知识整合基础上的半导体照明“原型创新”

唐林涛 周生力 单 峰

(1.清华大学美术学院，北京 100084;2.广东勤上光电股份有限公司研究院，广东东莞 523565;3.广东勤上光电股份有限公司北京分公司，北京 100000)

在过去的几个世纪里，理科、工科、人文、艺术，各个学科在自身的专业知识范围内越走越深，与此同时，也造成了无法冲破的学科壁垒。生活在专业孤岛上的各类学家们解释世界的能力有余，而创造世界的能力不足。21世纪人类面临的新问题将无法在单独的领域内解决，而是必须经由彼此相互关联的科学家、艺术家、工程师、设计师以及人文学者，在一个开放互动的环境中共同解决。

设计是人类系统的、有目的的创造活动，而不仅仅是输出造型，或者制造形式美感，当然更不应该为销售而制造视觉刺激。当下中国设计界的发展颇为畸形，一方面是“蚁族”设计师们正在经历的“雷蒙罗维时代”，以形式制造、体力密集、服务性为特点的艰难生存，而另一方面则是国际“明星设计师”们的狂欢派对，以时尚、中国元素、个人主义等为标签异化着设计的本体。

基于上述的学科发展趋势以及我国的设计产业现状，本文将探讨一条新的途径，即“整合知识创新”，供设计师选择。在本质上设计是一门综合的学问。真正的创新设计也是在整合各个学科知识的基础上展开的，它诞生于学科壁垒之间。因此，“整合知识创新”将成为未来一代的设计方法论。下面将通过“半导体照明系统研究与创新设计”实践项目来详细阐述这一观点，论述方式将遵循“过程—理解—反思”这一逻辑关系递进。

1 过程

“半导体照明系统研究与创新设计”项目为LED龙头企业广东东莞勤上光电股份有限公司与清华美院、广州美院、中国美院、中央美院四所国内最知名的设计院校合作而展开的产学研项目。试验性、研究型、前瞻性为该项目的特点，是建立在整合各个方面知识基础上的，在技术与艺术完美结合的基础上的，在人性与物质性相互适应的基础上的，在制造可行性与环境友好性相协调的基础上的。在项目展开之初，我们确定了基本的研发逻辑框架图，如图1。

图1 研究逻辑图

我们的方法可以表达为“通过研究做设计(design through research)①”或者“通过设计做研究(research through design)”，也就是说，“设计”与“研究”是一体两面的。“Design Driven and research based”即“以研究为基础，以设计为驱动”。通过基础性的研究，我们才找到了创新设计的方向与发力点，而通过具体的设计使得进一步的研究更深入，更有针对性。

1.1 第一阶段——基础期

基础知识认知:团队成员分工合作，分别对热学、光学、照明工程、LED光源原理、人因、环境、心理、结构、工艺、材料、各国标准等方面进行了详细学习和整理。该部分工作的目的是扫除专业知识壁垒，在进行设计之前成为该领域的“准专家”，减少在设计过程中的阻碍。同时，也为与各种专家的沟通建立了专业术语系统。

产品拆解分析:团队成员拆解了包括勤上产品在内的很多灯具及配件。拆解不是目的，而是手段。拆解的过程同样是学习的过程。所以拆解并不是初期才有的，在项目进行的过程中，同样伴随着拆解。

研究与设计:包括研究、创新设计和检验。研究看似是设计过程的初期阶段。但事实上在“研究型实践”的过程中，“研究”与“创新设计”是一体两面的，“研究”为“创新设计”提供了方法和途径，“创新设计”为“研究”提供了对象和目的。在“研究”的基础之上，我们进行了初步的“创新设计”，基本的方向是:一次封装、电热分离与单元模组化。

创新设计的下一步是对设计的阶段性成果进行检验。研究方向的提出是基于对产品问题的发现，一次封装和单元模组化都是对整灯结构优化提出的构想，并由此我们提出将 DFMA(Design for manufacture and assembly)②的思想作为评价设计的重要标准之一;电热分离是针对散热问题提出的，目的是减少热传导的层次从而提高散热效率。散热问题是目前LED照明产品亟待解决的关键问题。

针对这几个方向，我们开始思考解决方案，方式是通过制作“原型 (Prototype)”来实施的。其中，下面的方案完成度比较高，将三个研究方向全部涵盖，并首次提出了蜂窝煤通风散热的构想 (图2)。

图2 蜂窝煤的原理应用于散热结构的设计

检验的过程包括实验、试验、测试、计算机模拟等，包括了单元模组化的防水试验，不同封装结构的散热测试和结构实验，以及对散热片进行散热的计算机模拟等。检验的结果将直接反馈进入下一轮研究和创新设计中，合理可行的设计想法将会被保留，不合理或不可行的将会被改良。由此形成研究型实践的递进式良性循环。

第一阶段总结:该阶段的研究是初步的，设计方向是模糊的，方案是概念化的，因此，该阶段可以表述为“基础期”。设计师进入任何一个既有的领域，都要首先搞清楚设计对象“是什么”以及“为什么 (是这样)”，然后才会知道“怎么样 (进行设计)”。基础知识认知和对现有产品的结构性分析是设计师进入这个产品领域的敲门砖，这部分知识更偏重于“物质性”。对于知识最快最好的理解方法就是使用知识，因此，“通过设计做研究”是我们这一阶段的整体指导方法，这套方法指引着我们从门外汉变成准专家，从而为真正的创新设计奠定了坚实的基础。

1.2 第二阶段——探索期

第一阶段的研究使得我们进入到了半导体照明产业领域内，并找到了初步方向。为了扩展研究思路，在持续对主线问题进行思考研究的同时，我们开展了四个方向的照明产品设计，分别是城市、办公、商业和家庭。人在不同的环境下有不同的行为，则对“光”具有不同的需求。在半导体照明技术出现之前，人与光环境的关系就已经存在了，不管是蜡烛，还是白炽灯、金卤灯、荧光灯，设计的最终指向是合理、舒适、高效、美观的人工光环境。因此，这一阶段的研究工作也开始逐步转向了“人性”的侧面，更关注于人、环境、光三者之间的关系。

办公照明:首先，团队内的设计师阅读了大量关于办公照明规范的文章，并对一些大型写字楼的办公空间进行了考察。根据LED的发光特点，我们将办公照明设计的重点聚焦在照度选择、眩光控制、布光方式这样三个部分，并有意识地区分了普遍照明、区域照明与局部照明的不同，使得办公空间内的光环境可以依据人的行为需求而调节。

商业照明:人在商业空间中的行为决定了光如何应用。与人的行为相关的因素非常复杂，如产品的种类、店面风格、顾客的浏览路径、顾客怎样被重点产品吸引、商品的展示效果以及光对顾客造成的视觉影响等。从光的角度来看，主要通过对照度、色温、照射角度、照射面积、眩光等的控制来实现空间照明设计。

第二阶段总结:此阶段属于全面的探索期，工作重点一方面在于人与光环境关系的认识与理解，另一方面在于创新思路的扩展。通过对几个方向的LED产品应用设计，我们的触角延伸到了室内的商业、办公与家庭环境内，同时也加深了对LED光源应用方面的理解。

在此阶段，我们明确了设计应该以“整体解决方案”为导向。区别于独立的灯具设计，整体解决方案需要根据特定环境下人的需求提供系统化的照明方案，是品牌制造商对用户需求的深层次把握。我们在进行三个室内照明方向的设计时，也在尽力贯彻这一理念，在接下来的阶段里，创新设计趋向于系统化。

我们认真总结分析了勤上在照明领域应该具备的优势是什么，为企业发展方向提供了一个战略性参考:通过系统研究与创新设计，提升勤上在LED应用与服务上的竞争优势。这意味着勤上将聚焦于半导体照明产业的下游，在应用上多做文章，而不是投入大量的资金在芯片研发、封装等上游技术上，掌控庞大的LED应用和服务市场，树立产品与服务的品牌，在提升LED应用和品牌服务附加值的同时，倒逼国外LED核心技术企业降低芯片价格。这是中国企业突围的创新路径。系统研究与创新设计正是让企业掌控国内LED应用市场，建立服务品牌的基础 (图3)。

图3 系统研究与创新设计可提升LED应用的附加价值

1.3 第三阶段——突破期

在前两个阶段的知识积淀下，第三阶段是一个全面的突破期，这是在与勤上合作一年后发生的。突破主要来自于两个方面。首先是在宏观上，我们梳理了如下的系统研究与创新设计的“树状关系图”(图4)。

图4 系统研究与创新设计的“树状关系图”

创新设计需要在“人性 (艺术性)”与“物质性 (科学性、技术性)”两个侧面的知识中汲取营养，在整合这两个方面知识的基础上进行创新设计，而作为设计成果的果实也是针对不同光环境的系统解决方案。系统研究是基础性的，需要咨询各行各业的各种专家，这就如同树根的功能，吸收各种知识;创新设计的过程是在企业内部发生的，也就是将各种知识进行整合加工的过程，类似于树干的功能，将养分运输到枝叶，而最终提供给用户的系统化产品与服务就如同果实。丰硕甜美的果实来自于树根吸收的养分，也来自于树干的整合、运输与传递。因此，企业在关注创新成果的同时，更应注重基础研究与创新结构的组织。

突破性的另一个方面在于具体的散热设计方面。现有LED产品的散热器存在“热岛”问题，即热量并没有充分与空气热交换;于是我们的突破口变成了由蜂窝煤原理引出的垂直对流散热结构，这是在第一阶段就已经出现的概念，但是我们到此才发现这个概念的重要意义。

垂直对流结构的研发过程:概念不会凭空出现。垂直对流散热的想法一方面基于前期对LED散热问题的持续研究;另一方面在于设计师个人经验的积累和想象力的发挥。在与清华大学热能系柯道友教授的交流过程中，我们对散热过程中的空气流动规律有了进一步理解。传统路灯的散热片出现“热岛”效应，即冷空气无法补充到散热片密集的缝隙中，热量积聚在根部。如图5所示。

图5 传统的散热器

图5 中传统的散热器仅仅根据热源功率去推算表面积，而不考虑空气的流动性，因此造成了“热岛效应”，即中间、根部的鳍片由于没有空气流动而过热。

设计中的直觉、灵感与顿悟来自于持续的思考，也来自于日常生活中的常识。常识中都蕴含了最基本的科学原理。无论是蜂窝煤还是烟囱，其基本原理都是通过冷热空气之间的压力差而加速空气流动，从而实现了燃烧速度的加大。在被动散热情况下(无风扇或泵等)，改变空气流动方向，加大空气流速，可以提高热交换的效率。因此，我们还是回到了最初图2的原型上来，依据蜂窝煤的原理，利用空气自下而上的对流实现散热目的。

从概念到最终的产品有很长的路要走。基于此突破口，我们开始了一系列的构想、分析、模拟与试验。最初设想将散热片设计成流线型、没有死角的“钟乳石”结构，空气在流线型散热片表面应该会跑的更快，于是出现了下面的方案:每一个芯片四周是通气的孔，每一个通气孔的四周是四个芯片，这样产生最大效率的空气流通性，产生的热量迅速与空气热交换。钟乳石状的双曲面造型，既是合热学的，又是合自然的，同时也是合美学的。而且，完全的曲面更有利于雨水冲刷，不积灰尘与鸟粪(图6)。流线型对散热的作用只是理论上的构想，而实际效果必须通过测试。热学工程师李文峰利用三维模型进行了热学模拟。经过模拟测试，发现空气的流动规律和想象的不同，空气遇热迅速上升，无法碰到钟乳石的顶端，如图7。

图6 根据蜂窝煤原理设计的路灯，流线型的钟乳石形态

图7 热学模拟测试图

图7 中根据流速场与热密度场的图可以看出，该方案热传导性能很好，但是热交换性能不好，空气在钟乳石表面的流速不高，未实现烟囱效应的流速加快。

进一步的改进是将散热片延伸到空气流动的空隙上，理论上应该让空气更容易带走热量，如图8。

图8 将鳍片伸到空气流动的孔中间，可以加速热交换

模拟测试结果证明，将散热片延伸至空隙位的方式是正确的，为了优化结构，我们又进行了大量的设计和验证，包括三维模型和实体模型 (图9)。

在这一阶段路灯散热模块的研究中，我们充分理解并实践垂直对流散热的结构，对路灯模块散热片的结构以及组合方式进行了大量研究，最终确定了如图10所示的方案。在1∶1CNC加工出原型后，我们进行了实际的热测试。

图9 应用于热学模拟与实际热测试的原型结构

图10 热成像图

图10 是模块原型的热成像图，结果显示，在将芯片功率从1W加大到3W情况下，散热效果非常良好，在相同热功率下，优于现在的被动式散热器。

合乎科学原理的散热结构还需要合适的生产工艺去实现，如果工艺复杂、成本高则不符合DFMA原则，也就不是一个好的设计。因此，在这一阶段，我们也开始整合结构、材料与加工工艺方面的知识。一般的铝散热器大多采用拉伸的工艺，但是该工艺并不适用于蜂窝散热的结构。在系统的研究了铝材的导热系数、热膨胀系数、加工方式与基本模具原理以及价格等多方面知识后，我们最终选定了“冷挤压”工艺。材料选择为工业用纯铝，热导系数(217.7w/mk)高于一般的铝挤型散热器 (6063为201w/mk)。表面喷涂黑色纳米漆。黑色可增加辐射散热功能，纳米漆通过表面的微结构，实现了表面积的最大化。

如果一个设计方案不包含其实现方式的话，再好的想法也只是空中楼阁，这也是设计师知识结构里非常重要的一个侧面，因为没有工程师或者科学家能够给予系统答案，他们只能是在某一个问题点上的助手，而全面的解决需要在设计师的大脑中构建完成。

第三阶段总结:这个阶段是我们的突破期，在城市、办公、商业等领域都找到了突破口，特别是垂直对流散热结构的研发，为通用性的设计难题找到了解决方案。由于其合乎基本的物理学原理，垂直对流散热的模式也必将成为未来的行业标准。这些是硬性的成果。在软性成果方面，“整合知识创新树状结构”的梳理，更清晰了我们的研发组织结构，也为未来“井喷式”的创新找到了路径。接下来，在继续完善以上三个方向设计的同时，我们将研究领域延伸到家庭，酒店以及博物馆、学校等方向。

此阶段更深一步的感想是:提出产品设计方案并非我们的主要目的，随着研究的深入，完善半导体照明系统研究与创新设计方法，为企业建立长期持久的创新机制，才是我们产学研工作的核心价值所在。

1.4 第四阶段——完善期

第四阶段是概念产品走向成熟的阶段。垂直对流散热的结构终于实现了产品化。首先是路灯得到了完善。除了散热结构的最终确定，还包括了单元模数、电路结构、透镜及防水、电源模组等一系列的相关问题解决。“对流散热”仅仅是一个突破口，它成功的融入到路灯的系统当中，是一个漫长而复杂的过程。

此外，“垂直对流散热”的结构还被移植到了筒灯上。这一原理本身就是“原型创新”，它是可以被广泛的扩展为一个庞大的产品线。筒灯的测试结果证明，这一原理的移植是行之有效的。在人民大会堂项目的设计过程中，我们也是成功利用了垂直对流散热的原理，设计出了满足大会堂这种特殊环境要求的灯具。除了利用垂直对流散热进行设计的几款产品，我们还着力开发了一款强调LED可控性的“滑动控制”灯。

“拉风壹号”路灯的产品化:承接上一阶段的研究结果，我们继续将概念深入的产品化。首先，单元模块的结构经过了多次的改进设计，最终确定了如下图的结构方式。模块散热器采用冷挤压工艺加工。这种方式的确定也是设计师和制造商讨论分析的结果，并且根据工艺状况多次调整方案，其中既包括了可实现性，也包括了成本分析 (图11)。

图11 最终模块设计爆炸图

其次，整个路灯的结构方案也经历了一个漫长的过程，设计师和工程师进行了多次讨论并对方案反复修改，这是一个结构与造型相互配合的过程。根据该路灯的产品特点，我们给它命名为“拉风壹号”(图12、图13)。

图12 “拉风壹号”路灯整体结构爆炸图

图13 “拉风壹号”路灯产品外观

与勤上公司的上一代产品以及当前行业内的其他厂商产品比较，拉风壹号具有如下特点:采用模块化的结构，每一个芯片 (热源)产生的热量，先通过交叉型的鳍片导向模块间的缝隙，并在模块组合的情况下形成“烟囱”，从而使得空气的上下流动加快。这样的结构，使得每一个芯片的四周都是“烟囱”，而每一个“烟囱”的四周都是芯片，这样形成了均匀分布的流速场和通风量，消除了热源周围的“热岛”，实现了“被动式散热”的最优。因此，在相同的出光能力下，拉风壹号体积小、重量轻、散热好、成本低。

最后，整灯结构确定后进行了样品制作，并进行了实际的测试。结果证明我们的设计的确要优于前代产品，并且用DFMA的原则来比较前代产品和最新设计，以实际数据证明了新设计的价值 (图14)。

图14 拉风壹号的整灯热测试结果

垂直对流散热筒灯:路灯的初步产品化并不是唯一目的，我们所实践的“原型创新”应该像种子一样盛开出各种花朵。所以在这一阶段的工作中，我们还将垂直对流散热的结构扩展到筒灯的应用上。

实验结果证明垂直对流散热应用在筒灯上也有极大的优势。20W以上的筒灯一直是LED照明的一个瓶颈，其关键就在于大的热密度就需要更大体积的散热器。在相同的规格尺寸下 (如4英寸、6英寸等)，采用垂直对流结构方式，则可以承载更大的热密度，也就为更大功率的芯片应用于各种高照度要求环境扫除了障碍。此基础上，我们将设计深化如图15所示。

图15 4英寸的筒灯可应用48W的LED芯片，其散热性能良好

除了作为一般筒灯安装使用外，本产品的最大特点还在于能够和室内出风口结合，利用已有的风道循环系统，在不另外耗费能源的情况下，变被动式散热为主动式散热，不但节省了室内装修成本，节约了能源，也加强了散热效果 (图16)。

图16 主动式散热模型

图16 中与室内“新风系统”相结合的筒灯，既是照明，也是出风口，在不增加任何附加能源消耗的情况下实现了风冷效果，变被动式散热为主动式散热。

2 原型创新

在维基百科的解释上，“原型”即首创的模型，代表同一类型的人、物或观念。古罗马的拱或者中国的斗拱是个结构原型，被多少代建筑师创造性的再次使用;四合院也是原型，其规模大可到王府甚至故宫;费孝通从江村可以说整个中国的文化脉络，那么江村就是文化原型;俄狄浦斯是古希腊的悲剧原型，我们还可以从现在的电影里发现，比如张艺谋的《满城尽带黄金甲》。

原型是具有基因编码性质的东西，也许是一种原理结构，一种类型，甚至一种组织方式，或者观念。如同蒲公英的种子，它是可以穿越时间与空间，传播和落地发芽生根的。在半导体照明系统研究与创新设计的项目中，垂直对流的散热模式是一个符合科学原理的“结构原型”，它可以应用于路灯、筒灯、吊灯等等各种照明产品中。不管从“物质性”的角度还是“人性”的角度出发，我们的原型创新都是一种“最初的创造”。从原理到结构再到造型，从人的动机到行为再到对象物的千变万化，只有真正的“原型创新”才能赋予产品DNA的特性。

因此，我们也可以更深一步的理解， “原型创新”更是一种观念，一种思维方法，一种工作方式，一条研究途径，一种创新的组织模式，一个美好的学术愿景。

设计是一门强调组合的学问，因此，任何知识都可能成为“设计内”的知识。在本项目中，蜂窝煤或者烟囱的知识来自于日常生活，属于常识性知识，但是却蕴含了最基本的物理学。此外，冷挤压的纯铝成型工艺、DFMA、电路的爬电距离、IP67的防水等级、PC透镜的老化等等一系列知识，这些都是关于“物质性”的知识，它们是相互关联的;而人、光、环境、行为等侧面，则属于“人性”的知识。这些知识都需要在最终的产品中得以体现。因此，可以说设计整合的是“人”的知识系统与“物”的知识系统。

当前，我们国家过分的强调科学与技术创新，而忽视了设计创新的重要性。设计是风，科学技术则是蒲公英的种子，只有在风的带引下它们才会找到社会、人文的土壤，才会变成产品，生根发芽。因此，设计师的职责就在于打破专业壁垒，将各个学科的知识融会贯通，创新出真正适合人类生活方式的产品。因此，创新的过程亦即知识整合的过程。

［1］Cross， N． Designerly Ways of Knowing(Board of International Research in Design)． Basel:Birkhuser．2007．

［2］Lois Frankel， Martin Racine． The Complex Field of Research:for Design，through Design，and about Design．DRS2010 Conference Proceedings，2010．http://www．drs2010．umontreal．ca/proceedings．php．

［3］Geoffrey Boothroyd，Peter Dewhurst，Winston Anthony Knight．Product design for manufacture and assembly．New York:M．Dekker，2002．

［4］Friedman，K．Creating Design Knowledge:from research into practice．Paper presented at the IDATER 2000(International Conference on Design and Technology Educational research and Curriculum Development)，2000．

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