1. Источники освещения
В настоящее время для освещения используются в основном три типа источников. Один — это известная всем лампа накаливания, второй тип — люминесцентные лампы. Третий — появляющиеся сейчас светодиодные излучатели.
Эффективность первых двух чрезвычайно низка. У ламп накаливания часть энергии, преобразуемая в свет, который мы тратим на освещение, очень мала. Она выше у люминесцентных источников, но они содержат ртуть. Несмотря на большую пропаганду они вредны, так как нет надежной системы утилизации отработавших ламп. Однако эффективность люминесцентных ламп в несколько раз выше, чем у ламп накаливания.
В современной цивилизации на освещение идет порядка 20–30% мировой выработки электроэнергии. Из этих 20-30% процентов мы используем эффективно лишь несколько. Необходимы новые подходы к разработке эффективных источников света.
Светодиодные излучатели появились относительно недавно. Они эффективны, но очень дороги. На сегодняшний день их можно купить в магазине — появились такие светильники, — но стоимость чипа (так называют светоизлучающие микросхемы) пока весьма велика.
2. Потенциал органических материалов
Актуальна задача поиска источников света, которые были бы дешевыми и эффективными. В этом смысле очень интересны органические материалы. Потенциал органических материалов в том, что они могут быть очень дешевыми, так как могут производиться по технологиям, развитым в химической промышленности, например, полимеры, пластики. Потенциальная стоимость таких материалов очень низка.
Но все, что производится сейчас, к сожалению, не обладает полупроводниковыми свойствами. Необходимы материалы, которые могут эффективно преобразовывать электричество в свет. Когда мы говорим об органических полупроводниковых излучателях, мы должны искать материалы, которые 1) являются органическими и 2) обладают полупроводниковыми свойствами и могут излучать цвет видимого диапазона.
3. Индустрия красок
На сегодняшний день краски могут быть сделаны для автомобилей, для косметики, для волос и любого оттенка. То есть органика может иметь любую окраску, нужно заставить ее еще и излучать. Для этого необходимо организовать этот материал так, чтобы по нему могли двигаться носители заряда, то есть электроны, и энергия, которая потом преобразовывалась бы в свет. В таком случае мы бы имели источники света, которые могли бы делаться как полимерные пленки: их можно разворачивать, обклеивать стены, делать гибкие телевизоры, компьютеры, которые сворачиваются в трубочку, и так далее. При низкой стоимости можно достичь эффективности и конкурентоспособности.
4. Органические светоизлучающие диоды
Сегодня применяются органические светоизлучающие диоды, на которых выполнены дисплеи некоторых современных смартфонов. Но такие дисплеи на основе органических материалов пока сложно сделать гибкими. Поэтому используются технологии, разработанные в классической полупроводниковой электронике: материал напыляется на твердую подложку, и все это делается в условиях вакуума. Исследователи стремятся к тому, чтобы такие материалы и пленки можно было получать так, как делают полимеры. Например, растворили порошок, сделали раствор, налили эту пленку, подключили к ней источник питания, и она засветилась.
Важнейшее на сегодняшний день достижение в этой области — органические светоизлучающие диоды и транзисторы. Их эффективность еще отстает от неорганических светоизлучающих диодов, но уже опережает лампы. Если удастся сделать эту технологию дешевой, то в перспективе она сможет успешно конкурировать с неорганическими источниками света. К тому же в органических светодиодах излучение идет не из точки, как в неорганических светодиодах, а может идти со всей поверхности пленки.
Органические светоизлучающие пленки уже начинают появляться на рынке. Пока они весьма дороги, потому что стоимость их производства очень высока. Пленки можно использовать, например, в дизайнерских проектах, освещении внутри автомобилей и др., где нужно некое специальное освещение. Но в перспективе мы надеемся, что все светильники поменяются, и это будут не точки, а именно пленки.
5. Борьба за срок службы светоизлучающей органики
Основная проблема исследований и разработок в данной области — поиск материалов, обладающих необходимыми свойствами. Это требует усилий как химиков, которые должны синтезировать эти материалы, так и физиков, которые должны из них сконструировать рабочее устройство.
К сожалению, полимерные светоизлучающие пленки имеют две проблемы. Одна — это низкая эффективность, а вторая — малое время жизни.
Органика имеет ограниченный «срок службы». Так, продукты портятся в течение нескольких дней, а пленки должны работать, по крайней мере, несколько лет. Поэтому идет борьба по двум направлениям: за увеличение стабильности и за повышение эффективности.
6. Светоизлучающий транзистор
Как же должно выглядеть органическое светоизлучающее устройство? Классический пример — это светоизлучающий диод. У нас есть пленка, у которой два электрода. Один инжектирует в эту пленку один тип носителей заряда, например электроны, а второй электрод — дырки. Эти носители зарядов в пленке встречаются, после они рекомбинируют (уничтожаются), и при этой рекомбинации выделяется энергия в виде кванта света. Таким образом электрическая энергия преобразуется в энергию света. Это классический тип устройства, который выполнен на полупроводниковом диоде.
В последнее время появились новые подходы, которые позволяют сделать светоизлучающий транзистор. Транзистор — устройство о трех электродах, которое позволяет с помощью одного электрода управлять током, протекающим через транзистор. Оказывается, можно сделать транзистор, который бы и управлял током, и излучал одновременно. Эта концепция очень перспективна особенно для дисплеев, поскольку позволяет совместить в одном устройстве (транзисторе) функции управления (вкл./выкл.) и излучения. За счет этого такая концепция позволяет, как мы надеемся, получить более эффективные дисплеи, чем органические светодиоды. Подчеркнем, что в современных дисплеях каждый светящийся пиксель снабжен отдельным кремниевым транзистором, включающим и выключающим его.
Органические светоизлучающие транзисторы — перспективный подход для создания первого органического лазера с электрической накачкой — тонкой пленкой, которая излучала бы лазерное излучение при подаче на нее напряжения от батарейки.
