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这 100 年来,中国科技数码行业有哪些飞跃发展的成果让你感到骄傲和自豪?

知乎精选 2021-07-03 17:30:08

一个问题

大家知道中国人自己的第一盏白炽灯、荧光灯、高压汞灯是什么时候点亮的吗?


世界光源史,短短不过百余年

世界光源的历史,即从白炽灯开始的历史,至今不过百余年。 1850 年,英国人约瑟夫·威尔逊·斯旺爵士发明了世界上第一盏白炽灯,并于 1861 年申请了白炽灯设计专利。 但是由于当时抽真空的技术很差,灯泡中的炭丝稍遇氧气,即很快燃断,实用性很差。 当时,爱迪生也在钻研白炽灯技术,他说服了斯旺加入他的公司从而实际拥有了白炽灯的专利,在此基础上研制改良出基于碳化纤维灯丝的白炽灯泡。

这 100 年来,中国科技数码行业有哪些飞跃发展的成果让你感到骄傲和自豪?
白炽灯

1879 年,爱迪生点燃了世界上第一盏实用的白炽灯泡,这盏白炽灯可以持续亮 1200 小时。 正是基于这项技术,爱迪生于次年 1880 年创办了爱迪生电气照明公司。

白炽灯技术给现代照明行业带来了科技革命, 到那时白炽灯却始终面临着低效能的问题 - 只有不到 10%的电能会被转化为光,而剩下的超过 90%的能量都会转为为无用的热能被耗散掉。先解决吃饱,再解决吃好,寻找一种更高效的光源势在必行。

1910 年,法国人 A·克洛德发明了氖气放电灯,他将汞充入玻璃灯管中制成了辐射蓝光的灯管,后来又在灯管内壁涂敷荧光粉制成了辐射白光的灯管。

1939 年,在纽约和洛杉矶世博会上,世界上第一盏实用的荧光灯得以展示。它通过加热灯管两端的灯丝释放出电子并激发水银蒸气形成等离子体,辐射出短波紫外线,紫外线被灯管内测涂敷的含磷荧光粉吸收转化成可见光,这个过程也正是这种光源用“荧光”命名的原因。

荧光灯发光效率高,发光面积大。同样亮度的荧光灯管大于只需要消耗白炽灯 1/3 至 1/4 的电能,寿命也更长。 这也正是在 LED 出现前 荧光灯被称为“节能灯”的原因。 有趣的是,荧光灯的发明者也有诸多争议,但是通用电气公司通过一系列专利整合收购最后成为荧光灯技术的真正拥有者及真正的发扬者。

在荧光灯技术发展的同时,另一种技术的光源也在悄然成形 - 高压气体放电灯 HID(High Intensity Discharge)。这种光源凭借特殊设计, 在灯管内部涂敷石英或铝,并透过两端钨电极打出来的加压电弧,通过灯管后而发出光线。 HID 的灯管内充满了气体和金属,气体帮助灯泡启动,而金属加热达到蒸发点,形成等离子体后发出光线。HID 包括: 高压汞灯, 金属卤化物灯,低压钠灯,高压钠灯。

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使用在 IMAX 投影机上的 15 kW Xenon 短弧灯

1932 年高压汞灯开始销售;1965 年通用电气获得了第一个金属卤化物灯专利,同年发布高压钠灯。 HID 光通量很高,一般能达到之前光源的 3-4 倍,寿命也较长,因此常用作户外如街道、路灯的照明。但其中高压、低压钠灯由于其单色性,显色指数非常低,大家可以回忆下小时候在钠灯下,看东西也是一偏昏黄的场景。

白炽灯、荧光灯和 HID 可以合称为传统光源,这是因为到了 21 世纪,一种革命性的光源开始大规模应用 - LED(Light Emitted Diode)

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1961 年,美国德州仪器公司首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用。 1962 年,通用电气公司开发出一种可实际应用的可见光发光二极管。 不过从指示性 LED 到照明用 LED,中间还有很长一段路。

1993 年, 日本日亚化学的工程师中村修二做出开拓性工作, 成功把镁掺入,造出了基于宽能隙半导体材料的氮化镓和氮化铟镓(InGaN),从而制造出具有商业应用价值的蓝光发光二极管。中村修二也因这项工作获得了 2014 年诺贝尔物理学奖。 有了蓝光 LED, 白光 LED 随即面世。

2003 年,美国 Cree 制造出光效 65 lm/W 的白光 LED。

2009 年,日本日亚化学在实验环境下研制出 249 lm/W 的 LED。

2010 年, 飞利浦 Lumileds 造出 208 lm/W 的 LED。

2012 年, 美国 Cree 推出 254 lm/W 的 LED,再次刷新纪录。

LED,因其高光效(传统光源 10 倍以上)、寿命长(20000 小时以上)、体积小(平方毫米以下)、抗震性强已经成为性能全方位领先传统光源的存在。


中国光源史,是一部勒紧腰带的追赶史

电影《1921》里黄轩在和倪妮聊抵制日货的往事时提到这么一个细节,当他一把火把日货烧掉时,发现手里的火柴竟然也是日本产的,不禁悲怆地哽咽起来。 近现代以来,民族工业极度孱弱, 甚至连一根小小的火柴都不能自给自足,因此才有了我们爷爷奶奶口中的“洋火”、“洋油”。 中国光源地发展史,也是这么一部勒紧腰带的追赶史。

1908 年,美国通用电气公司在沈阳建立第一家灯泡厂;1917 年由美国 GE- 爱迪生电气公司创办了上海奇异安迪生电器公司(上海灯泡厂前身)。

1921 年, 著名民族实业家胡西园历尽艰辛终于在上海试制成功第一个国产白炽灯,并于 1923 年创办了我国的第一个灯泡厂 - 亚浦尔灯泡厂(亚明灯泡厂前身),从此白炽灯市场中终于不再只有洋货,而是有了民族企业的身影。

1948 年亚浦尔灯泡厂与上海亚明灯泡厂合作试制出我国第一支荧光灯。

新中国成立以后, 为了满足人民日益增长的物质文化需求和科学技术发展的需要, 国产民用光源和特种光源的技术也亟需更上一个台阶。

这里不得不提到新中国的“电光源之父”蔡祖泉老先生。 60 年代初, 中国仍处经济建设初期, 尽管普通家庭都可以用上白炽灯, 但是在一些科研领域比如化学分析、光谱分析由于仪器大部分都需要进口,一台仪器动辄三四十万美金。 “有一次,仪器光源坏了,又急着要用,学校物资处就向国外有关设备出口公司打电话,希望能免费送一个光源给校方。然而,得到的回复却是‘单个光源不送,只有再买一台仪器,才能配送一个光源’。小小的一只仪器光源能有多大的成本?大家都为此而震动。”

这件事情让玻璃厂工人出身的蔡师傅十分震动和愤怒。 "我们要加紧工作,要为社会主义祖国填补空白。空白真是太多了。我们要踏踏实实、埋头苦干,一个一个去填补。” 他立刻和两个工人组成小组,在复旦物理系玻璃工厂的基础上,找来一间 10 多平方米的小房间做实验室,搭一个真空台,借来一支喷枪干了起来。后来在回忆这段经历时,蔡祖泉说道,“当时,我们除了有一点真空技术基础以外,其他方面的条件是比较差的。单从基础知识而言,大家对光学、电子物理学等都相当陌生。但是,当我们想到国家对新型光源的需要,一种责任感给我们带来了勇气,决心要为我国填补电光源这块空白。”

功夫不负有人,经过反复的实验和研究,中国人自主研发的第一只仪器光源终于从蔡祖泉的实验室中诞生了。 1961 年,复旦大学电光源小组成立,喜讯接二连三地传来。 同年 12 月,新中国第一盏自主研发的高压汞灯封接成功。

1964 年,在上海著名的南京路上,高压汞灯取代了老式路灯, 让南京路的夜景焕然一新。 同年,代表着当时电光源尖端技术的碘钨灯在复旦大学电光源实验室研制成功。 当时世界上功率最大的 100 千瓦 "小太阳" 长弧氙灯在上海市人民广场开启亮灯仪式,这盏当时被成为中国人的 "争气灯",把中国人民心中的民族自豪感也照亮了!

这 100 年来,中国科技数码行业有哪些飞跃发展的成果让你感到骄傲和自豪?
蔡祖泉(左二)

“我听党的话,灯听我的话”

蔡祖泉是一位兼具无产阶级奋斗精神及求真探索科学精神的工人科学家。 1949 年,蔡祖泉光荣地加入中国共产党, 从此将自己的一生奉献给了电光源技术的科学事业和电光源人才的培养事业中。

进入新世纪以来,光源比拼的主战场变成了 LED。 如前所述, LED 光源的核心技术一开始也是掌握在美国和日本行业巨头的手里的。 但今非昔比, 传统光源比较强调经验技术积累, 而 LED 芯片行业更加标准化,对资本投入更敏感。 可以说中国的产业和市场优势给了我们弯道超车的机会。 2003 年 6 月, 中国科技部首次提出要发展半导体照明;2009 年开始,中国各地政府对于 LED 芯片制造厂商采购 MOCVD 予以补贴,国内 LED 芯片厂商收入与净利润增加,同时竞争者数量不断攀升,行业竞争加剧。

2011 年,中国国家发改委明确提出 2016 年将全面禁止白炽灯的销售。 自此,LED 行业像是被注入一波鸡血,飞速发展。 到了 2016 年,各大 LED 芯片厂商产能释放,到了行业洗牌前夕。 在这波洗牌大潮中, 中小企业纷纷退出竞争,而老牌日本 LED 芯片厂商因为成本不具优势分分退出低利润领域或直接停掉相关业务,关闭工厂。 至 2018 年,国内 LED 芯片大厂鼎足格局逐渐形成。 我国前三家 LED 芯片厂商市占率合计 71%,其中三安光电占 31%,华灿光电占 24%,澳洋顺昌 16%。


写在最后

答主 2009 年上大学考入复旦大学光源与照明工程系电气工程及其自动化专业, 2016 年物理电子学硕士毕业, 可以说我的求学过程刚好是经历了 LED 产业从 Booming 到洗牌的全过程。 我个人经历了一开始国外芯片厂商如 Lumileds、Cree、Osram 的强韧;也经历了照明行业的动荡整合期,比如老牌照明巨头通用电气 GE 出售照明部门(之前还实习过,后来就没了..), 传统照明巨头飞利浦成力独立子公司 Signfy 以求新生; 以及国产 LED 芯片厂商(三安、华灿..) 和照明企业( Yeelight 等)的崛起。 虽说我毕业的时候因为恰逢照明行业整合不景气没有在这个行业继续发展,但是亲身经历这个过程对人生的意义大于字面。

光源与照明行业, 从最早的民族资本自强不息在外资口下争取一碗羹,到蔡祖泉老教授孜孜求索学习赶超先进照明技术,为共和国的腾飞奠定自己的一份力,再到新时代更强大的祖国通过产业、资本优势整合,大开大合,恢弘壮阔,昔日霸主,斗转星移。 不仅仅是 LED 行业,还有从内燃机到电动车转变的汽车行业, 甚至我们现在卡脖子的芯片制造行业,操作系统, 没有永恒不变的技术,总有新技术迭代旧技术,而技术变革,就是我们后来者的机会。 作为时代大潮下的一个小小的个体,能经历这一切,甚至贡献自己的一份小小的力量,确实蛮骄傲的(疯狂切题)。


参考

  1. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E5%BC%B7%E5%BA%A6%E6%B0%A3%E9%AB%94%E6%94%BE%E9%9B%BB%E7%87%88
  2. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%99%BC%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%A5%B5%E7%AE%A1
  3. 照明技术四次重大飞跃_科学探索_科技时代_新浪网
  4. 绿色照明简史之国内早期照明发展(一)_上海
  5. “中国电光源之父”蔡祖泉:“我听党的话,灯听我的话”
  6. 复旦电光源的灵与魂——蔡祖泉先生的“光明之路”
  7. 中国 LED 芯片厂的新战场_风闻

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