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 Америки, Китае, Японии,
Корее, Австралии, Тайване.
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
|