Светодиодное освещение, принцип действия.

Что принесет глобальное внедрение светодиодного освещения?

Светодиодные источники света постепенно завоевывают рынок освещения, однако говорить об их широком применении пока рано. Причина заключается в дорогостоящей технологии изготовления светодиодов, что рождает высокую стоимость осветительных LED-приборов. Однако специалисты уверены, что повсеместный переход на твердотельные источники света, которыми и являются светодиоды, – это уже вопрос времени. Слишком уж значительны их достоинства в сравнении с другими световыми приборами.

В настоящее время, появление светодиодных источников света нередко сравнивают с революцией в области освещения. Действительно, применение светодиодов в глобальном масштабе способно изменить само наше отношение к вопросам, связанным с освещением. И это не голословное заявление – недавно было проведено научное исследование, которым занимались ученые из американского университета Rensselaer Polytechnic, после чего был опубликован доклад, в котором перечислялись все выгоды от глобального перехода на светодиодные светильники.

Американские ученые из Rensselaer Polytechnic подсчитали, что если в ближайшие 10 лет поменять все ламповые источники света на светодиодные, то это приведет к тому, что общий объем нефти, затрачиваемый на производство электроэнергии, снизится на 962 млн. баррелей. Более того, можно будет закрыть 280 электростанций, вследствие чего сократится выброс в атмосферу двуокиси углерода на 10 миллиардов тонн. Выбросы диоксида серы, которые являются главной причиной выпадения кислотных дождей, снизятся при этом практически до нуля. Общая финансовая выгода от глобального внедрения светодиодных светильников, по мнению ученых, приблизится к отметке в 1,83 триллиона долларов.

Один из исследователей, профессор Фред Шуберт считает, что светодиодные технологии способны произвести в оптике столь же революционные изменения, как когда-то транзисторы в электронике. По-мнению многих ученых, твердотельные источники света не только радикально изменят сферу освещения, но и будут способствовать множеству новых технологических прорывов. Исследователи установили, что глобальный переход на светодиодное освещение даст возможность сэкономить порядка 18,310 ТВт*ч электроэнергии.

Такие масштабные перспективы всерьез заинтересовали правительство США, которое взяло на себя финансирование исследований в сфере LED-технологий в течение 5 лет в размере 18,5 млн. долларов. Руководство университета Rensselaer Polytechnic начало сотрудничество с университетами Нью-Мексико и Бостона для более плодотворной работы над данным проектом. В результате совместной деятельности учреждений, был создан исследовательский центр Smart Lighting. В настоящее время, ученые ведут работу по трем основным направлениям: создание новых материалов, разработка технологий и интеллектуальных систем освещения.

Нужно сказать, что замена ламповых световых приборов на твердотельные источники света принесет выгоды не только в экологическом или экономическом смысле. Светодиоды имеют массу достоинств в эксплуатации, поскольку у них поддаются оперативной регулировке сразу несколько параметров: спектр, цветовая температура и поляризация. Вследствие этого светодиодные источники света имеют огромный потенциал для создания "умных" светильников, которые смогут использоваться в самых различных сферах освещения. 

Как производят светодиоды?

Современное производство светодиодов связано с рядом значительных трудностей и проблем. В частности, изготовление светодиодов является достаточно новой и динамично развивающейся отраслью, в которой пока не сформированы определенные правила и нормативы. Любой крупный производитель вынужден ориентироваться на собственные критерии отбора светодиодной продукции, поскольку международных стандартов в этом отношении пока не создано. Нужно сказать, что работа в этом направлении ведется, но специалисты считают, что разработка единых требований к светодиодной светотехнике потребует не одного года. Технология производства светодиодов очень сложна, и это одна из основных причин, затрудняющих создание общих нормативов. Рассмотрим поэтапно, как создаются современные светодиоды.

Первый этап – выращивание кристалла, которое построено на процессе, называемом металлоорганическая эпитаксия. Так называется ориентированное выращивание кристалла на поверхности подложки (другого кристалла). Для выращивания полупроводников используется термическое разложение металлоорганических соединений, которые содержат в себе все нужные химические элементы. Подобный процесс требует особо чистых газов. В процессе выращивания кристаллов необходимо тщательно контролировать толщину слоя и однородность структуры. Современная установка для эпитаксиального роста полупроводников может стоить до 1,5 млн. евро. При этом процесс отладки оборудования для создания высококачественных компонентов для производства светодиодов может занимать не один год.

Второй этап – создание чипа. При этом пленка, которая была выращена на подложке, разделяется на большое количество чипов (несколько тысяч). Этот процесс называется "планарная обработка пленок".

Третий этап производства светодиодов – биннирование, то есть сортировка чипов. При этом соблюдаются определенные критерии отбора. Сложность в том, что на каждой из описанных стадий производства практически невозможно добиться точного сходства компонентов по некоторым характеристикам. Поэтому сортировка чипов выполняется по группам, в которых определенные параметры находятся в допустимых пределах. Например, максимальная длина волны излучения, световой поток, напряжение и т.д. Поскольку биннирование является частью производства, то оно находит отражение и в наименовании будущей продукции.

Последний этап – создание самого светодиода. Разрабатывается корпус будущего светильника, подбирается люминофор (при необходимости), монтируются выводы питания. Особого внимания заслуживает изготовление линз, применяемых при создании светодиодных источников света. Они выполняются из пластика, силикона или эпоксидной смолы. Оптическая система призвана создавать точный телесный угол освещения, поэтому к линзам предъявляются высокие требования, такие как: максимальная прозрачность, высокий срок службы, устойчивость к перепадам температур, стойкость к химическому воздействию люминофора, хорошая пропускная способность к световому излучению во всем оптическом диапазоне и т.д. После полной комплектации, светодиодный прибор готов к использованию.

На основе светодиодов сегодня создаются самые разнообразные источники света: прожекторы, лампы, линейные светильники, светодиодные линейки, светосигнальные приборы и многие другие. Высокие эксплуатационные и светотехнические характеристики светодиодов сделали их производство самой динамично развивающейся отраслью светотехники. А сами светодиодные приборы признаны наиболее перспективными источниками света.