Это не просто «очередное техническое достижение», идет речь о кардинальном преобразовании самой сферы обитания человека, ее световой, цветовой и информационной составляющих.
Нынешний «светодиодный проект» — это сотки исследовательских лабораторий, 10-ки огромнейших межнациональных концернов, миллиардные обороты и инвестиции. А еще — неслыханный даже для электроники динамизм.
Когда светодиодная революция уже, казалось, была в полном разгаре, когда стали явью сверхъяркие красноватые, зеленоватые, голубые полупроводниковые излучатели, даже тогда мощь надвигающегося прорыва не осознавалась полностью. Еще посреди прошедшего десятилетия многие спецы были настроены очень скептически: один из знакомых создателя, работавший как раз в этой сфере, в 1996 году увидел: «Сегодня кажется фантастически мистической подмена ламп накаливания широкого внедрения на светодиоды», правда, здесь же осторожно добавил: «…но в дальнейшем это не исключено». Реакция полностью адекватная: психологически человек живет не в «завтра», к тому же он всегда обременен вчерашним опытом. А опыт такой: светодиоды отлично известны всем и каждому как комфортные красноватые светлячки, загорающиеся при включении телека, компьютера, стиральной машины. Еще из их набирали маленькие циферки для часов, весов, калькуляторов, кассовых аппаратов. Смотрелось очень выразительно, но только в комнате, для улицы яркости не хватало. С течением времени к светодиодам привыкли, они, как говорится, заняли свою нишу в индустрии, быту, в нашем сознании и закончили тревожить. И вдругПротивный утенок
На данный момент это забылось, но возникновение сверхъярких светодиодов на одном из первых шоу «Фабрики звезд» произвело на очень многих куда более сильное воспоминание, чем наскоро фабрикуемые звезды-конкурсанты.
Неуж-то крошечные полупроводники могут так фантастически, так ярко расцвечивать сцену, что это видно всему большому залу? Революция светодиодов началась с того, что как-то внезапно за один-два года их яркость возросла в 10-ки и сотки раз. Они приблизились к лампам накаливания, мир классической светотехники пошатнулся. Научились делать светодиоды практически хоть какого цвета свечения — от малиново-красного до густо-фиолетового. Разработали методы получения случайного рассредотачивания светового потока в пространстве: умеренно во все стороны, как у обыкновенной лампочки, узконаправленным прожекторным лучом, в виде радиального сигнального освещения. С другими источниками света схожее достигается с огромным трудом и только при использовании наружной оптики, сложных зеркально-линзовых конструкций.
И все таки для истинной революции этого было не достаточно. Решающим событием стало получение белоснежного света. Сейчас светодиоды сумеют употребляться не только лишь в информационных и веселительных системах, да и в освещении. А оно впрямую связано с мировой неувязкой номер один — затратами на энергетику. Ведь лишь на освещение уходит около 35% всей вырабатываемой электроэнергии, а в мегаполисах даже раза в полтора-два больше.
И вот в разработку и создание «полупроводникового света» врубаются большие компании: держатель пионерских патентов японская компания Nichia, южноамериканская Cree, европейские Lumileds, Philips, Osram, также корейские компании, стремящиеся сделать собственного рода «Светодиодную долину»... Osram уже прикрыла ряд стекольных производств, предопределяя тот факт, что у ламп накаливания нет перспективы. Philips объявила о сворачивании ряда выгодных электрических бизнесов ради развития «полупроводникового света», предпочитая нынешней жесткой прибыли вероятную завтрашнюю сверхприбыль. Шуточка ли — войти в историю в качестве колумбов «нового света»?
Современные белоснежные светодиоды по достигнутой светоотдаче (80— 120 лм/Вт) во много раз затмили лампы накаливания и некие типы люминесцентных источников. Быстро развиваются массивные светодиоды, направленные на освещение. Склонные к видным брендам америкосы в 1995 году назвали собственного одноваттного (всего только) первенца «Барракудой»! Наука свое дело вчерне сделала, сейчас очередь за индустрией— увеличивать люмены (люмен — единица светового потока в Интернациональной системе единиц), снижать их цена, 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 баксов в 20. Но, как говорится, лиха неудача начало. К тому же в плюс следует записать классические полупроводниковые «фишки»: отсутствие вакуумированных баллонов и нитей накала, сверхминиатюрность, низковольтность, простоту управления свечением, долговечность, надежность, ударо-, взрыво- и пожаробезопасность, экологичность... С таким «джентльменским набором» плюсов можно уверенно выходить в свет.
С возникновением суперъярких светодиодов стало может быть создание циклопических маркетинговых экранов, схожих тому, что занимает фасад этого 10-этажного торговоразвлекательного комплекса на центральной улице Токио
Люкс и люмен
Чувствительность глаза неодинакова по диапазону, она максимальна в зеленоватой области и резко спадает к фиолетовому и красноватому краям. Ориентируясь на глаз как приемник света, вводят систему измерений, в какой равными принимаются такие воздействия, которые вызывают однообразное зрительное чувство, хотя физические приборы оценивают эти воздействия как различные. Единицей светового потока является люмен (лм), физиологическое действие потока в 1 лм идиентично во всем диапазоне, но его энергетическая «цена» для зеленоватой области составляет 1/683 Вт, для фиолетовой — 1/62 Вт, а для малиново-красной — 1/6 Вт. Потому глазу комфортнее в зеленоватой области, тут фактическое воздействие («давление») на него меньшее. Эффективность преобразования электронной мощности в световой поток охарактеризовывают светоотдачей, измеряемой в люменах на ватт (лм/Вт). Ее время от времени именуют световым КПД, хотя ничего общего с реальным КПД данная 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 книжки довольно нескольких сот люксов, работа с маленькими деталями время от времени просит освещенности в 10-ки тыщ люксов. Для источников направленного излучения определяющей становится пространственная плотность светового потока в данном направлении, именуемая силой света и измеряемая в канделах (1 кд = 1 лм/стерадиан). При всем этом стремятся «сжать» все излучение источника до требуемого угла. Так, для уличных светофоров нужно обеспечить силу света 200—300 кд в границах угла 20°, а для жд — 2 000—4 000 кд при расходимости 3°, чтоб машинист мог узреть его издалека. Яркость источника определяется отношением силы света к площади излучателя и измеряется в кд/м2, например, упомянутые уличные и жд светофоры имеют яркость около 10 и 100 тыс. кд/м2 соответственно, тогда как комнатному ТВ-экрану довольно всего 500 кд/м2.
Упущенные ценности
Глобальная светодиодная революция рубежа XX—XXI веков наметилась еще в 1922 году, когда Олег Лосев, лаборант Нижегородской радиолаборатории, увидел свечение неких точечных кристаллических диодов, которые использовались в радиоприемниках. Через 5 лет он специально занялся исследованием этого эффекта и продолжал их практически 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 окрестили эффект в Германии, где сам Лосев, так и не окончивший институт, публиковался в научных журнальчиках, стало мировой сенсацией. Выяснилось, что свечение не было связано ни с разогревом, ни с электронными разрядами, оно шло из кристалла и представляло собой «холодный свет», люминесценцию. К тому времени квантовая теория уже обосновала, что при изменении состояния электронов в кристалле могут испускаться «частички света» — фотоны. Свечение было очень слабеньким и практического значения не имело, но оно стало физической базой для сотворения светодиодов в дальнейшем.
После изобретения транзистора (в 1948 году) и сотворения теории p-n-перехода (базы всех полупроводниковых устройств) стала понятна природа свечения и его низкая эффективность, причина которой оказалась в карбиде кремния (конкретно этим веществом занимался Лосев). Не решал трудности и транзисторный кремний, необходимы были полупроводники, не существовавшие в природе.
В 1953 году Генрих Велькер в Германии разработал теорию сотворения нужных полупроводников из соединения частей 3 и 5 групп Таблицы Менделеева и синтезировал некие из их, а именно арсенид галлия — базу будущих лазеров и светодиодов. Сейчас разработку этих устройств можно было вести полностью осознанно и целеустремленно. Тут необходимо отметить, что аспирантка ленинградского Физтеха Нина Горюнова частично обогнала работы Велькера, синтезировав в 1950 году сурьмянистый индий, но без публикации на Западе ее открытие осталось незамеченным и невостребованным. За свои недолгие 54 года доктор Н.А. Горюнова занесла большой вклад в синтез сложных полупроводников, в том числе трех- и четырехкомпонентных, которые сейчас стали определяющими.
В 1962 году янки Ник Холоньяк сказал о начале полупромышленного выпуска светодиодов. В их при протекании тока через p-n-переход электроны скачком изменяли свою энергию от некого сбалансированного уровня до уровня возбуждения, а их оборотный переход сопровождался генерацией фотонов. Состав полупроводника (арсенид-фосфид галлия) обеспечивал таковой зазор меж этими уровнями, что испускался красноватый свет. Презентацию этого действия в таблоидах озаглавили «Свет надежды», как бы обыденный журналистский штамп, а оказалось — предсказание. И вновь Наша родина упустила собственный ценность: на полгода ранее в одном из «почтовых ящиков» был организован выпуск карбидокремниевых светодиодов для ядерной техники, но все засекретили, а первопроходчиком в историю полностью оправданно вошел Холоньяк, получивший в 2003 году российскую премию «Глобальная энергия».
В 1970-е годы группа Жореса Алферова приспособила к светодиодам гетероструктуры (чередование слоев различных полупроводников заместо легирования, другими словами прибавления примесей), позже америкосы подобрали для их очень хитрецкий полупроводник — алюминий-индий-галлий-фосфор «в одном флаконе» — эффективность возросла неоднократно. Но только для красноватого света, а полупроводник для фиолетового края диапазона, нитрид галлия, десятилетиями не давался ученым. Но все таки упрямый японец Шуджи Накамура из компании Nichia ухватил жар-птицу за хвост, создав в 1993 году броский голубий светодиод, а еще через 2 года и белоснежный. В сентябре 2006 года Накамура удостоен премии «Миллениум» (1 миллион евро) и «узаконен» как фаворит светодиодной революции.
Подобные премии просто так не дают. Маленький (2х2х0,3 мм3) и на вид простой чип белоснежного светодиода вобрал в себя последние заслуги физики полупроводников и нанотехнологий. Его активную зону образуют два 10-ка чередующихся разнородных полупроводниковых пленок, содержащих нановкрапления состава «нитрид галлия-алюминия», которые именуют квантовыми точками. Конкретно через их в большей степени протекает ток светодиода, в их появляются фотоны, надлежащие голубому свету. Через другие области этот свет беспрепятственно выходит наружу. На поверхность чипа нанесена пленка люминофора, модифицирующего часть светового потока в зелено-желто-красные тона, в итоге чего появляется белоснежный свет. Отметим, что объем излучающей зоны массивного светодиода в 10-ки тыщ раз меньше объема вольфрамовой нити лампы накаливания той же силы света.
Прохладные светоизлучающие пластики кажутся глазу очень «теплыми»
Температура цвета
Сетчатка глаза содержит около 100 миллионов светочувствительных рецепторов, именуемых палочками из-за их продолговатости. Они отзываются лишь на конфигурации яркости света. А в маленький центральной зоне глазного дна некие сенсоры имеют грушевидную форму. Это колбочки, их всего около 6 миллионов, и они в сотки раз наименее чувствительны, чем палочки, но зато «воспринимают» цвета. Всего есть три сорта колбочек, избирательно чувствительных к красноватому, зеленоватому и голубому цветам.
Смешение этих цветов позволяет воспроизводить в информационных системах фактически всю доступную человеку цветовую палитру. Но для освещения нужен белоснежный свет с непрерывным диапазоном — от красноватого до фиолетового. Излучение таких источников охарактеризовывают цветовой температурой, сопоставляя с нагретым «абсолютно черным телом». Дневному белоснежному свету соответствует температура 6 000 К. Это естественная световая сфера обитания человека, сделанная Солнцем, — идеал для светотехников. Прохладному (лунному) белоснежному свету соответствует температура 4 000 К (люминесцентные трубки). Цветовая температура 3 000 К охарактеризовывает теплый белоснежный свет от лампы накаливания. Интересно, что чем горячее термический источник света, тем холоднее кажется его излучение.
Экспансия «умного» света
Эта самая разработка позволила резко расширить применение светодиодов. Чуть ли не первыми на сверхъяркие светодиоды направили внимание транспортники. Дорожные знаки, элементы разметки, светофоры, маяки, створные огни, бакены, габаритные и стоп-сигналы автомобилей на светодиодах — все это уже фактически ширпотреб. Тут экономичность светодиодов дает недосягаемое до этого качество. Так, бакены на светильниках российскей компании «Оптел» работают автономно всю навигацию, а до этого поменять аккумулятор приходилось 2—3 раза. Элементы разметки в антивандальном выполнении наглухо вдавливаются в дорожное полотно на 10 лет, повторяющаяся подзарядка осуществляется индукционно. «Но когда же появятся авто фары далекого света?» — поинтересовался создатель у Тима Уитекера, головного редактора южноамериканского «LЕD’s Magazine». — «Их уже изготавливают по последней мере 17 компаний, все дело за новыми дорожными эталонами, но, вроде бы то ни было, «лексусы» и «ауди» со светодиодными фонарями выйдут на рынок в 2007 году».
Оживленно развивается рынок светопанелей — это вывески, рекламы, бегущие строчки, набираемые из светодиодов. Один из самых доходных нарождающихся бизнесов — большие ТВ-экраны, дублирующие в залах либо на площадях выступления артистов, спортсменов, политиков. Функциональное обилие этих экранов, простота их перепрограммирования фактически не имеют границ — вот почему применительно к светодиодам молвят об «интеллектуальном», «умном» и даже «цифровом» свете.
Но как обстоит дело с обыденным, так сказать, бытовым освещением? Скажем прямо: ужаснее, чем со светоинформатикой. Правда, большие залы заседаний 3-х швейцарских банков уже пару лет освещаются полупроводниками, но это — всего только вычур банкиров. Хорошо зарекомендовали себя светодиодные фонари для дайверов и шахтеров — им не жутки морская вода и высочайшее давление, они не искрят и не взрываются. Для докторов принципиальна «холодность» полупроводникового света: этим предохраняется оперируемая область тела от высыхания при одновременном достижении умопомрачительной освещенности в 50 тыщ люксов. Все активнее архитекторы и дизайнеры вводят подсветку построек, светодиоды для этого в особенности презентабельны собственной многоцветностью, удобством управления, долговечностью. Ватикан, к примеру, хочет все большие храмы украсить таковой подсветкой. Директор минского Института электроники Ю.В. Трофимов поведал о полном переводе 20 самолетов Як-42 на светодиодное освещение. Экономия энергии в данном случае несущественна, важен завышенный комфорт, также исключение из воззвания люминесцентных трубок, которые время от времени взрываются и заражают салон парами ртути. Правда, цена такового переоборудования составляет 180 тыщ баксов, около 6% от цены лайнера.
Органические светодиоды (OLED) способны давать излучение 3-х главных цветов. Это позволяет использовать их для сотворения мониторов
Интересно, что светодиоды равномерно могут отыскать применение и в медицине — но не в качестве источника света. В 1903 году датчанин Н. Финсен получил Нобелевскую премию за исцеление волчанки красноватым светом. Получил еще до узнаваемых И.П. Павлова и Р. Коха — такие суровые ожидания связывались со светотерапией. Тогда эти надежды не реализовались, но в последние десятилетия низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) стало модным физиотерапевтическим брендом: вылечивают суставы и органы дыхания, импотенцию и фригидность, простатит и гинекологические расстройства, растяжения, травмы, гематомы… Светом можно снять вялость, повысить актуальный тонус, подпитать активность мускул. Свет действует как типичный необнаруживаемый допинг (тренерам на заметку!). Сверхъяркие светодиоды позволяют отрешиться от дорогих, массивных лазеров, применяемых только амбулаторно, и сделать технологию массовой, мобильной, комфортабельной — облучать болячку на плече и даже в ухе можно «на ходу». И все таки роль светодиодов в медицине, быстрее, дело грядущего, а пока их эффективность еще не стопроцентно доказана надежной медицинской практикой.
Тем временем одним из главных направлений использования светодиодов стала подсветка жидкокристаллических экранов. Этот сектор рынка, по оценкам профессионалов, составляет 35—50% общего объема производства суперъярких светодиодов. К месту заметим, что в мир микродисплеев, а именно для мобильных телефонов, все активнее вторгается разработка полимерных светодиодов. Это одно из перспективных 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 наилучшей цветопередачей, большенными углами обзора, экономичностью, возможной дешевизной и способностью изгибаться — хоть в трубку сворачивай. Такие ТВ-экранчики, встроенные в черные очки, вместе с ушными затычками аудиоплееров обеспечат тоскующему пассажиру метро полную сенсорную плотность от окружающих. Будут ли сделаны светящиеся полимерные полотна, шагнет ли OLED-технология в освещение — вопросы грядущего.
Прометей совместно с огнем принес людям свет и тепло. После чего дара все другое — обучить людей гласить, строить жилья, одеваться, заниматься ремеслами и искусством — оказалось только вопросом времени. Свет — синоним жизни, свободы, любви, творчества, цивилизации... Непременно, светодиодная революция продвинет население земли в овладении светом во всем его обилии.
Юрий Носов, доктор технических наук, доктор
ужс я даже не могу представить как это больно 