состояние, тенденции и возможности

БЕЛЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ: СОСТОЯНИЕ, ТЕНДЕНЦИИ И
ВОЗМОЖНОСТИ (ОБЗОР)
Сукач Г.А.1, Богословская А.Б.2
1
Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины,
Киев, ул. Героев Обороны, 15
2
Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарёва НАН Украины
г. Киев, просп. Науки, 41
В настоящее время белые светоизлучающие диоды (СИД) находят широкое
применение на множестве прикладных рынков (мобильные коммуникации, общее
освещение, автомобильные приборные панели, вывески и реклама). С момента создания в
1997 году фирмой Nichia Chemical Industries Ltd. первого белого светоизлучающего диода,
разработки в этой области совершили качественный скачок по показателям
цветопередачи, яркости, световой эффективности и уменьшения стоимости люмена.
Технические характеристики высокоэффективных полупроводниковых белых СИД
достигли такого уровня, что в недалеком будущем они могут полностью вытеснить такие
традиционные источники света как лампы накаливания, неоновые и люминесцентные
лампы во многих отраслях применения. Внутренняя квантовая эффективность идеальных
СИД достигает 100%, внешняя – теоретически может приблизится к 100%. Оценивая в
терминах световой эффективности, белые СИД могут достичь теоретического значения
эффективности свыше 300 лм/Вт. Такую величину невозможно получить для таких
традиционных излучателей, как лампы накаливания, которые имеют типичную
эффективность порядка 15-20 Лм/вт.
Использование белых светодиодов позволит сэкономить электроэнергию, которая
оценивается миллиардами долларов, и решить часть экологических проблем, связанных с
глобальным потеплением. Планируется, что к 2020 году, во всем мире оборот новой
светотехнической промышленности, основанной на твердотельных источниках света,
превысит 40 млрд. долларов в год.
Наряду с экономией электроэнергии, белые СИД характеризуются такими
преимуществами как длительный срок службы (больше 50000 часов), высокая надежность
и механическая прочность, отсутствие ультрафиолетового и иных вредных для здоровья
излучений, малые размеры, прямая направленность излучения (отсутствие потерь на
рассеивание), малое тепловыделение, отсутствие опасных веществ, типа ртути.
Способы получения белого света основываются на аддитивном смешивании всех
цветов спектрального диапазона. Основными цветами, из которых можно получить все
цветовые оттенки, являются красный, зеленый и синий.
Существует два основных принципа создания твердотельных источников белого
света: смешивание в определенном соотношении излучения двух или более
монохроматических источников излучения (RGB метод) и комбинированное
использование светодиодов и материалов, способных преобразовывать длины волн
излучений. Каждый подход имеет определенные преимущества и недостатки. Решающим
фактором при выборе технологии является компромисс между световой эффективностью,
световой отдачей и цветопередачей.
RGB технология основана на плотном расположении на одной матрице красного,
зеленого и синего светодиодов, монохроматическое излучение которых смешивается с
помощью оптической системы. Для получения теплого белого света дополнительно
вводится желтый светодиод. Меняя пропорцию каждого цвета можно получить белый
свет нужной цветовой температуры. Двухцветные источники белого цвета, как правило,
обладают самой высокой световой эффективностью, но наихудшей цветопередачей.
Индекс цветопередачи (CRI) четырехцветных излучателей могут превысить 90.
Трехцветные излучатели обладают приемлемыми параметрами цветопередачи (CRI > 80)
и средними показателями световой эффективности (более 300 лм/Вт).
RGB метод изготовления полупроводниковых источников белого света достаточно
эффективен за счет того, что для каждого отдельного СИД можно с использованием
широтно-импульсной модуляции подобрать значения тока инжекции, которые отвечали
бы максимуму его внешнего квантового выхода. Технология RGB позволяет
перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды,
получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB светодиоды широко
используются в светодинамических системах. Недостатками RGB излучателей является
сложность в управлении и контроле над излучением и рассеиванием энергии. Основной
проблемой излучателей такого типа является теплоотвод. Изменение температуры
перехода и окружающей среды приводит к изменению координат цветности
многоцветного RGB источника, что связано с разными температурными зависимостями
мощности излучения, длины волны в максимуме излучения и ширины спектральных
линий отдельных СИД. Как известно, красные СИД обладают более сильной
температурной зависимостью мощности излучения. Для смещения координат цветности
используется подстройка отношения мощностей светодиодов, которая осуществляется с
помощью обратной связи, основанной либо на постоянном измерении спектра излучения
белого света, либо на контроле температуры RGB светодиода.
Наиболее распространенные промышленные белые СИД создаются на основе
полупроводниковых светодиодов синего или ультрафиолетового диапазонов длин волн,
излучение которых полностью или частично используется для оптического возбуждения
преобразователя длин волн. Преобразователи длин волн создаются на основе:
люминофоров, полупроводников и красителей. Самыми распространенными материалами,
используемыми в качестве преобразователей длин волны, являются люминофоры.
Люминофоры отличаются высокой стабильностью, их квантовый выход часто близок к
100 %. Наиболее распространенными основами люминофоров являются гранаты,
имеющие химическую формулу: А3В5О12. Среди большой группы гранатов выделяется
алюмоиттриевый гранат YAG (Y3Al5O12). В качестве оптически активных добавок
применяются редкоземельные элементы, их оксиды и другие соединения. Недостатком
YAG люминофоров является низкий индекс цветопередачи CRI. Современные белые
СИД, изготовленные с помощью синего чипа и желтого люминофора характеризуются
CRI порядка 70…80. Этого достаточно для использования в системах наружного
освещения, но недостаточно для жилых помещений, где CRI должен быть 80÷90.
Для получения теплого белого цвета применяются смеси желтых и красных
люминофоров либо люминофоров с более широким, нежели обычно, спектром излучения.
Промышленные белые СИД, выпускаемые Luxeon, имеют коррелированно цветовую
температуру 3200К, а CRI на уровне 94. Однако как использование смеси люминофоров,
так и дополнительное введение менее эффективного, нежели YAG, красного люминофора
приводит к резкому падению эффективности белого СИД. Поэтому актуально разработка
новых эффективных люминофоров с излучением в красной области спектра для
изготовления теплых белых СИД. Например, нитридных люминофоров, легированных
европием.
Основным недостатком белых СИД с УФ - возбуждением являются сравнительно
высокие энергетические потери (сдвиг Стокса) при преобразовании УФ-излучения в
белый свет, что приводит к низкой световой отдаче СИД такого типа.
Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем RGB светодиоды (в
пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет.
Основными недостатками белых СИД такого типа является низкая по сравнения с RGBсветодиодами светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора, трудность
равномерного нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно,
сложность контролировать цветовую температуру, а также высокая скорость старения
люминофора.
Принцип работы белых СИД на основе полупроводниковых преобразователей
основан на поглощении части фотонов, которые излучаются синим СИД, второстепенной
более широкозонной активной областью (AlInGaP), что приводит к повторному
излучению фотонов. Вторично испущенные фотоны обладают меньшей энергией, чем
исходные. Для получения белого света необходимо выдерживать определенное
соотношение между интенсивностями излучения обоих составляющих. Двухцветные
излучатели с перепоглощением фотонов обладают высокой световой отдачей, но низкой
цветопередачей. Основными способами улучшения характеристик белых СИД такого типа
являются расширение спектра излучения СИД, например методом градиентного
изменения химического состава основной композиции, а также введение в структуру
двухцветного СИД дополнительного источника для перепоглощения фотонов, т.е.
создание трехцветного СИД.
В последнее время отмечается значительный прогресс в использовании
нанотехнологий для создания высокоэффективных белых СИД. Высокий квантовый
выход, монохроматичность излучения, а также возможность варьирования длины волны
люминесценции путём изменения размера наночастиц обуславливают интерес к
полупроводниковым нанокристаллам как материалам для белых светодиодов.
Коллоидные квантовые точки CdSe-ZnSe, используемые в качестве нанолюминофора,
позволяют получить белый свет с координатами (0.33, 0.33) и CRI > 90.
Недостатки белых СИД с использованием люминофоров обусловили тенденцию по
созданию чисто полупроводниковых, без использования люминофоров, белых СИД на
базе одного светодиодного чипа. Исследования направлены на создание многоцветных
СИД на основе InGaN-GaN квантовых ям разных составов и/или геометрий. Повышение
индекса цветопередачи двухцветных сине/зеленых светодиодов реализуется введением
нанокристаллов для преобразования коротковолнового синего излучения в красное.
Комбинирование преимуществ полупроводниковых нанокристаллов с такими
специфическими свойствами органических материалов как эластичность и простота
технологии, дало толчок к развитию новой технологической разработки - белых
гибридных полимерных СИД. Органо-неорганические гибридные СИД представляют
собой структуру, которая состоит из полимерной смеси, излучающей синий свет, и
квантовых точек CdSe-ZnSe. Излучатели такого типа характеризуются высокой
эффективностью, стабильностью цвета, повышением срока службы, низкой ценой.
Полупроводниковые излучатели на основе белых СИД имеют колоссальные
возможности, но существует еще много проблем на пути от научно-исследовательских
лабораторий к их коммерческому производству. Современные исследования светодиодов
направлены на увеличение мощности и квантового выхода, на увеличение световой
эффективности диода и люминофора, а также на снижение стоимости готового СИД.
Новые технологические разработки позволяют утверждать, что в недалеком будущем
белые светодиоды вытеснят другие существующие источники общего освещения.