Силы света

Прошло 15 лет с тех пор, как Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию за разработку полупроводниковых гетероструктур — основы светодиодных кристаллов. Это достаточный срок, чтобы разработки фундаментальной науки добрались до прикладного применения: в июле 2015 года компания Nokia презентовала патент на «умные часы» со светодиодным оповещением, а портфельная компания «Роснано» «Монокристалл» вырастила трёхсоткилограммовый синтетический сапфир — такие используются как основа светодиодов по всему миру. Однако пока в России энергосберегающие технологии распространяются в основном на всевозможные виды внешнего и внутреннего освещения. Корреспондент Сиб.фм для спецпроекта «Технологии и инновации» пообщался с новосибирскими и московскими продавцами и производителями светодиодных светильников, а также с учёными-медиками, чтобы узнать, чем эти устройства полезны для здоровья, сколько энергии можно сэкономить с их помощью и когда Россию ожидает светлое будущее.

Что это такое?

Светоизлучающий диод, или LED (от английского Light emitting diodes) работает на полупроводниковых кристаллах. Через так называемый pn-переход пропускается электрический ток, и в результате появляется излучение фотонов света. Цвет зависит от полупроводника: в красных диодах используется алюминия-галлия арсенид, а в синих — индия-галлия нитрид.

Для производства кристаллов нужен высокотехнологичный завод, поскольку их буквально «выращивают», наслаивая полупроводники и получая так называемую гетероструктуру. Хотя принцип работы светодиодов известен всем, нюансы технологии составляют коммерческую тайну каждого производителя.

— Прототипы светодиодов появились в начале XX века, но из-за дороговизны они практически не использовались. Только в 90-е годы учёные изобрели эффективные синие светодиоды, которые можно было использовать для освещения. Тем не менее они оставались очень дорогими до начала 2000-х. Только тогда их стоимость начала снижаться, и теперь их вполне можно использовать для освещения, — говорит начальник технического отдела компании «Сант», оборудовавшей светодиодными светильниками новосибирский Технопарк, Александр Гришмановский.

LED-светильники не единственный тип энергосберегающих ламп.

К ним также относят газоразрядные, в которых источником свечения выступает электрический разряд в газах. Газоразрядные лампы, в свою очередь, делятся на люминесцентные и газосветные. Газоразрядные и светодиодные лампы построены на разных физических принципах, хотя и относятся к категории энергосберегающих, в противоположность лампам накаливания.

Осветительные светодиоды излучают синий цвет, а белый получается от люминофора, который покрывает защитную линзу светодиода

Кто производит?

В России довольно много фирм, производящих светодиодные светильники, но сами светодиоды, как правило, импортные. Изготовители светодиодов — это США, Япония, Корея, Германия. В последние годы до приемлемого уровня повысилось качество китайских светодиодов. В 2011 году было организовано Некоммерческое партнёрство Производителей светодиодов и Систем на их основе — оно до сих пор остаётся единственной в России профессиональной организацией производителей светодиодов. Сюда входят 26 компаний, в том числе входящая в портфель «Роснано» «Оптоган» и новосибирские завод Lampyris и ООО «Сант». На заводе «НЭВЗ-Керамикс» сами светодиоды не изготавливают, но производятся керамические подложки для них.

Как производит?

На заводе Lampyris светильники производят на основе готовых светодиодов. Особая гордость компании — технология «Тонкий свет» — позволяет встраивать в светильники меньше диодов, но сохранять надлежащее качество. Заводская площадка в Новосибирске уже работает, хотя официально предприятие откроется только в сентябре. Конвейер может производить до 50 тысяч корпусов для светильников за одну смену в месяц. Здесь заготовки проходят сушку, покраску и спекание. Практически весь процесс автоматизирован. Рабочий только навешивает детали на конвейер и затем снимает их.

— Вот помещение для селективной спайки (пайка отдельных деталей, не затрагивающая остальные). Здесь будут стоять два полностью автоматизированных конвейера. Человек принёс детали, загрузил и стоит, в носу ковыряется, а станок всё сам делает, — говорит директор Lampyris Лев Бухгейм.

Энергоэффективная лампа та, что обладает большой светоотдачей — соотношением между световым потоком и потребляемой мощностью

Готовые светильники здесь же проходят тест качества и упаковываются. Также на заводе находится лаборатория с измерительными приборами — таким образом, все измерительные характеристики можно проводить на месте, не отдавая никому за это деньги. Это дополнительный способ контроля качества, считает Лев Бухгейм.

Где применяются?

Светодиодами освещают дороги и тоннели, витрины и торговые пространства, спортивные арены и заводские площадки. В полиграфии для закрепления красок используют ультрафиолетовые светодиоды, в камерах видеонаблюдения — инфракрасные. Диодные светильники дают разгуляться фантазии дизайнеров, художников и архитекторов — на фестивале «Архстояние» в Калужской области можно было увидеть примеры «светового» творчества.

В Новосибирске светодиоды применяют в гирляндах клип-лайт и белт-лайт — тех самых, что развешивают на деревьях. Поскольку светодиоды, излучая мягкий свет, дают мало тепла, без них не обходится ни один фестиваль ледовой скульптуры. Светодиодными фонарями освещается Областная юношеская библиотека и территория Технопарка новосибирского Академгородка.

— Светильники установлены на фасаде самого здания, а также на опорах вдоль улиц Инженерная и Николаева. Светодиоды включаются, выключатся и меняют освещённость в автоматическом режиме, то есть участия человека не требуется. Есть режим прогрева на случай сильных морозов зимой, так как светильники запускаются не сразу — сначала их нужно прогреть, — говорит главный энергетик Технопарка Алексей Шаныгин.

В чём польза?

Светодиодные лампы гораздо полезнее для здоровья, чем люминесцентные, считает заведующая отделом гигиенического нормирования и экспертизы Научного Центра здоровья детей РАН Любовь Текшева.

Исследование 200 школьников, которое провёл центр при поддержке Фонда инфраструктурных и образовательных программ (входит в Группу РОСНАНО), показало, что их работоспособность повысилась, а утомляемость понизилась. Здоровье школьников оценивали по 24 показателям. В итоге преимущество светодиодов выявили по 18 пунктам.

— Известно на популяционном уровне, что кумуляция утомления и развитие переутомления школьников встречается в 35% случаев. В начальной школе при люминесцентном освещении мы имели эту условную норму — 34%, при светодиодном освещении выраженное утомление наблюдается только в 28% случаев. В средних и старших классах школы случаи выраженного утомления наблюдались реже на 10–17%, чем при люминесцентном, — говорит Любовь Текшева.

28 секунд — время, за которое на Lampyris изготавливают один корпус для светильника

Секрет светодиодов — в спектре их излучения: он наиболее приближен к естественному солнечному свету. У люминесцентных ламп спектр линейчатый — он не физиологичен ни для глаза, ни для мозга человека. Кроме того, пульсация светового потока для качественных светодиодных светильников составляет 0,5%, а для самых распространённых люминесцентных светильников — до 40% при нормативе в 5%. Разница в пульсации сказывается на состоянии глаза — он утомляется намного меньше.

Созданная научная доказательная база позволила сформировать при содействии Фонда инфраструктурных и образовательных программ пакет нормативных документов для свободного обращения светодиодов на рынке.

А выгода?

При условии налаженного отечественного производства освещение города светодиодами может и должно быть экономичным, считает гендиректор компании-производителя светодиодных систем освещения «Ледарт» Никита Кононов.

— Реальное энергосбережение легко считается. Самый популярный в этой области традиционный светильник на газоразрядной лампе потребляет 150-200 ватт, светодиодный с таким же световым потоком — 60-80 ватт. При этом в последнее время архитектурные светильники стали дешевле, чем европейские с традиционной газоразрядной лампой, — говорит Кононов.

Его мнение подтверждает и Александр Гришмановский.

— Целесообразность использования светодиодов для освещения обусловлена двумя факторами, — говорит Гришмановский. — Это срок службы и эффективность. Светодиод работает без перебоев от 50 до 100 тысяч часов. Для сравнения, средний предел для лампочки накаливания — 1000 часов, для люминесцентной — 5000 часов. То есть на основе светодиодов можно создавать светильники, отвечающие принципу «повесил и забыл».

50 000 часов — это 17 лет работы светильника при использовании 8 часов в день

— Кроме того, эффективность, то есть характеристика отдачи источника света среднего по параметрам светодиода сейчас составляет порядка 100 люмен/ватт. Для сравнения, эффективность лампы накаливания — порядка 12 люмен/ватт, люминесцентной лампы — около 45 люмен/ватт. Оба этих фактора обусловлены физикой процесса в кристалле, то есть это «врождённое» качество светодиодов. Более того, эти характеристики постоянно улучшаются по мере развития технологии, добавляет Гришмановский.

Светлое будущее

— Рынок светодиодных светильников в России только формируется. Наверное, мы участвуем в развитии этого рынка, и мы достаточно активный игрок с точки зрения объёмов потребления, но не в плане производства, — считает Лев Бухгейм. — Когда выйдем на полную мощность, сможем производить до 100 тысяч светильников и практически все детали вплоть до болтиков и шурупчиков будем производить сами.

Светодиодными светильниками уже начинают пользоваться госструктуры и корпорации. Скоро, по мнению Льва Бухгейма, на них перейдут почти все.

— Ещё два года назад для знающих людей тема была неочевидна, потому что последние модели люминесцентного освещения по эффективности не уступали светодиодному, при этом были дешевле. Сейчас светодиодные светильники по эффективности ушли далеко вперёд. Я думаю, что ещё год-два, и это явление может приобрести массовый характер. К тому же технологии не стоят на месте, и после светодиодов появится что-то ещё. Хотя в хозяйственное оснащение они войдут нескоро, — считает директор Lampyris.

По мнению Александра Гришмановского, применять светодиоды выгоднее всего там, где они заменяют светильники с длительным временем включения в течение суток. При этом необходимо учитывать и тип заменяемых светильников.

— В некоторых случаях, несмотря на высокую эффективность, у потенциального заказчика нет средств для вложения в светодиодное освещение, которое остаётся достаточно дорогим. Иногда это невыгодно конкретным людям, обслуживающим освещение. Так как светодиодные светильники гораздо надёжнее, конкретные лица остаются без дополнительных денег. Бывает, что люди «обжигаются» на некачественных светильниках и разочаровываются в них в принципе. Но процесс внедрения светодиодных светильников уже пошёл, и с каждым годом быстрее, — говорит Гришмановский.

Однако самые интересные применения светодиодам находят пока в лабораториях. К примеру, учёные начали применять свет даже при лечении рака.

— Пациенту вводят жидкий препарат — фотосенсибилизатор. Он избирательно накапливается в опухолях и почти не задерживается в окружающих их здоровых тканях. При освещении лазером или светодиодом молекулы фотосенсибилизатора передают энергию квантов света кислороду в тканях, превращая его в активную форму и высвобождая высокоактивные кислородсодержащие радикалы. Эти радикалы нарушают развитие тканей опухолей, вызывая повреждение сосудистой системы опухоли либо некроз или апоптоз патологических клеток, — говорит Кононов.

По этому же принципу — совместно с фотосенсибилизатором — работают светодиодные аппараты дерматокосметологии. Они уничтожают дефектные клетки, стимулируют деление стволовых клеток базального слоя кожи, а также способствуют выработке коллагена — за счёт этого происходит омоложение кожи.

25 мая 2015 года состоялось заседание наблюдательного совета агентства стратегических инициатив по продвижению новых проектов под председательством президента Путина. Федеральным министерствам было рекомендовано поддержать проект «Развитие производства энергоэффективной светотехники на основе светодиодных технологий». Факт заседания говорит как минимум о том, что перспективность развития светодиодных технологий в России признана на федеральном уровне.

Стоматология, борьба с онкозаболеваниями, освещение улиц, стадионов и газовых месторождений — всё это области использования светодиодов, и российским компаниям предстоит длительная работа, чтобы все мы в конечном счёте оказались на светлой стороне.