Исследование современного состояния и возможности использования светоизлучающих диодов в технике освещения

E_U) = 20 + 30 -2,72"°'^7г МПа.

Вычислив по формуле (2) напряжения от действия нагрузки q = 1 МН/м, получаем эпюру напряжений <т_г, представленную штриховой линией 3 на рис. 2.

Как видно из рис. 2, напряженное состояние полупространства зависит от характера изменения модуля упругости. При возрастающем с глубиной модуле упругости величины напряжений в верхних слоях меньше напряжений в полупространстве с постоянным по глубине модулем упругости. В нижних слоях они имеют большую величину. При убывающем с глубиной модуле упругости в верхних слоях они больше, а в нижних — меньше.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

• 1.    Дураев А. Е. Напряжения в неоднородном массиве при действии на поверхность равномерно распределенной вдоль прямой линии касательной нагрузки / А. Е. Дураев // Актуальные вопросы строительства : материалы междунар, науч.-техн. конф. Саранск, 2004. С. 360 — 362.

• 2.    Дураев А. Е. Напряжения и деформации в грунтовом основании с переменным по глубине модулем деформации / А. Е. Дураев. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2004. 68 с.

Поступила 29.03.05.

ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

И ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ В ТЕХНИКЕ ОСВЕЩЕНИЯ

Л. В. АБРАМОВА, кандидат технических наук, профессор

Создание светоцветовой среды, обеспечивающей нормальное функционирование органа зрения и организма человека в целом, является актуальной задачей тех ники освещения. В настоящее время в связи с высокой стоимостью электроэнергии и большими затратами ее на цели освещения (более 14 % от всей вырабатыва-

емой электроэнергии в стране) внедрение энергоэкономичных вариантов его представляет одну из важнейших проблем.

Светоизлучающие диоды до последнего времени использовались преимущественно в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах передачи и визуализации информации. Специфика их применения заключалась в том, что на первом этапе развития (60 —70-е годы XX века) были разработаны светодиоды на основе излучающих структур GaAsP : N/GaP, GaP : Zn, О, GaP : N, GaALAs/GaAs [5; 13], которые излучали свет лишь в трех спектральных диапазонах видимой области спектра (красном, зеленом и желтом) и имели малую мощность — в пределах 0,02 — 6,00 мВт. При этом световая отдача составляла не более 1 — 2 лм/Вт, что, естественно, делало невозможным употребление их наряду с лампами накаливания для внутреннего освещения. Подробное изложение принципов работы светодиодов и итоги их разработок к середине 70-х годов даны в [2].

В 90-е годы было осуществлено несколько качественных «скачков» [1; 8] как в улучшении конструкции [11; 19] и технологии изготовления [10], так и в изучении фундаментальных физических процессов, протекающих в светоизлучающих диодах. Появление новой системы полупроводниковых материалов (AlGalnP и InGaN), форм, а также совершенствование технологии выращивания многослойных гетероструктур позволили создать диоды, обладающие значительными световой отдачей (в зависимости от цветности — 25 — 100 лм/Вт) и сроком службы (100 тыс. часов) [12].

Концепция многопроходных двойных гетероструктур в системе GaAlAs [5], разработанная Ж. И. Алферовым и сотрудниками Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ), внесла существенный вклад в исследование высокоэффективных светодиодов. С помощью новой технологии эпитаксиального выращивания многослойных гетероструктур методом металлоорганического химического вакуумного нанесения [5] было достигнуто увеличение световой отдачи в диапазоне энергий 1,92 — 2,16 эВ (красно-желто-зеленый участок спектра с Ямах = 572 — 640 нм) в результате получения многослойных двойных гетероструктур в системе Al GalnP как на подложке GaAs, так и на прозрачной подложке GaP

Благодаря более высокой чувствительности глаза в области энергий 1,90 — 2,26 эВ световая отдача в желто-красном диапазоне спектра возрастает до 20 лм/Вт (структуры AlGalnP/GaAs) и 30 — 40 лм/Вт (структуры AlGalnP/ GaP). '

На основе структур AlGalnP созданы высокоэффективные светодиоды в красно-оранжевой (ймах= 620 — 645 нм), желтой (2 = 590 — 594 нм) и желтозеленой (^ах = 572 нм) областях видимого спектра, которые превосходят по световой отдаче лампы накаливания как с желтым светофильтром, так и без него (рис. 1).

Высокоэффективные светодиоды в коротковолновой полосе видимого спектра (с энергией излучения более 2,16 эВ) были изготовлены на основе многослойных гетероструктур нитридных соединений группы AntBv способом металлоорганического химического вакуумного нанесения. Световая отдача диодов зеленого и синего свечения из InGaN (37 лм/Вт при /пр = 20 мА и ~60 лм/Вт при /пр = = 1 мА) превосходит светоотдачу ламп накаливания в 2 — 3,5 раза и приближается к данному показателю у люминесцентных ламп (60 — 80 лм/Вт) (см. рис. 1). Появление их позволило создавать полноцветные системы отображения информации и светодиоды белого свечения.

Диоды с наибольшей светоотдачей базируются на гетероструктурах полупроводниковых соединений AmBv типа Alin GaP/GaP и InGaN/AlGaN/GaN. Значительное количество исполнений в номенклатуре объясняется многообразием состава (х, у) твердых растворов ALjn^Ga^yP и In-t-Ga^.^N, варьированием толщины и легированием слоев структур. Разные комбинации компонентов дают возможность получить структуры с различными спектрами излучения.

Рис. 1. Световая отдача светодиодов из InGaN, AlGalnP, GaAlAs в сравнении со световой отдачей ламп накаливания и люминесцентных ламп

К настоящему времени разработаны и выпускаются в промышленном масштабе высокоэффективные светодиоды, излучающие во всем видимом диапазоне спектра, в ближней инфракрасной и дальней ультрафиолетовой областях. Известны и излучатели белого свечения,

На всех последних выставках и светотехнических ярмарках в Ганновере (ФРГ) в качестве важнейших источников света, определяющих ближайшие перспективы, практически всеми ведущими светотехническими фирмами (Philips Lighting, Osram, General Electric и др.) были выставлены светоизлучающие диоды и модульные системы на их основе. Это обусловлено следующими обстоятельствами :

• 1)    длительным сроком службы;

• 2)    надежностью, несоизмеримо большей, чем у остальных источников света;

• 3)    полным отсутствием ртути;

• 4)    превосходством по световой отдаче ряда светодиодов ламп накаливания (30 лм/Вт с реальным увеличением ее в ближайшие годы в 2 — 3 раза);

• 5)    исключением пускорегулирующей 154

аппаратуры (в отличие от газоразрядных источников света), обеспечением последовательного и параллельного соединения без выравнивающих сопротивлений, что предельно упрощает возможность использования;

• 6)    излучением, близким к монохроматическому, наличием высокоэффективных светодиодов белого свечения;

• 7)    значительной устойчивостью к механическим воздействиям и работоспособностью в широком интервале температур (от -55 до + 100 °C);

• 8)    малыми потреблением энергии и тепловыделением;

• 9)    низковольтностыо и взрывобезопас-ностью, безопасностью при прикосновении; "

• 10)    высоким быстродействием.

С учетом падежной перспективы широкого применения светодиодов и растущего спроса разработкой и освоением их производства в настоящее время занимаются как крупнейшие светотехнические концерны (GELCore, Lumileds, Osram Optosemiconductors и др.), так и достаточно большое число узкослециализиро- ванных компаний, например Agilent Technologies (США), Hewlett Packard (США), Nichia Chemical Corp (Япония), Kingbright Electronics (Тайвань), Tridonic Atco (Австрия) и т. д. В России светоизлучающие диоды и системы на их основе выпускают «Корвет-Лайтс», НИЦ ОЭП «Опта л», «Светлана-Оптоэлектроника» и др.

Будущее диодной светотехники связано с применением в технике освещения. Существует 4 способа создания светодиодов белого цвета свечения. Первый — смешение излучения светодиодов трех и более цветов [7; 12; 20]. В [4] отмечается, что этот вариант имеет ряд неудобств, поскольку требует наличия нескольких источников различного напряжения, множества контактных выводов и устройств, смешивающих и фокусирующих свет от нескольких светодиодов, для обеспечения значения токов, соответствующих максимуму внешнего квантового выхода излучения каждого светодиода (красного, зеленого или синего), и результирующих цветовых координат в области белого цвета.

Второй и третий способы — смешение голубого излучения светодиода с излучением либо желто-зеленого люминофора, либо зеленого и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучением [14; 17]; четвертый способ — смешение излучения трех люминофоров (красного, зеленого и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым излучением светодиода. Последний использует хорошо разработанные принципы и люминофоры, применяемые для люминесцентных ламп [7; 17]. Предусматривается только два контактных вывода на один излучатель. Но в то же время наблюдаются принципиальные потери энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, поскольку разные люминофоры имеют неодинаковые спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ-спектру излучения кристалла светодиода. Световая отдача светодиодов белого цвета ниже, чем светоотдача светодиодов с узким спектром: в них происходит двойное преобразование энергии и часть ее теряется в люминофоре. Достигнутая световая отдача светодиодов с белым свечением т] = = 25 лм/Вт. Эта величина превосходит ц;[Н (см. рис. 1), что делает возможной эффективную замену ими ламп накаливания. Теоретический предел светоотдачи белых светодиодов — около 300 лм/Вт.

Для получения белого свечения возможны два конструктивных варианта светоизлучающих диодов [24]:

• 1.    Светоизлучающие кристаллы основных цветов (красного, зеленого и синего) интегрируются в одном корпусе — светорассеивающей оболочке из белого замутненного полимера. Белое излучение образуется аддитивным смешением трех разноспектральных излучений при прохождении и рассеянии их в толще оболочки.

• 2.    На держателе кристалла синего светодиода располагается тонкая пленка

с люминофорным покрытием, которое преобразует синее излучение в белое (рис. 2).

Р и с. 2.

Конструктивная схема белого светодиода:

• 1    — чип (полупроводниковый кристалл с держателем); 2 —голубое излучение;

• 3    — белое излучение; 4 — корпус-линза из эпоксидной смолы; 5 —люминофорная пленка

Одновременно с совершенствованием гетероструктур исследователями решались задачи повышения внешнего квантового выхода излучения при использовании постэпитаксиальной технологии и конструировании светодиодов. Основными направлениями стали:

• —    снижение потерь света на полное внутреннее отражение на границах кристалл — полимер и полимер —воздух;

• —    создание омических контактов ограниченной площади;

• —    сбор и преобразование бокового излучения кристаллов;

• —    согласование конструктивных размеров отражателя и полусферического полимерного купола;

• —    сокращение дифракционных потерь за счет создания эллиптического полимерного купола и др.

Надежность приборов обеспечивалась за счет применения:

• —    золотых и серебряных покрытий контактирующих деталей;

• —    конструкций, предусматривающих разветвленное и прочное соединение полимерных, стекло волокнистых и металлических деталей.

Разработаны различные конструкции высокоэффективных светодиодов для массового применения. Основные из них следующие: стандартный светодиод 05 мм, содержащий встроенный в держатель отражатель бокового излучения кристалла и полимерный полусферический купол; светодиод 05 мм с «овальными полимерным куполом для обеспечения разной ширины кривой силы света излучения в двух в займ но-перпендикулярных направлениях; светодиод 010 мм па плоском рамочном держателе с широким углом излучения. Помимо того, выпускается множество других вариантов: для плоскостного монтажа, в виде матриц, плоских световодных пластин, в металлических корпусах, с различной оптикой (линза Френеля, сферическая), с винтовыми и резьбовыми цоколями и т. д. (рис. 3). Есть и специальные конструкции для более узких областей действия [4; 6; 9].

Р и с. 3. Образцы светодиодных ламп

В связи с возросшей световой отдачей светодиодов из AlGAInP/GaP и InGaN возникла задача разработки светодиодных ламп и осветительных систем на их основе с целью замены традиционных источников света — ламп накаливания и галогенных ламп. Производители светодиодов создали более мощные светодиоды.

Р и с. 4. Конструкции светодиодов с повышенной мощностью

Представленные на рис. 4 конструкции светодиодных ламп базируются на следующих принципах:

• 1)    использованы высокоэффективные излучающие гетероструктуры в системе AlGalnP/GaAs;

• 2)    увеличена площадь излучающих кристаллов — 0,25 или 0,50 мм²;

• 3)    для повышения светового потока в ряд конструкций включено несколько кристаллов, соединенных последовательно;

• 4)    в качестве кристаллодержателя для улучшения теплоотвода взята ножка с наваренной медной пластиной;

• 5)    для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов служит пластмассовый отражатель высотой 1,1 мм, с нижним диаметром 1,6 —1,8 мм и наклоном стенок -35^е;

• 6)    для эффективного вывода излучения и формирования заданной кривой силы света прибор содержит полусферическую полимерную линзу, согласованную по размерам с отражателем бокового излучения.

Различными фирмами выпускаются белые светодиоды повышенной мощности с близкими световыми и цветовыми параметрами (табл.). Светоцветовые параметры в сочетании с компактностью и эффективностью позволяют прогнозировать, что в ближайшие годы рынок может предложить замену обычным лампам.

Таблица

Основные параметры белых светодиодов повышенной мощности, выпускаемых различными фирмами

Тип	Р, Вт	Световые параметры			П. лм/Вт	Фирма-производитель и страна
		Ф, лм		2®0^' град
У-337Бл-1	5	65-80	4 000-6 000	50 ± 10	15	оптэл (Россия)
У-337Бл-2	5	90-120	4 000-6 000	50 ± 10	24	ОПТЭЛ (Россия)
У-347Бл	5	90- 120	4 000 - 6 000	120 ± 10	24	ОПТЭЛ (Россия)
NSPW500BS	1	25	5 500	20	25	Nichia (Япония)
LXHL-MWIC	1,25	31	4 500-8 000	110	25	LUMILEDS Lighting US (США)
LXHL-BW03	1,25	20	2 850-3 800	110	18	LUMILEDS Lighting US (США)
LXHL-PW01	5	125	5 500	110	25	LUMILEDS Lighting US (США)
LXHL-PW01	5	125	5 500	110	25	LUMILEDS Lighting US (США)

Сопоставление отечественных и зарубежных аналогов светоизлучающих диодов показало, что различия параметров незначительны, поэтому физиолого-гигиенические исследования одних типов светодиодов могут быть распространены на другие подобные типы.

Светоизлучающие диоды отличаются большой интенсивностью и хорошей цветопередачей. Как точечные источники света с высоким коэффициентом использования светового потока они дают возможность для перераспределения излучения в пространстве без использования дополнительных перераспределяющих устройств. Это облегчает дизайн эффективных и компактных осветительных приборов, светильников настольных [16], местного освещения, направленного света для экспозиционного освещения.

Рассматриваемые диоды — важнейшее реальное средство энергосбережения и сохранения окружающей среды. Именно этим обусловлено появление программ развития твердотельного освещения. В 1998 году 11 крупнейших японских компаний подготовили программу «Свет в XXI веке» с финансированием в течение 4 лет и планированием задач до 2010 года. В пей поставлена цель замены традиционных ламп накаливания и люминесцентных ламп светильниками нового типа на основе светодиодов белого свечения.

В США предложена программа создания твердотельного освещения «Next Generation Lighting Initiative» с перспективами развития до 2020 года. Она предусматривает финансирование исследований, разработок и производства светодиодных источников света в размере 50 млн дол. ежегодно вплоть до 2011 года. Предполагается, что в 2007 году эффективность, срок службы и экономичность будут достаточны для их постепенного ввода вместо ламп накаливания, а в 2012 году вместо люминесцентных ламп.

В России в начале 2004 года была принята трехлетняя программа энергосберегающего освещения па базе светодиодных технологий. Согласно ей предполагается использовать светодиоды в опытном строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве и других областях — там, где не нужна большая освещенность, но требуется минимум обслуживания и энергозатрат, а также значительная вандало-устойчивость.

Светоизлучающие диоды продолжают совершенствоваться в направлении улучшения световых и эксплуатационных характеристик, расширения функциональных и конструктивных возможностей. Заметный прогресс с точки зрения ассортимента, световой отдачи и светового потока, достигнутый за последние десятилетия, открыл перед проектировщиками осветительных систем новые возможности в самых различных сферах — художествен ной и архитектурной подсветке зданий, колонн, каналов, набережных и мостов, парков и садов, освещении торговых центров, театров, гостиниц, ресторанов, развлекательных заведений, выставочных залов, мест туризма и отдыха, подсветке тротуаров и автомобильных парковок (16}.

В литературе — как отечественной, так и зарубежной — имеются лишь сообщения об использовании светодиодов для внутреннего освещения, в светильниках местного освещения, встраиваемых (например, в мебель или витрину), для освещения компьютерной клавиатуры, рабочей зоны металлообрабатывающих станков. Однако обстоятельных научных исследований влияния светоцветовой среды, создаваемой светодиодными источниками излучения, до настоящего времени не проводилось. Эта проблема остается исключительно актуальной на современном этане развития техники освещения.