Журнал «Вокруг Света» №05 за 2007 год

Колумбы «нового света»

Светодиодная революция, которая дала миру принципиально новые высококачественные источники света, непременно займет в истории цивилизации место в одном ряду с изобретением паровой машины, лампочки накаливания, телевидения, транзистора. Это не просто «очередное техническое достижение», речь идет о кардинальном преобразовании самой среды обитания человека, ее световой, цветовой и информационной составляющих. Сегодняшний «светодиодный проект» — это сотни исследовательских лабораторий, десятки крупнейших транснациональных концернов, миллиардные обороты и инвестиции. А еще — невиданный даже для электроники динамизм.

Когда светодиодная революция уже, казалось, была в полном разгаре, когда стали явью сверхъяркие красные, зеленые, синие полупроводниковые излучатели, даже тогда мощь надвигающегося прорыва не осознавалась в полной мере. Еще в середине прошлого десятилетия многие специалисты были настроены весьма скептически: один из знакомых автора, работавший как раз в этой сфере, в 1996 году заметил: «Сегодня кажется фантастически нереальной замена ламп накаливания широкого применения на светодиоды», правда, тут же осторожно добавил: «…но в будущем это не исключено». Реакция вполне адекватная: психологически человек живет не в «завтра», к тому же он всегда обременен вчерашним опытом. А опыт таков: светодиоды хорошо известны всем и каждому как удобные красные светлячки, загорающиеся при включении телевизора, компьютера, стиральной машины. Еще из них набирали миниатюрные циферки для часов, весов, калькуляторов, кассовых аппаратов. Смотрелось очень выразительно, но лишь в комнате, для улицы яркости не хватало. Со временем к светодиодам привыкли, они, как говорится, заняли свою нишу в промышленности, быту, в нашем сознании и перестали волновать. И вдруг…

Гадкий утенок

Сейчас это забылось, но появление сверхъярких светодиодов на одном из первых шоу «Фабрики звезд» произвело на очень многих куда более сильное впечатление, чем наспех фабрикуемые звезды-конкурсанты. Неужели крохотные полупроводники могут так фантастически, так ярко расцвечивать сцену, что это видно всему огромному залу? Революция светодиодов началась с того, что как-то неожиданно за один-два года их яркость возросла в десятки и сотни раз. Они приблизились к лампам накаливания, мир традиционной светотехники пошатнулся. Научились делать светодиоды буквально любого цвета свечения — от малиново-красного до густо-фиолетового. Разработали способы получения произвольного распределения светового потока в пространстве: равномерно во все стороны, как у обычной лампочки, узконаправленным прожекторным лучом, в виде кругового сигнального освещения. С другими источниками света подобное достигается с большим трудом и только при использовании внешней оптики, сложных зеркально-линзовых конструкций.

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.

Холодные светоизлучающие пластики кажутся глазу очень «теплыми»

Температура цвета

Сетчатка глаза содержит около 100 миллионов светочувствительных рецепторов, называемых палочками из-за их продолговатости. Они отзываются только на изменения яркости света. А в небольшой центральной зоне глазного дна некоторые рецепторы имеют грушевидную форму. Это колбочки, их всего около 6 миллионов, и они в сотни раз менее чувствительны, чем палочки, но зато «воспринимают» цвета. Всего есть три сорта колбочек, избирательно чувствительных к красному, зеленому и синему цветам. Смешение этих цветов позволяет воспроизводить в информационных системах практически всю доступную человеку цветовую гамму. Но для освещения необходим белый свет с непрерывным спектром — от красного до фиолетового. Излучение таких источников характеризуют цветовой температурой, сопоставляя с нагретым «абсолютно черным телом». Дневному белому свету соответствует температура 6 000 К. Это естественная световая среда обитания человека, созданная Солнцем, — эталон для светотехников. Холодному (лунному) белому свету соответствует температура 4 000 К (люминесцентные трубки). Цветовая температура 3 000 К характеризует теплый белый свет от лампы накаливания. Любопытно, что чем горячее тепловой источник света, тем холоднее кажется его излучение.

Экспансия «умного» света

Именно эта технология позволила резко расширить применение светодиодов. Едва ли не первыми на сверхъяркие светодиоды обратили внимание транспортники. Дорожные знаки, элементы разметки, светофоры, маяки, створные огни, бакены, габаритные и стоп-сигналы автомобилей на светодиодах — все это уже практически ширпотреб. Здесь экономичность светодиодов дает недостижимое прежде качество. Так, бакены на светильниках отечественной фирмы «Оптел» работают автономно всю навигацию, а прежде менять аккумулятор приходилось 2—3 раза. Элементы разметки в антивандальном исполнении наглухо вдавливаются в дорожное полотно на 10 лет, периодическая подзарядка осуществляется индукционно. «Но когда же появятся автомобильные фары дальнего света?» — поинтересовался автор у Тима Уитекера, главного редактора американского «LЕD’s Magazine». — «Их уже изготавливают по крайней мере 17 фирм, все дело за новыми дорожными стандартами, но, как бы то ни было, «лексусы» и «ауди» со светодиодными фарами поступят в продажу в 2007 году».

Динамично развивается рынок светопанелей — это вывески, рекламы, бегущие строки, набираемые из светодиодов. Один из самых доходных нарождающихся бизнесов — огромные ТВ-экраны, дублирующие в залах или на площадях выступления артистов, спортсменов, политиков. Функциональное многообразие этих экранов, простота их перепрограммирования практически не имеют границ — вот почему применительно к светодиодам говорят об «интеллектуальном», «умном» и даже «цифровом» свете.

Но как же обстоит дело с обычным, так сказать, бытовым освещением? Скажем прямо: хуже, чем со светоинформатикой. Правда, огромные залы заседаний трех швейцарских банков уже несколько лет освещаются полупроводниками, но это — всего лишь вычур банкиров. Неплохо зарекомендовали себя светодиодные фонари для дайверов и шахтеров — им не страшны морская вода и высокое давление, они не искрят и не взрываются. Для хирургов важна «холодность» полупроводникового света: этим предохраняется оперируемая область тела от высыхания при одновременном достижении фантастической освещенности в 50 тысяч люксов. Все активнее архитекторы и дизайнеры внедряют подсветку зданий, светодиоды для этого особенно привлекательны своей многоцветностью, удобством управления, долговечностью. Ватикан, например, намерен все крупные храмы украсить такой подсветкой. Директор минского Института электроники Ю.В. Трофимов рассказал о полном переводе двадцати самолетов Як-42 на светодиодное освещение. Экономия энергии в этом случае несущественна, важен повышенный комфорт, а также исключение из обращения люминесцентных трубок, которые иногда лопаются и заражают салон парами ртути. Правда, стоимость такого переоборудования составляет 180 тысяч долларов, около 6% от цены лайнера.

Органические светодиоды (OLED) способны давать излучение трех основных цветов. Это позволяет использовать их для создания дисплеев

Любопытно, что светодиоды постепенно могут найти применение и в медицине — но не в качестве источника света. В 1903 году датчанин Н. Финсен получил Нобелевскую премию за излечение волчанки красным светом. Получил еще до известных И.П. Павлова и Р. Коха — такие серьезные ожидания связывались со светотерапией. Тогда эти надежды не реализовались, но в последние десятилетия низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) стало модным физиотерапевтическим брендом: лечат суставы и органы дыхания, импотенцию и фригидность, простатит и гинекологические расстройства, растяжения, травмы, гематомы… Светом можно снять усталость, повысить жизненный тонус, подпитать активность мышц. Свет действует как своеобразный необнаруживаемый допинг (тренерам на заметку!). Сверхъяркие светодиоды позволяют отказаться от дорогих, громоздких лазеров, используемых лишь амбулаторно, и сделать технологию массовой, мобильной, комфортной — облучать болячку на плече и даже в ухе можно «на ходу». И все же роль светодиодов в медицине, скорее, дело будущего, а пока их эффективность еще не полностью подтверждена надежной клинической практикой.

Тем временем одним из основных направлений использования светодиодов стала подсветка жидкокристаллических экранов. Этот сегмент рынка, по оценкам экспертов, составляет 35—50% общего объема производства суперъярких светодиодов. К месту заметим, что в мир микродисплеев, в частности для мобильников, все активнее вторгается технология полимерных светодиодов. Это одно из многообещающих ответвлений всеобщей светодиодной революции. Органические светодиоды (англ. аббревиатура — OLЕD) работают на тех же принципах, что и кристаллические, но основаны на полимерных полупроводниках. OLЕD-дисплеи отличаются от жидкокристаллических лучшей цветопередачей, большими углами обзора, экономичностью, потенциальной дешевизной и способностью изгибаться — хоть в трубку сворачивай. Такие ТВ-экранчики, вмонтированные в темные очки, вкупе с ушными затычками аудиоплееров обеспечат скучающему пассажиру метро полную сенсорную герметичность от окружающих. Будут ли созданы светящиеся полимерные полотна, шагнет ли OLED-технология в освещение — вопросы будущего.

Прометей вместе с огнем принес людям свет и тепло. После этого дара все остальное — научить людей говорить, строить жилища, одеваться, заниматься ремеслами и искусством — оказалось лишь вопросом времени. Свет — синоним жизни, свободы, любви, творчества, цивилизации... Несомненно, светодиодная революция продвинет человечество в овладении светом во всем его многообразии.

Юрий Носов, доктор технических наук, профессор