Менее, чем за 20 лет, минувших с тех пор, как полупроводниковый светодиод стал освещать пространство белым светом, эта технология смогла стать ведущей на рынке освещения. В рынок, объем которого в 2016 году должен составить примерно 20 миллиардов долларов, сотни компаний всех мастей и национальностей уже вложили десятки миллиардов
Световой Клондайк Эффективное производство,Россия
«Световой Клондайк» — иначе не назовешь это странное явление, которым стал рынок светодиодного освещения в первое десятилетие XXI века. Светоизлучающий полупроводниковый диод, работающий на совершенно иных по сравнению с классическими лампами принципах, смешал все карты огромного мирового рынка общего освещения. Новичок, рожденный в далекой от освещения отрасли, совершенствовался столь стремительно, что всего за десять лет стал полностью конкурентоспособным по отношению к «классике». Сегодня КПД светодиодов достиг уже 60%, почти в десять раз превзойдя аналогичный показатель ламп накаливания, и продолжает увеличиваться. При этом срок его службы в десятки раз больше. Именно благодаря своей экономичности, долговечности и неприхотливости в эксплуатации новый источник света начал жестко вытеснять классические лампы.
В результате рынок, где более полувека царствовал десяток крупных игроков, за несколько лет был буквально заполонен компаниями, желающими заработать на «энергосберегающем тренде». Эффект обещает быть впечатляющим. Сегодня на освещение тратится 20% всей потребляемой в мире энергии. Результатом светодиодной революции станет двукратное сокращение мировых расходов на освещение — что эквивалентно двум годам освещения всей территории США.
Основная интрига разворачивающейся революции — освоение светодиодами одного из самых крупных сегментов рынка общего освещения, потребительского. Когда и, главное, в каком обличье новый источник света придет в дома рядовых обывателей?
Первые белые
Развитие промышленных технологий изготовления полупроводниковых источников излучения, к классу которых принадлежат и светодиоды, началось в 1960-е годы. Тогда при участии нашего нобелевского лауреата Николая Басова был открыт принцип работы полупроводникового лазера и создана новая отрасль — оптоэлектроника, которая со временем освоила серийный выпуск полупроводниковых диодов, излучавших в том числе видимый свет. На рубеже 1970-х появились первые результаты прорывных исследований Жореса Алферова и других ученых из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, которые спустя четверть века сыграют не последнюю роль в создании светодиодного источника белого света. На примере арсенида галлия, полупроводникового материала, Алферов показал, что из тонких пленок полупроводниковых материалов можно сформировать сложные многослойные конструкции (гетероструктуры), позволяющие многократно увеличить выход света.
Именно на основе гетероструктур в дальнейшем стали создавать так называемые сверхяркие светодиоды, которые можно было использовать в светотехнике. Промышленный выпуск сверхярких светодиодов, излучавших красный свет, первой наладила компания Hewlett-Packard. Позже появились яркие оранжевые и желтые диоды на основе фосфидов и арсенофосфидов галлия. Эти светодиоды оказались востребованы в автомобильной индустрии. Однако в источники света для общего освещения они не годились. Чтобы получить белый свет требовалась синяя составляющая спектра — нужно было создать сверхяркий синий светодиод.
Первый светодиод, излучавший синий свет, сделала еще в 1970 году группа Дж. Панкова в лаборатории компании IBM. Исследователи использовали нитрид галлия — материал, ставший впоследствии основным для промышленного изготовления ярких синих светодиодов. КПД этого диода составлял ничтожные доли процента, и руководство IBM не придало значения открытию своих сотрудников. Зато «подсказку» Панкова подхватили десятки научных лабораторий и компаний по всему миру — они бросились «извлекать» синий свет из нитрида галлия. «На то, чтобы создать эффективный источник синего света — сверхяркий синий светодиод, были направлены большие средства, — комментирует Александр Юнович, профессор физфака МГУ. — Но сделать это долго никому не удавалось». Прорыв в итоге совершили японцы.
Во второй половине 1980-х Исаму Акасаки, профессор Университета Нагоя, сумел ввести в нитрид галлия атомы магния. За счет этого он получил сравнительно высокий выход светового излучения — КПД лабораторных образцов его синих светодиодов составлял 1–2%.
Судзи Накамура, инженер японской корпорации Nichia, первым в мире сделал яркий светодиод, излучающий белый свет expert_806_032.jpg Фото: East News
Судзи Накамура, инженер японской корпорации Nichia, первым в мире сделал яркий светодиод, излучающий белый свет
Фото: East News
Научный прорыв в 1995 году использовал молодой сотрудник японской корпорации Nichia Судзи Накамура. Накамура подошел к делу по-инженерному: он объединил результаты, полученные группой Акасаки, и идеи команды Алферова — из нитрида галлия с примесями магния он сформировал гетероструктуры по тому же принципу, как их делали в Институте им. А. Ф. Иоффе из арсенида галлия. Результат ошеломил всех — синий светодиод на основе гетероструктур нитрида галлия преобразовывал электрическую энергию в свет с фантастическим для того времени КПД 9%. Препятствий на пути к светодиодному источнику белого света больше не было.
Оставалось подобрать такой состав люминофора (люминофор — сложная химическая субстанция, которая возбуждается излучением, исходящим от кристалла, и испускает собственное излучение), чтобы часть испускаемого синего излучения проходила сквозь люминофор, не взаимодействуя с ним, а часть преобразовывалась в излучение желтого цвета. Это смешение должно было дать белый свет. Поскольку Nichia занимала на тот момент 25% мирового рынка люминофоров, лучшие в мире люминофоры оказались под рукой у того же Накамуры. Он в итоге и сделал первый яркий белый светодиод. Это было в 1996 году.
Путь в высший свет
Следующие десять лет около десятка мировых компаний — как новых, так и маститых, — боролись за рост световой отдачи белых светодиодов (световая отдача — основной параметр эффективности источника света, показывающий, какой световой поток можно получить, подведя к данному источнику 1 ватт электрической мощности). В 2002 году она составляла около 20 лм/Вт (люмен на ватт) — примерно столько же, сколько у обычной лампы накаливания. Стоили светодиоды при этом 170–200 долларов за 1000 люмен (килолюмен) отдаваемого светового потока. Это было в сотни раз дороже, чем у лампы накаливания (0,3 доллара за килолюмен) и у люминесцентной лампы (0,6 доллара).
Светодиоды с такими параметрами не могли прийти в отрасль общего освещения, но они нашли применение в тех областях, где оказались важнее такие их преимущества, как надежность и долговечность. «Благодаря высокой надежности, длительному сроку службы, миниатюрности и легкой адаптации к различным конструктивным исполнениям первые белые светодиоды, несмотря на относительную дороговизну, стали использоваться в автомобилях, включая фары для дорогих марок; в медицинской аппаратуре, в частности в эндоскопах и для освещения операционных; а также в системах автономного и аварийного освещения — в шахтерских фонарях, сигнальных маячках, навигационных огнях», — рассказывает Александр Закгейм, заместитель директора по научной работе НТЦ микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН.
Ведущие производители светодиодных чипов между тем искали способы увеличить светоотдачу нового источника света, а также удешевить сам процесс выращивания гетероструктур нитрида галлия (см. «Излучающий свет»). Серьезных подвижек удалось достичь, в частности, за счет подбора таких режимов выращивания слоев нитрида галлия, которые позволяли получить структуры высокой степени чистоты. Хороший эффект дали и попытки профилировать поверхность полупроводникового кристалла — ее стали делать не гладкой, а с неоднородностями. Параллельно компании химического профиля улучшали свои люминофоры — старались свести потери в них к минимуму.
За счет этих усилий уже к 2006–2007 году светодиоды повзрослели достаточно, чтобы составить серьезную конкуренцию традиционным лампам. Их световая отдача сравнялась со световой отдачей люминесцентных ламп — 65–80 лм/Вт (см. схему 1). Цена все еще оставалась сравнительно высокой — 30–50 долларов за килолюмен (см. схему 2), но при прочих равных светодиоды стали все чаще «перевешивать» классические источники света (см. «Преимущества светодиода» внизу).
Преимущества светодиода
Экономичен. Позволяет сберегать от 50 до 80% электроэнергии, расходующейся на освещение.
Долговечен. В настоящее время производители заявляют о сроке службы светодиодов от 50 до 100 тысяч часов и более, что в десятки раз дольше, чем у лампы накаливания (1 тыс. часов) и в разы дольше, чем у люминесцентных ламп (срок службы компактных люминесцентных ламп составляет 6–15 тыс. часов, обычных — 15–30 тыс. часов).
Неприхотлив в эксплуатации. Не требует ни обслуживания, ни замены источника света в процессе всего срока службы.
Надежен. В отличие от ламп с хрупкими стеклянными колбами конструкция светодиода механически прочна. Светодиод не боится внешних воздействий.
Безопасен. Светодиод работает при низких напряжениях — ему достаточно всего 2–4 В, в то время как самой миниатюрной лампе накаливания требуется 12 В.
Компактен. В отличие от лампы с колбой светодиод представляет собой «светящуюся точку» размером 4 на 4 мм.
www.expert.ru