贵。”
这间公司计划直接将蔬果卖给同栋大楼的上班族,以及当中的2间餐厅;还有约3分之1的产量将售给邻近的杂货店,运送过程之近,毋须消耗任何石油燃料;另外3分之1 产量则将于建筑内的商店贩售。
“在瑞典,人们比起有机食物,对在地生长的食物有更高的兴趣,”Hassle表示,“人们通常会想知道食物从何而来。”
Hassle补充道,如果一颗有机莴苣从上百英里、甚至上千英里之远的地方运送至商店,那么它的环境足迹可能比在当地室内农场所生产的莴苣还高。
Plantagon公司计划于未来3年内在斯德哥尔摩开设9间地底农场,将从已装设地下热泵系统的大楼开始着手。筹备团队也正与当地能源公司讨论,将剩余的热能贩售给区域内其他大楼的可能性。
在距离斯德哥尔摩2小时车程的都市Linkoping,这间公司正计划将地底农场扩大规模,转为16层楼高的「植物摩天大楼」(室内农场+办公型大厦)。除了整栋大楼将生产蔬果之外,还有2/3的空间将出租做办公室使用,以维持营运稳定。这项计划预计已于 2012 年开始初步施工,将于2020年或2021年实践,据悉耗资4000万美元。
这座有16层办公楼层的大楼中,每层都是如图所示的一侧农田,一侧办公区。在大楼内,植物通过水培法种植,植物的光合作用将靠日光和LED光,这些LED灯会根据蔬菜种植所需的特定光频率进行照射,使蔬菜可以在最佳光源下生长。在种植过程中还会有机器人的参与,帮助生产和运输,大大降低运营成本。据 Plantagon CEO Hans Hassle 称,相比于同样规模的室外农场,他预算大楼每年能省下 1100 吨二氧化碳排放及 1300 万加仑水。
Plantagon另外一个类似的室内农场计划,也将于新加坡执行。在这个缺乏耕种土地的国家,大部分的农作物皆从邻近国家进口,像马来西亚,而当马来西亚等国可灌溉的土地越来越少、人口却越来越多时,新加坡开始对能于自身国土内种植食物的Plantagon都市农场产生兴趣。同样地,在中国某些难以取得足够食物的城市,也开始与Plantagon洽谈合作。
这间公司正在众筹平台FundedByMe募集资金,来建造第1座农场,这些资金也将有助于其实现未来三年在斯德哥尔摩全境安装多个城市农场的雄心壮志。Hassle希望这项计划能尽可能地让更多人参与,原因不只是因为财务上的因素,更因为他相信每一位市民都需要积极地成为都市农业的股东。
“对我们来说,食物生产和经营其他事业不同,食物就像水,属于人权的一部分,”Hassle表示,“因此我们有更大的社会责任,以及对环境的责任,这也是我们积极邀请人们拥有部份股权的原因,因为每个人都应该有所贡献。”
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