Начиная с появления в 1800 году первой в мире аккумуляторной батареи, которую изобрел итальянский физик Алессандро Вольта, человечество продолжало развивать осветительные приборы. Но если о том, кто первый изобрел лампочку накаливания, можно спорить бесконечно, имена тех, кто совсем недавно совершили огромный прорыв в данной сфере, нашему журналу доподлинно известны.
Молодые ученые из Дальневосточного федерального университета добились повышения надежности сверхъярких белых светодиодов для автомобилей, подводных лодок, туннелей и аэродромов. При этом они также увеличили скорость их изготовления и упростили, а значит, и удешевили этот процесс.
Инноваторы предложили в своей работе новый подход, который позволяет получать такие материалы при температурах на 20% ниже обычных и сокращать общую продолжительность процесса в 10-20 раз – реакционное искровое плазменное спекание, при котором разряды между спекаемыми частицами и фазовые превращения обеспечивают активное уплотнение материала. Авторы отработали метод, используя в качестве сырья широкодоступные коммерческие порошки. При этом они формировали материал с контролируемой мелкозерненой структурой, а его эффективность свечения была выше, чем у известных аналогов, и достигала рекордных 80,7%.
Подробнее о двухфазном керамическом люминофоре нам рассказал один из разработчиков, кандидат технических наук, профессор Департамента промышленной безопасности Политехнического института ДВФУ Денис Косьянов:
– Ведущий люминофор-конвертер, используемый сегодня в коммерческих белых светодиодах, изготавливается путем нанесения слоя люминофора на основе порошка алюмоиттриевого граната, допированного церием Ce:YAG на фиксирующую кремний-органическую смолу. Технические характеристики белых светодиодов такого типа удовлетворяют большую часть потребностей потребителей в повседневной жизни, однако являются маломощными. Также, ввиду неоднородности нанесения слоя люминофора и его низкой теплопроводности (0.1-0.4 Вт/м·K), данным конструкциям свойственна вариация цветовой температуры и т.н. «выгорание» в процессе эксплуатации. Для решения же более широкого спектра вопросов и задач современной фотоники требуется создание не только энергоэффективных, но и высокомощных (сверхъярких) белых светодиодов. Поэтому и возникла необходимость в создании новой формы люминофора, который обладал бы высокими показателями теплопроводности и термической стойкости. По набору термических и физико-механических свойств наиболее перспективным вариантом формы оказались оптические керамики. Например, их теплопроводность в сравнении с таковой для порошковой формы люминофоров Ce:YAG выросла в среднем в 20 раз. Дальнейший поиск путей еще более высокого повышения уровня термо-физических свойств привел нас как раз к созданию уже композитного керамического люминофора на основе функциональной Ce:YAG и термически-стабильной фазы Al2O3. Это обеспечило рост теплопроводности материала еще примерно на 50%.
По словам нашего собеседника, в настоящее время потребление белых светодиодов составляет больше половины от общего потребления светодиодов высокой яркости. Конструктивно, они состоят из двух основных компонентов: светоизлучающего диода с кристаллами синего диапазона длин волн и так называемого желтого люминофора-конвертера. Получение при этом белого света различных оттенков основано на преобразовании части света синего чипа, вызвавшего свечение слоя желтого люминофора.
– Почему в качестве второго компонента была выбрана фаза оксида алюминия?
– В первую очередь, это высокая теплопроводность (32-35 Вт/м·K), большая ширина запрещенной зоны 7-8 эВ, и сравнительно низкая температура спекания материала. Близкие коэффициенты теплового расширения между двумя выбранными компонентами Al2O3 (8.4·10-6 K-1) и YAG (8.6·10-6 K-1) и их хорошее химическое соответствие, что обеспечивает совершенство механических контактов при отсутствии возможных межфазных разделений и тепловых барьеров вдоль их границ раздела. Дополнительно, изменение частицами фазы Al2O3 распространения света в композитной люминофоре (эффект двойного лучепреломления ввиду ее гексагональной структуры) также обеспечивает высокую светоотдачу и однородность цвета светодиода.
– Какие возможности перед российской промышленностью и учеными открывает создание люминофора нового поколения?
– Создание полностью неорганических термостойких люминофоров в первую очередь ориентированы на разработку отечественной технологии изготовления компактных, энергоэффективных и высокомощных источников белого света различных оттенков, основанных на свето− и лазерных диодах с кристаллами синего и УФ−диапазона длин волн.
– Когда планируется начать тестовый этап?
– Нами уже произведена серия опытных образцов конвертеров. В настоящий момент проводятся измерения основных светотехнических характеристик источников при комбинировании данных образцов люминофоров с коммерческими свето- и лазерными диодами. Работы проводятся в коллаборации с учеными Шанхайского института керамики – одного из ведущих мировых научно-исследовательских учреждений.
– На какое расстояние под водой и в воздухе будет распространятся луч света?
– Известные на сегодня прототипы автомобильных фар дальнего света с лазерным усилением обеспечивают оптимальное свечение на расстоянии 1 километр и более.
Стоит отметить, что согласно Дорожной карте по развитию фотоники в Российской Федерации в 2013-2020 г.г., еще 10 лет назад на освещение тратилось 10-15% всего мирового производства электроэнергии, в денежном выражении – около 325 миллиардов долларов. Прогнозируется, что до 2030 года этот объем должен увеличиться вдвое, если не будут приниматься радикальные меры. В первую очередь – переход к новым системам освещения. При этом, согласно прогнозам, освоение светодиодной техники с эффективностью около 150 лм/Вт позволит снизить энергозатраты на освещение на 30-50%. Приведенные оценки были сделаны без учета затрат на борьбу с загрязнениями, обусловленными производством электроэнергии и утилизацией массово используемых сегодня светильников, учет таких затрат еще более повышает экономическую эффективность освоения современной фотоники в освещении.
На сегодняшний день, разработка принципиально нового класса высокомощных светотехнических устройств критически важна для подводных и летательных аппаратов, в автомобилестроении, эндоскопии, проецировании изображений, связи по видимому свету (технология передачи данных), при поисково-спасательных работах, и так далее.
Наше издание будет следить за дальнейшим прогрессом дальневосточных разработчиков и обязательно поделится их успехами с читателями «Науки и технологий».