浅论半导体照明技术的构成要素

聂丛伟

摘要：近些年来，我国半导体照明节能产业发展迅速，形成了较为完整的产业链和一定的产业规模，具备了较好、较快的发展基础。已经成为LED照明产业发展最快的區域之一。本文从技术哲学的视角讨论半导体照明技术的概念和特点，对构成半导体照明技术的基本要素按照客体要素、主体要素和工艺要素进行了分析，凸显了半导体照明技术的多样性、灵活性、复杂性和广泛性。

关键词：半导体照明技术；客体要素；主体要素；工艺要素

一、半导体照明技术的基本概念

（一）半导体照明技术概述

半导体照明技术是以半导体光源为发光元件的一种人造光源的照明技术。半导体照明光源，英文简称LED光源作为一种固态新型光源，已经成为人类照明历史上继白炽灯、气体放电灯、荧光节能灯之后，照明领域的又一次革命。半导体照明光源是替换传统照明器具极具潜力的新型光源之一，是未来照明技术的重点发展方向。发展新型固态照明，不光是照明领域的一项革命，也是符合当前我国在大力倡导的节能减排所提出的建设资源节约型和环境友好型社会的要求。随着半导体照明技术的愈发成熟，其应用领域也日益广泛和细致，对照明系统的功能性、系统集成性、环境适应性以及光源质量等要求也越来越高，为了使得LED的新应用领域更好发展，必须从其关键要素进行分析。通过关键技术的研发，包括芯片外延、LED光源封装、配光设计、结构设计、电源开发、工程安装等全产业链的要素分析，突破技术的边界，显著改变照明概念和生活生产模式。

半导体照明的核心部件是发光二极管，英文简称为LED，是半导体二极管家族中的一个典型代表。LED自发性的发光是由于电子和空穴的复合而产生，当LED芯片两端加上正向电压，电流从LED的阳极流向阴极时，半导体材料中的电子和空穴进行复合，释放放出多余的能量而引起光子的发射。半导体二极管芯片由于材料的掺杂不同可以发出从紫外到红外不同波长的光子。半导体照明技术所利用的用于照明的白光主要技术途径有两类：一是由多基色光（如：红光、绿光、蓝光或者红光、绿光、黄光、蓝光）合成得到白光，一是就是利用蓝光LED芯片发出激发荧光粉，蓝光和荧光粉受激发产生的黄、绿、红光合成得到照明用白光。伴随着半导体技术的发展和全球生态环境恶化和能源紧缺问题的日益严峻，这种利用半导体芯片发光技术凭借着诸多优点近些年得到了飞速发展，半导体照明技术的发展充分验证了恩格斯在自然辩证法中所说的“社会一旦有了技术上需要，这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进”，体现了唯物史观的犀利和深刻，它给了社会各界，尤其是科学技术界以巨大的勇气和信心，还活生生地印证着中国特色科技发展道路的优越性。

半导体技术在业内又被称为LED照明技术，主要包括了LED芯片技术、LED封装技术和LED应用技术。最近几年来，LED芯片技术在国家的扶持下飞速发展，LED芯片的尺寸越来越大，功率越来越大，单颗LED芯片的功率可以做大3W。LED封装技术的发展使得封装产品的尺寸、形状、功能不断得到发展完善。为LED应用技术的设计和制造提供了广阔空间，同时凸显了LED照明技术多样性、灵活性、复杂性和广泛性。

（二）技术定义和半导体照明技术

从技术哲学的视角来看，对“技术”一词的解释有广义技术和狭义技术两种观点。广义技术指：技术是人类有目的地改造自然的活动，其中各种发挥作用的要素有机结合，共同构成了一个完整的技术活动系统。狭义技术“泛指根据生产实践和自然科学原理而发展的各种工艺操作方法和技能；还包括相应的生产工具和其它物质设备，以及它们生产的工艺过程、程序和方法”。与LED技术相关联的技术概念应为狭义的技术，而非广义的技术。半导体照明技术依据以上的狭义技术概念的解释，可以综合表述为：半导体照明技术是根据芯片外延、LED光源封装、透镜研制，灯具的结构、组装、工程安装等一些操作经验和相关的自然科学原理（如：电路理论、光度学、色度学、化学灯）而发展起来的各种工艺和技能，还包括相应的生产工具和设备，以及生产的操作方法、程序和工艺过程。

由于半导体材料的特性具有多样性、复杂性和广泛性，导致涉及到生产、加工、应用、工程等方面的半导体照明技术是多样的、复杂的和广泛的。要全面、系统地界定半导体照明技术的涵盖领域并不是一件容易的工作。LED技术的多样性和广泛性还表现在LED技术既有资金密集型的技术，又有知识密集型的技术，还有劳动密集型的技术等多种形式。某些LED部件的生产加工技术涉及的产品产量大、生产规模大、项目投入大，属于资金密集型技术。如LED芯片外延生产技术，一台芯片生长炉子动辄几千万。另外，这类LED技术在相当程度上也可看作是装备型技术，因为芯片外延片的直径决定着技术的关键，因此，与芯片外延生长相关生产设备的的性能水平是整项技术的核心。而对于LED相关的封装技术，需要体现出LED的一些突出功能性质，其设计制造广泛涉及到化学、光度学、色度学和电路理论等学科的知识，其生产及应用技术往往属于知识密集型的技术。对于LED灯具的组装生产、工程安装等技术工艺流程，其特点是劳动强度大、技术简单、工作环境条件要求不是很高，呈现出劳动密集型技术的特点。

二、半导体照明技术的构成要素

（一）半导体技术的客体要素

客体要素主要指技术活动中的客观性技术要素，既包括劳动过程中的技术手段，工具、机器等生产工具，也包括劳动过程中的技术对象与技术成果。工具、机器等生产工具在技术活动中占据非常重要的地位。LED技术的客体要素可以粗略划分为LED相关部件的生产设备和各环节生产时质量监测控制方面的仪器、工具和设备。例如，LED芯片生产技术的客体要素是指LED发光芯片的机构和设备， LED封装的机构和设备， 和以上两工艺技术在生产制造过程中可能产生污染的防治处理设备，LED灯具应用相关的工具、设备和测试仪器，以及LED灯具安装维护设备的处理等五个不同方面。

这些客体要素因所涉及的具体技术主体在整个半导体照明产业链中所处的制造环节不同，呈现出了一种设备、工具可以有多个方面的用途等特点。这一点体现了LED照明技术客体要素的多角色、应用广等特点，例如，在LED芯片和LED灯具的检测设备方面，都利用到了光栅光谱仪来测试芯片和封装光源、灯具的光学和色度学参数。

（二）半导体技术的主体要素

主体要素是指技术中的经验、技能与知识等智能性技术要素。经验、技能是最基本的技术表现形态。经验是人们在长期工艺操作中的体验，主要是在生产过程中，对生产方式及方法等直觉体验的积累和综合。技能则是以技术知识、劳动工具和经验为基础，在劳动过程中所表现出来的主体活动能力，包括技巧、诀窍等实际知识。LED技术是涉及半导体物理学、力学、色度学、光度学、热学、电学等多学科综合技术。于是经验、技能在不同的LED制造环节所表现的形式也不尽相同，如在LED芯片的生产过程中涉及物质掺杂就主要靠经验技能以手工操作为基础，而LED封装经验技能以机器操作为基础，而电源的研制以及灯具散热结构的设计的经验技能则以技术理论知识为基础。以上三种形式的经验技能代表了人们在利用自然和改造自然的过程中主体活动能力或方式的不同发展阶段。知识形态的技术要素主要是指以科学理论为基础的技术知识，它是现代技术构成中的主导要素。人们往往把技术看作对科学的应用。但这只是一个方面，远在照明原理产生之前，人类就已经凭借技能和经验使用技术了。如燃烧动植物的脂肪来得到光芒、用于取暖和防御野兽袭击。显然，这个时代是利用经验的。到白炽灯和紧凑型荧光灯具的时代，人们就开始普遍利用技术知识了。技术知识就是人类在劳动过程中所掌握的技术经验和理论。它有两种表现形式，一种是经验知识，一种是理论知识。前者是关于生产过程和操作方法规范化的描述或记载，后者则是关于生产过程和操作方法的机制或规律性的阐述。

LED照明技术的多学科综合与多学科交叉的特点，使人们对LED技术涉及的问题要知其然，也要知其所以然。例如，要想做出高品质的LED照明产品就需要主体要素系统了解和掌握LED性能、LED技术的单元操作工艺等是基础性的知识，在LED封装技术中就需要掌握颜色的合成原理，以及还要掌握在封装过程中的胶水、荧光粉等的化学性质。在灯具的散热结构方面的就需要有良好的热学辐射与传导方面的知识和经验。

在哲学层面上讲，“涉及对声音、颜色和气味的感觉的神经冲动是物理事件，还是心灵事件？”这为我们在半导体照明技术的创新提供了一种新的思维方式，那就是如何以人的意识、心灵、精神、主观情感去理解照明。一直以来，西方科学技术认为以“物理事件”去理解照明，自然地将照明归纳为科学的、标准的、可客观检测的物理量去研究。但是半导体照明光源的出现后，这些物理描述与人的主观感觉的差距越来越大了，人们普遍的感觉是：LED光源看着亮，而测得的参数不理想；颜色的感觉较为舒适（特别是低色温产品），在某种程度上提高了愉悦度，然而测试的显色指数不是很理想。最近，我解读了一些这方面的文章，主要论述的是LED光源引发的照明理念的变革、光度学和色度学的创新，生理和心理光学效应的研究等等，都没有离开过“物理事件”的思维方式。

半导体照明技术在应用方面也包含着主观因素，在370年前，牛顿提出的“光线没有颜色”，颜色完全是人的主观感觉，人对光与色的感觉因年龄、性别、民族、宗教、地域、爱好、职业、习惯、经历、传统、心情以及色偏好等不同而千差万别。我们的主观感觉由光、颜色、声音、滋味、气味等感觉材料组成的实体是可知的，但他们又是主观的、精神的、意识的，而不是客观实体。半导体照明应继承中国古代道家天人合一、人天相应的自然哲学理念，运用系统哲学思想，创新思维方式，将半导体照明理解为以人的心灵事件为主的物理事件，以光和色对人的心灵作用为本，充分发挥LED光源的可调控性、数字化、智能化、应用广泛化的色光技术之长，广泛研究光色照明对人体生理、心理、心灵、心智与精神的影响和作用，研究人体的光代谢、光节律。使光色照明成为促进人类健康的“营养素”。

半导体照明技术所涉及的理论众多，在具体的设计生产中都有很广泛的应用。所以说，半导体照明技术的主体要素也是整个半导体照明技术的重要组成部分。

（三）半导体照明技术的工艺要素

在技术中，除了工具、机器、设备的客体要素，知识、经验、技能的主体要素，还有表现在它们的结合方式和运作状态的工艺要素。工艺要指人们利用物质手段去进行加工处理，不能把工艺等同于知识、经验（尽管工艺中有知识、经验和技能）；同时又不能把工艺等同于客体。也就是说，工艺乃是把工具、加工机器、生产设备等客体，与知识、经验、技能等主体要素相组合而形成的过程和方法，工艺乃是客体要素和主体要素在生产加工活动中的结合，是技术的结构性要素。

关于工艺与技术之间的关系，在技术哲学流派中也两种不同观点，一种观点认为是同一体，所谓工艺就是技术。另一种观点认为工艺的范畴大于技术。目前对两者之间关系的讨论，大多学者还是认为工艺是技术的重要构成要素。半导体照明技术的工艺要素体现在，LED芯片工艺可以做成单片，也可以做成多芯片串联的高压芯片，甚至可以做成不合常规的交流芯片；到了LED封装技术的工艺要素就更加灵活多样，可以利用不同的工艺生产出尺寸、功率、色温等不同的产品；到LED灯具技术阶段凭借前两个技术的工艺和电源控制技术、灯具结构散热技术，工程师可以优化各阶段的工艺要素，生产出符合客户自身喜爱的产品。

（四）要素之间相互关系

各要素的关系体现在三个方面。首先，相关性与独立性，相关性是指各类技术要素之间是相互联系的。在半导体照明技术中，体现在LED光源和电源技术的高低，决定着整个照明产品的品质高低。其次，互补性与主导性。例如，在光源封装中如果光学的指标不理想，可以在灯具制造中利用多光谱的光源来混色，达到理想的色温和显色指数。最后，自稳性与变异性。尽快照明技术日新月异，但是半导体照明技术将长期占据很大的照明市场，并且随着物联网技术的全面爆发，智慧照明将是未来半导体照明技术的战略高地。

三、结语

随着科学技术的飞速发展，半导体照明对传统照明的替代越来越激烈，由于照明的应用领域的多样性和复杂性，造成这种替代速度在各个细分领域可能不尽相同，但基本上是大勢所趋。半导体照明技术也必将随着化工工艺、材料工艺等的发展突飞猛进，更加注重各生产环节之间的联结的系统性，将工程学、照明学以及数据建模等方法充分融入到半导体照明技术中，更加强调各生产要素之间的协调性和系统性。

参考文献：

[1]陈昌曙.技术哲学引论[M].北京：科学出版社，1999.

[2]米切姆.技术哲学概论[M].天津：天津科技出版社，1999.

[3]李伯聪.工程哲学引论[M].郑州：大象出版社，2002.

[4]国家半导体照明工程研发及产业联盟组织编写半导体照明中国梦.北京：化学工业出版社，2013.10.

[5]Fayed M E，Otten L.LED工程手册[Z].北京：化学工业出版社，1992.

[6]卢寿慈主编.LED加工技术[M].北京：中国轻工业出版社，1999.