淺論半導體照明技術的構成要素

聶叢偉

摘要：近些年來，我國半導體照明節能產業發展迅速，形成了較為完整的產業鏈和一定的產業規模，具備了較好、較快的發展基礎。已經成為LED照明產業發展最快的區域之一。本文從技術哲學的視角討論半導體照明技術的概念和特點，對構成半導體照明技術的基本要素按照客體要素、主體要素和工藝要素進行了分析，凸顯了半導體照明技術的多樣性、靈活性、復雜性和廣泛性。

關鍵詞：半導體照明技術；客體要素；主體要素；工藝要素

一、半導體照明技術的基本概念

（一）半導體照明技術概述

半導體照明技術是以半導體光源為發光元件的一種人造光源的照明技術。半導體照明光源，英文簡稱LED光源作為一種固態新型光源，已經成為人類照明歷史上繼白熾燈、氣體放電燈、熒光節能燈之后，照明領域的又一次革命。半導體照明光源是替換傳統照明器具極具潛力的新型光源之一，是未來照明技術的重點發展方向。發展新型固態照明，不光是照明領域的一項革命，也是符合當前我國在大力倡導的節能減排所提出的建設資源節約型和環境友好型社會的要求。隨著半導體照明技術的愈發成熟，其應用領域也日益廣泛和細致，對照明系統的功能性、系統集成性、環境適應性以及光源質量等要求也越來越高，為了使得LED的新應用領域更好發展，必須從其關鍵要素進行分析。通過關鍵技術的研發，包括芯片外延、LED光源封裝、配光設計、結構設計、電源開發、工程安裝等全產業鏈的要素分析，突破技術的邊界，顯著改變照明概念和生活生產模式。

半導體照明的核心部件是發光二極管，英文簡稱為LED，是半導體二極管家族中的一個典型代表。LED自發性的發光是由于電子和空穴的復合而產生，當LED芯片兩端加上正向電壓，電流從LED的陽極流向陰極時，半導體材料中的電子和空穴進行復合，釋放放出多余的能量而引起光子的發射。半導體二極管芯片由于材料的摻雜不同可以發出從紫外到紅外不同波長的光子。半導體照明技術所利用的用于照明的白光主要技術途徑有兩類：一是由多基色光（如：紅光、綠光、藍光或者紅光、綠光、黃光、藍光）合成得到白光，一是就是利用藍光LED芯片發出激發熒光粉，藍光和熒光粉受激發產生的黃、綠、紅光合成得到照明用白光。伴隨著半導體技術的發展和全球生態環境惡化和能源緊缺問題的日益嚴峻，這種利用半導體芯片發光技術憑借著諸多優點近些年得到了飛速發展，半導體照明技術的發展充分驗證了恩格斯在自然辯證法中所說的“社會一旦有了技術上需要，這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進”，體現了唯物史觀的犀利和深刻，它給了社會各界，尤其是科學技術界以巨大的勇氣和信心，還活生生地印證著中國特色科技發展道路的優越性。

半導體技術在業內又被稱為LED照明技術，主要包括了LED芯片技術、LED封裝技術和LED應用技術。最近幾年來，LED芯片技術在國家的扶持下飛速發展，LED芯片的尺寸越來越大，功率越來越大，單顆LED芯片的功率可以做大3W。LED封裝技術的發展使得封裝產品的尺寸、形狀、功能不斷得到發展完善。為LED應用技術的設計和制造提供了廣闊空間，同時凸顯了LED照明技術多樣性、靈活性、復雜性和廣泛性。

（二）技術定義和半導體照明技術

從技術哲學的視角來看，對“技術”一詞的解釋有廣義技術和狹義技術兩種觀點。廣義技術指：技術是人類有目的地改造自然的活動，其中各種發揮作用的要素有機結合，共同構成了一個完整的技術活動系統。狹義技術“泛指根據生產實踐和自然科學原理而發展的各種工藝操作方法和技能；還包括相應的生產工具和其它物質設備，以及它們生產的工藝過程、程序和方法”。與LED技術相關聯的技術概念應為狹義的技術，而非廣義的技術。半導體照明技術依據以上的狹義技術概念的解釋，可以綜合表述為：半導體照明技術是根據芯片外延、LED光源封裝、透鏡研制，燈具的結構、組裝、工程安裝等一些操作經驗和相關的自然科學原理（如：電路理論、光度學、色度學、化學燈）而發展起來的各種工藝和技能，還包括相應的生產工具和設備，以及生產的操作方法、程序和工藝過程。

由于半導體材料的特性具有多樣性、復雜性和廣泛性，導致涉及到生產、加工、應用、工程等方面的半導體照明技術是多樣的、復雜的和廣泛的。要全面、系統地界定半導體照明技術的涵蓋領域并不是一件容易的工作。LED技術的多樣性和廣泛性還表現在LED技術既有資金密集型的技術，又有知識密集型的技術，還有勞動密集型的技術等多種形式。某些LED部件的生產加工技術涉及的產品產量大、生產規模大、項目投入大，屬于資金密集型技術。如LED芯片外延生產技術，一臺芯片生長爐子動輒幾千萬。另外，這類LED技術在相當程度上也可看作是裝備型技術，因為芯片外延片的直徑決定著技術的關鍵，因此，與芯片外延生長相關生產設備的的性能水平是整項技術的核心。而對于LED相關的封裝技術，需要體現出LED的一些突出功能性質，其設計制造廣泛涉及到化學、光度學、色度學和電路理論等學科的知識，其生產及應用技術往往屬于知識密集型的技術。對于LED燈具的組裝生產、工程安裝等技術工藝流程，其特點是勞動強度大、技術簡單、工作環境條件要求不是很高，呈現出勞動密集型技術的特點。

二、半導體照明技術的構成要素

（一）半導體技術的客體要素

客體要素主要指技術活動中的客觀性技術要素，既包括勞動過程中的技術手段，工具、機器等生產工具，也包括勞動過程中的技術對象與技術成果。工具、機器等生產工具在技術活動中占據非常重要的地位。LED技術的客體要素可以粗略劃分為LED相關部件的生產設備和各環節生產時質量監測控制方面的儀器、工具和設備。例如，LED芯片生產技術的客體要素是指LED發光芯片的機構和設備， LED封裝的機構和設備， 和以上兩工藝技術在生產制造過程中可能產生污染的防治處理設備，LED燈具應用相關的工具、設備和測試儀器，以及LED燈具安裝維護設備的處理等五個不同方面。

這些客體要素因所涉及的具體技術主體在整個半導體照明產業鏈中所處的制造環節不同，呈現出了一種設備、工具可以有多個方面的用途等特點。這一點體現了LED照明技術客體要素的多角色、應用廣等特點，例如，在LED芯片和LED燈具的檢測設備方面，都利用到了光柵光譜儀來測試芯片和封裝光源、燈具的光學和色度學參數。

（二）半導體技術的主體要素

主體要素是指技術中的經驗、技能與知識等智能性技術要素。經驗、技能是最基本的技術表現形態。經驗是人們在長期工藝操作中的體驗，主要是在生產過程中，對生產方式及方法等直覺體驗的積累和綜合。技能則是以技術知識、勞動工具和經驗為基礎，在勞動過程中所表現出來的主體活動能力，包括技巧、訣竅等實際知識。LED技術是涉及半導體物理學、力學、色度學、光度學、熱學、電學等多學科綜合技術。于是經驗、技能在不同的LED制造環節所表現的形式也不盡相同，如在LED芯片的生產過程中涉及物質摻雜就主要靠經驗技能以手工操作為基礎，而LED封裝經驗技能以機器操作為基礎，而電源的研制以及燈具散熱結構的設計的經驗技能則以技術理論知識為基礎。以上三種形式的經驗技能代表了人們在利用自然和改造自然的過程中主體活動能力或方式的不同發展階段。知識形態的技術要素主要是指以科學理論為基礎的技術知識，它是現代技術構成中的主導要素。人們往往把技術看作對科學的應用。但這只是一個方面，遠在照明原理產生之前，人類就已經憑借技能和經驗使用技術了。如燃燒動植物的脂肪來得到光芒、用于取暖和防御野獸襲擊。顯然，這個時代是利用經驗的。到白熾燈和緊湊型熒光燈具的時代，人們就開始普遍利用技術知識了。技術知識就是人類在勞動過程中所掌握的技術經驗和理論。它有兩種表現形式，一種是經驗知識，一種是理論知識。前者是關于生產過程和操作方法規范化的描述或記載，后者則是關于生產過程和操作方法的機制或規律性的闡述。

LED照明技術的多學科綜合與多學科交叉的特點，使人們對LED技術涉及的問題要知其然，也要知其所以然。例如，要想做出高品質的LED照明產品就需要主體要素系統了解和掌握LED性能、LED技術的單元操作工藝等是基礎性的知識，在LED封裝技術中就需要掌握顏色的合成原理，以及還要掌握在封裝過程中的膠水、熒光粉等的化學性質。在燈具的散熱結構方面的就需要有良好的熱學輻射與傳導方面的知識和經驗。

在哲學層面上講，“涉及對聲音、顏色和氣味的感覺的神經沖動是物理事件，還是心靈事件？”這為我們在半導體照明技術的創新提供了一種新的思維方式，那就是如何以人的意識、心靈、精神、主觀情感去理解照明。一直以來，西方科學技術認為以“物理事件”去理解照明，自然地將照明歸納為科學的、標準的、可客觀檢測的物理量去研究。但是半導體照明光源的出現后，這些物理描述與人的主觀感覺的差距越來越大了，人們普遍的感覺是：LED光源看著亮，而測得的參數不理想；顏色的感覺較為舒適（特別是低色溫產品），在某種程度上提高了愉悅度，然而測試的顯色指數不是很理想。最近，我解讀了一些這方面的文章，主要論述的是LED光源引發的照明理念的變革、光度學和色度學的創新，生理和心理光學效應的研究等等，都沒有離開過“物理事件”的思維方式。

半導體照明技術在應用方面也包含著主觀因素，在370年前，牛頓提出的“光線沒有顏色”，顏色完全是人的主觀感覺，人對光與色的感覺因年齡、性別、民族、宗教、地域、愛好、職業、習慣、經歷、傳統、心情以及色偏好等不同而千差萬別。我們的主觀感覺由光、顏色、聲音、滋味、氣味等感覺材料組成的實體是可知的，但他們又是主觀的、精神的、意識的，而不是客觀實體。半導體照明應繼承中國古代道家天人合一、人天相應的自然哲學理念，運用系統哲學思想，創新思維方式，將半導體照明理解為以人的心靈事件為主的物理事件，以光和色對人的心靈作用為本，充分發揮LED光源的可調控性、數字化、智能化、應用廣泛化的色光技術之長，廣泛研究光色照明對人體生理、心理、心靈、心智與精神的影響和作用，研究人體的光代謝、光節律。使光色照明成為促進人類健康的“營養素”。

半導體照明技術所涉及的理論眾多，在具體的設計生產中都有很廣泛的應用。所以說，半導體照明技術的主體要素也是整個半導體照明技術的重要組成部分。

（三）半導體照明技術的工藝要素

在技術中，除了工具、機器、設備的客體要素，知識、經驗、技能的主體要素，還有表現在它們的結合方式和運作狀態的工藝要素。工藝要指人們利用物質手段去進行加工處理，不能把工藝等同于知識、經驗（盡管工藝中有知識、經驗和技能）；同時又不能把工藝等同于客體。也就是說，工藝乃是把工具、加工機器、生產設備等客體，與知識、經驗、技能等主體要素相組合而形成的過程和方法，工藝乃是客體要素和主體要素在生產加工活動中的結合，是技術的結構性要素。

關于工藝與技術之間的關系，在技術哲學流派中也兩種不同觀點，一種觀點認為是同一體，所謂工藝就是技術。另一種觀點認為工藝的范疇大于技術。目前對兩者之間關系的討論，大多學者還是認為工藝是技術的重要構成要素。半導體照明技術的工藝要素體現在，LED芯片工藝可以做成單片，也可以做成多芯片串聯的高壓芯片，甚至可以做成不合常規的交流芯片；到了LED封裝技術的工藝要素就更加靈活多樣，可以利用不同的工藝生產出尺寸、功率、色溫等不同的產品；到LED燈具技術階段憑借前兩個技術的工藝和電源控制技術、燈具結構散熱技術，工程師可以優化各階段的工藝要素，生產出符合客戶自身喜愛的產品。

（四）要素之間相互關系

各要素的關系體現在三個方面。首先，相關性與獨立性，相關性是指各類技術要素之間是相互聯系的。在半導體照明技術中，體現在LED光源和電源技術的高低，決定著整個照明產品的品質高低。其次，互補性與主導性。例如，在光源封裝中如果光學的指標不理想，可以在燈具制造中利用多光譜的光源來混色，達到理想的色溫和顯色指數。最后，自穩性與變異性。盡快照明技術日新月異，但是半導體照明技術將長期占據很大的照明市場，并且隨著物聯網技術的全面爆發，智慧照明將是未來半導體照明技術的戰略高地。

三、結語

隨著科學技術的飛速發展，半導體照明對傳統照明的替代越來越激烈，由于照明的應用領域的多樣性和復雜性，造成這種替代速度在各個細分領域可能不盡相同，但基本上是大勢所趨。半導體照明技術也必將隨著化工工藝、材料工藝等的發展突飛猛進，更加注重各生產環節之間的聯結的系統性，將工程學、照明學以及數據建模等方法充分融入到半導體照明技術中，更加強調各生產要素之間的協調性和系統性。

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