Инициатива РОСНАНО: Сергей Поликарпов о светодиодной продукции

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО) учреждена федеральным законом № 139-ФЗ от 19 июля 2007 г. для «реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии». Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски её партнёров – частных инвесторов. Корпорация участвует в создании объектов нанотехнологической инфраструктуры, таких как центры коллективного пользования, бизнесинкубаторы и фонды раннего инвестирования. РОСНАНО выбирает приоритетные направления инвестирования на основе долгосрочных прогнозов развития, к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.

Статья посвящена одному из важных направлений деятельности РОСНАНО – становлению и развитию освещения светодиодами, прежде всего, неорганическими светодиодами.

Ключевые слова: Сергей Поликарпов РОСНАНО, дорожная карта, полупроводниковое освещение, освещение светодиодами, светодиод, рынок, структура, динамика, прогноз, кристалл, устройство со светодиодами, светильник со светодиодами, РОСНАНО.

Автор статьи:

Поликарпов Сергей Сергеевич (управляющий директор РОСНАНО), инженер.

В 1997 г. окончил Московский государственный технический университет гражданской авиации, а в 2006 г. – Гарвардскую школу бизнеса, став магистром управления бизнесом. Работал в компаниях «Ренесанс групп», «ЛВ Финанс», «Норильский никель» и «Интеррос». С декабря 2007 г. – управляющий директор Государственной корпорации «Российская корпорация нанотехнологий» (PОСНАНО).

Введение

Нанотехнологии и наноиндустрия в настоящее время – одни из наиболее перспективных направлений науки, технологий и промышленности. Задачи опережающего инновационного развития России, коммерциализации перспективных разработок, а также проблема рационального использования ресурсов диктуют необходимость освоения и использования новых инструментов государственной политики.

Основы государственной политики в сфере наноиндустрии определены в президентской инициативе «Стратегия развития наноиндустрии» от 24 апреля 2007 г. В соответствии с ней уже в ближайшие годы должны быть кардинально увеличены объёмы производства выпускаемой и востребованной продукции нанотехнологий и достигнуто насыщение соответствующих рынков. Одновременно должна быть начата разработка новых видов продукции нанотехнологий, которые появятся на рынке через несколько лет, с доведением этих видов продукции до промышленного производства. К 2015 г. в стране будет сформирована национальная нанотехнологическая сеть, создающая условия для масштабного наращивания продукции наноиндустрии.

В целях содействия реализации государственной политики развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии и в соответствии с Федеральным законом «О российской корпорации нанотехнологий» создана государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (далее – Корпорация).

Исходя из основных задач, Корпорация определяет своей целью вхождение России в число мировых лидеров в области нанотехнологий на следующих главных направлениях:

завоевание рынков нанотехнологической продукции;
признание лидерства России в мировом нанотехнологическом сообществе, в том числе как международной площадки для обсуждения проблем развития наноиндустрии;
обеспечение весомого вклада в мировую «копилку» знаний («генерация новых знаний»). Основные усилия и ресурсы Корпорации планируется сосредоточить на достижении первой из вышеперечисленных целей – завоевание Россией лидирующих позиций на мировых рынках нанотехнологической продукции. Однако Корпорация будет уделять должное внимание всем направлениям, учитывая взаимосвязь между ними. Исходя из поставленной главной цели, определяются основные задачи Корпорации – обеспечение коммерциализации разработок и координация инновационной деятельности в наноиндустрии [1].

Светодиодная индустрия одно из приоритетных направлений РОСНАНО

На сегодняшний день, с применением полупроводниковых источников света (ИС) – светодиодов (СД) связывается будущее целого ряда индустрий.

СД являют собой наиболее перспективное направление развития осветительной техники во всех её приложениях – от освещения объектов ЖКХ и промышленности, сигнализации, световой индикации и рекламы до производства мобильных устройств и дисплеев.

Основной привлекательной чертой СД является потенциально повышенный уровень светоотдачи, что ведёт к целому ряду экономических и социальных выгод, важнейшая из которых – радикальное сокращение затрат энергии на освещение, составляющих в России около 14 % от общих затрат производимой электроэнергии.

Развитие светодиодной индустрии относится к национальным приоритетам целого ряда стран, включая США, Канаду и страны Евросоюза, отвечая потребностям в экономической и энергетической безопасности. Способные заменить в перспективе большинство современных ИС СД привлекают к себе внимание крупнейших производителей светотехнической продукции, таких как General Electric, Philips и Osram.

Светодиодной индустрии уделено значительное внимание в Федеральной целевой программе «Развитие электронной и компонентной базы и радиоэлектроники». Основные направления развития светодиодной индустрии подразумевают разработку материалов с принципиально новыми свойствами и манипулирование наноразмерными компонентами. Соответственно, поддержка и развитие светодиодной индустрии в России попадает в сферу непосредственной компетенции Корпорации.

Для развития светодиодной индустрии в России Корпорация РОСНАНО реализует инициативу в следующих направлениях:

создание технологической дорожной карты светодиодной индустрии – комплексного плана выявления потенциальных рыночных ниш и выбора технологий, позволяющих максимально быстро разрабатывать конкурентоспособные продукты в электротехнической отрасли (результатом реализации дорожной карты должна быть конкурентоспособная продукция);
финансирование проектов по производству СД и светотехнических изделий нового поколения;
оказание административной, нормативной и организационной поддержки.

О дорожной карте светодиодной индустрии

Дорожная карта светодиодной индустрии составлена на основе обобщения мнений российских и международных экспертов и анализа международных и российских аналитических материалов. В разделах дорожной карты представлены технологическое описание, основные текущие проблемы и прогнозы развития российской светодиодной индустрии, а также описание основных компонентов, технологий и материалов, с которыми связаны её перспективы. Цель Корпорации – развитие в России массового производства светодиодов и светотехнических устройств на их основе. Это производство необходимо для внедрения освещения светодиодами (ОССД) – освещения будущего, призванного обеспечить значительную экономию электроэнергии и улучшение экологической обстановки в России.

Конкретный экономический эффект от внедрения ОССД в России сейчас трудно оценить, но предварительные оценки показывают, что только экономия на высвобождении электрогенерирующих мощностей составит не менее 124 млрд. руб.

Цель дорожной карты – определение перспектив развития светодиодных нанотехнологий, включая разработку технологических процессов изготовления, применение осветительных устройств с СД и проведение необходимых НИР в настоящем и будущем. Согласно этому требуется получить ответы на следующие вопросы:

каким образом появление различных нанотехнологий может улучшать качество осветительных устройств с СД?;
как изменятся технологические процессы, оборудование, материалы и осветительные устройства с СД при использовании нанотехнологий?;
какие проблемы являются ключевыми при изготовлении осветительных устройств с СД? Дорожная карта предполагает решение следующих основных задач:
определение текущего состояния технологий производства СД и тенденций развития существующих технологий;
оценка приоритетных направлений развития ряда технологий, позволяющих максимально быстро создавать конкурентоспособные продукты в светодиодной индустрии, а также выявление потенциальных рыночных ниш для применения светодиодной продукции;
определение «узких мест» технологических процессов и основных проблем дальнейшего развития технологии производства светодиодной продукции с целью формирования лотов для привлечения разработчиков к решению данных проблем.

Структуру дорожной карты составляют разделы по: рынкам конечной продукции, СД и устройствам с СД, технологии, перспективам светодиодной индустрии, сырьевым и кадровым ресурсам.

Рынок светодиодов и осветительных устройств с ними

Объём мирового рынка СД весьма значителен, составив в 2007 г. $4,2 млрд. Темп роста этого рынка составляет 23 % в год (рис. 1), при этом самый быстро растущий (37 % в год) и перспективный его сегмент – ОССД [2]. Основная доля рынка СД приходится на дисплеи и указатели.

К основным движущим силам этого рынка относятся:

замещение ЛЛ и ЛН в традиционных сегментах ввиду повышения эффективности СД;
экономия электроэнергии ввиду высоких цен на топливо и, соответственно, электроэнергию;
государственная поддержка в развитых странах по экологическим и медицинским причинам;
высокая энергоэффективность, необходимая для мобильных приложений.

В России СД обладают высоким потенциалом роста – они занимают только около 4 % от объёма рынка ИС для освещения (рис. 2), объём которого составляет 47 млрд. руб. и ежегодно возрастает на 13–15 % [3, 4].

Технология

Дорожная карта касается технологии производства как неорганических СД, составляющих на сегодняшний день основу ОССД, так и более «молодых» органических СД.

Дорожная карта выделяет четыре «уровня технологии» (рис. 3). На каждом из них существуют технологические проблемы, пути решения которых предлагает эта карта. На самом верхнем уровне находятся конечные продукты, ниже – системы и подсистемы, а на нижнем уровне – сырьё и материалы. Также дорожная карта определяет текущее состояние технологии на каждом из уровней.

Среди продуктов можно выделить три большие группы – осветительные приборы, светосигнальные приборы, портативные электронные устройства и дисплеи. На уровне систем дорожная карта выделяет в подгруппы СД и электронные системы управления и питания. Для этого уровня важны такие параметры как световая отдача и КПД, срок службы, который уже достиг 35 000 ч, а также себестоимость единицы потока излучения. На уровне подсистем выделяют гетероструктуры и кристаллы, для которых важны размер, поток излучения и квантовая эффективность, а также оптическую подсистему, призванную обеспечивать требуемый угол излучения (2Θ1/2) СД и минимальные потери света в ней.

В основные группы уровня сырья и материалов выделены подложки, особо чистые газы, особо чистые металлы и люминофоры. Производство СД предъявляет высокие требования к качеству сырья: шероховатость подложек должна быть меньше 7 мкм, чистота металлов – 99,999 %, срок службы люминофоров – не менее 70 тыс. ч.

Дорожная карта ставит задачу развития в России собственной сырьевой базы для неорганических и органических СД. Для неорганических СД – газы аммиак, водород, моносилан и др., металлорганические соединения, высокочистые металлы алюминий, серебро, титан, никель и др., люминофоры на основе гранатов и силикатов, подложки из карбида кремния, нитридов алюминия и галлия. Для органических СД – стеклянные подложки оптического качества, широкая полимерная база, низкомолекулярные органические полупроводники, изолирующие материалы для барьерных слоёв и покрытий, прозрачные катоды.

Основные параметры, определяющие переход к ОССД, – световая отдача и стоимость единицы светового потока СД. Эти показатели – ключевые во всех дорожных картах светодиодных технологий. Так, к 2012 г. Министерство энергетики США [4] планирует достижение световой отдачи серийных СД в 164 лм/Вт (рис. 4). Японская ассоциация производителей СД ставит перед собой верхнюю планку по тому же показателю в 132 лм/ Вт к 2012 г. [5]. Учитывая существенное отставание российских производителей гетероструктур и кристаллов и массу технологических проблем, которые потребуется решить для создания собственного производства СД, дорожная карта Корпорации прогнозирует повышение световой отдачи серийных СД к 2012 г. до 120 лм/Вт. Основным конкурентным преимуществом российской светодиодной индустрии должна стать низкая стоимость единицы светового потока СД ($20/клм в 2010 г. (рис. 5)) при световых отдачах, сравнимых с достигнутыми ведущими мировыми производителями СД.

Перспективы светодиодной индустрии

Дорожная карта формулирует основные задачи развития светодиодных технологий. Во-первых, это повышение световой отдачи СД для достижения эффекта экономии электроэнергии путём создания новых гетероструктур, совершенствования технологии эпитаксиального роста, создания новой топологии кристаллов, разработки белых СД, работающих на принципе RGB-смешения света, и создания эффективных систем первичной оптики. Во-вторых, это повышение общего индекса цветопередачи и улучшение цветовой температуры СД (для возможности широкого применения СД в освещении) путём создания эффективных долговечных люминофоров и разработка интеллектуальных систем светорегулирования. В-третьих, одна из основных задач – снижение себестоимости СД и светодиодных систем путём повышения рабочей плотности тока, создания более производительного оборудования, разработки и производства дешёвых качественных подложек большого диаметра. И в-четвёртых, это создание производства эффективных безопасных систем электропитания и светорегулирования и систем вторичной оптики.

Для органических СД необходимо решить задачи повышения световой отдачи и срока службы; соответствующие целевые ориентиры – 75 лм/ Вт и 10 тыс.ч, к 2015 г. При этом, как и для неорганических СД, остро стоят проблемы цветопередачи и себестоимости этих изделий.

Дорожная карта как инструмент создания нового направления в промышленности определяет также основные методы технического и государственного регулирования светодиодной индустрии. В настоящее время отсутствуют национальные стандарты на конструкции светодиодных устройств, цветность их излучения и безопасность применения. Метрологическая база для испытания светодиодных устройств на предприятиях отсутствует или очень слаба, не хватает квалифицированных кадров и центров сертификации. Нормативная база, регулирующая проектирование, строительство и эксплуатацию производств значительно устарела и не предусматривает возможность применения светодиодной техники. Зарубежные сертификаты не действуют на территории Российской Федерации, таможенное законодательство не учитывает потребности отрасли. Учитывая эти и другие проблемы, с которыми столкнётся российская светодиодная индустрия, дорожная карта определяет пути их решения. Планируются формирование и реализация программы стандартизации в светодиодной индустрии и развитие соответствующих метрологической базы и диагностических центров. Планируется введение мер государственного регулирования спроса и стимулирования производств светодиодной продукции. Дорожная карта предусматривает разработку новой нормативной базы, доработку таможенного законодательства, разработку сертификатов. Особое внимание уделяется вопросу подготовки кадров в области метрологии и стандартизации.

Отдельно дорожная карта учитывает проблемы кадров и пути их решения для разных категорий работников. Для исследователей это проблема низкой зарплаты и старения кадров. Для её решения планируется централизованная поддержка научных школ и создание новых научнообразовательных центров. Остро стоит проблема подготовки и переподготовки конструкторов и технологов из смежных отраслей. Для решения проблемы нехватки рабочих на производстве необходимы создание и поддержка специализированных колледжей и техникумов.

Корпорация ставит перед собой задачу формирования и запуска кластерного проекта в светодиодной индустрии. Для этого совместно с российским светодиодным сообществом создаётся специальная дорожная карта, которая определит ключевые направления развития светодиодной индустрии и сформулирует лоты по направлениям, которые должны полностью покрыть все проблемные участки светодиодной технологии. На основании этих лотов будет сформирован пул проектов по развитию технологии, созданию производств, подготовке кадров и развитию инфраструктуры.

Дорожная карта Корпорации в области светодиодной индустрии – живой документ, для поддержки и постоянного обновления которого создаётся технический комитет. Планируется регулярное обсуждение этого документа на круглых столах, конференциях и семинарах.

Проект «Освещение светодиодами»

Первым шагом реализации инициативы Корпорации стал пилотный проект «Освещение светодиодами». Его цель – создание промышленного производства экологически чистого и энергосберегающего нового поколения сверхъярких СД и светотехнических систем на их основе. Реализация проекта подразумевает организацию в России соответствующего светотехнического производства полного цикла – от нано-гетероструктур до светильников с СД. Конечными продуктами нового производства станут светодиодные кристаллы, светодиодные лампы и осветительные системы с СД, сравнимые по параметрам с лучшими мировыми аналогами. Участниками проекта выступают Корпорация, Группа ОНЭКСИМ как финансовый инвестор и ФГУП «ПО «Уральский оптико-механический завод» им. Э.С. Яламова (УОМЗ) как ведущее предприятие России в области проектирования и производства оптико-электронных комплексов. Разработчиками уникальной технологии производства светодиодных кристаллов стали ученики нобелевского лауреата академика Жореса Алфёрова Максим Одноблюдов и Владислав Бугров, основавшие немецко-финскую компанию «ОптоГаН», недавно приобретённую Группой ОНЭКСИМ. Создание нового предприятия позволит принести в Россию одну из перспективных разработок российских учёных. Технология защищена девятью семействами патентов на изобретение в области производства кристаллов, содержащими как международные, так и российские патенты и заявки на патенты. Получен также 21 российский патент на полезную модель в области производства светильников с СД.

Общий объём инвестиций Корпорации составит 1 776 млн. руб., в том числе 323 млн. руб. в форме взноса в уставный капитал и 1 453 млн. руб. в форме займа. Общий объём инвестиций в проект составит 3 351 млн. руб. Доля Корпорации в данном проекте составит 17 %, доля УОМЗ – 33 % + 1 акция и доля Группы ОНЭКСИМ совместно с разработчиками – 50 % + 1 акция. Ожидается, что общий объём выручки участников проекта в 2013 г. составит порядка 6 млрд. руб.

Промышленное производство гетероструктур будет размещено в Санкт-Петербурге на территории особой экономической зоны техниковнедренческого типа, а комплекс по производству светодиодных кристаллов, светодиодных ИС (ламп и модулей) и соответствующих светотехнических изделий разместится в Екатеринбурге, на базе светотехнического подразделения УОМЗ. На первом этапе проекта предполагается производство (по планарной технологии) светодиодных кристаллов (рис. 6) размером 0,44×0,44 мм² с потоком голубого излучения 55 мВт (максимум на длине волны около 450 нм). В 2010 г. планируется переход на высокомощные кристаллы с активной площадью 1 мм² и потоком голубого излучения 984 мВт. Объём их производства к 2013 г. составит 120 млн. шт. Светотехнические устройства (рис. 7), производство которых предусматривается проектом, предназначены для освещения промышленных объектов, супермаркетов, офисов и коммерческих заведений, объектов ЖКХ. Для выполнения НИР и ОКР к проекту будут привлечены ведущие научные центры страны, такие как Физико-технический институт РАН им. А.Ф.Иоффе (в С.- Петербурге), Российский федеральный ядерный центр (в Снежинске), Уральский политехнический университет (в Екатеринбурге) и др. Кадровые проблемы проекта будут решаться и привлечением специалистов Научно-образовательного центра при Физико-техническом институте РАН им. А.Ф. Иоффе и Уральского политехнического университета.

Заключение

Корпорация реализует инициативу по развитию перспективного направления нанотехнологической промышленности – светодиодной индустрии. Корпорация создала дорожную карту, предусматривающую подробный план решения научных, технологических и производственных проблем этой индустрии. Она утвердила первый проект по созданию полного цикла производства СД и осветительных устройств с СД и переходит к созданию пула новых проектов с реализацией их в виде кластерного проекта.