Полупроводниковые светотехнические продукты и технологии компании Soraa

Компания Soraa, Inc. (г. Фримонт, шт. Калифорния, США) была создана в 2008 г. группой ученых, работающих в области полупроводниковой светотехники, из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) с целью разработки и производства осветительных приборов исключительно на основе GaN-светодиодов, выполненных на GaN-подложках (GaN on GaN).

Рис. 1. Суджи Накамура

В числе ее основателей были профессора Суджи Накамура (Shuji Nakamura, фото на рис. 1), Стивен П. Денбарс (Steven P. DenBaars, рис. 2) и Джим Спек (Jim Speck, рис. 3).

Рис. 2. Стивен Денбарс

Рис. 3. Джим Спек

Выпускник Университета префектуры Токусима, Суджи Накамура, получивший степень магистра в области электронной техники, начал свою карьеру в компании Nichia, основатель которой Нобуо Огава (Nobuo Ogawa) был готов поддержать исследования в области GaN-материалов. Работы с этим материалом проводились и ранее. Например, известно, что первый синевато-зеленый GaN-светодиод был создан в 1971 г. группой сотрудников лаборатории RCA под руководством Жака Панкова (Яков Исаевич Панченков, рис. 4, родился в 1922 г. в России), однако до его промышленного выпуска дело не дошло [1].

Рис. 4. Жак Панков

В 1989 г. японские ученые Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) и Хироси Амано (Hiroshi Amano) впервые получили нитрид галлия GaN р-типа, легированный магнием, и продемонстрировали ультрафиолетовый светодиод на его основе [2].

Суджи Накамура создал свой первый синий GaN в 1991 г., а после ряда усовершенствований он разработал технологию изготовления синих светодиодов. Она оказалась приемлемой для промышленного производства, начатого фирмой Nichia в 1994 г. В 1995 г. Накамура продемонстрировал первый ультрафиолетовый InGaN MQW-светодиод, а в 1996 г. анонсировал белый и зеленый светодиоды. За разработку первого в мире коммерческого синего светодиода компания Nichia наградила Накамуру премией в 20 000 йен (180 долл.), правда, впоследствии она компенсировала эту несправедливость выплатой 840 млн йен (7 млн долл.) [3].

Нобелевская премия по физике была присуждена японским ученым Исаму Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамуре за прорыв в технологиях искусственного света, о чем 7 октября 2014 года объявил в Стокгольме Нобелевский комитет Шведской королевской академии наук.

Профессор электротехники и вычислительной техники Стивен Денбарс является также содиректором «Исследовательского центра по изучению твердотельного освещения» (SSLEC — Solid State Lighting and Energy Center) при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB). Там он активно занимался разработками в области создания светодиодов на основе нитрида галлия. Он целенаправленно исследовал широкозонные полупроводники на основе GaN и возможность их применения в синих светодиодах и лазерах. В результате его работы был создан первый синий лазерный диод на основе GaN, продемонстрированный в американских университетах.

Разработки в области GaN-светодиодов являются основной областью деятельности и профессора Джима Спека. В 2002 г. Денбарс, Накамура, Спек и Умеш Мишра (Umesh Mishra) основали «Центр твердотельного освещения и дисплеев», преобразованный в SSLEC в 2007 г. [4].

Технология GaN on GaN

Главным преимуществом данной технологии производства светодиодов по сравнению с наиболее распространенными технологиями на основе инородных подложек (Foreign Substrates) является высокая надежность работы при больших плотностях тока. Число дефектов нитрид-галлиевых структур Soraa до 1000 раз меньше, чем у традиционных (подложки из кремния, сапфира, карбида кремния), соответствующее сравнение структур показано на рис. 5. Это позволяет приборам Soraa излучать в 5 раз больше света на единицу площади, чем традиционные светодиоды. Высокие оптическая прозрачность, теплоемкость и электропроводность GaN-структур способствуют повышению надежности и упрощению конструкции осветительных приборов, а также обеспечивают максимальные светоотдачу и световой поток.

Рис. 5. Дефекты структур

Третье поколение светодиодов Soraa (Gen 3 GaN Led) установило мировой рекорд эффективности по преобразованию электрической энергии по критерию «от розетки на стене» в световой поток (Wall-Plug Efficiency), превышающий ближайших конкурентов на 20% при нормальных условиях эксплуатации. Осветительные приборы Gen 3 Led обеспечивают Wall-Plug Efficiency (WPE) или КПД, равный 75% при плотности тока 35 А/см² и температуре перехода 85 °С. При этом собственный дизайн приборов с единственным светодиодом на плате позволяет реализовать точечный, хорошо управляемый источник света.

Рис. 6. Характеристики эффективности

На рис. 6 приведены зависимости Wall-Plug КПД приборов Gen 3 Led и сопоставимого прибора на сапфировой подложке от плотности тока.

Технологии VP3 Vivid Color и VP3 Natural White

В большинстве полупроводниковых светотехнических приборов в качестве источников белого света используются синие светодиоды, покрытые различными люминофорами. Спектры излучения таких приборов в той или иной мере имеют пик в области синего цвета, что снижает индекс цветопередачи CRI и качество освещения. Чтобы повысить индекс и получить теплый белый свет, нужно соответствующим образом подобрать состав люминофоров, что в большинстве случаев приводит к снижению световой эффективности и величины светового потока.

Технология VP3 Vivid Color («живые цвета») основывается на простой идее — естественный видимый свет начинается в фиолетовой, а заканчивается в темно-красной области спектра. В перспективных светодиодах Soraa используются фиолетовые GaN on GaN светодиоды с длиной волны 410–420 нм, а люминофоры состоят из трех слоев, содержащих синие, зеленые и красные компоненты (VP3 — Violet-Emission, 3-Phosphor). В итоге спектр излучения приборов перекрывает все видимые цвета без существенных пиков, а индексы цветопередачи CRI и R9 достигают значения 95 и более.

Рис. 7. Спектры источников света

На рис. 7 приведены спектры излучения различных источников света. Спектр излучения приборов VP3 Vivid Color в видимом участке весьма близок к спектрам дневного света и галогенных ламп. Качество передачи насыщенных красного и синего цветов определяется в основном индексами R9 и R12. Их значения при освещении приборами VP3 Vivid Color существенно выше, чем при освещении приборами на основе синих светодиодов (рис. 8) [5].

Рис. 8. Индексы CRI

Цветовое восприятие белизны освещаемых объектов в значительной степени определяется наличием в падающем свете фиолетовых составляющих, вызывающих флуоресцентное свечение (отбеливание). При наличии в освещаемых объектах флуоресцентных отбеливающих агентов (Fluorescent Whitening Agents), например в зубах или декоративных элементах одежды, оттенки белого по-разному ощущаются при дневном или галогенном освещении по сравнению с тем, которое обеспечивают полупроводники на основе синих светодиодов с люминофорами. Технология VP3 Natural White («естественный белый») предусматривает возможность сортировки выпускаемых приборов по нескольким калиброванным оттенкам белого вследствие изменения длины волны фиолетового светодиода в пределах 400–440 нм. На рис. 9 показан пример освещения объекта традиционным и Soraa VP3 Natural White прибором [6].

Рис. 9. Сравнение различных источников света

Кристаллические структуры GaN on GaN позволяют работать при плотностях тока до 5 раз больших, чем у кристаллов на инородных подложках. При этом мощный источник света можно получить с помощью только одного светодиода. Это дает возможность легко варьировать ширину и форму диаграмм распределения силы света точечных источников с помощью специальной оптики — такую технологию компания Soraa назвала Point Source Optic.

Высокая яркость и малые размеры светодиодов Soraa позволяют реализовать эффективные решения для акцентированных световых приложений, для которых необходим высокий уровень освещения только определенных областей. На рис. 10 приведены сравнительные характеристики галогенных и полупроводниковых ламп Soraa. Как показано на рис. 10, точечные источники Point Source Optic дают значительно меньший уровень рассеянного светового потока (Lumens in Split) — за пределы основного светового пучка попадает всего 10% излучаемого светового потока против 40% у галогенных ламп.

Рис. 10. Характеристики источников света

Подобная картина наблюдается и при использовании многокристальных светодиодных модулей. Важной задачей акцентированного освещения является и уменьшение боковых бликов направленных осветительных приборов. В этом отношении световые приборы с точечными излучателями более предпочтительны. На рис. 11 показаны примеры освещения приборами с одинаковыми значениями CBCP (Center Beam Candlepower — сила света в направлении оси лампы, измеряется в канделах) и шириной луча, но с разным уровнем бокового рассеянного света (справа прибор Point Source Optic).

Рис. 11. Сравнение источников света

Компания не производит отдельные светодиоды для сторонних потребителей и ОЕМ-производителей, она выпускает только осветительные приборы и аксессуары. В каталоге компании на 2014 г. представлены полупроводниковые ретрофитные лампы LED MR16-GU5.3, MR16-GU10, PAR30, PAR38, AR111, а также оптические насадки для них [7].

Рис. 12. Лампа LED MR16

Полупроводниковые лампы LED MR16 серии VIVID (рис. 12), выполненные по технологиям VP3 Vivid Color/Natural White, предназначены для создания направленного освещения в жилых помещениях, гостиницах, предприятиях общественного питания и торговли. Приборы являются точечными источниками света, они впервые обеспечили сопоставимые с галогенными лампами характеристики, такие как качество света (CRI = 95, R9 = 95) и высокое значение параметра CBCP. Исполнения ламп с узким лучом (Narrow Spot) обеспечивают CBCP до 6000 при CRI = 95 и до 7750 при CRI = 80. Приборы соответствуют требованиям Energy Star, они полностью совместимы с галогенными лампами MR16 и обеспечивают регулировку яркости в широком диапазоне. По цветовым температурам выпускаются исполнения с Т_цв, равной 2700, 3000, 4000, 5000 К, и шириной луча, составляющей 10, 25, 30 и 60°. Напряжения питания — 12, 120 и 230 В переменного тока. Высокое качество белого света обеспечивается и за счет извлечения до 70% OBA (Optical Brightening Agents — оптические отбеливающие агенты) фиолетовым излучением в диапазоне длин волн 400–440 нм. Лампы сертифицированы в соответствии со стандартами IEC/EN 60598-2-22 (безопасность), FCC 47 CFR Part 15 and Part 18 (EMI), RoHS, CE.

Рассмотрим особенности ламп Soraa VIVID 2 LED MR16 2700K 12V 10—12W, предназначенных для замены галогенных ламп MR16 внутри помещений. Основные параметры приборов:

• сила света CBCP — 1200–5700, световой поток 400–460 лм (зависят от исполнения);
• ширина светового луча 10, 20, 25, 36°, зависимости освещенности от расстояния до объекта и диаграммы распределения силы света для исполнений Narrow Spot 10° и Narrow Flood 36° приведены на рис. 13а, б;
• цветовая температура 2700 К, CRI и R9 более 95, соответствующие диаграммы приведены на рис. 14;
• диапазон напряжений питания 10,8–13,2 В, коэффициент мощности 0,93, диммирование до 20%;
• эффективность и мощность потребления Wall-Plug — 38–40 лм/Вт и 10,4–11,5 Вт (зависят от исполнения);
• стандартный MR16 форм-фактор с габаритами 50×47,4 мм, масса 40 г;
• полная совместимость с различными магнитными и электронными трансформаторами и диммерами;
• ожидаемый срок службы — 35 000 ч, срок гарантии — три года;
• энергоэффективность — потребление электроэнергии на 80% меньше, чем у сопоставимых галогенных ламп, типовая окупаемость до года включительно;
• диапазон рабочих температур — –40 °С (окружающая среда)…+(80–110) °С (корпус лампы), максимальная температура корпуса 120 °С.

Рис. 13. Характеристики направленности:
а) spot 10°;
б) поток 36°

Полупроводниковые лампы LED MR16-GU10, предназначенные для подключения к сетям переменного тока на 120 и 230 В, могут быть использованы для замены галогенных ламп MR16 внутри и вне помещений. Спектральные диаграммы и показатели индексов цветопередачи практически совпадают с соответствующими диаграммами, представленными на рис. 14.

Рис. 14. CRI и спектры

Ниже приведены различающиеся параметры ламп Soraa VIVID 2 LED MR16 4000K GU10 230 9,5W (на рис. 15 — исполнение Narrow Spot, на рис. 16 — Narrow Flood, Flood, Wide Flood):

Рис. 15. Лампа Narrow Spot

Рис. 16. Лампы Narrow Flood, Wide Flood

• CBCP — 360–6080, световой поток — 410 лм, эффективность — Wall-Plug 43 лм/Вт, мощность потребления — 9,5 Вт.
• ширина светового пучка — 10, 25, 36, 60°, зависимости освещенности от расстояния до объекта и диаграмма распределения силы света для исполнения Wide Flood 60° приведены на рис. 17;
  
  

  Рис. 17. Характеристики направленности (см. рис.13)

• цветовая температура 4000 К, CRI более 95, R9 более 90;
• диапазон напряжений питания 200–264 В, коэффициент мощности 0,80;
• эффективность Wall-Plug и мощность потребления — 43 лм/Вт и 9,5 Вт;
• стандартный MR16 форм-фактор с габаритами 50×55,8 мм, масса 70 г.

Полупроводниковые лампы LED AR111, предназначенные для подключения к сетям напряжением 12 В переменного тока, могут быть использованы для замены галогенных ламп AR111 мощностью 75 Вт внутри и вне помещений. Ниже приведены различающиеся параметры ламп Soraa VIVID LED AR111 3000K 18,5W (рис. 18):

• CBCP от 1100 (ширина луча 60°) до 24 100 (9°), световой поток 1000 лм;
• ширина светового пучка 9, 25, 36, 60°;
• цветовая температура 3000 К, CRI и R9 более 95;
• напряжение питания 10,8–13,2 В, коэффициент мощности 0,9;
• эффективность Wall-Plug и мощность потребления — 54 лм/Вт и 18,5 Вт соответственно;
• форм-фактор AR111 — габариты 111×57 мм, масса 250 г.

Рис. 18. Лампа AR111

Во время написания статьи лампы класса VIVID PAR30L, PAR30S, PAR38 с октальным цоколем выпускались только на сетевое напряжение 120 В.

Во многих полупроводниковых лампах Soraa применена инновационная оптика Folded Prism Optics (рис. 19), состоящая из множества линейчатых призм. Она обеспечивает эффективное сложение света от единичного источника и формирование узких световых пучков заданной ширины.

Рис. 19. Оптика Folded Prism Optics

Сменные оптические насадки (Snap System) предназначены для установки поверх ламп LED MR16 с шириной луча 10°. Конструктивно насадки выполнены в виде легко сменяемых тонких дисков с магнитной фиксацией. Они выпускаются двух категорий — для формирования специальных диаграмм распределения силы света и для сдвига цветовой температуры с целью получения нестандартных значений ниже 2700 К. Таким образом, применение насадок позволяет использовать однотипные лампы для различных условий освещения их простой сменой (насадки показаны на рис. 20).

Рис. 20. Насадки

Насадки для расширения узких пучков света (Beam Spreader Snap) используются для преобразования узких пучков ламп LED MR16 (с шириной луча 10°) в более широкие. Выпускаются насадки трех типов: ширина луча (Beam) 25° — поле зрения (Field Angle) 40°; 36° — 55°; 60° — 103°, при установке насадок параметр BDCP снижается и составляет 29, 14 и 5% относительно 10-градусной лампы соответственно.

Насадки для получения эллиптических пучков света (Linear Snap) выпускаются в двух исполнениях: с шириной пучка 10×25 и 10×36° (рис. 21), обеспечивающих поля зрения 27×35 и 27×43°, BDCP при этом относительно 10-градусной лампы составляют 52 и 38% соответственно.

Рис. 21. Характеристики эллиптических насадок

Для получения световых пучков с квадратным сечением предназначены насадки Flat Top Snap, выпускаемые в исполнениях 25×25 и 36×36° (рис. 22) с полями зрения 44×44 и 46×46°. Диаметр всех перечисленных насадок составляет 50 мм, толщина — 2 мм, а световой поток (Lumen Transmission) — не менее 90% от исходного.

Рис. 22. Характеристики квадратных насадок

Для организации верхнего освещения предназначены насадки Louver Snap, представляющие собой круглую крышку из черного пластика с сотовыми отверстиями. Когда такая насадка надевается на лампу LED MR16, боковая засветка практически полностью подавляется (рис. 23). Ширина светового пучка — 40°, с резкими спадами на краях характеристики, BDCP составляет 63% относительно 10-градусной лампы.

Рис. 23. Характеристики заградительных насадок

В ресторанах, учреждениях здравоохранения и на других объектах нередко требуется специальное освещение, имитирующее натуральное, например свет свечи, камина, костра. Специальные насадки ССT Shifter Snap для сдвига (смещения) цветовой температуры ламп LED MR16 выпускаются в трех исполнениях: сдвиг 1/4 СТО, 1/2 СТО и 3/4 СТО, где СТО — цветовая температура оранжевого цвета. Сдвиги цветовой температуры насадок калиброваны в единицах миред, рассчитываемых по формуле 1 миред = 1 000 000/Т_цв (миред (M) — от англ. слова Mired — производного от английского термина Micro Reciprocal Degree — обратный микроградус). Насадка 1/4 СТО обеспечивает сдвиг в 37 миред, 1/2 СТО — в 83 миред, 3/4 СТО — в 120 миред. На рис. 24 показаны сдвиги цветовой температуры при установке насадок на лампы с Т_цв = 3000 К (333,3 миред). При этом получаемые цветовые температуры равны 2700 К для насадки 1/4 СТО (333,3 + 37 = 370,3 миред), 2400 К для насадки 1/2 СТО (333,3 + 83 = 416,3 миред) и 2200 К для насадки 3/4 СТО (333,3 + 120 = 451,3 миред). Для ламп с другими цветовыми температурами расчет также проводится в миредах с последующим переводом в градусы Кельвина. Насадка 1/4 СТО пропускает 90% исходного светового потока, 1/2 СТО — 75%, 3/4 СТО — 60%.

Рис. 24. Характеристики цветосмещающих насадок

Так как все насадки снабжены магнитными фиксаторами, они могут устанавливаться одна на другую, например насадки для формирования диаграмм пространственного распределения силы света насадок для сдвига цветовой температуры. Компания предлагает и комплекты из 10 различных насадок: формирователи диаграмм направленности 25, 36, 60, 10×25, 10×36, 25×25 и 36×36°, насадки для смещения цветовой температуры 1/4 СТО, 1/2 СТО, 3/4 СТО (каталожный номер — АС-АА-COMB-00, код продукта — 00341). Классификационные параметры полупроводниковых ламп, совместимых с насадками, приведены в таблице (европейские исполнения).