Стратегия Lumileds в освоении рынка освещения

Анатолий В. Феопентов, июнь 2008

Светодиоды и лампы

Основные причины, тормозящие широкое распространение освещения на белых светодиодах, – это их высокая цена и все еще недостаточная световая отдача. К тому же нужно учитывать, что световая отдача светильника ниже световой отдачи самих светодиодов из-за того, что в светильнике часть энергии теряется при преобразовании в блоке питания и при поглощении излученного света элементами вторичной оптики, например, рассеивателями и отражателями.

Один из самых актуальных сейчас вопросов – насколько реально в ближайшем будущем создание светильников на белых светодиодах, которые были бы конкурентноспособны по сравнению с ламповыми светильниками? Световая отдача типичных светильников с наиболее эффективными типами ламп (люминесцентными и газоразрядными) приведена в таблице 1. Чтобы эффективно конкурировать с ними, светодиодный светильник должен характеризоваться световой отдачей не ниже 70 лм/Вт. Если КПД блока питания составляет не менее 80 %, а потери на вторичной оптике – не более 15 %, то начальная световая отдача светодиода должна быть не ниже 150 лм/Вт.

Таблица 1

Конечно, крупные производители светодиодов разрабатывают свои программы по освоению рынка общего освещения. В первую очередь эти программы ориентированы на повышение эффективности и, как следствие, световой отдачи белых светодиодов. Технически более обоснованной по сравнению с другими представляется программа компании Lumileds.

Ключевые технологии от Lumileds

Стратегия Lumileds основана на разработке технологий, дающих определенные преимущества. Главные из них: тонкопленочная технология изготовления чипа (thin-film flip-chip или TFFC)², керамический люминофорный слой (Lumiramic)³ и технология low-droop⁴, позволяющая уменьшить падение эффективности чипа при увеличении плотности тока.

Именно первые две технологии признаются ключевыми для достижения световой отдачи на уровне 115 лм/Вт³ при больших объемах производства в ближайшем будущем. Технология TFFC, реализованная в первую очередь, увеличивает эффективность чипа за счет повышения вывода света из него.

Технология Lumiramic обеспечивает формирование твердого люминофорного слоя (см. рис.1), образованного спеканием порошкового люминофора в виде керамической пластинки⁵. Такой люминофорный слой немного повышает эффективность преобразования энергии синего света в желтый, а также позволяет улучшить угловую равномерность цветности излучения. Но главная причина применения этой технологии состоит в уменьшении числа возможных областей белого цвета (бинов) для сортировки готовых белых светодиодов на 75 %³. Как следствие, становятся реальностью большие объемы поставок светодиодов с практически одинаковым цветом излучения.

Однако, согласно объяснениям специалистов Lumileds⁷, световой отдачи 150 лм/Вт при больших токах (до 2 А) можно будет достигнуть только при использовании технологии low-droop. Как известно, эффективность чипа, а, следовательно, и световая отдача светодиода падает с ростом плотности тока (в диапазоне рабочих плотностей). Это иллюстрирует, например, рис.2. Основная причина снижения эффективности заключается в существенном повышении плотности носителей заряда при увеличении тока через сравнительно тонкий слой квантовых ям. Поэтому Lumileds планирует вернуться к структурному типу двойного гетероперехода с большим объемом области рекомбинации носителей заряда. Внутренняя квантовая эффективность чипов Lumileds типоразмера 1х1 мм сейчас составляет около 50 % при токе 2 А. Предполагается, что технология low-droop позволит увеличить ее до 90 %.

Стратегия Lumileds

Хронологически рассматриваемую стратегию можно представить следующим образом. В 2008–2009 годах планируется выйти на уровень световой отдачи 100–115 лм/Вт для светодиода с чипом 1х1 мм за счет внедрения в массовое производство технологий TFFC и Lumiramic. В течение последующих пяти лет планируется достигнуть значения 150 лм/Вт при токе 2 А уже за счет освоения технологии low-droop. И, в дальнейшем, предполагается приблизиться к предельному значению световой отдачи (около 220 лм/Вт).

Цель осуществляемой стратегии кратко сформулирована в интервью “George Craford of Philips Lumileds”⁷. Если в настоящее время 1 лм от светодиода обходится примерно в 20 раз дороже 1 лм от люминесцентной лампы, то увеличение рабочего тока до 2 А и световой отдачи до 150 лм/Вт может повысить световой поток примерно в 10 раз. Тогда, если одновременно уменьшить стоимость производства хотя бы наполовину, – затраты на приобретение светодиодов сравняются с затратами на приобретение люминесцентных ламп.

Заключение

Из всего этого следует, что у белых светодиодов после значительных технологических усовершенствований появится шанс если не заменить эффективные виды ламп, то, по крайней мере конкурировать с ними в массовых применениях. Окончательно этот вопрос прояснится, видимо, через несколько лет, когда станет понятно, какой эффективности реально стоит ожидать от мощных чипов при увеличении номинального рабочего тока до 1,5–2 А.

Ссылки

¹ Светотехника. 2007. №3. С.22.
² Evolutionary new chip design targets lighting systems. Compound Semiconductor. 2007. V.13. #2.
³ LED Professional. 2007. Is.3. P.10.
⁴ LEDs Magazine. 2007. Is.13. pp.9,25.
⁵ LED Professional. 2008. Is.6. P.18.
⁶ Lumileds phosphor technology expected to simplify binning. LED Magazine News. 07 Aug 2007.
⁷ LEDs Magazine. 2007. Is.17. P.10.