ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СВЕТОДИОДОВ

Ежегодно во всем мире проходят различные мероприятия, акции, связанные с экономией энергоресурсов, в том числе и электроэнергии. В 2017 году в России проходит акция по энергосбережению «Вместе ярче». Цель акции привлечь внимание, прежде всего молодого поколения, к проблеме энергосбережения, экономии электроэнергии и переходу к энергоэффективному освещению.

В России долгое время пользовались лампами накаливания (так называемыми «лампочками Ильича») для освещения помещений. Но существуют и другие источники освещения. К ним можно отнести люминесцентные и светодиодные лампы.

Особое внимание уделим светодиодам. Светодиодами являются полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом (p-n переход). Они преобразуют электрическую энергию в световую. Основой светодиода является излучающий кристалл.

Светодиоды, как источники электрического освещения имеют ряд преимуществ перед другими электроосветительными приборами. Это -  высокая светоотдача (до 146 люмен на ватт), механическая прочность и вибрационная стойкость, срок службы до 100000 часов, широкий спектр белых светодиодов от 2700 К до 6500 К, малая инерционность приборов. У светодиодов повышенная безопасность (не требуют высокого напряжения, температура нагрева светодиода не превышает 60^оС). Они не чувствительны к низким температурам. Светодиодные осветительные приборы экологичны (в них нет ртути, фосфора, они не излучают в ультрафиолетовом спектре) и имеют низкую себестоимость.

Исследование светодиодов начинает свой путь с 1907 года. Промышленное производство начинается в конце 60-х годов. Этот было  связано их удешевлением (ранее стоимость светодиодов достигала около 200 долларов США).

Сейчас применение светодиодов достаточно широкое. Кроме ламп освещения светодиоды используются в качестве индикаторов различных приборов, светодиодных кластерах уличных экранов, светофорах, в светодиодных дорожных знаках, источниках модулированного оптического излучения (например, в пультах дистанционного управления) и т. д.

Популярность светодиодов продолжает расти. Но каковы же тенденции развития этих полупроводниковых приборов?

Здесь можно выделить несколько направлений развития. Прежде всего, это применение различных сплавов и сочетания кристаллов в создании светодиодов для получения различного цветового свечения.

Использование сплавов нитрида галлия и нитрид индия-галлия позволяют получить синие светодиоды.

Белое свечение производят синие светодиоды созданные с использованием желтого фосфора.  Такие светодиоды имеют высокий индекс цветопередачи.

Красный и синий фосфор также используется при создании светодиодов на базе ультрафиолетовых светодиодов с добавлением сульфида цинка. Индекс цветопередачи у таких светодиодов также очень высок, но использование ультрафиолетовых лучей негативно влияет на здоровье человека.

Множество оттенков белого цвета можно получить при сочетании красных, синих и зеленых кристаллов (RGB-светодиоды) – это дихроматические, трихроматические и тетрахроматические светодиоды.

Выделяют светодиоды, в основе которых излучающей поверхностью является органический материал (молекула в фазе кристаллизации, полимер). Такие светодиоды называют OLED, а созданные из гибких полимеров – PHOLED, FOLED светодиоды.

В начале второго десятилетия XXI века были созданы светодиоды на квантовых точках (синие светодиоды покрытые квантовыми точками), излучающие теплый желто-белый свет (QLED светодиоды).

Новые технологии позволили создать лазерные светодиоды, повышающие эффективность излучения при росте плотности тока.

Использование технологии удаленного люминофора увеличивает светэффективность, уменьшает яркость и слепящий эффект. Данная технология представляет собой решение пространственного разделения люминофора и светодиодного чипа.

Исследования в применении новых материалов в производстве светодиодов в настоящее время лежат в области использования нитевидных нанокристаллов, обладающих свойством эффективно выводить свет благодаря большой удельной площади своей поверхности.

Второе направление в развитии светодиодов – форма их исполнения. По форме исполнения можно выделить светодиоды индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды используются для декоративного светового оформления или в уличных баннерах для стилизации текста. Осветительные светодиоды используются для освещения помещений, улиц и др. Индикаторные и осветительные светодиоды подразделяются на следующие категории: DIP, Spider LED, SMD,  COB, волоконные и Filament.

DIP-светодиоды – это индикаторные светодиоды, в которых кристалл размещен в корпусе с оптическими компонентами (например, линзой, создающей световой пучок). Они используются как компоненты наружной рекламы, подсветки и украшений. Это монохромные или многоцветные цилиндрические светодиоды.

Spider LED схожи с DIP-светодиодами, но имеют 4 вывода вместо 2 у DIP, это повышает их надежность, т. к. оптимизирует теплоотвод. Spider LED  используются в различных сферах, в том числе и как светодиоды для автомобилей.

SMD – светодиоды имеют более сложную конструкцию (кристалл фиксируется на металлической подложке, над ним размещается линза). Они устанавливаются на поверхность и относятся к осветительным светодидам.

В светодиодах COB кристаллы устанавливаются на плату. Такое решение удешевляет производство светодиодов, делает их более компактными, предотвращает окисление и увеличивает эффективность теплоотдачи. Светодиоды СОВ также относятся к осветительным.

SMD и СОВ – это наиболее популярные типы светодиодов.

В 2015 г. появились волоконные светодиоды.  Эти индикаторные светодиоды используются в производстве одежды.

К числу нововведений относятся и светодиоды Filament. Кристаллы данного типа светодиодов устанавливается на стеклянную подложку, что позволяет распространять свет на 360 градусов. Применяются эти высоко энергоэффективные светодиоды при изготовлении осветительных ламп.

Третье направление развития светодиодов – это расширение спектра  устройств, в которых применяются светодиоды.

Как упоминалось выше применение светодиодов достаточно разнообразно: в наружной световой рекламе, украшениях, подсветке приборов, освещении жилья и улиц и т. д.

В XXI веке светодиоды активно применяются в устройствах, являющимися новинками научной и инженерной мысли.

Например, светодиоды нашли применение в системах управления освещением. Используя программное обеспечение для смартфонов можно настраивать параметры яркости и продолжительности освещения помещения. Сочетание систем управления освещением и светодиодных ламп позволяет снизить энергопотребление до 60%.

Органические светодиоды используются в тонких и гибких световых панелях, позволяющих имитировать природный дневной свет. Создавать естественное освещение с помощью таких устройств пока недешево, но в будущем этот тип освещения может стать массовым.

Также светодиоды используются в производстве современных телевизоров и дисплеев.

Например, упомянутая выше технология квантовых точек позволила создать новый класс дисплеев – QLED дисплеи. В них источниками света выступают квантовые точки – кристаллы размером в несколько нанометров. Квантовые точки излучают свет с четко определенной длиной волны и цветовым значением.

Подводя итог можно сказать, что у светодиодов есть будущее – производители используют новые технологии в их изготовлении, расширяется сфера применения, растет популярность использования приборов с использованием светодиодов у массового пользователя.

Список литературы:

1. Крымов А. В., Никитин В. Д., Кунгс Я. А., Завей-Борода В. Р. Сравнение характеристик полупроводниковых и традиционных источников света // Вестник КрасГАУ. 2010. №4. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/sravnenie-harakteristik-poluprovodnikovyh-i-traditsionnyh-istochnikov-sveta
2. Сайт led22.ru / Светодиод [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://led22.ru/ledstat/led/led.html, свободный. Загл. с экрана. – Яз. рус., англ.
3. Сайт MediaPure.ru /Шундрин В. Квантовые точки (Quantum dot LED) — новая технология производства дисплеев [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://mediapure.ru/matchast/kvantovye-tochki-quantum-dot-led-novaya-texnologiya-proizvodstva-displeev/, свободный. Загл. с экрана. – Яз. рус., англ.
4. Сайт Signbussines.ru / Перспективы развития светодиодных технологий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.signbusiness.ru/publications/products/4097-perspektivy-razvitiya-svetodiodnyh-tehnologii.php, свободный. Загл. с экрана. – Яз. рус., англ.