Безопасные светодиодные лампы будущего

Естественный свет, в первую очередь, солнечный свет, является основным компонентом, необходимым для поддержания жизни растений, животных и людей на Земле. Хотя солнечное излучение обладает самым высоким качеством света, идеально подходящим для обеспечения жизнедеятельности человека и других живых существ, в ночное время необходимо было найти ему альтернативу. В качестве заменителей естественного света используются искусственные источники освещения, функционирующие за счет сжигания различных видов топлива, или электрические источники света. Спектр излучения первых является непрерывным, без явно выраженных провалов, а положение максимума в нем определяется реальной температурой светящегося объекта. Среди них наиболее безопасными для организма человека считаются свечи, спектр излучения которых похож на спектр излучения солнца на закате или восходе и поэтому весьма физиологичен: он вызывает приятные ощущения, связанные с естественной секрецией мелатонина, поскольку имитирует вечернее освещение. Помимо этого, свет свечи содержит лишь небольшую долю вредного синего света. Так как свечи обладают рядом существенных недостатков: пожароопасностью, токсичностью и неприятным запахом продуктов их горения, низкой интенсивностью света от одной свечи, быстротой расходования в процессе горения ‑‑ то они вряд ли могут всерьез рассматриваться как основные источники освещения в современном мире. Подходящей альтернативой свечам могли бы служить электрические источники света, спектральный состав которых был бы максимально приближен к спектру света горящей свечи. В настоящее время лампы накаливания с их непрерывным спектром из-за низкой экономичности и короткого срока службы повсеместно вытесняются светодиодными и газоразрядными источниками. Однако излучение этих источников света сильно обогащено синим излучением, что представляет угрозу для человеческого глаза и может вызывать физиологические нарушения в организме человека. Кроме того, синий свет неблагоприятно воздействует на многие материалы, вызывая их ускоренное разрушение. Он также способен наносить вред целым экосистемам, если такие источники света применяются для наружного освещения. Известной проблемой, вызываемой синим излучением, является заметное уменьшение концентрации мелатонина в организме человека. Мелатонин известен как гормон, регулирующий циклы сна и бодрствования (циркадные или суточные ритмы организма), его выделение предшествует засыпанию. Доказано, что поддержание оптимального уровня мелатонина способно предупреждать и даже лечить некоторые виды рака (рак молочной железы, рак простаты и рак толстой кишки), риск которых сильно возрастает с возрастом, а нарушение циркадных ритмов может привести к разбалансировке правильного обмена веществ в целом. Не следует недооценивать и психофизиологическое влияние света от источников с линейчатым и несбалансированным спектром – такой свет может провоцировать раздражительность и даже вызывать депрессивные состояния, что может приводить к увеличению преступности. Спектральный состав света современных коммерческих светодиодных источников света резко отличается от источников света на основе физически нагретого тела, например, пламени, лампы накаливания или солнечного света. Они, хотя и могут обеспечивать визуально теплый желтый оттенок света (цветовая температура 2400 К и даже ниже), на самом деле представляют собой комбинацию синего и ультрафиолетового света, испускаемого полупроводниковым кристаллом и специальным люминофором желто-оранжевого свечения, нанесенного на его поверхность, со значительными провалами в области зеленого и красного излучения. Поэтому создание безопасных светодиодных устройств со световыми характеристиками, подобными характеристикам пламени свечи (низкая цветовая температура при непрерывном спектре излучения), является одной из важных научных задач, имеющих практическую значимость. 

Сотрудниками совместной лаборатории №31 ИОХ РАН и Южно-Уральского Государственного Университета (проф. Ракитиным О.А., к.х.н. Князевой Е.А. и к.х.н. Чмовжем Т.Н.) в кооперации с учеными из Физического Института им. П. Н. Лебедева РАН и Российского химико-технологического Университета им. Д. И. Менделеева создан безопасный с физиологической точки зрения светодиод на основе гибрида органических и металлорганических излучающих материалов.

Новый источник света, благодаря инновационной конструкции и сочетанию новых специально синтезированных люминофоров, практически не имеет вредного излучения в синей области спектра, а цветовые характеристики его излучения подобны световым характеристикам пламени обычных свечей. Органический светоизлучающий диод с подобным свечам спектром свечения (candle light-style organic light emitting diode, CLS OLED) является безопасным для человека, поскольку не содержит синей и ультрафиолетовой, вредной для глаз человека, части спектра и имеет низкую цветовую температуру, и может быть использован для искусственного освещения в течение длительного периода времени. В то же время, такой диод гораздо более энергоэффективен, чем лампы накаливания, а его яркостные характеристики соответствуют требованиям, предъявляемым к современным источникам света. В среднем светодиодная панель из новых материалов размером 10х10 см (половина экрана небольшого смартфона) в оптимальных условиях обеспечивает такой же уровень освещенности, как 10-12 обычных свечей, при этом ее яркость будет в 4-5 раз больше, чем стандартного компьютерного монитора. Очень важной особенностью разработанного устройства является также отсутствие в его составе редких и благородных металлов, таких как иридий и платина (основы современных промышленных люминофоров для OLED устройств), и относительная простота конструкции в целом. Данное открытие опубликовано в одном из самых престижных иностранных журналах первого квартиля “Chemical Communications”, а рисунок к этой статье помещен на обложку номера этого журнала (V. M. Korshunov, T. N. Chmovzh, E. A. Knyazeva, I. V. Taydakov, L. V. Mikhalchenko, E. A. Varaksina, R. S. Saifutyarov, I. C. Avetissov, O. A. Rakitin, Chem. Commun, 2019, 55, No. 89, 13354-13357. DOI: 10.1039/C9CC04973H).

В литературе известен только один пример органического светоизлучающего диода с подобным свечам спектром свечения (CLSOLED), изобретенный профессором Дж. Джоу из Национального Университета Синь Хуа (Тайвань). Его строение предполагает применение трех или даже четырех слоев различных металлоорганических люминофоров на основе дорогого и редкого металла иридия. Так как цветовая температура излучения такого диода достаточно высока, то свет их свечения скорее напоминает яркую лампу накаливания, нежели пламя свечи.

Одним из преимуществ предлагаемого нами светоизлучающего диода с подобным свечам спектром свечения является применение всего лишь двух светоизлучающих слоёв. В качестве одного из слоёв использовалось дешёвое металлорганическое соединение алюминия, а для другого слоя применялись специально синтезированные в лаборатории №31 ИОХ РАН новые органические красители. Такая архитектура светодиода позволила добиться рекордно низкой цветовой температуры излучения OLED по сравнению с прототипом Дж. Джоу.

Разработанные нами устройства можно использовать в качестве источников света для офисных или других бытовых помещений, в качестве элементов светового дизайна различных общественных пространств и для многих других целей, но особенно полезным будет их применение в качестве домашних ламп для создания комфортного мягкого освещения и облегчения засыпания. Относительно простая технология изготовления данных диодов и недорогие исходные материалы позволят в будущем создавать источники света в виде плоских панелей достаточной площади с регулируемой яркостью свечения и широкими возможностями подстройки цвета свечения только за счет изменения параметров питающего напряжения. Все это делает нашу разработку не только теоретически интересной и важной в практическом плане.