Мир выбирает светодиоды вместо ламп

Президент США Джордж Буш подписал закон, согласно которому обычные бытовые лампочки будут практически полностью заменены на энергосберегающие в 2014 году. Но по мнению российских ученых, одним из самых перспективных направлений в освещении является внедрение светодиодов. Разработками этого направления в рамках госпрограмм занимаются в Соединенных Штатах, в Китае, в Японии, Корее, Австралии, на Тайване.

В России необходимо создание программы развития светодиодной промышленности, светотехнических устройств на основе светодиодов и применения этих устройств в общем освещении, считает доктор физико-технических наук, профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович. По мнению профессора, светодиодное освещение - проблема глобальная, имеющая научное обоснование; ее решение будет иметь не только экономические, но и социальные последствия. Этой проблеме был посвящен его доклад "Современное состояние и тенденции развития светодиодов и светодиодного освещения" на выставке "Интерлайт-2007".

Стенды выставки демонстрировали как готовую светотехническую продукцию (уличные светильники, светодиодные лампы с цоколем, гирлянды), так и светодиоды и компоненты для их изготовления. Больше половины участников выставки составили отечественные компании - больше половины выставленной ими продукции оказалась импортной.

Часть электрической энергии, расходуемой на освещение, составляет в мире около 21% от общего количества потребляемой электроэнергии. Светодиод - это прибор, который с высоким коэффициентом полезного действия преобразует электрическую энергию в световую. Новые источники света, светодиоды, позволят сэкономить электроэнергию, оцениваемую миллиардами долларов, и решить часть экологических проблем, связанных с глобальным потеплением.

Исследования в области светодиодов проводились еще в начале 20 века:  в 1907 году Дж. Раунд в Америке наблюдал электролюминесценцию в карбиде кремния, а позже, независимо от него, в 20-е годы Олег Владимирович Лосев открыл "эффект Лосева". В 1939 году О.В.Лосев написал, что это явление возникает на границе р и n  областей. Эта статья опережала работы 1949 г. о р-n переходах и основанных на них транзисторах, за которые В.Шокли, Дж.Бардин и У.Браттейн получили нобелевскую премию. Следующим важнейшим шагом в истории светодиодов стало открытие Жоресом Ивановичем Алферовым и его школой свойств гетеропереходов (Нобелевская премия 2000 г.). Гетеропереход - контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Полупроводниковые структуры, имеющие несколько гетеропереходов, называются гетероструктурами.

В 90-е годы японские ученые, И.Акасаки, Х.Амано, Ш.Накамура добились значимых результатов в области изучения светодиодов на основе нитрида галлия. Физика, связанная с гетеропереходами, была использована в структурах с контактами нитрид галлия - нитриды индия/галлия и галлия/алюминия. "В этих приборах используются десятки слоев, толщина которых составляет несколько или десятки постоянных кристаллической решетки (постоянная решетки - это шаг размером порядка нанометров, при сдвиге решётки на этот шаг она совпадает сама с собой). Эти высокие технологии - нанотехнологии - обеспечили прорыв в создании сверхъярких светодиодов, они будут основой для светодиодного освещения", - отмечает Юнович.

Крупные капиталовложения в фундаментальные научные исследования светодиодных наноструктур были сделаны в США, в Японии, в Европе. В конце 90-х годов эти вложения начали окупаться - была создана светодиодная промышленность, выпускающая миллионы светодиодов. С началом промышленного производства последовательно встали вопросы совершенствования светодиодных разработок. Исследования коснулись и внутреннего квантового выхода излучения в активном слое, и методов вывода излучения из кристалла. Решались и продолжают решаться задачи увеличения тока через один диод и уменьшения нагрева диодов, чтобы получить от одной светодиодной лампочки возможно больший световой поток. Рекордные значения коэффициента полезного действия - преобразования электрической энергии в световую энергию - достигли в лабораториях 60%!

Еще одна задача, стоящая перед учеными и инженерами, - получить при помощи светодиодов белый свет, воспринимаемый человеческим глазом. Восприятие света человеческим зрением характеризуется световой отдачей, измеряемой в люменах (единицах светового потока) на ватт электрической мощности. Лампы накаливания имеют световую отдачу около 18 лм/Вт. Светодиоды белого свечения в промышленности достигли сейчас значений порядка 80 лм/Вт, т.е. уровня экономичных люминесцентных ламп. В лабораториях получены значения световой отдачи до 150 лм/Вт; когда эти значения будут достигнуты в массовом производстве, белые светодиоды вытеснят обычные лампы.

"Тут возникли проблемы не только чисто физические, но и светотехнические проблемы светового восприятия человеческим зрением. Почти 70 лет отрабатывались люминесцентные лампы для того, чтобы их можно было широко применять. И до сих пор большинство предпочитает дома использовать лампы накаливания, а не люминесцентные. Как будет со светодиодами? Они имеют колоссальные возможности, но для массового их применения необходимы научные исследования и новые технологические разработки".

В целом реальные достижения в области светодиодов опережают прогнозы на 5 - 6 лет, что добавляет уверенности в их успехе. Настоящие светотехнические устройства на основе светодиодов не будут похожи на наши лампы накаливания, продолжает Юнович. Не обязательно ввинчивать светодиодную лампу в тот же цоколь, что и лампы накаливания, - "должны быть принципиально другие светотехнические устройства: и потолочные осветители, и настольные лампы, и внешние фонари".

По словам профессора МГУ, компании, вложившие несколько лет назад большие средства в научные исследования, сейчас начинают получать прибыли от массового производства светодиодов. Когда общее освещение перейдет на светодиоды, эти прибыли увеличатся в сотни раз, убежден Юнович. По его словам, если вы вкладываете в 2002-2007 годах, то весомый результат следует ожидать в 2011-2012 годах.

В России в 60-70-80-е годы были заложены не только возможности для развития светодиодной промышленности, но и основы нитридной технологии. В 90-е годы исследования и разработки благодаря энтузиастам не прекращались, но шли главным образом совместно с европейскими и американскими лабораториями. Профессор отмечает, что в России сейчас есть и научные коллективы, и промышленные фирмы, которые могут развивать исследования и разработки, необходимые для развития светодиодной промышленности.

"Работы последних 10 лет в России по нитридным соединениям и светодиодам на их основе были обсуждены на 4-х всероссийских совещаниях и 5 российских конференциях. На них, кроме Санкт-Петербурга и Москвы, были представлены Новосибирск, Томск, Нижний Новгород, Казань, Орел. За последние годы академические и университетские организации стали получать не только инвестиции от различных фондов, но и финансовые вливания от правительства и промышленности. Исследования и разработки, посвященные светодиодам, в Физико-Техническом Институте им.А.Ф.Иоффе, в Московском Университете признаны не только у нас, но и на мировом уровне. Сейчас необходима подготовка научных, инженерных и технических кадров для светодиодной промышленности, издание научно-технической и учебной литературы по светодиодам".

Физик подчеркивает, что для развития производства светодиодов и создания светодиодного освещения "недостаточно усилий отдельных фирм, необходима координация усилий и связей между различными институтами и компаниями, необходима государственная поддержка, которая осуществляется в Соединенных Штатах, в Китае, в Японии, Корее, Австралии, на Тайване".

Светодиоды - основа освещения будущего, подводит итог профессор МГУ. Однако, для успешной реализации заложенного в светодиодах потенциала необходимо создание государственной программы научных исследований, технологических разработок, технических разработок светотехнических устройств и продвижения их на рынок. "В России есть все возможности, чтобы разработать и провести в жизнь программу светодиодного освещения, но без государственных вложений и без государственного организационного участия в этой программе она не будет эффективна", - убежден Александр Юнович.

Выставка "Интерсвет 2007" (Interlight-2007) - 13-я международная специализированная выставка по светотехнике и освещению, организованная Германской компанией "Ost-West Partners" и Российским ОВК-РУС прошла в Москве с 27 по 30 ноября. Выставка проводилась в четырех павильонах выставочного комплекса Экспоцентр, на ней были представлены стенды около 300 участников. По сравнению с 2006 годом, выставка увеличилась на один павильон, который был полностью посвящен полупроводниковым источникам света - светодиодам.

В рамках выставки состоялась Международная Конференция "Светодиодный Форум" ("LED Forum"), которая собрала более 200 участников из 15 стран. Форум проходил под председательством проф. Ю.Б.Айзенберга - главного редактора журнала "Светотехника" (английское издание журнала - "Light & Engineering"). Вступительный обзорный доклад  "Современное состояние и тенденции развития светодиодов и светодиодного освещения" был сделан на Форуме профессором Московского Университета А.Э.Юновичем.
На Форуме выступили представители зарубежных компаний (Cree, Osram-Semiconductor, Seoul Semiconductor, EVB Electronic и др.). От отечественных компаний выступили представители компаний "Светлана-Оптоэлектроника" и "Кавер Лайт". В заключение Форума "За круглым столом" было проведено обсуждение проблем развития светодиодной промышленности и светодиодного освещения в России. 

Светотехника