Светодиодная революция. Тенденции развития рынка светодиодов и светодиодного освещения

Выставки «Light + Building» во Франкфурте-на-Майне и Interlight Moscow в этом году показали, что светодиодная революция началась: большая часть экспозиций была посвящена светодиодам, светодиодным компонентам и светотехническим решениям на их основе.

За год на мировом рынке доля светодиодов, приходящихся на системы общего освещения, выросла более чем в 2 раза: с $1,4 млрд в 2010 г. до $2,05 млрд в 2011-м. По оценкам экспертов, уже в 2016 г. доходность данного сегмента составит как минимум $3,25 млрд, а к 2020 г. не менее 70 % всех светотехнических решений в мире будет основано на светодиодах. Рассмотрим несколько основных тенденций, которые диктует этот стремительно растущий рынок.

Расширение линейки

Преимущества светодиодного освещения привлекают на рынок все больше игроков, поэтому производители в условиях сильнейшей конкуренции вынуждены постоянно расширять ассортиментную линейку и функционал светильников.

В первую очередь расширение происходит за счет разработки потолочных светильников для профессионального освещения с различными техническими характеристиками. Сейчас все лидирующие игроки стараются представить светодиодные аналоги самых популярных офисных и промышленных светильников на основе ДРЛ (дуговая ртутная люминисцентная), ДНаТ (дуговая натриевая трубчатая) и ламп накаливания.

Больше внимания стали уделять внешнему виду светильников и качеству освещения. К примеру, сейчас на рынке уже можно приобрести модели, в которых выставлены светодиоды с разными оттенками белого света. Увеличивая интенсивность отдельной группы светодиодов, можно создавать необходимое в данное время суток освещение. Такой светильник в разгар рабочего дня будет светить более холодным светом, повышая работоспособность, а вечером и утром — более теплым, соответствующим оттенку восхода и заката солнца.

Отдельное направление расширения линейки – решения в области интеллектуального офисного, промышленного, уличного освещения и освещения в сфере ЖКХ. Помимо светильников с опто-акустическими сенсорами (управляются при помощи хлопка, щелчка, уровня освещенности и пр.) на рынке уже представлены продукты с беспроводным управлением. Благодаря тому, что каждому источнику света присвоен IP-адрес, отдельные элементы системы освещения можно регулировать при помощи смартфона, который будет задавать оптимальные алгоритмы работы и энергопотребления.

Интеллектуальные уличные решения анализируют поток движения и передают друг другу сигналы о его направлении. Таким образом, освещение включается только на тех участках, где оно действительно необходимо. Множество светильников поддерживают популярные протоколы беспроводных сетей Dali и ZigBee.

Завоевание розничного рынка

Светодиодные решения уже доказали свою эффективность в промышленном секторе, следующая ступень — завоевание розничного рынка, что намного сложнее, так как здесь существенным для принятия решения может быть даже самый малый фактор — к примеру, внешний вид упаковки.

Сейчас светодиодное бытовое освещение находится чуть ли не на последнем месте по доходности, обгоняя разве что освещение на автономных источниках энергии. Лампы замещения в ближайшие несколько лет должны значительно изменить эту ситуацию на рынке.

Основную прибыль в данном сегменте в настоящее время приносят светодиодные лампы, заменяющие люминесцентные трубки Т8 и Т5, которые используются в офисах и на производственных площадках. С прошлого года все мировые лидеры стали активно продвигать свои лампы — аналоги ламп накаливания со стандартным цоколем Е27. Российские производители не исключение. «Оптоган» вывел на рынок линейку ретрофитов с цоколями Е14 и Е27 шарообразной и свечеобразной формой, которые являются полноценными аналогами ламп накаливания мощностью 40, 60 и 75 Вт.

Смещение R&D [от англ. «Research & Development», аналог российского «НИОКР» — прим. ред.] крупных производителей в сторону ламп замещения — один из самых главных трендов минувшего, 2012 г. При этом, если ранее компании уделяли внимание только улучшению характеристик ламп (увеличение угла свечения, мощности светового потока), то сейчас вектор развития сместился к удешевлению всего решения при сохранении высокого качества света. Это позволило за год увеличить долю светодиодных ламп на российском рынке в 9 раз: с $1,8 млн до $16,74 млн.

Интегрированные решения

Одно из основных направлений снижения себестоимости светодиодных решений — интеграция их компонентов (светодиодных чипов и электроники) на одной подложке. Интегрированный светодиод (Chip-on-board, COB) стоит дешевле, так как при одинаковом количестве чипов данное решение требует меньших затрат на корпус и оптику по сравнению с обособленными светодиодами, обеспечивающими такой же поток света. Более того, COB занимает меньше места и поэтому лучше подходит для компактных решений, в том числе и ламп замещения.

Сокращение количества элементов в драйвере за счет использования высоко-интегрированных электронных чипов и создания типовых решений уменьшает время изготовления светильника, его стоимость и количество возможных ошибок при сборке. Следующим шагом будет интегрирование COB непосредственно с платой драйвера. Это позволит получить готовый светоизлучающий элемент, который нужно будет соединить только с радиатором, рассеивателем, цоколем — и лампа готова!

Материаловедение

Согласно июльскому отчету Министерства Энергетики США, светодиодные лампы намного опережают КЛЛ (компактные люминесцентные лампы) и лампы накаливания по экологическим параметрам. Единственный момент, который вызывает споры в эко-сообществе — это алюминиевые радиаторы, которые массово используются производителями из-за их хороших теплопроводных свойств.

Так как добыча алюминия наносит сильный вред окружающей среде, ведущие игроки запустили исследования различных синтетических материалов, полимеров и керамики с разнообразными добавками, которые смогут отлично отводить тепло и будут дешевле металла. Также активно проводятся тестирования новых материалов для рассеивателей ламп.

Очень интересны исследования в области люминофоров. В их основу входят редкоземельные металлы, основная добыча которых приходится на Китай (97% от мировой добычи). Чтобы не допустить дефицита этих металлов, ученые ведут разработки синтетических люминофоров. В перспективе они будут обладать эффектом пост-люминесценции (остаточного свечения после того, как источник света будет отключен), благодаря которой можно будет полностью убрать мерцание света.

Помимо этого ведутся исследования формы материала: удаленный люминофор поможет расширить диаграмму свечения до привычных в бытовом освещении 300°-330°. Массовые производства синтетических люминофоров уже есть, но они пока не обладают нужным качеством при довольно высоких ценах.

Светодиодный R&D

Что касается самих светодиодов, то здесь также из-за усиления конкуренции идет соревнование на скорость внедрения инноваций. Основное поле битвы — показатели индекса цветопередачи, светоотдачи с Ватта, светоотдачи за $1, выхода годных чипов. Все они в итоге должны отразиться на снижении стоимости конечного продукта.

Индекс цветопередачи (CRI) должен максимально совпадать с индексом цветопередачи солнечного света, прошедшего через земную атмосферу. С 2012 г. CRI для офисных светильников в Европе и России не должен быть ниже 80. Это достаточно высокая планка, которая должна помочь в борьбе с noname-светодиодами низкого качества, свет от которых может негативно сказаться на здоровье человека. Более высокий индекс цветопередачи требуется для источников света в розничных магазинах одежды и типографиях, где необходимо четкое распознавание мельчайших различий в оттенках цветов.

Значительный рост наблюдается в показателе эффективности светодиодов. В этом году в лабораторных условиях он превысил уже 200 люменов с 1 Вт, что практически является пределом технологии. В массовом производстве такой результат пока повторить невозможно — в настоящее время максимальная эффективность стандартного светодиода составляет 160 люменов с 1 Вт, что на 30 люменов лучше показателя прошлого года.

Для повышения светоотдачи и качества света необходимо использование новых материалов на различных этапах производства светодиодов: от эпитаксиального роста до корпусировки. На этапе эпитаксиального роста стоит отметить подложки из нитрида галлия, которые со временем могут заменить стандартные подложки из сапфира или кремния.

Неполярные и полярные подложки GaN

Благодаря тому, что материал полупроводника и материал подложки один и тот же (GaN), отсутствует рассогласование кристаллической решетки, следовательно, отсутствуют дефекты структуры, повышается надежность устройства и снижается эффект падения эффективности при росте плотности тока. Главная проблема у данной технологии — это высокая цена, которая пока не позволяет широко использовать ее в массовом производстве. Другим перспективным направлением развития технологии подложек GaN является переход на неполярные и полуполярные подложки.

На схеме наглядно показано, какие плоскости кристалла GaN будут использоваться для производства светодиодного чипа: А - плоскость, которая используется производителями сейчас — полярная с-плоскость; В - неполярные а-плоскость и m-плоскость; C - полуполярная плоскость. Переход на последние два вида плоскостей позволит существенно снизить электрическое сопротивление, повысить эффективность использования электроэнергии (до 5 раз) и уменьшить размеры конечного устройства, так как светодиодов потребуется в 5 раз меньше.

Послесловие

За последние три года светодиоды из разряда узкоспециализированных перешли в разряд товаров широкого потребления. Почти в любом строительном гипермаркете можно приобрести гибкую линейку с маломощными светодиодами, залитыми прозрачной полимерной смесью. Они активно используются в качестве интерьерной и мебельной подсветки. Такое широкое распространение стало возможным благодаря значительному удешевлению: в 2011 г. цены на светодиоды снизились на треть и продолжают снижаться в настоящее время.

Когда компания «Оптоган» только входила на российский рынок со своими первыми промышленными образцами, стоимость светодиодного килолюмена составляла порядка $22, сейчас, спустя 4 года, она опустилась уже до отметки в $5-7. Но этого все еще не достаточно, чтобы рядовой обыватель, не задумываясь, покупал себе домой светодиодные, а не ртутьсодержащие лампы и светильники.

Согласно мировым (DOE – Министерство Энергетики США) и российским (РОСНАНО) «дорожным картам» развития светодиодной отрасли к 2020 г. стоимость за светодиодный килолюмен составит всего около двух долларов. Период окупаемости при такой стоимости будет настолько коротким, что потребитель уже не захочет выбрать другую технологию.

Тренды в светодиодной индустрии

– Постоянное расширение продуктовой линейки благодаря новому функционалу светильников и их дизайну;

– Развитие направления светодиодных ламп замещения;

– Снижение себестоимости светодиодных решений за счет интегрированных решений;

– Повышение показателей эффективности светодиодов: лабораторные условия более 250 лм/Вт; в производстве более 160 лм/ВТ;

– Интеллектуальные системы освещения. Тренды R&D

– Создание чипов высокого структурного качества, работающих при высоких плотностях тока;

– Новые дешевые материалы с особыми термическими, электрическими и механическими свойствами;

– Обеспечение стабильного высокого индекса цветопередачи;

– Разработка удаленных люминофоров и новых материалов люминофоров.

Владислав Бугров,

кандидат физико-математических наук,