я школа 3- «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии»,

3-я школа
«Метрология и стандартизация
в нанотехнологиях и наноиндустрии»,
Институт проблем химической физики РАН,
Черноголовка, 28.05.2010.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ
СВЕТОДИОДОВ
В МИРЕ И В РОССИИ В ПОСЛЕДНИЕ
ГОДЫ
А.Э.Юнович
Московский Государственный Университет
им. М.В.Ломоносова, физический факультет
[email protected]
ПЛАН
• Светодиодная промышленность во всем мире стала в последние
годы одним из самых быстро развивающихся секторов
экономики
• Новый уровень государственных программ.
• Принципиально решенные задачи.
• Основные направления исследований и разработок светодиодов
• Экономические цели
• Новые условия исследований и разработок в России
• 7-ая Всероссийская Конференция "Нитриды галлия, индия и
алюминия: структуры и приборы"
• Программы Минэнерго, «Ростехнологий», «Роснано», ВШЭ.
• Необходимость создания специального раздела о развитии
светодиодной промышленности и светодиодного освещения в
государственной программе по энергосбережению и повышению
энергетической эффективности
Светодиодная промышленность - один из
самых быстро развивающихся секторов
экономики
Это обусловлено общей проблемой энергосбережения,
большую часть которого может дать энергетически
выгодное освещение.
Международные научно-технические конференции,
промышленные и торговые выставки, посвященные
исследованиям и разработкам светодиодов (СД) и
светодиодному освещению, проводятся ежегодно во всех
промышленно развитых странах.
Каждые полгода параметры СД и светотехнических
устройств на их основе становятся на новый
количественный уровень по световой отдаче, мощности
излучения и световому потоку, цветовым характеристикам.
Качественное изменение развития светодиодного
освещения будет в 2011-2015 гг.
Семинар Министерства Энергетики США в апреле 2010 г.
по программе светодиодного освещения (DOE SSL)
http://www1.eere.energy.gov/buildings/ssl/sanjose2010_materials.html
•
•
•
•
Рынок мощных светодиодов –
миллиарды $, 2005 – 2015 гг.
Рост (15%/год) будет
преобладать за счет подсветки
экранов и за счет общего
освещения
Все новые полупроводниковые
фирмы вступают в игру на рынке
Растет законодательная
деятельность правительств по
вытеснению ламп накаливания
(Европа, Австралия, Куба; 2009
г.)
(Nag Patibandla, David Bour, Robert Ewald, and
JieSu Applied Materials, Inc; Santa Clara,
CA)
Производство кристаллов со структурами InGaN/AlGaN/GaN для мощных СД
увеличится от 35 млрд. шт. в 2009 г. до 160 млрд. шт. в 2014 г.
Рынок мощных СД для освещения достигнет 1 млрд $ к 2012 г. (а в 2020 г. – от 2
млрд. $ (худший) до 6.5 млрд. $ (лучший вариант)).
На новый уровень стали государственные программы
Начало их было положено японской программой «Освещение XXI века» в 1998 г.
Программа светодиодного освещения «Solid-State Lighting, SSL», была разработана
институтами Мин-ва Энергетики США в 2002 г. и была принята как закон
Конгрессом США в 2005 г. Программа SSL ежеквартально обновляется; последняя
версия - в марте 2010 г. Европейская программа (The European GreenLight
Programme) была начата в 2000 г. и принята Европейской Комиссией.
http://www.eu-greenlight.org/index.htm Программа «Фотоника XXI
века; Photonics 21» включает большой раздел СД и светодиодного освещения.
(См. также С.Г.Ашурков. «Светотехника», 2010, №2, с. 67)
Светодиодная тематика включена в пятилетние планы Китая с 2004 г. Массовое
производство СД и СД ламп позволило Китаю к 2010 г. найти широкие применения
СД на внутреннем рынке и занять прочные позиции на международном рынке. В
Корее государственная программа была принята в 2003 г. и вложения в нее все
время расширяются. Производство СД на Тайване конкурентно способно на
мировом рынке.
• Общее число реакторов
для эпитаксиального
роста светодиодных
структур в мире около
1200
• В Европе – 2%
Световая отдача светодиодов и
светодиодных источников света
• Световая отдача различных ламп
(накаливания, галогенных,
компактных и линейных
люминесцентных, газоразрядных
высокой интенсивности) в
исторической перспективе и
предсказания для
полупроводниковых и органических
светодиодов (фирма Navigant
Consulting, Inc , October 2009 DOE
SSL).
• Средние значения световой
отдачи, лм/Вт, светодиодных
источников света (фирма
Caliper; окт. 2009 г., SSL) за
последние годы. Линиями
отмечены данные от минимальных
до максимальных измеренных
значений.
Эффективность светодиодов
Voices for SSL Efficiency 2008 Annual Market Introduction Workshop
July 9-11, 2008 Portland, Oregon. J.Brodrick, S.DenBaars
•
Световая отдача (лм/Вт)
= K* ηelec* ηIQE* ηextrac* ηconv
Цель
2008 г.
Электрическая эффективность
Electrical Efficiency ηelec
95%
80%
• Внутренний квантовый выход
Internal Quantum Efficiency ηIQE
100%
80%
• Коэффициент оптического вывода
Extraction Efficiency
ηextrac
90%
70%
• Коэффициент преобр. люминофора
White Conversion Efficiency ηconv
100%
60%
• Световая эффективность (люмен-эквивалент) - это световая отдача
белого света (6500K) при 100% внешнем квантовом выходе = 340
лм/Вт
K= luminous efficacy of 6500K white at 100%QE = 340lm/watt
• КПД Wall-Plug Efficiency =
ηelec* ηIQE* ηextrac
• Внешний квантовый выход External Quantum Efficiency = ηIQE* ηextrac
Перспективы улучшения параметров
светодиодов (DOE, март 2010 г. )
Единица
измерения
2009 2010 2012 2015
Световая отдача («теплый»)
(КЦТ=2800-3500K, CRI >=85) Лм/Вт
Цена (2800-3500K; 350 mA)
$/Клм
83
46
97
25
Световая отдача («холодный»)
(4100-6500K, 70-80 CRI)
Лм/Вт
Цена (4100-6500K; 350 mA)
$/Клм
132
25
147
13
Цена ламп (от производителя)
$/Клм
130
114
11
101
164
6
61
138
4
188
2
28
Фирма Cree
(Международная выставка
в мае 2010 г. в Лас-Вегасе):
6-дюймовый потолочный
светильник LR6-DR1000 со
световой отдачей 80 лм/Вт;
линейный светильник
LR6-DR1000 со световой
отдачей 100 лм/Вт, световым
потоком 3200 лм, ССТ 3500
К и индексом цветопередачи
90.
Фирма Filips – LumiLeds, май 2010 г. LUXEON Rebel White СД с мощностью 1.2 Вт: при
КЦТ от 2700 до 6500 К (от холодного белого, до теплого белого цвета),
соответственно: световая отдача от 70 до 100 лм/Вт, индекс цветопередачи от 85 до
70, световой поток при 350 мА от 66 до 105 лм. www.philipslumileds.com/.../luxeonrebel-white/
•
•
•
Важно различать данные рекламы фирм от независимых измерений параметров
специализированной организацией!
Важно различать данные о светоотдаче СД и источников света на их основе!
Измерения светового потока (лм) и световой отдачи потолочных светильников
(март 2010 г.). Лампа накаливания 60 Вт дает ~700 лм.