Дорожная карта «Использование нанотехнологий в производстве светодиодов» обобщает мнение экспертного сообщества о важнейших технологиях, используемых при производстве светодиодов, и продуктах, основные потребительские свойства которых определяются применением в их конструкции светодиодов.
Дорожная карта «Использование нанотехнологий в производстве светодиодов» (далее — Карта) обобщает мнение экспертного сообщества о важнейших технологиях, используемых при производстве светодиодов, и продуктах, основные потребительские свойства которых определяются применением в их конструкции светодиодов.
Карта описывает структуру спроса на светодиоды и указывает перспективные рынки, на которые может быть ориентировано производство светодиодной техники. Дорожная карта оценивает возможности технологий по обеспечению ключевых потребительских свойств светодиодов, позволяющие сформировать существенные конкурентные преимущества для товаров на их основе.
Общая характеристика светодиодов
Светодиод (Light-EmittingDiode, LED) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Современный светодиод представляет собой многослойную тонкопленочную структуру. Слои могут иметь толщину в нанометровом диапазоне.
Неорганический светодиод (LED) — светодиод, структура которого состоит только из неорганических соединений. Первый тип светодиодов, открытый в 1907 г. и получивший промышленное применение с середины 1960-х гг.
Конкурентные преимущества:
- высокая энергоэффективность для многих приложений;
- длительный срок службы;
- электробезопасность за счет низкого напряжения питания;
- малые габариты устройств;
- механическая прочность;
- высокая скорость переключения;
- нечувствительность к низким температурам;
- отсутствие вредных составляющих (в т.ч. ртути).
Конкурентные преимущества:
- возможность получения излучающих панелей;
- использование полимерных органических материалов;
- ожидаемое снижение стоимости технологии производства;
- технологическая база для получения гибких источников света и экранов;
- компоненты для гибридных и органических электронных устройств.
На сегодняшний день с технологиями твердотельных источников света связывается будущее целого ряда секторов экономики. Основной привлекательной чертой светодиодных технологий является сочетание компактных размеров, высокой по сравнению с альтернативными технологическими решениями энергоэффективности, возможности быстрого управления свечением. Благодаря этим свойствам светодиоды находят применение в таких приложениях, как освещение (в качестве энергоэффективных источников света, готовых для интеллектуальных схем управления освещением) и отображение информации (в качестве индивидуальных индикаторов и дисплейных панелей как малого, так и большого размера).
Одним из важнейших социально-экономических эффектов масштабного использования светодиодных технологий является возможность радикального сокращения затрат электроэнергии на освещение, составляющих по различным оценкам до 18–20% всех затрат произведенной электроэнергии.
Требования экономической и энергетической безопасности делают развитие светодиодной индустрии одним из национальных приоритетов многих стран — Канады, США, стран Европейского Союза, Японии и Китая. Значительное внимание уделено этому направлению и в ряде регулирующих документов Правительства РФ, в т. ч. в Федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники».
С развитием светодиодных технологий, способных в перспективе превзойти ряд других технологий отображения информации, также связывают перспективы рынков электронно-бытовых устройств. Светодиоды, предоставляющие возможности создания прозрачных и гибких дисплейных панелей, а также разработки гибридных устройств, использующих органические электронные компоненты, концентрируют на себе внимание крупнейших компаний отрасли, в том числе GeneralElectric, Philips, Osram.
При исследовании технологических и рыночных перспектив светодиодов рассматривались две основные группы устройств: неорганические и органические светодиоды. Эти группы различаются как технологическим процессом изготовления, так и потребительскими свойствами и областями применения.
Изготовление и применение неорганических светодиодов имеет более чем полувековую историю. Неорганические светодиоды характеризуются высокой механической прочностью, малыми размерами, значительной энергоэффективностью и высокой скоростью переключения. Традиционные сегменты применения неорганических светодиодов — приложения освещения и подсветки, индикация информации, формирование изображения типа «бегущая строка» либо экранов больших размеров.
Изготовление неорганических светодиодов осуществляется в два этапа. Первый — изготовление светоизлучающего чипа, которое происходит с применением процессов молекулярно-лучевой эпитаксии и металлоорганических соединений из газообразной фазы. Второй включает сборку светодиода: корпусирование, присоединение оптической системы и системы охлаждения. Оба процесса предъявляют повышенные требования к технологическому уровню производства — необходимо использование чистых комнат, материалов высокой степени чистоты.
Основными направлениями технологического совершенствования неорганических светодиодов является повышение светоотдачи и срока службы при снижении стоимости. Решение этих задач предъявляет спрос как на инженерно-конструкторские разработки, так и на проведение ряда фундаментальных исследований.
В России наиболее распространены предприятия, осуществляющие сборку светодиодов на базе готовых светодиодных чипов, произведенных в основном зарубежными компаниями. О производстве собственных чипов заявляют три компании. При этом существует значительный задел фундаментальных исследований в сфере неорганических светодиодов, сопоставимый, по мнению экспертов, с международным уровнем. По мнению экспертов, одной из ключевых задач в сфере неорганических светодиодов в России является развертывание производства конкурентоспособных светодиодных чипов.
Масштабное коммерческое применение органических светодиодов насчитывает менее 10 лет, причем отдельные сферы применения на сегодняшний день только отнесены к перспективным на горизонте последующих 15 лет. Основные свойства, характеризующие органические светодиоды, — перспективно низкая стоимость при использовании технологий струйной печати, возможность создания светящихся и отображающих панелей с высоким качеством изображения и большой площадью, гибких и прозрачных источников освещения и дисплеев, а также возможность использования в гибридных и полностью органических электронных устройствах.
В настоящее время масштабное распространение органических светодиодов наблюдается только в сегменте дисплеев и телевизоров, в котором существует перспектива вытеснения альтернативных технологий за счет лучшего качества изображения. Отдельно следует отметить направление разработок, связанных сприложениям органических светодиодов в освещении — существует перспектива коммерческого использования светящихся панелей большой площади.
Изготовление органических светодиодов осуществляется с применением технологий напыления, осаждения из растворов, а также технологий струйной печати. Данные технологии менее требовательны к оборудованию и технологическому уровню производства, что в перспективе позволит существенно снизить стоимость отдельных устройств.
Основные направления технологического совершенствования органических светодиодов включают повышение срока службы устройств, увеличение площади панели, снижение стоимости. Решение большинства указанных задач связано с фундаментальными исследованиями.
В России существует единственная компания, занятая в производстве органических светодиодов. Фундаментальные исследования непосредственно для органических светодиодов ведутся на недостаточном уровне. При этом важно отметить наличие задела в смежных сферах органической химии, что может быть использовано для наращивания научного потенциала в данной области. По мнению экспертов, сфера органических светодиодов является перспективной для России с точки зрения возможного встраивания в международные цепочки создания стоимости.
Комплексный характер факторов, сдерживающих развитие светодиодной индустрии, равно как и значительная конкуренция со стороны зарубежных разработок и ограниченность ресурсов делают результативное развитие невозможным без создания механизма взаимодействия между представителями различных этапов процесса коммерциализации светодиодных технологий и участников рынка. Основной задачей такой коммуникационной платформы является предоставление возможности совместного выявления и обсуждения актуальных проблем в данной области, установка целевых ориентиров отрасли и мониторинг их достижения, интеграция усилий исследовательских коллективов, промышленных предприятий и дистрибьюторов для удовлетворения потребностей потребителей.
Настоящая дорожная карта представляет пример формата подобной коммуникации. Разработанная с привлечением представителей всех типов участников рынка и научного сообщества, данная карта намечает основные направления развития светодиодной индустрии, предлагая способ построения интегрального представления о секторе, построенного на базе экспертных мнений специалистов из различных областей. Формат карты обеспечивает возможность гибкой перестройки результирующего представления с учетом появления новых экспертных мнений. Реализованный подход делает возможным конструктивное обсуждение сформированных перечней перспективных технологий, целевых ориентиров научных и опытно-конструкторских разработок, оценок перспективных сегментов рынков с участием максимально широкого круга экспертов. Подобное обсуждение представляется не только желательным, но и необходимым условием эффективного применения дорожной карты. Наибольшие результаты предложенный подход позволяет получить в случае регулярного обновления дорожной карты с участием всех ключевых участников рынка.
Мировой рынок светодиодов
В последнее десятилетие мировой рынок светодиодов быстро расширялся. С наступлением экономического кризиса темп роста рынка замедлился. Тем не менее, ожидается, что с 2010 г. восстановится его положительная динамика.
В рамках этого прогноза выделяются три сценария:
- Оптимистический сценарий предполагает, что глобальный экономический кризис на рынке светодиодов проявится только в снижении до нуля темпов роста (в стоимостном выражении). Затем вместе с возобновлением роста мировой экономики темпы роста рынка светодиодов восстановятся до уровня 20–25% в год. Основными движущими силами рынка будут: популяризация (в т.ч. нормативная) применения светодиодов в осветительных приборах и устройствах; развитие рынка мобильных устройств (телефоны, ноутбуки и т.п.); снижение цен при улучшении потребительских свойств самих светодиодов.
- Пессимистический сценарий основан на предположении о том, что проблемы в мировой экономке будут носить затяжной характер. Медленный и постепенный выход из рецессии начнется не ранее второй половины 2011 г. Потребители весьма консервативны и проявляют приверженность к альтернативным продуктам. Рост рынка ожидается в размере 5–6% в год.
- Умеренный (средний) сценарий исходит из того, что после снижения на 5% в стоимостном выражении в 2009 г. рынок возобновит рост. Сначала (в 2010 г.) это будет компенсационный рост в 15–20% за год. Затем темпы роста будут удерживаться на уровне 10–12% в год в денежном выражении.
Сравнительная динамика трех прогнозных сценариев показана на рис. 1.
Рис. 1. Ожидаемая динамика объема мирового рынка светодиодов (млрд долл. США)
Российский рынок светодиодов
Даже в период бурного роста мирового рынка российский рынок светодиодов развивался медленнее мирового примерно в два раза. Темпы роста рынка в 2001–2003 гг. составляли порядка 20–25%, в 2004–2008 гг. они снизились до 10–12%. В перспективе возможны три сценария развития (см. рис. 2):
- Пессимистический сценарий предполагает, что российский рынок не сможет превысить 1% от мирового рынка в силу инертности потребителей, несовершенства нормативной базы, низкой рыночной ориентированности производителей и других негативных факторов.
- Оптимистический сценарий предусматривает, что в силу больших размеров территории страны, сложных погодных условий, достаточно инновационного характера потребления, а также при должном уровне поддержки со стороны государства и своевременном решении нормативных вопросов российский рынок светодиодов может составить до 5% от мирового.
- Умеренный (средний) сценарий носит инерционный характер, опираясь на предположение, что в долгосрочной перспективе развитие российского рынка светодиодов всего лишь вернется к докризисной тенденции (темпы роста останутся в два раза ниже мировых).
Рис. 2. Ожидаемая динамика объема российского рынка светодиодов (млн долл. США)
Сопоставление с альтернативными технологиями
Технологии освещения и подсветки:
