Один из часто задаваемых вопросов представителями промышленности — «почему светодиоды (и солнечные батареи) не делаются дешевле? Ведь они не так сложны в изготовлении». Отчасти это действительно так, однако львиную долю стоимости определяет экономика, включающая в себя всем известную экономию за счет масштабов производства. Исключив путь проб и ошибок, мы смогли бы это осуществить, однако инновационный процесс идет путем эволюции, поддерживаемый некоторыми случайными открытиями. В самом начале мы рассмотрим, что получится, если снизить расходы до минимально возможной величины.
Материалы и реакторы
Все начинается, как это ни удивительно, с основания. По аналогии с пищевой промышленностью, производство полупроводников сравнимо с изготовлением пиццы. Берется твердая основа, называемая подложкой, на которую будут наноситься все последующие слои. Затем готовится соус из основных ингредиентов, добавляются специи, придающие пицце неповторимый вкус. Этот соус называется эпитаксиальные слои. В нашем случае приготовление означает добавку секретных ингредиентов, из которых и состоит соус, и в конце получается нечто вроде слоеной вафли. В состав смеси, вместе с другими ингредиентами входят так называемые исходные металлы — галлий, индий и мышьяк, которые разогревают до испарения, а затем аккуратно напыляют на подложку из сапфира или карбида кремния в больших устройствах, называемых эпитаксиальные реакторы. Наиболее распространенная технология производства называется MOCVD или осаждение металлорганических соединений из газовой фазы. Название составляют первые буквы каждого слова.
Эти реакторы довольно сложны и недешевы — их стоимость варьируется от 1,5 до 2 млн. долларов за установку. Для качественного изготовления всех слоев им требуется изрядное количество времени и много электроэнергии. Чрезвычайная сложность здесь кроется в высокой точности распыления смеси на каждую из множества подложек с допустимым отклонением в сотые доли миллиметра. Дело в том, что равномерное покрытие сводит к минимуму появление различных дефектов, таких как трещины, дыры, излишек или недостаток того или иного элемента. От того, насколько хорошо будет сделано это покрытие, зависит будущее качество конечного продукта. Более того, решив все трудные задачи этого этапа, хочется использовать каждый миллиметр с наибольшей эффективностью. Работа реакторов требует временных затрат, нужно время чтобы закончить одно действие и запустить другое, кроме того, реакторы необходимо обслуживать (сами понимаете, расплавленный металл и высокое давление не лучшим образом сказываются на их самочувствии). Помимо этого реактор необходимо очистить от материалов, оставшихся после предыдущих операций. Например, чтобы изготовить светодиод другого цвета или солнечную батарею.
Реакторы постоянно совершенствуются. Как только улучшение достигает определенной величины, оно становится заметным.
Два года назад на одной из конференций в Тайване второй по величине производитель реакторов фирма Акстрон наметила путь к увеличению размеров пластин подложек. Говоря простыми словами, края пластин бесполезны, а с увеличением размеров самой пластины, коэффициент полезного действия увеличивается за счет ее внутренней площади. Изменение размера пластины с 2-дюймовой до 4-х и 6 дюймов может обеспечить существенное увеличение производительности с каждого миллиметра рабочего пространства при каждом запуске реактора, при условии сохранения единообразия. Компания Виеко пообещала снизить затраты на весь производственный цикл в 4 раза к 2015 году. По словам Джима Дженсона, начальника отдела маркетинга компании Виеко, затраты на реакторы и их комплектующие составляют 50% стоимости производимых ими светодиодов. Представленная в январе текущего года модель K465i, оснащенная новым осадочным соплом, внесла улучшение в весь производственный процесс. Дженсен утверждает, что благодаря этому усовершенствованию, их клиенты заметили увеличение производительности реакторов на 70%.
Улучшения коснулись всего процесса изготовления светодиодов, поскольку высокий процент качественной продукции означает большее количество произведенных светодиодов на каждом этапе производства. Они так же уменьшили время ввода в строй новых реакторов, и на данный момент для их запуска и налаживания качественной работы заказчику требуется всего 2, 5 месяца.
Светодиоды и другая космическая техника
Не так давно, обычные светодиоды яркостью 100 люменов стоили 10 долларов, то есть, 10 центов за каждый люмен (а как вы помните, светодиоды других цветов, например бело-голубые не были доступны для продажи примерно до 2002/2003 годов). В последние несколько месяцев можно увидеть объявления, в которых стоимость каждого люмена снизилась до 2 центов (компания «Cree), потом до 1,5 (компания Bridgelux), и в настоящий момент — менее одного цента. Уже достоверно известно, что такие производители как Osram, Philips, Nichia и другие не стали искусственно поддерживать стоимость люмена в районе 10 центов, и специально не повышали цены. Возможно, этот фактор и позволит снизить стоимость люмена в 10 раз за какие-то 5 лет. Как это возможно мы рассмотрим в следующей части комментария.
Вспомогательные компоненты
Достаточно сказать, что можно внести улучшения в оба прибора, которые питают и управляют светодиодом, а также улучшить энергоснабжение питающее сами эти приборы. Надежные и с большим потенциалом они стоят немало, особенно если дело касается энергоснабжения.
Лампы и светильники для прямой замены
Как получить светодиодные лампочки стоимостью в 5 долларов? Скорее всего, никак, и не потому, что их невозможно сделать, а потому что это нерентабельно. В какой-то момент продукция выходит на массовый рынок, и ее удешевление является наилучшим выходом. Одним из моих любимых и постоянно приводимых примеров, объясняющих происходящее в промышленности, является прогресс на рынке компьютерных технологий.
Когда-то в 80-х годах первые электронно-вычислительные машины стоили 2000 долларов, игровые приставки — 1000 долларов. Немногие компании могли позволить себе такую дорогую технику. 2000 за компьютер, плюс еще несколько тысяч за программное обеспечение — гораздо проще было произвести необходимые расчеты на бумаге. Со временем технологии развивались, а цены на компьютерные комплектующие снижались, и вскоре компьютеры стали доступны массам. Однако, дойдя до определенной суммы в 500 долларов, цены на компьютеры и комплектующие, за редчайшим исключением, остановились. В чем же дело? В рыночной составляющей. Продавать за меньшие деньги невыгодно, повышать цены — неразумно, тем более, что по существующим расценкам они раскупаются охотно.
Примерно такого же развития ситуации можно ожидать и для светодиодов.
Снижение стоимости светодиодов
Чтобы говорить на одном языке с производителями светодиодов, специалистам, задействованным в области освещения и светотехники, было бы неплохо ознакомиться с базовым техническим материалом по этим технологиям. Не копаясь слишком глубоко (я, поверьте, тоже не специалист в данной области) можно выделить всего два основных элемента, от которых зависит коэффициент полезного действия светодиода. Один производит фотоны, другой их излучает. Когда-то, такого рода взаимодействия описывались устаревшими фразами вроде «внутренней квантовой эффективности».
Максимальный предел светового излучения, достигнутый современной наукой, составляет по результатам лабораторных исследований 200 люменов на каждый ватт энергии. Однако, уже известно, что в 1 ватте энергии кроется чуть более 300 люменов (с тех времен, когда люмен стал единицей измерения чувствительности глаза к цветовому спектру и балансу белого, за единицу измерения был принят белый свет, хотя, это и не совсем точно, так как человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность в зеленом спектре). Так как вещество способно излучать более 200 люменов, а мы достигли всего лишь 200 из 300 возможных, то дело заключается в неэффективном «извлечении» световой энергии.
Для решения этой проблемы существует ряд выходов — размещение материалов с более высокой отражательной способностью вокруг или под излучающей поверхностью, придание этой поверхности определенной формы, эффективно направляя и встраивая оптику под сам чип светодиода (подобным образом дебютировал производитель светодиодов компания Illumitex). Не стоит на месте и прогресс в области изготовления новых фосфорецидных соединений, преобразующих стандартный цвет светодиода в другие цвета спектра. Новые нанофосфорные соединения (квантовые точки) открывают интересные перспективы в использовании наноматериалов, так как они довольно устойчивы к бомбардировке фотонами и увеличивают коэффициент полезного действия светодиода на 15 процентов. Кроме того совершенствуется система охлаждения излучающих поверхностей. До тех пор, пока коэффициент полезного действия светодиода не будет равен 100%, всегда будет оставаться тепловая энергия, которая не лучшим образом влияет на самочувствие полупроводников. Чем больше тепловой энергии удастся рассеять с излучающей поверхности, тем светодиод будет более компактным. Все эти проблемы пока находятся в области научных
изысканий.
Светодиодное освещение это не только сами светодиоды и провода. Для их работы необходимо маленькое напряжение. В настоящее время большинству требуется постоянный ток, хотя встречаются и светодиоды работающие на переменном. В качестве улучшения, блоки управления и питания светодиодов можно разместить в одном очень компактном корпусе, а то и в самом светодиоде. Такие требования диктуются потребностью в высоком качестве и минимальных размерах. Надежные электронные чипы, управляющие энергоснабжением, широко применяются и в других областях — военной, медицине и других, где требуются качество, надежность и точность. Видимо, это и меняет необходимые размеры от «больших и дешевых» до «маленьких и жизненно необходимых». Прогресс неизбежен, и мы уже готовы к дееспособным решениям для светодиодных ламп, стоимостью ниже 1 доллара, какие предлагает компания NXP.
Светодиоды — это не только электричество. С точки зрения соотношения цены и возможностей не стоит на месте и прогресс оптики, теплообмена и экологичности. Такие компании как Carclo и Fraen проделали колоссальную работу, объединив вместе стандартные и заказные оптические решения для SSL производителей. Нужна 60-градусная оптика, разработанная для работы с компанией Luxeon Rebel? Получите. Нужен набор согласованной оптики, соответствующей последним разработкам фирмы Cree? Нет проблем.
Объем производства и естественные тенденции вкупе с некоторыми общими факторами и повлияют на снижение стоимости. Весьма интересный момент представляет собой управление теплообменом, которое может помочь решить два аспекта — проблему компактности светодиодных ламп и экологичность материалов для LED технологий. Обычно, для рассеивания тепла в светодиодах используют различные металлы, частицы которых вместе с этим самым теплом засоряют воздух.
Проблема в использовании металлических покрытий для теплоотвода заключается в засорении вентиляционных отверстий, что ведет к снижению рассеивания тепла, а это в свою очередь снижает эффективность излучения и сокращает срок службы. Два интересных подхода предложили компании Nuventix и GrafTech International. Первый заключается в том, что ультразвуковые колебания создают определенную направленность воздушного потока, в результате чего тепло «выдувается» из светодиодов. Второй представляет собой использование графитных поверхностей, впитывающих тепло.