Светодиоды - 10 лет на рынке

Светодиоды вошли в светотехнику как полноправные источники света в середине 1990-х. Именно тогда японские ученые совершили технологический прорыв, создав зеленые и голубые светодиоды, по мощности и светоотдаче сравнимые с лампами накаливания. Параметры светодиодов оставляли желать лучшего, а цена могла испугать любого, но в то время разговор шел не о конкурентоспособности, а о перспективах. Некоторые специалисты утверждали, что светодиодные источники света еще долгое время не смогут обогнать газоразрядные лампы по светоотдаче и удельной стоимости одного люмена. Это означало, что они смогут занять лишь отдельные ниши на рынке освещения. Другие предсказывали бурный технологический рост, и что к 2015 году светодиоды заметно потеснят другие источники света.

С тех пор прошло более десяти лет, накоплен немалый опыт, и уже можно подвести некоторые итоги. Преимущества светодиодов перед другими источниками света хорошо известны. Прежде всего, к ним относится чрезвычайно длительный срок службы – около 100 тыс. часов для цветных светодиодов и около 50 тыс. часов для белых. Не маловажно и то, что светодиоды – низковольтные, а значит, электробезопасные источники света. Экологически безопасными делает их отсутствие ртути. Все эти несомненные преимущества вместе с высокой ударопрочностью и вибростойкостью светодиодов, их компактным размером, отсутствием в спектре ультрафиолетового и инфракрасного излучения, быстрым пуском и возможностью работы при низких температурах делает сферу их применения практически неограниченной. Чистые цвета светодиодов и простота управления сделали реальностью микширование цветов без цветных фильтров. Применение в светодиодных приборах RGB-модели смешения цветов положило начало созданию в освещении разнообразных динамических эффектов.

«Болезни» светодиодов известны также хорошо. Прежде всего, это различная энергоэффективность светодиодов разных цветов: в то время как красные светодиоды по светоотдаче уже обгоняют натриевые лампы, светоотдача голубых пока не позволяет им конкурировать с люминесцентными лампами. Тогда как именно характеристиками голубых светодиодов определяется качество светодиодных источников белого света. Их недостатком, в свою очередь, является не столь хорошая цветопередача. Индекс цветопередачи белых светодиодов, доступных для широкого применения, едва достигает 70. В этом они существенно проигрывают люминесцентным и металлогалогенным лампам. Другая проблема – разброс цветности: в одной партии среди «белых» светодиодов попадаются и голубые, и тепло-белые, почти желтые. Крупные производители справляются с этим, применяя тщательную селекцию. К тому же в спектре излучений светодиодов, в области желтого цвета существует «провал» от 550 до 585 нм, и светодиоды, которые называют «янтарными», на самом деле дают оранжевый цвет.

Очень важная задача, которую приходится решать производителям, - отвод тепла. На сегодняшний день в свет преобразуется только 15–20 % электрической энергии, подводимой к серийному светодиоду, остальная превращается в тепло. Предельная температура р-п перехода, при которой светодиод сохраняет эффективность и не разрушается, составляет 125–150 оС. Именно нагрев является главным ограничением мощности светодиодов. Проблема теплоотвода решается конструктивно за счет как можно более плотного примыкания кристаллов к теплопроводящей подложке, применения мощных тепловых радиаторов, а также путем использования нескольких кристаллов в одном источнике света. Разные производители решают вопрос своим способом. Однако главной проблемой для потребителей остается цена. Самые мощные и энергоэффективные светодиоды стоят чрезмерно дорого – пока их место только в лаборатории. Коммерческое применение находят светодиоды «второго эшелона» с силой тока 350-750 мА и мощностью до 1 Вт. Повсеместное повышение тарифов на электроэнергию, снижение в 2-3 раза цен на чипы за последние годы и низкие эксплуатационные расходы возводят светодиоды в ранг конкурентоспособных источников света – заказчики считают деньги и выбирают светодиоды. Впрочем, круг их применения все еще достаточно ограничен.

В создании цветодинамических эффектов, в шоу-индустрии и рекламе у светодиодов нет равных. Тут они значительно потеснили даже неон. Весь шоу-рынок ныне заполнен разнообразными медиа-экранами, сетками и занавесами. Близкая по смыслу, но совершенно отдельная по технологии область – подводное освещение. Благодаря простоте и гибкости управления системы светодиодной подсветки в фонтанах без труда совмещаются с музыкальным сопровождением – вот вам и уникальное светомузыкальное шоу.

Применение светодиодов в наружном архитектурном освещении – поистине мэйнстрим. Медиа-фасады, контурное и заливающее освещение, точечная подсветка деталей, создание динамических эффектов – спектр применения светодиодных прожекторов и линеек неуклонно ширится, архитекторы находят все новые возможности их использования. В перечисленных областях светодиоды позволяют создавать удивительные эффекты, невозможные при использовании других источников света.

В музейном освещении светодиоды, благодаря отсутствию в спектре ультрафиолета и инфракрасного излучения, применяются также достаточно широко. Но тут с ними серьезно конкурируют оптоволоконные системы, особенно при подсветке экспонатов внутри витрин, - все-таки светодиоды рассеивают довольно много тепла. В торговом секторе рынка широкое применение светодиодов сдерживается низкой цветопередачей. Однако в некоторых случаях окрашенный свет оказывается лучше чистого белого – при подсветке мяса, например. Тут у светодиодов большое будущее, просто в ритейле еще не произошло осознание их возможностей.

Широкое применение светодиодов в уличном освещении пока сдерживается их недостаточной яркостью. Впрочем, уже были сделаны успешные попытки создания светодиодных светильников для пешеходных зон и даже для дорог. Здесь у светодиодов очень хорошие перспективы, ведь менять лампы в таких светильниках придется редко.
В интерьерном освещении возможности применения светодиодов пока ограничены, и связано это с плохой цветопередачей белых светодиодов. Их используют для точечной подсветки, а цветные светодиоды применяются для создания различных декоративных эффектов. Все же и в этом направлении стали появляться интересные проекты.
Сбывается оптимистичный прогноз: проблемы успешно решаются, и к 2015 году можно ожидать значительного смещения всех сегментов светотехнического рынка, включая уличное, торговое и интерьерное освещение, в сторону использования светодиодов. Разумеется, о полной замене других типов ламп говорить не приходится, но потесниться им, несомненно, придется.

Мировые производители

Основой светодиода служит полупроводниковый чип. Производителей чипов в мире не так уж много – не более десяти. В числе первых следует назвать американскую компанию Cree, светодиодное подразделение Osram, канадский Lumileds, который теперь принадлежит Philips, и японскую фирму Nichia. Основное поле для соревнования между ведущими производителями светодиодов – это увеличение мощности и светоотдачи светодиодов. Сейчас светоотдача белых светодиодов достигает у разных производителей от 52 до 90 лм/Вт. Когда этот показатель достигнет уровня в 200 лм/Вт, как у натриевых ламп, тогда традиционные источники света окажутся ненужными. У цветных светодиодов светоотдача выше: у серийных красных светодиодов она достигает 80 лм/Вт, а в лабораториях получены красные светодиоды со светоотдачей 140–160 лм/Вт Компания Nichia заявила о создании белого светодиода с суммарным световым потоком 400 лм при токе 2 А и со светоотдачей 90 лм/Вт при токе 350 мА. Компания Cree создала светодиод холодного белого света со световым потоком свыше 1000 лм при токе 4 А, его светоотдача составляет 72 лм/Вт и светодиод теплого белого света со световым потоком 760 лм и светоотдачей 52 лм/Вт. Через один-два года компания начнет их массовое производство. Таковы на сегодняшний день наивысшие достижения в области белых светодиодов

Прогнозы

Мировой рынок светодиодов нового поколения сегодня оценивается в 4,3 млрд долларов США. Ежегодный прирост в ближайшее время составит 20 %. В стоимостном выражении это означает, что рынок вырастет к 2009 году до 6,8 млрд долларов США. Применение белых светодиодов в световых приборах и комплектных системах общего и местного освещения сегодня составляет только 8 % от общего объема рынка. При наблюдающемся ежегодном приросте – 30-40 % – новые светодиоды скоро займут в осветительном секторе значительное место.
В настоящее время для белых светодиодов стоимость в удельных единицах составляет от 1 до 5 евроцентов на один люмен светового потока. Резкое увеличение объема продаж и более широкое внедрение светодиодов в практику освещения можно только при снижении этого показателя значительно менее 1 евроцента на один люмен.

По материалам 17-й объединенной конференции LICHT 2006, светотехнических обществ Германии, Австрии, Швейцарии