Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №05 за 2007 год
И все же для настоящей революции этого было мало. Решающим событием стало получение белого света. Теперь светодиоды смогут использоваться не только в информационных и развлекательных системах, но и в освещении. А оно напрямую связано с мировой проблемой номер один — затратами на энергетику. Ведь только на освещение уходит около 35% всей вырабатываемой электроэнергии, а в мегаполисах даже раза в полтора-два больше.
И вот в разработку и производство «полупроводникового света» включаются крупные компании: держатель пионерских патентов японская фирма Nichia, американская Cree, европейские Lumileds, Philips, Osram, а также корейские фирмы, стремящиеся создать своего рода «Светодиодную долину»... Osram уже прикрыла ряд стекольных производств, предопределяя тот факт, что у ламп накаливания нет перспективы. Philips объявила о сворачивании ряда прибыльных электронных бизнесов ради развития «полупроводникового света», предпочитая сегодняшней твердой прибыли возможную завтрашнюю сверхприбыль. Шутка ли — войти в историю в качестве колумбов «нового света»?
Современные белые светодиоды по достигнутой светоотдаче (80— 120 лм/Вт) во много раз превзошли лампы накаливания и некоторые типы люминесцентных источников. Стремительно развиваются мощные светодиоды, ориентированные на освещение. Склонные к броским брендам американцы в 1995 году окрестили своего одноваттного (всего лишь) первенца «Барракудой»! Наука свое дело вчерне сделала, теперь очередь за промышленностью— наращивать люмены (люмен — единица светового потока в Международной системе единиц), снижать их стоимость, которая пока высока. К 2006 году себестоимость полупроводниковых источников света составляла 5—10 центов за люмен для одиночных излучателей со световым потоком 300—500 лм. Это эквивалент 60-ваттной лампочки накаливания, и обойдется он долларов в двадцать. Но, как говорится, лиха беда начало. К тому же в плюс следует записать традиционные полупроводниковые «фишки»: отсутствие вакуумированных баллонов и нитей накала, сверхминиатюрность, низковольтность, простоту управления свечением, долговечность, надежность, ударо-, взрыво- и пожаробезопасность, экологичность... С таким «джентльменским набором» достоинств можно уверенно выходить в свет.
С появлением суперъярких светодиодов стало возможно создание гигантских рекламных экранов, подобных тому, что занимает фасад этого 10-этажного торговоразвлекательного комплекса на центральной улице Токио
Люкс и люмен
Чувствительность глаза неодинакова по спектру, она максимальна в зеленой области и резко спадает к фиолетовому и красному краям. Ориентируясь на глаз как приемник света, вводят систему измерений, в которой равными принимаются такие воздействия, которые вызывают одинаковое зрительное ощущение, хотя физические приборы оценивают эти воздействия как разные. Единицей светового потока является люмен (лм), физиологическое действие потока в 1 лм одинаково во всем спектре, но его энергетическая «цена» для зеленой области составляет 1/683 Вт, для фиолетовой — 1/62 Вт, а для малиново-красной — 1/6 Вт. Поэтому глазу комфортнее в зеленой области, здесь фактическое воздействие («давление») на него наименьшее. Эффективность преобразования электрической мощности в световой поток характеризуют светоотдачей, измеряемой в люменах на ватт (лм/Вт). Ее иногда называют световым КПД, хотя ничего общего с действительным КПД эта величина не имеет. Шестидесятиваттная лампочка накаливания «выдает на-гора» 500 лм (8 лм/Вт), полутораметровая люминесцентная трубка — 5 000 лм, уличная натриевая лампа — 10 000—20 000 лм, а S-лампа с СВЧ-возбуждением («последний писк» западной осветительной моды) — 100 000 лм. Так что светодиодам есть кого догонять. Световой поток в 1 лм, приходящийся на площадку в 1 м2, обеспечивает освещенность в 1 люкс (лк); для чтения книги достаточно нескольких сот люксов, работа с мелкими деталями иногда требует освещенности в десятки тысяч люксов. Для источников направленного излучения определяющей становится пространственная плотность светового потока в заданном направлении, называемая силой света и измеряемая в канделах (1 кд = 1 лм/стерадиан). При этом стремятся «сжать» все излучение источника до требуемого угла. Так, для уличных светофоров надо обеспечить силу света 200—300 кд в пределах угла 20°, а для железнодорожного — 2 000—4 000 кд при расходимости 3°, чтобы машинист мог увидеть его издалека. Яркость источника определяется отношением силы света к площади излучателя и измеряется в кд/м2, к примеру, упомянутые уличные и железнодорожные светофоры имеют яркость около 10 и 100 тыс. кд/м2 соответственно, тогда как комнатному ТВ-экрану достаточно всего 500 кд/м2.
Упущенные приоритеты
Мировая светодиодная революция рубежа XX—XXI веков наметилась еще в 1922 году, когда Олег Лосев, лаборант Нижегородской радиолаборатории, заметил свечение некоторых точечных кристаллических диодов, которые использовались в радиоприемниках. Через 5 лет он специально занялся исследованием этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался от истощения в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие Lossev Licht, как назвали эффект в Германии, где сам Лосев, так и не окончивший университет, публиковался в научных журналах, стало мировой сенсацией. Выяснилось, что свечение не было связано ни с разогревом, ни с электрическими разрядами, оно шло из кристалла и представляло собой «холодный свет», люминесценцию. К тому времени квантовая теория уже доказала, что при изменении состояния электронов в кристалле могут испускаться «частички света» — фотоны. Свечение было очень слабым и практического значения не имело, однако оно стало физической базой для создания светодиодов в будущем.
После изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводниковых приборов) стала понятна природа свечения и его низкая эффективность, причина которой оказалась в карбиде кремния (именно этим веществом занимался Лосев). Не решал проблемы и транзисторный кремний, нужны были полупроводники, не существовавшие в природе.
В 1953 году Генрих Велькер в Германии разработал теорию создания необходимых полупроводников из соединения элементов 3 и 5 групп Таблицы Менделеева и синтезировал некоторые из них, в частности арсенид галлия — основу будущих лазеров и светодиодов. Теперь разработку этих приборов можно было вести вполне осознанно и целеустремленно. Здесь стоит отметить, что аспирантка ленинградского Физтеха Нина Горюнова отчасти опередила работы Велькера, синтезировав в 1950 году сурьмянистый индий, но без публикации на Западе ее открытие осталось незамеченным и невостребованным. За свои недолгие 54 года профессор Н.А. Горюнова внесла огромный вклад в синтез сложных полупроводников, в том числе трех- и четырехкомпонентных, которые сегодня стали определяющими.
В 1962 году американец Ник Холоньяк сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов. В них при протекании тока через p-n-переход электроны скачком изменяли свою энергию от некоторого равновесного уровня до уровня возбуждения, а их обратный переход сопровождался генерацией фотонов. Состав полупроводника (арсенид-фосфид галлия) обеспечивал такой зазор между этими уровнями, что испускался красный свет. Презентацию этого события в таблоидах озаглавили «Свет надежды», вроде бы обычный журналистский штамп, а оказалось — пророчество. И вновь Россия упустила свой приоритет: на полгода раньше в одном из «почтовых ящиков» был организован выпуск карбидокремниевых светодиодов для ядерной техники, но все засекретили, а первопроходцем в историю вполне оправданно вошел Холоньяк, получивший в 2003 году российскую премию «Глобальная энергия».
В 1970-е годы группа Жореса Алферова приспособила к светодиодам гетероструктуры (чередование слоев разных полупроводников вместо легирования, то есть добавления примесей), потом американцы подобрали для них очень хитрый полупроводник — алюминий-индий-галлий-фосфор «в одном флаконе» — эффективность возросла многократно. Но только для красного света, а полупроводник для фиолетового края спектра, нитрид галлия, десятилетиями не давался ученым. Но все же упорный японец Шуджи Накамура из фирмы Nichia ухватил жар-птицу за хвост, создав в 1993 году яркий синий светодиод, а еще через 2 года и белый. В сентябре 2006 года Накамура удостоен премии «Миллениум» (1 миллион евро) и «узаконен» как лидер светодиодной революции.
Подобные премии просто так не дают. Миниатюрный (2х2х0,3 мм3) и с виду простенький чип белого светодиода вобрал в себя последние достижения физики полупроводников и нанотехнологий. Его активную зону образуют два десятка чередующихся разнородных полупроводниковых пленок, содержащих нановкрапления состава «нитрид галлия-алюминия», которые называют квантовыми точками. Именно через них преимущественно протекает ток светодиода, в них рождаются фотоны, соответствующие синему свету. Сквозь другие области этот свет беспрепятственно выходит наружу. На поверхность чипа нанесена пленка люминофора, преобразующего часть светового потока в зелено-желто-красные тона, в результате чего образуется белый свет. Отметим, что объем излучающей зоны мощного светодиода в десятки тысяч раз меньше объема вольфрамовой нити лампы накаливания той же силы света.
