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汕尾喝茶快餐外卖推荐,科工力量:这项技术全球只有三条路线,美国、日本和中国,蓝宝石,产品,团队
2024-06-09 04:04:07
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【文/观察者网(wang)专(zhuan)栏作者 科工力量】

这是一个1.42瓦的LED灯珠,单价(jia)1块5左右。

64颗这样的灯珠组合到一起,可以做成一盏100瓦的路灯,价(jia)格500元(yuan)左右,照明效果跟额定(ding)250W的高压(ya)钠灯相当,按一晚上平均亮灯11小时计算,每天用电从3度减少(shao)到1度左右。如果是主路,原(yuan)先要用额定(ding)400瓦的高压(ya)钠灯,现在可以用150瓦的LED灯替换,一晚上,要省3度电左右。

LED路灯 图源:搜狐科技

2018年,银川将350多条道路的4.5万盏高压(ya)钠灯替换为LED灯,运行(xing)至今已经6年,每年节约用电4840万度。

除此之外,高压(ya)钠灯只有(you)1~2年使用寿命(ming),LED的使用寿命(ming)一般在5万小时以上,基本可以用10多年。还有(you),LED灯的本质就是一组光电芯(xin)片,天生更容易(yi)与数字技术结(jie)合,更容易(yi)实现单灯控制和后台(tai)监控,运营和维护成本更低。

如果按10年周期算,换成LED灯省下的电费,扣除掉替换设备的成本后,一般可以有(you)大量盈余(yu)。

我手(shou)里拿的这颗小小的氮化镓基灯珠,说它是凝聚了人(ren)类顶尖智慧的科技,一点(dian)都不夸(kua)张。

要制作出这样一颗灯珠,需(xu)要在衬底上生长出氮化镓发光薄膜,整个过程过于硬核,我们以后有(you)机会再说。

单说衬底这个环节,目(mu)前只有(you)三条技术路线,分属日本、美(mei)国、中国,都得到了各自国家的最高荣誉。

日本团队1993年发明蓝宝石(shi)衬底路线,随后20年,基于这条路线的LED技术和产(chan)业发展迅猛,成为目(mu)前市场上的主流,我们今天用的LED灯、LED电视(shi)和显示(shi)屏、手(shou)机的LED屏幕等等,大都是从这条根上长出来(lai)的。

日本科学家中村修二(er)、赤崎勇领衔的团队,因此获(huo)得了2014年诺(nuo)贝尔物理学奖,还有(you)日本国内的天皇文化勋章。

不过,这条路线并不完美(mei),首(shou)先,蓝宝石(shi)是绝(jue)缘体,硬度高,难以薄化、切割(ge)和剥(bao)离,导热性能也比较差,这些(xie)娘(niang)胎里带出来(lai)的特(te)点(dian),导致它无法制成垂直结(jie)构的器件,影(ying)响发光质量和效率,所(suo)以,用蓝宝石(shi)衬底制作大功率LED,局限性很大。

美(mei)国团队1995年发明的碳化硅衬底路线,在2003年获(huo)得美(mei)国总(zong)统(tong)技术奖。

碳化硅在材料属性上是导电的半导体,可以做垂直结(jie)构,发光质量好,导热性能也要比蓝宝石(shi)高10倍以上,改(gai)进了蓝宝石(shi)衬底技术的散热问题和晶体质量。

不过,碳化硅路线的硬伤是昂贵,被称为“贵族技术”,一则蓝宝石(shi)衬底路线具有(you)先发优(you)势,二(er)则全球半导体产(chan)业过去20年向东亚集中,碳化硅路线难以靠低端产(chan)品上规模来(lai)降本。

南(nan)昌大学的江风益教授团队走通了第三条路:硅衬底,也因此获(huo)得中国国家技术发明奖一等奖。

硅作为衬底材料的先天优(you)势很突出,兼具蓝宝石(shi)和碳化硅的优(you)点(dian),但要在硅衬底上制备高光效LED芯(xin)片却一直是个世(shi)界级难题。

因为硅和氮化镓材料存在严重的热失配和晶格失配,各国研究者穷尽40余(yu)年钻研,迟迟没有(you)找到攻克关键技术难点(dian)的理想方法,尤其在前两条路线相继走通之后,硅衬底这一技术路线一度被业界宣判“死刑”。

不过,在中国这个LED制造(zao)大国,产(chan)业从根源上依赖日本或美(mei)国的路线,风险可想而知,国内有(you)很多企业多年来(lai)采用蓝宝石(shi)路线,其中布满了国外巨头精心埋下的专(zhuan)利“地(di)雷”,这一方面阻碍了中国LED产(chan)品和企业进入国际市场,另一方面,这些(xie)“地(di)雷”即使不爆,也是一把达摩克利斯之剑,一直悬在头上。

江风益教授团队要排除的,就是这些(xie)地(di)雷,在他的理解中,科研的目(mu)标跟产(chan)业化是统(tong)一的,总(zong)共需(xu)要完成“0到1”“1到N”和“N到0”三个步骤,先要解决(jue)科技成果有(you)没有(you)的问题,然后再把成果转(zhuan)化为N个合格产(chan)品,最后把N个产(chan)品归0,全部卖出去。

这种“以终为始”的思维,在企业界或许是常识,在高校里,还真是比较宝贵。

2003年起,江风益教授在南(nan)昌大学的半导体发光材料实验室里支起一张床,前前后后经历3000多次实验,终于在硅衬底上长出氮化镓发光薄膜。

2005年实验室出样品,2006年创办晶能光电,2007年建工厂,2008年小批量试生产(chan),2009年显示(shi)用小功率LED芯(xin)片量产(chan);

2011年,美(mei)国麻省理工《科技创业》杂志评选“全球最具创新力企业50强”,晶能光电与Apple、IBM一同上榜(bang);

2012年,大功率LED芯(xin)片量产(chan)被国际半导体照明联盟(ISA)评为“2012年度新闻事件”;

一连串里程碑之后,我们有(you)了从源头上完全自主可控的技术,整个行(xing)业的专(zhuan)利风险就减轻了,如果国外巨头还要上门(men)来(lai)找蓝宝石(shi)路线的茬,一是要面临(lin)相关企业转(zhuan)向硅衬底路线的风险,第二(er)个是他们自己也要掂量掂量,可能免不了以后也要用硅衬底路线做产(chan)品。比照中国通信行(xing)业,用5G时代的技术专(zhuan)利增量,破解了过去2G、3G时代国外的存量专(zhuan)利壁垒,差不多的意(yi)思。

插曲还真有(you),2016年,国外某知名公司高管带着律(lu)师(shi)函上门(men),声称我们侵犯知识产(chan)权,经过详细的技术探讨,对方只好礼貌地(di)表示(shi),欢迎良性竞争,兴师(shi)问罪变成一场茶杯里的风暴。

最终的扬眉吐气,每一步都来(lai)之不易(yi)。尤其是产(chan)业化过程,有(you)着与实验室里不一样的艰难。

江风益和团队创办的晶能光电,一开始只是想在产(chan)业长链中专(zhuan)注于上游LED芯(xin)片的生产(chan),他们想当然地(di)觉得,拥有(you)了源头上的硬科技,又没有(you)知识产(chan)权方面的风险,中下游的封装、照明应用企业自然会趋之若鹜,找上门(men)来(lai)求合作。

现实情况却是,中下游企业不买单。

当时,中游封装企业基本采用主流蓝宝石(shi)衬底芯(xin)片,设备也是根据蓝宝石(shi)衬底芯(xin)片特(te)点(dian)设计,大家好端端在赚钱,也没有(you)谁来(lai)制裁(cai)我们,你突然上门(men),叫我们更改(gai)技术路线,不就意(yi)味着新的成本和风险。好不容易(yi)说服一些(xie)封装企业试水,受工艺(yi)条件不同带来(lai)的限制,一时也很难将硅衬底芯(xin)片的优(you)势发挥出来(lai)。

下游照明应用企业呢?一样的,使用成熟的蓝宝石(shi)衬底已经跑通,改(gai)弦更张的话(hua),一方面要担心得罪老的合作伙伴,另一方面,晶能的硅衬底芯(xin)片产(chan)能还要爬坡,货源还不稳定(ding),一旦出问题,两头不落好。

今天,江西已经初步形成了一条光电产(chan)业上中下游的垂直产(chan)业链,看似是未雨绸缪,推动产(chan)业链补链延(yan)链走在了前面,实际上,都是被逼(bi)出来(lai)的。

产(chan)业中游,晶能是自己搞了一条陶瓷封装线做灯泡。

下游厂商还不配合怎么(me)办?就从最小的切入点(dian)开始撬(qiao)动,联合创始人(ren)王(wang)敏亲(qin)自带着销售团队进驻(zhu)“手(shou)电筒之乡”,浙江宁波(bo)的西店镇,挨个拜访(fang)客户,为了展示(shi)硅衬底路线光源效率高、方向性好的特(te)点(dian),还做了一个能照2公里的超大手(shou)电筒,这才慢慢吸引(yin)到合作者。

起步阶段(duan),除了手(shou)电筒,还有(you)开头说的路灯,晶能光电的照明应用部门(men)独立出来(lai),成为央企中国节能的子公司晶和科技,逐(zhu)渐摸索(suo)出一套以G端客户为主的合同能源管理业务模式(shi)。

在这种模式(shi)下,按一个长周期算,换新设备相比原(yuan)先能够省下多少(shao)钱,这部分钱就归公司做利润,或者跟政(zheng)府按一定(ding)比例分成。

这种模式(shi)硬桥硬马,最适合真正技术过硬,设备长期可靠的企业,目(mu)前,中节能晶和科技是全国最大的道路照明合同能源管理服务商,累计投运管理项目(mu)60多个,管理灯具总(zong)数超过65万盏,投运项目(mu)全运营期可实现节电约21亿度以上。

这个市场总(zong)量有(you)多大呢?

根据住建部统(tong)计,中国城市道路照明灯数量在2017年是2593万盏,2021年增加到3234万盏,市场总(zong)体规模在5500亿。

其中,大约2/3使用的是传统(tong)的高压(ya)钠灯,按照2022年住建部和发改(gai)委出台(tai)的《城乡建设领域碳达峰实施方案》,到2030年LED灯的使用占比要超过80%,粗算一下,城市LED灯替换传统(tong)钠灯市场需(xu)求预(yu)计在1000万盏以上,这还不算县域和新农村建设的增量需(xu)求。

所(suo)以,单靠晶和科技一家是吃不过来(lai)的,现在,已经有(you)更多其他企业来(lai)找晶和科技技术合作,产(chan)业生态也逐(zhu)渐走上正轨。

所(suo)以说,硅衬底这条路线最终走通,起点(dian)是江风益教授团队在实验室中的努力,过程离不开晶能光电自己找市场、自建产(chan)业链的决(jue)心和努力,所(suo)以,国家技术发明奖一等奖的获(huo)得者其实有(you)三方,分别是南(nan)昌大学江风益团队作为基础研究者;晶能光电(江西)作为产(chan)业中游;中节能晶和照明作为产(chan)业下游,三家联合获(huo)奖。

江风益(中)在国家科学技术奖励大会上 图源:南(nan)昌大学官网(wang)

国家863专(zhuan)家组当时这样评价(jia):这一技术改(gai)变了日本公司垄断蓝宝石(shi)衬底和美(mei)国公司垄断碳化硅衬底半导体照明技术的局面,形成了蓝宝石(shi)、碳化硅、硅基半导体照明技术方案“三足鼎立”的局面。

这一整棵科技树的枝叶,当然不止手(shou)电筒和路灯。

十几年前,高端智能手(shou)机闪光灯的LED灯珠,要卖到3美(mei)元(yuan)一颗,因为硅衬底路线打通,同样性能的灯珠,降到5毛钱人(ren)民币一颗,现在全球每3部手(shou)机,就有(you)一部使用硅衬底技术的闪光灯。

前面提到过一个能照2公里的手(shou)电筒,这是因为相比蓝宝石(shi)衬底技术,硅衬底产(chan)品的电流分布均匀、扩散快,单面出光,方向性好,光品质好,所(suo)以特(te)别适合汽车(che)大灯、探照灯、矿灯等等对光品质要求比较高的高端照明。

附加值更高的领域是LED显示(shi),中日韩之间长达20多年的显示(shi)面板博弈(yi),现在已经渐渐来(lai)到收官阶段(duan),三星虽(sui)然仍(reng)是老大,但已经退出传统(tong)LED面板而专(zhuan)攻OLED,这是另一个大的话(hua)题,我们有(you)机会可以再详细讲,今天先提一嘴。

OLED在智能手(shou)机上已经是主流,它采用有(you)机自发光材料,轻薄、柔(rou)性、响应快、对比度高,但是更加昂贵,寿命(ming)也短。OLED现阶段(duan)的主要对手(shou),就是Mini LED和Micro LED,前者在实现较高性能的前提下,更便(bian)宜;后者则被称为“终极技术”,几乎具有(you)OLED的所(suo)有(you)优(you)点(dian),克服OLED的所(suo)有(you)缺点(dian),但现在技术上还不成熟,非常昂贵。

最近苹果Micro LED智能手(shou)表项目(mu)搁(ge)浅(qian),Vision Pro使用的也是Micro OLED,好像是要放弃Micro LED路线。

不过,用在AR上面,Micro LED实际上非常有(you)优(you)势,三星和LG也都力挺Micro LED,在智能手(shou)表、大尺(chi)寸电视(shi)和透明电视(shi)上都给出参考方案,汽车(che)厂商也对Micro LED的矩(ju)阵车(che)灯、车(che)载HUD有(you)很大的期待。

需(xu)求端,苹果早已不是一家独大,市场格局最终怎样,最终还得问过华为、小米、oppo、vivo,乃至比亚迪吉利蔚小理等等新能源车(che)企业。

技术上来(lai)看,不管是做Mini LED还是Micro LED,硅衬底路线都有(you)很明显的优(you)势,包括成本、尺(chi)寸、波(bo)长一致性、无损去除、低翘曲和CMOS兼容性等等。

从目(mu)前的时间节点(dian)来(lai)看,Micro LED大规模量产(chan)的时间可能要到2028年之后,在此期间,还会有(you)非常多的技术碰撞,南(nan)昌大学、中科院长春光机所(suo),以及晶能光电、京东方、乾照光电等一大批产(chan)业链上下游企业,正在日夜兼程,为抢占先机而努力奋斗。

最后再多唠(chao)几句,人(ren)们常常高估未来(lai)2年内的变化,而低估未来(lai)10年会发生的变革,这是我们科工力量常常喜欢提的一句话(hua),今天的故事,又是一个好的注脚,江风益教授开始从事光电研究,其实是在上世(shi)纪90年代,到现在已经30多年,硅衬底这条路的科技树和产(chan)业链,可以说只是刚刚开始成熟,远没有(you)释放出所(suo)有(you)潜力。

而且,江教授也不是从零开始,他之前,还有(you)陈良惠(hui)院士等等前人(ren)的肩膀,所(suo)以,我们今天提新质生产(chan)力,科工力量理解的新质生产(chan)力,是一个从量变到质变的长期过程,作为媒(mei)体,我们呼(hu)吁资本、产(chan)业、舆论和社会各方的更多耐心和长期关注,拜托大家!

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