They come in colors
АрхивКаждый житель планеты ежедневно обращается к изобретению Томаса Эдисона, почти не изменившемуся за истекшие 120 лет.
Каждый житель планеты ежедневно обращается к изобретению Томаса Эдисона, почти не изменившемуся за истекшие 120 лет. Другие шедевры гения, например фонографы или мимеографы (ротаторы), уже заменены цифровыми устройствами, но уютные лампочки накаливания светят точно так же, как в девятнадцатом веке. Лишь года два прошло, как перед исследователями забрезжили в буквальном смысле сияющие чертоги грядущего.
Удивительно, но факт: основой новых фантастических источников света являются светодиоды (Light-Emitting Diodes — LED), полупроводниковые приборы отнюдь не новейшие, известные с начала 60-х годов.
Прогресс в области источников света на основе LED столь стремителен и многообещающ, что главные производители светотехники уже не только заручились соглашениями с ведущими поставщиками светодиодов, но даже собираются выступать в альянсах. General Electric Lighting заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав в прошлом году компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram Sylvania объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти (Makarand Chipalkatti), менеджер по маркетингу из подразделения устройств LED компании Osram Sylvania, производители светотехники, по сути, сами уничтожают свой нынешний бизнес. Но если сегодня не наступить на горло собственной песне, завтра придут другие и сделают это куда более жестко.
Ежегодно в США на лампы накаливания, лампы дневного света и галогенные светильники расходуется 3,5 млрд. долларов. Объем мирового рынка источников света составляет примерно 11,5 млрд. долларов. Согласно исследованиям агентства Strategies Unlimited, доля осветительных приборов на основе светодиодов весьма невелика — 680 млн. долларов. Ожидается, что в течение пяти лет объем этого сектора достигнет 1,8 млрд. долларов.
В настоящее время на рынок и в промышленную практику продвигаются монохроматические LED высокой яркости. В США уже около 10% всех дорожных знаков красного цвета сделаны на основе LED. Конечно, они существенно дороже, чем знаки из обычных лампочек, но их преимущества перевешивают все остальные соображения. Одно из таких преимуществ — экономичность. Светодиодный излучатель потребляет всего лишь 15 Вт, а обычная лампочка — 150 Вт. Другой фактор — долговечность, светодиод может работать десятилетиями. Компактность, низкое энергопотребление, чистота цвета излучения, мизерное тепловыделение делают LED‑источники привлекательными в качестве автомобильного светооборудования, авиационных маяков на высотных объектах, указательных фонарей посадочных полос в аэропортах.
Но главные помыслы исследователей — о простом белом свете, который единственно хорош для освещения наших жилищ. Вопрос прост в формулировке и сложен в решении: как с помощью принципиально монохроматических устройств получить белый свет, представляющий собой смесь излучений разных длин волн? Давно известный способ — смешать излучения светодиодов разных цветов. Таким же образом, как это делается в кинескопах телевизоров: через маски на экран проецируются лучи основных цветов — красного, зеленого и синего. Но такие приборы конструктивно сложны и громоздки.
Другой подход — вторичная эмиссия белого свечения из других веществ под действием излучений светодиодов. Вот, к примеру, светодиоды на основе нитрида галлия (GaN) излучают в синей части спектра. Если на внутреннюю поверхность колбочки светодиода напылить фосфор, то под действием первичного синего излучения он будет светиться белым. Именно на таком принципе основаны лампы дневного света: свечение фосфора вызвано ультрафиолетовым излучением, сопровождающим электрический разряд. LED со вторичной эмиссией появились только в конце 90‑х годов, после создания светодиодов, излучающих в синей части спектра; энергии красных лучей недостаточно для эмиссии.
Недавно исследователи из Центра фотоники Бостонского университета сообщили о создании устройства, излучающего белый свет, конструкция которого комбинирует эффекты смешения цветов и вторичной эмиссии. В приборе два светодиода располагаются на кристалле стопкой: один на другом. Нижний светодиод, дающий синий свет, изготовлен из нитрида галлия. Верхний слой, представляющий собой сплав алюминия, индия, галлия и фосфора (AlInGaP — читается и называется «алингап»), генерирует во вторичной эмиссии желто-красное излучение. Комбинируя вторичное излучение с исходным синим излучением нитрида галлия, можно получить белый свет. Фред Шуберт (Fred Schubert), профессор электротехники и компьютерных наук Бостонского университета, один из конструкторов системы, замечает, что приборы нового типа принципиально способны дать любую смесь цветов, любой сложный цвет.
Светодиоды, изготовленные из алингапа, обладают чрезвычайно высокой эффективностью. Почти 90% электроэнергии превращается в свет. К сожалению, у этого вещества слишком высокий показатель преломления. Большая часть лучей не выходит наружу, а блуждает внутри материала и угасает, превращаясь в тепло. Энергия излучения, выходящего наружу, не превышает 30% от потребленной. Возможно, таких характеристик достаточно для дорожных знаков, но никак не для освещения помещений.
По мнению Джорджа Крофорда (George Crawford), главного технолога компании LumiLeds, трудности с малым выходом светового излучения вскоре будут преодолены. Обычный сплав AlInGaP имеет кубическую структуру. Специалистам LumiLeds удалось придать кристаллической решетке пирамидальную структуру, что существенно укоротило путь луча до поверхности. LumiLeds намерена довести выход излучения в материалах типа алингап до 50%. Интересно, что усовершенствованные светодиоды должны выйти на рынок уже в этом году.
К сожалению, источники света на основе LED пока очень дороги. Упаковка с четырьмя обычными стоваттными лампочками General Electric в мелкооптовом магазине обойдется в 1 доллар, а каждая лампочка даст освещенность почти в 1500 люменов. Роланд Хайц (Roland Heitz), эксперт из Agilent, признает, что сегодня никто не сможет предложить источники света LED в 1500 люменов за 25 центов. Может быть, допускает Хайц, через пару лет они будут стоить 150 долларов. И это наводит на мысль, что бытовое освещение в обозримом будущем останется уделом лампочек Эдисона.
Но исследователи не собираются топтаться на месте. Наступит день, мечтает Бретт Андерсен (Brett Andersen), старший дизайнер из нью-йоркской студии Focus Lighting, когда каждый сможет запрограммировать себе такое освещение, какое только заблагорассудится.
