Светодиоды вместо ламп

В России необходимо создание программы развития светодиодной промышленности, светотехнических устройств на основе светодиодов и применения этих устройств в общем освещении, считает доктор физико­технических 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 «Интерлайт­2007».

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 - большая часть 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 ХХ века. В 1907 году Дж. Раунд в Америке наблюдал электролюминесценцию в карбиде кремния, а позже и независимо от него в 20­е годы прошлого столетия Олег Владимирович Лосев открыл «эффект Лосева». В 1939 году О. В. Лосев написал, что это явление возникает на границе р­ и n­областей. Эта статья опережала работы 1949 года 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 года). Гетеропереход - контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Полупроводниковые структуры, имеющие несколько гетеропереходов, называются гетероструктурами.

В 90­е годы ХХ столетия 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 решетки 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, Японии, Европе. В конце 90­х годов ХХ века 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 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 пять­шесть 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 2011-2012­м.

В России в 60-80­е годы прошлого века были заложены не только возможности для развития светодиодной промышленности, но и основы нитридной технологии. В 1990­е 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 проводить исследования и разработки, необходимые для развития светодиодной промышленности.

«Работы последних десяти лет в России по нитридным соединениям и светодиодам на их основе были обсуждены на четырех всероссийских совещаниях и пяти российских конференциях. На них кроме Санкт­Петербурга 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 Физико­техническом институте им. А. Ф. Иоффе, в Московском государственном университете признаны не только у нас, но и на мировом уровне. Сейчас необходима подготовка научных, инженерных и технических кадров для светодиодной промышленности, издание научно­технической 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, государственная поддержка, которая осуществляется в Соединенных Штатах, Китае, Японии, Корее, Австралии, 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.

Наталья Харламова, polit.ru