В июле 2010 года в Техническом университете Эйндховена (Нидерланды) проведены:

• 12-й международный симпозиум «Источники света – исследования и технологии»
• 3-я международная конференция «Белые светодиоды и другие твердотельные источники света».

В целом ряде докладов, представленных на конференции, подробно анализируется актуальный уровень характеристик светодиодов (СД) с белым излучением (Тц = 2700-6500 К) для целей внутреннего и наружного освещения.
Теоретическая граница световой отдачи (η_v) белых СД с идеальной цветопередачей (R_a = 100) составляет примерно 200 лм/Вт.
При резко ухудшенной цветопередаче монохроматического излучения с λ = 555 нм эта предельно достижимая величина η_v возрастает до абсолютного максимума – 683 лм/Вт.

На фото 1 представлена динамика изменения величины η_v белых СД (1997-2010 гг.) в сравнении с основными типами источников света широкого применения за всю историю их развития (начиная с 1879 г.).

фото 1

Incandescent lamp – Лампы накаливания;
Mercury lamp – Ртутные лампы ВД;
Fluorescent lamp – Люминесцентные лампы;
Metal halide lamp – Металлогалогенные лампы;
High Pressure sodium lamp – Натриевые лампы ВД;
White LED – Белые светодиоды.

Эксперты отмечали, что для корректного сопоставления различных источников света величину их η_v следует всегда сопровождать информацией о качестве цветопередачи.
Некоторые данные о последних достижениях в области повышения η_v белых СД:

• Фирма Toshiba разработала СД-лампу мощностью 8,7 Вт с Тц = 5000 К и η_v = 93 лм/Вт, эквивалентную по световому потоку лампе накаливания 75 Вт.
• Прототип этой СД-лампы с тепло-белым излучением (Тц = 2800 К) имеет η_v = 69 лм/Вт.
  (указанные величины η_v значительно превосходят аналогичный показатель у интегрированных компактных люминесцентных ламп).

Представитель фирмы Nichia сообщил о создании в начале 2010 г. СД дневного света (Тц = 6000 К) на базе нитрида галлия (InGaN/YAG) с η _v = 200 лм/Вт.
Еще в 2008 г. эта фирма освоила массовое производство белых СД с η_v = 150 лм/Вт. Однако, производитель предупреждает, что в реальных условиях эксплуатации СД их η_v может быть примерно на 20% меньше величины, приводимой в спецификации, из-за повышения температуры переходного слоя кристалла (например, при встраивании светодиодного модуля в тот или иной световой прибор).
Кроме того, Nichia показала на конференции прототип модуля размером 11,9 х 10,6 мм с 56-ю СД, суммарный световой поток которых равен 10 000 лм (такой световой поток имеет, например, металлогалогенная лампа мощностью 100 Вт типа HCI-TT 100/830 фирмы Osram).

Спектральный состав излучения белых СД существенно отличается от спектра тепловых излучателей (ламп накаливания) и большинства разрядных ламп.
В публикации CIE 177:2007 Международной Комиссии по освещению (МКО) указано, что применительно к излучению белых СД общий индекс цветопередачи Ra недостаточно полно характеризует качество воспроизведения цвета объектов.
Поэтому рабочая группа технического комитета ТС 1-69 МКО в ближайшее время предложит новое определение индекса цветопередачи, которое будет применимо как для тепловых и разрядных, так и для полупроводниковых источников света.

Фирма Хicato показала участникам конференции интересную демонстрационную установку (фото 2). С помощью карманного спектроскопа на ней можно было убедиться в том, что визуальное цветоощущение от света белых СД и галогенных ламп накаливания при одинаковых координатах цветности излучения (х/y, на цветовом графике МКО) существенно отличается.

Белое излучение в современных СД достигается преобразованием излучения голубого СД специальным конверсионным люминофором. Цветопередача такого белого СД всецело зависит от типа и состава люминофора.

В лаборатории одного из университетов Великобритании (Brunel University) исследовались белые СД с однослойными и многослойными люминофорами. Оказалось, что улучшение цветопередачи путем изменения люминофорной композиции вызывает нежелательный термический эффект, приводящий к снижению интенсивности люминесценции и, соответственно, к уменьшению η_v.
Для получения белого излучения с различной Тц применяются «жёлтые» люминофоры:

• YAG:Сe (алюмоиттриевый гранат, активированный церием), Тц = 5500 К, R_a ≤ 80;
• TAG:Се (алюмоталлиевый гранат, активированный церием), Тц = 4000 – 6000 К;
• Ортосиликаты, R_a ≤ 65.

Для получения тёпло-белого излучения (Тц = 3200 К) используются «желто-оранжевые» люминофоры:

• α-SiAlON
• нитридо-YAG:Сe

Голубые СД с несколькими слоями конверсионных люминофоров обеспечивают лучшую цветопередачу. При комбинации «красного» и «зеленого» люминофоров возможно достичь R_a ≈ 90.
Как уже было сказано выше, при желании иметь очень высокое качество цветопередачи белых СД приходится мириться с понижением их η_v.
И, наоборот, при необходимости достичь максимальной энергоэкономичности при высокой η_v белых СД они будут иметь умеренное, но приемлемое для целого ряда задач качество цветопередачи.
Поэтому потребитель в каждом случае вынужден принимать компромиссное решение с учетом приоритета того или иного параметра
(η_v или R_a). По мнению многих участников конференции, «…в конце концов, сам рынок определит наиболее приемлемое сочетание величин η v и R_a.

Новая, достаточно неожиданная область применения белых СД была описана в докладе сотрудников Фраунгоферовского института телекоммуникаций и института им. Генриха Герца (Германия). Речь идет о технологии VLC-Visible Light Communication – передаче информационных данных посредством видимых оптических излучений.
В помещениях при освещенности на приемнике 1100 лк, создаваемой белыми СД, достигается следующая скорость передачи информационных данных:

• 125 Мб/с – при амплитудной модуляции (on-off keying)
• 230 Мб/с – при дискретной многочастотной модуляции (DMT-Discrete Multitone Modulation)

Частотное соотношение ошибок (по битам) – менее 2*10^-3, оно может быть полностью скомпенсировано методом прямой коррекции. Ведутся работы по созданию VLC-систем. Позволяющих вести обработку данных в реальном масштабе времени.

Кроме проблем развития неорганических полупроводниковых источников света – СД с некогерентным излучением, большое внимание было уделено состоянию исследований и освоению производства OLED – органических СД.
Исследовательский центр концерна General Electric (GE Global Research Center) близок к завершению освоения «рулонной» (“Roll-to-Roll”) технологии изготовления OLED. Этот метод признается наиболее экономически приемлемым для массового выпуска.
Для конкурентоспособного применения OLED в системах общего освещения стоимость изготовления не должна превышать 20 $/м².

В лабораторных условиях по такой технологии и с применением химического осаждения из газовой фазы был получен OLED-модуль с тепло-белым излучением (Тц = 2900 К): его яркость – 1000 кд/м², η_v = 56 лм/Вт, R_a = 80, срок службы – 6000 ч.
Коммерческая доступность гибких OLED зависит ещё и от нахождения надежного способа защиты органического материала от окисления и воздействия влаги.
Такие OLED марки “Orbeos” были представлены на рынке в ноябре 2009 г. фирмой Osram Opto Semiconductors. Толщина модуля – 2,1 мм, диаметр – 80 мм, η_v = 23 лм/Вт, R_a = 75, яркость 1000 кд/м².

В июле 2010 г. концерн Philips продемонстрировал коммерчески доступный OLED-модуль “Lumiblade” (фото 3) с R_a ≥ 80. Модуль выпущен в трех модификациях: в форме квадрата – 70х70 мм, прямоугольника – 47,8 х 130,2 мм и в виде диска диаметром 70 мм.
Основные параметры: яркость – 3000 кд/м², η_v = 25 лм/Вт.

Цена OLED-модулей “Orbeos” и “Lumiblade”: 150-280 € /шт.

Итальянские исследователи показали интересную новинку: тонкопленочные светоизлучающие транзисторы (так называемые OLETs), принципиальная конструктивная схема которых показана на фото 4.
Наиболее перспективно применение OLETs в дисплеях нового поколения. Оценка первых опытных образцов показала, что OLETs значительно более эффективны по сравнению с OLED.