«Беларусь упустит свой шанс, если не создаст в течение ближайших двух-трех лет мощности по производству светодиодов. Ученые Института физики Юрий Трофимов и Владимир Кабанов выполнили соответствующие расчеты, и мы предлагаем госорганам поддержать нашу инициативу». Говоря это с трибуны Первого съезда ученых страны, председатель президиума НАН Беларуси Михаил Мясникович объяснил и причину, почему надо спешить. По прогнозам, уже через 5—10 лет лампы накаливания и даже люминесцентные лампы будут вытеснены светодиодными излучателями, срок службы и энергоэффективность которых существенно выше. В стране же для организации подобного производства есть прекрасные стартовые условия — мощная научная база в этой области знаний, которая обеспечит поддержку новому направлению.
Сложнее микропроцессора
То, что маленькую пластиковую лампочку называют светодиодом, знают многие, но чем она отличается от лампы накаливания, для большинства еще загадка. Это прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение, причем крохотный — 200 на 200 микрон — полупроводниковый кристалл, где происходит преобразование, превращает в свет во много раз больше потребленной электроэнергии, чем вольфрамовая нить лампы накаливания. Соответственно, светодиод нагревается лишь на несколько десятков градусов, а как греется лампа накаливания — объяснять не надо. Световой поток, измеряемый в люменах, у лампы накаливания составляет всего 6—10 люмен на ватт, у галогенной — 12—25, а у современного светодиода — 60—100 и даже есть сообщения о достижении рубежа в 150 лм/Вт. Нелишним будет сказать, что физический предел, когда вся электроэнергия в полупроводниковом излучателе белого цвета превращается в свет, находится в районе 220 лм/Вт.
Само свечение светодиода — явление особенное, так как возникает оно при слиянии (физики это явление называют рекомбинацией) электронов и так называемых дырок, или квазичастиц, в области контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Чтобы эффект возник, то есть, чтобы образовались фотоны, этот кристалл из полупроводникового материала необходимо легировать разными примесями, а сам он должен содержать предельно мало дефектов. В противном случае слияние электронов и дырок произойдет, но это не приведет к появлению достаточного количества фотонов. Но, с другой стороны, оказывается, получить фотоны — это полдела. Их надо еще вывести из кристалла наружу, а это еще одна сложнейшая проблема. Мало того, всех этих ухищрений бывает недостаточно для организации гарантированного свечения. Потому взаимодействующие пары полупроводников для надежности многократно дублируют. Создаются многослойные полупроводниковые гетероструктуры, которые при толщине всего 3 нанометра имеют до 40 слоев.
Вершиной миниатюризации в микроэлектронике до недавних пор было создание микропроцессора. Так вот, светодиод, создаваемый с помощью нанотехнологий, еще сложнее. И не случайно, что именно за исследование и разработку светодиодных гетероструктур наш земляк российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.
Не засидеться бы на старте
Эксперты, делающие прогнозы на ближайшие 10—15 лет, предсказывают появление светодиодных источников со сроком службы 100 тысяч часов и с эффективностью более 150 лм/Вт, что позволит достигнуть 50 процентов экономии электроэнергии на нужды освещения. Известно, что в республике на эти цели расходуется примерно 14 процентов произведенной электроэнергии. Поэтому специалисты уже подсчитали: если только на промышленных предприятиях и в жилых домах заменить все источники света на светодиодные, то экономический эффект может составить 250 миллионов долларов в год.
Так почему же мы не хватаемся за этот проект прямо сейчас? Потому что дорого. Пока цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но уже года через 2—3 этот показатель будет снижен в 10 раз. Есть даже график, где линии, отражающие повышение энергоэффективности разрабатываемых светодиодов и снижение затрат на их изготовление, пересекаются в точке, которая указывает на год, когда можно разворачивать серьезное производство приемлемой по цене и качеству продукции. В конце прошлого века светодиодную революцию назначали на 2025—2028 год, но сегодня выяснилось, что произойдет она гораздо раньше. Хотя в любом случае, если позволяет потенциал, стартовать следует раньше, чем наступит «год икс», чтобы в нужный момент все было уже готово к масштабному производству.
В некоторых странах Европы и Азии, в США так и поступают и уже сейчас производят светодиоды промышленным способом. Пока они не могут соперничать с лампами накаливания по цене, но во многих случаях вполне устраивают потребителей. Тем более что зачастую они, как выяснилось, просто незаменимы. Например, по требованиям безопасности это совершенно идеальный источник света, так как низковольтный и к тому же очень прочный, не боящийся ударов и толчков, экологически чистый, в отличие от люминесцентной лампы, содержащей пары ртути. И еще ценится то, что этот очень чистый свет излучается в узкой области спектра, где нет ультрафиолетовой и инфракрасной области, яркостью излучения легко управлять, что благодаря высокому сроку службы такие светильники практически не требуют обслуживания. Сегодня светодиоды можно видеть в составе информационных табло, жидкокристаллических дисплеев, в светофорах, карманных фонариках, системах подсветки зданий, устройствах трассировки полос движения автодорог, салонах современных самолетов и автомобильной светотехнике.
Кстати, что касается использования светодиодов в автотранспорте, то это как раз тот случай, когда положительный эффект бывает не столь очевидным на первый взгляд, но в полной мере раскрывается, если его хорошенько посчитать. Американцы это сделали. И получили, что в США, по данным на 2003 год, можно сэкономить 1,24 терраватт энергии, что равноценно 155 миллионам литров бензина. Откуда это берется? Все просто. Если автомобильная светотехника потребляет на порядок меньше электроэнергии, то и аккумулятор, и генератор работают в облегченном режиме, а стало быть, используют меньше топлива. Мало того, существенно повысится и безопасность на дорогах. Ведь светодиодный излучатель, сигнализирующий о торможении автомобиля, срабатывает мгновенно, а лампочка накаливания реагирует на включение с задержкой 0,2 секунды. При скорости около
А как у нас?
Даже самые осторожные отечественные производители, которые очень боятся, что их заставят заниматься этой новой и очень сложной продукцией, а потому не дают пока согласия на включение проекта по светодиодам в государственную инновационную программу, все же признают, что за этими источниками света будущее и ими все равно придется когда-то заниматься.
— Конечно, можно покупать элементную базу, то есть гетероструктуры, за рубежом и на этой основе производить как бы белорусские светодиоды, — говорит заведующий лабораторией Института физики Национальной академии наук Беларуси Юрий Трофимов. — Но анализ научно-технического потенциала страны говорит, что мы в области полупроводниковых гетероструктур и излучающих устройств в целом отстаем от лидеров всего на 2—3 года, а потому можем принять и более ответственное решение — самостоятельно развивать исследования, разработку и производство светотехники нового поколения, начиная с самых первых шагов. Это гораздо выгоднее, а по затратам, которые составят несколько десятков миллионов долларов, лишь чуть больше, чем «экономный» вариант. На Тайване, кстати, являющемся одним из мировых лидеров в этой области, подобный бизнес можно начинать всего с 5 миллионов долларов. А научный потенциал у нас ничуть не хуже. В течение последних 10 лет нашим институтом в кооперации с коллегами из Германии и России, Минского НИИ радиоматериалов активно ведутся необходимые для производства современных светодиодов работы по физике широкозонных гетероструктур, технологиям создания на их основе лазеров, транзисторов, специальных светоизлучающих устройств. Все полученные результаты соответствуют мировому уровню, о чем свидетельствует и тесное десятилетнее сотрудничество наших физиков с мировым лидером в области разработки оборудования для производства светодиодов — германской фирмой «AIXTRON» из города Аахен. Гетероструктуры, которые выращиваются в Германии, рассчитываются и оптимизируются в Минске. Более того, немцы везут сюда экспериментальные образцы, чтобы мы их протестировали. Не секрет, что к услугам ученых из стран бывшего СССР иногда обращаются потому, что это обходится дешевле. Но это не тот случай. Здесь ценится как раз глубочайшее понимание физики процессов и особенностей технологии, а также то, что белорусские ученые располагают уникальными инструментами для исследований, которые разработаны и построены самостоятельно.
Например, впервые в мире в Институте физики созданы оптически накачиваемые индий-нитридгаллиевый и нитридгаллиевый полупроводниковые лазеры на сапфировых и кремниевых подложках для получения голубого и зеленого свечения. Это позволит в ближайшем будущем использовать хорошо развитую в Беларуси дешевую кремниевую технологию для создания источников излучения, открывает перспективу построения информационных систем на новом уровне. Разработан технологический процесс создания светодиодных подсветок для жидкокристаллических индикаторов, созданы светодиодные индикаторы для информационных систем, энергоэффективные светосигнальные и осветительные устройства, которые уже используются как у нас в стране, так и в России.
В НПО «Интеграл» начаты работы по созданию микросхем для управления и электрического питания светодиодов, есть наработки и мощности, которые можно использовать для производства конечной продукции. ОАО «Горизонт» и Брестский электроламповый завод планируют начать выпуск светодиодных лампочек и осветителей.
В республике есть также разработчики и производители вторичной оптики, люминофоров, теплопроводящих подложек, миниатюрных тепловых труб и многого другого, что нужно для развития светодиодного направления. Есть и потенциальные потребители этой продукции. Словом, вкладывать средства в современную светотехнику есть смысл, и он не только в том, что можно получить более дешевый продукт и сэкономить электроэнергию, но и в том, что это позволит в полной мере использовать и развивать научный и производственный потенциал в области, где мы традиционно сильны.
