Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Светодиодные панели, разработанные для замены
флуоресцентных трубок формата T8 (ламп «дневного света»)
Пассажирский салон аэробуса
А320Е со светодиодным освещением

Светодиодное освещение: LED в конце туннеля?

Ключевые слова:  LED, наноазбука, периодика

Автор(ы): Биленко Игорь Антонович

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

24 ноября 2010

Сказать, что полупроводниковые источники света встречаются сейчас на каждом шагу, было бы не совсем верно: даже не сходя с места современный человек может увидеть вокруг себя десятки устройств, использующих светодиоды. Они применяются в индикаторах, системах записи-считывания и передачи информации, светофорах и карманных фонариках. Между тем данная технология до сих пор не преодолела очень важный рубеж: рынок осветительных приборов прочно удерживают люминесцентные лампы и старые добрые «лампочки Ильича».

Впрочем, есть веские основания предполагать, что ситуация может измениться в самом ближайшем будущем. Рассмотрим особенности традиционных и перспективных технологий производства светодиодов для систем освещения, их преимущества и недостатки в сравнении с традиционными световыми приборами, специфику продвижения таких систем на рынке.

Светодиод (распространенная аббревиатура: LED– light emitting diode) - это электролюминесцентный прибор, в котором иcпускание квантов света происходит при межзонных переходах электронов в активном слое полупроводника. Впервые явление электролюминесценции наблюдалось в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс. В 1927 году советский физик Олег Владимирович Лосев независимо разработал и продемонстрировал излучатель света на основе p-n перехода. В 1962 году первый в мире практически применимый светодиод, работающий в видимом диапазоне, предложил Ник Холоньяк из компании General Electric.

Выбор полупроводников, используемых при производстве светодиодов для систем освещения, весьма ограничен, поскольку ширина запрещенной зоны, определяющая длину волны излучения, должна соответствовать видимому диапазону света. Наиболее распространенными являются арсенид галлия, нитрид галлия и нитрид индия. Низкая эффективность первых светодиодов была обусловлена высокими потерями света, проникавшего за пределы активного слоя, и высокой плотностью тока.

В 1968 году под руководством Жореса Алферова (удостоенного в 2000 году Нобелевской премии) были созданы излучатели с гетероструктурами. Гетероструктура – это «слоеный пирог» из полупроводников с различными показателями преломления и величинами запрещенных зон. Дополнительные слои позволяют «запереть» носители заряда внутри активного слоя и предотвратить попадание светового поля в области с высоким поглощением. При этом толщина активного слоя может составлять всего 6-8 нанометров. Изготовление гетероструктур представляет собой нетривиальную технологическую задачу, однако именно на их основе создаются современные светодиоды, обладающие мощностью порядка 1 Вт и КПД более 50 %. Фактически, решение этой задачи было наглядным результатом успешного использования размерных эффектов, которое позднее стали называть нанотехнологией. Основным методом формирования пленок толщиной порядка нескольких нанометров, применяемым в настоящее время является контролируемый транспорт газообразных исходных компонентов с последующим пиролитическим осаждением на нагретой подложке.

Обсуждая достоинства и недостатки светодиодных источников освещения, их часто сравнивают с обычными лампами накаливания. Между тем их реальными их конкурентами являются люминесцентные (флуоресцентные) лампы, в которых источником света является газовый разряд. В производственных помещениях и офисах они используются повсеместно (лампы «дневного света»), и, хотя в жилом секторе доля энергосберегающих ламп (как правило, так называют компактные флуоресцентные лампы с цоколем Е27 или E14, которые можно «вкрутить» вместо обычной лампочки) в России пока не велика (не более 3%, по данным Гринпис на 2009 год), ситуация будет стремительно меняться под влиянием принятого Государственной думой закона об энергоэффективности и энергосбережении. Попробуем сравнить светодиодные и флуоресцентные источники.

Параметр

Светодиодная

Флуоресцентная

Лампа накаливания

Средний срок службы

От 30000 до 100000 часов, не чувствительны к включениям-выключениям

От 2 до 15 тысяч часов, большой разброс для различных производителей, возможно снижение при большой частоте включений-выключений

1000 часов, большой разброс от экземпляра к экземпляру, существенное снижение при большой частоте включений-выключений

Стоимость

Высокая: 2 тысячи рублей и выше

Приемлемая: от 50 до 500 рублей. Лампы с большим заявленным сроком службы и хорошей цветопередачей стоят дороже

Низкая: от 15 до 100 рублей.

Световая отдача

50-100 Лм/Вт, до 200 Лм/Вт в перспективных моделях

100 Лм/Вт - лампы с трехслойным люминофором и плохой цветопередачей,

50-80 Лм/Вт - лампы с пятислойным люминофором и хорошей цветопередачей

15 Лм/Вт

Уровень комфорта

Высокий

Низкий для ламп с трехслойным люминофором,

средний для ламп с пятислойным люминофором.

Дешевые лампы могут мерцать, иметь задержку при включении и издавать непринятый звук.

Очень высокий

Экологичность

Высокая: Не содержит элементов, загрязняющих окружающую среду

Очень низкая: содержит пары ртути

Средняя: требует частой замены

Паразитное излучение, УФ/ИК

Нет

Очень высокое/приемлемое

Небольшое/очень высокое

Некоторые из приведенных параметров нуждаются в дополнительных комментариях. Так, нередко уровень комфортности освещения оценивают по тому, насколько его спектр близок к солнечному. Формально, существует параметр, называемый индексом цветопередачи, который определяет, насколько правильно передаются цвета освещаемых предметов. У флуоресцентных ламп с многослойным люминоформ его величина может быть очень высокой (89 против 90 для ламп накаливания). Тем не менее, я лично знаю людей, которые отказались от энергосберегающих ламп (дорогих, с «теплым» светом), утверждая, что их свет «утомляет» и «раздражает», а исследования психо-физиологического фактора, проведенные фирмой OSRAM показали, что жители различных регионов (например, Европы и США предпочитают разные оттенки белого света для домашнего освещения. В светодиодных источниках могут быть использованы различные методы получения белого света: смешение трех основных цветов от отдельных излучателей («RGB» светодиод), нанесение люминофора на ультрафиолетовый излучатель, создание комбинационных излучателей (в которых активная область излучает синий свет, а подложка – желтый). У каждой технологии есть свои достоинства и недостатки. Очевидно одно: у светодиодной технологии чрезвычайно широкое поле для маневра.

Оценивая экономический эффект, необходимо учитывать непрямые расходы. Так, например, стоимость подключения предприятий к энергосети зависит от потребляемой мощности. Процедура замены ламп в больших производственных помещениях может требовать использования подъемников и значительных трудозатрат. Пульсации напряжения, характерные для отечественной сети, могут приводить к выходу из строя системы высоковольтного поджига флуоресцентных ламп и значительному сокращению срока их службы. Наконец, в помещениях с повышенной опасностью поражения электрическим током светодиоды, для питания которых используется напряжение в 2-3 В, являются идеальным источником. С другой стороны, полезно учитывать, что огромный срок службы светодиодов (до 100000 часов, или более 10 лет) не всегда может быть реализован на практике, поскольку за это время может возникнуть необходимость замены светильников по другим причинам (реконструкция помещения, повреждение, появление на рынке более привлекательных моделей). Помимо параметров, приведенных в таблице, обратить внимание следует на следующее: светодиодные источники освещения очень компактны, что существенно расширяет круг возможных дизайнерских решений при их оформлении. Они несравнимо прочнее конкурентов и не представляют никакой опасности в случае разрушения, более того, поскольку светильник всегда содержит пакет светодиодов, выход из строя одного или даже нескольких из них не приведет к тому, что потребителю придется менять лампочку со свечкой в руках. Не будем забывать, что содержащие ртуть лампы нельзя просто выбрасывать, их следует сдавать на переработку (увы, это делает менее 1% россиян).

Достаточно ли приведенных аргументов для того, что бы потребитель немедленно приступил к замене устаревающих флуоресцентных ламп на светодиодные? Видимо, нет. Главным, едва ли не единственным препятствием к этому является высокая цена светодиодных ламп. Расчеты, проведенные для рынка США (стоимость электроэнергии - 11 центов за кВт, рост – 2.5% в год, предприятие, где освещение включено 12 часов в день 255 дней в году заменяет четырехдюймовые трубки T8 стоимостью на эквивалентные им по светоотдаче светодиодные панели стоимостью ) показывают, что замена экономически целесообразна при сроке эксплуатации 5 лет и более (примерная продолжительность жизни флуоресцентных ламп).

В России стоимость электроэнергии уже выше, чем в США, и рост ее идет значительно быстрее. Принимая во внимание, что уже существуют опытные образцы полупроводниковых источников света со световой отдачей в 160 Лм/Вт, можно сказать, что, со временем, окупаемость светодиодных систем освещения будет происходить за меньшее время. Для средних и крупных потребителей речь может идти о весьма серьезной экономии: так, замена ста 60-ваттных лампочек, используемых по 12 часов в день, 255 дней в году на современные светодиодные светильники позволит снизить расходы на электроэнергию примерно на 50 тысяч рублей в год. Тем не менее, сдерживающим фактором, скорее всего, будет обычная для отечественного бизнеса сдержанность по отношению к инвестициям в основные фонды, не приносящим быстрой отдачи. Если же говорить о частных потребителях, то главным будет психологический барьер. Вероятно, большим спросом будут пользоваться изделия, использующие преимущества светодиодов: системы распределенного освещения, источники света, встроенные в декоративные элементы, источники с переменной окраской и яркостью, а не «заменители» лампочек с цоколем Е14/E27. Но быстрый рост продаж и вытеснение конкурентов светодиодным источникам освещения может обеспечить только существенное снижение себестоимости. Если посмотреть на динамику развития полупроводниковых технологий, легко сделать вывод о том, что это произойдет неизбежно и в весьма недалеком будущем.

Подготовил по материалам научно - популярных изданий и собственного опыта к.ф.-м.н., доц. И.А.Биленко, серия статей при поддержке "Нано - это просто".

Про LED и OLED можно прочитать во многих других статьях на нашем сайте: просто наберите это ключевое слово в строке поиска, например вот, тут, здесь, и опять об этом.


В статье использованы материалы: Кафедра физики колебаний


Средний балл: 6.8 (голосов 4)

 


Комментарии
Журавлева Наталья, 24 ноября 2010 12:14 
Гетероструктура – это «слоеный пирог» из полупроводников с различными показателями преломления?

Кстати, а преломления чего?
Красс Марта Ивановна, 24 ноября 2010 12:43 
Ну формально там дальше в этом же предложении говорится - с различной величиной запрещенной зоны, что корректно. Видимо, автор имел в виду, что у них еще и показатель преломления э/м излучения как квадратный корень из произведения диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости - тоже разный...
Красс Марта Ивановна, 25 ноября 2010 13:10 
А вот то, что автор чуть-чуть ошибся в расшифровке LED (было до моей правки Light Emitted Diode, а должно было быть Light Emitting Diode)
Палии Наталия Алексеевна, 26 ноября 2010 20:24 
LED в конце туннеля - и на улицах тоже

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Кристаллическая бабочка
Кристаллическая бабочка

Конкурс СЗМ-изображений 2017 от компании НТ-МДТ Спектрум Инструментс
Примите участие в конкурсе, поделитесь своими результатами с мировым СЗМ-сообществом и получите ценные призы!

Лауреатом премии Rusnanoprize 2017 стал создатель высокоэффективных солнечных ячеек Михаэль Гретцель
Обладателем международной премии в области нанотехнологий Rusnanoprize 2017 за разработки в области наноматериалов и модификации поверхностей стал швейцарский учёный Михаэль Гретцель. Торжественная церемония награждения лауреата состоялась на Форуме «Открытые инновации».

Школа на ладони: у нас есть из чего строить будущее!
В начале октября 2017 года стартовала XI осенняя сессия конкурсной образовательной программы для школьников «Школа на ладони»

Вспомнить все (total recall). Часть 3. Методы исследований в нанотехнологиях (практика)
Коллектив авторов
В третьей части рассматриваются экспериментально - практические материалы, связанные с методами анализа продуктов нанотехнологий, в том числе стандартные аналитические, физико – химические и структурные методы анализа. Участники могут изучать отдельно данный курс или комбинировать его с двумя предыдущими.

Вспомнить все (total recall). Часть 2. Решение задач и проектная работа (образование и самоподготовка)
Коллектив авторов
Во второй части рассматриваются обзорные материалы материалы по нанотехнологическому образованию и проектной деятельности (Раздел А), текстовый и иллюстративный материал по образовательным и социальным аспектам с сфере нанотехнологий (Раздел Б), а также самый важный раздел для подготовки к Олимпиадам данной серии, содержащий сборники заданий и решений за 10 олимпиадных лет (Раздел В).

Вспомнить все (total recall). Часть 1. Наноматериалы и нанотехнологии (теоретические аспекты)
Коллектив авторов
В первой части рассматриваются теоретические материалы, сгруппированные по важнейшим темам (Раздел А), уровню сложности (Раздел Б), для свободного чтения по основным группам рубрикатора РОСНАНО (Раздел В), а также для прохождения викторин самоконтроля (Раздел Г).

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.