В течение следующего десятилетия мощные светодиоды станут еще активнее использоваться вместо обычных систем освещения в домах и офисах по всему миру. Новая технология создания ярких и более прочных светодиодных ламп сделала первый шаг из научно-исследовательской лаборатории на мировой рынок мощных систем освещения, объем которого оценивается в три миллиарда американских долларов.
Многие электронные устройства должны иметь в своем составе радиаторы, которые используются для предотвращения перегрева. Эффективное охлаждение мощных светодиодов для домов, офисов и уличных фонарей является серьезной проблемой. Производители светодиодов неустанно ищут новые механизмы эффективного теплообмена и оперативно внедряют их в производство, что повышает конкурентоспособность их продукции на мировом рынке, который ежегодно расширяется.
Электроника вообще и светодиоды в частности требуют теплоотвода, если систематически подвергаются перегреву (при плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости). Срок службы светодиодов может составлять от нескольких десятков тысяч до 100 000 часов, но только при отсутствии высоких температур, которые радикально его сокращают.
Если допустить перегрев светодиодов, это может привести к повреждению их компонентов и снижению яркости излучаемого света. В ходе перегрева светодиоды теряют эффективность. Но техпроцесс жидкой ковки, созданный учеными из Сингапурского института производственных технологий, эффективно решает данную проблему.
Кроме того, мощность излучения, или световой поток светодиода, сильно зависит от температуры p-n-перехода кристалла. Это значит, что КПД существенно уменьшается с ростом температуры. Поэтому, в отличие от тепловых излучателей (например, ламп накаливания), светодиодные светильники нуждаются в обязательном охлаждении.
Но пассивные радиаторы характеризуются ограниченной теплоотводящей способностью, что является одной из основных причин, по которым одиночные светодиоды не могут иметь слишком большую мощность.
Разнообразие форм радиаторов пассивного охлаждения для светодиодов огромно
Но выход есть. Новый метод производства радиаторов светодиодов, разработанный в Сингапурском институте производственных технологий, называется «жидкой ковкой». Он серьезно улучшает теплоотвод от работающих светодиодов и тем самым увеличивает их жизненный цикл.
Жидкая ковка представляет собой гибрид ковки и литья. Она особенно полезна там, где требуется создание легких компонентов со сложной конструкцией, как в случае теплоотводящих радиаторов пассивного охлаждения из деформируемых (предназначенных для дальнейшей ковки или штамповки) алюминиевых сплавов. В отличие от литых, алюминиевые и медные радиаторы пассивного охлаждения, выполненные жидкой штамповкой, могут иметь очень тонкие ребра, дополнительно ускоряющие отвод тепла. Кроме того, их поверхность может быть анодирована, что еще на 10–15% ускоряет процесс теплопередачи, поскольку поверхность окисла алюминия пористая.
Из-за чрезвычайно малого размера получаемых зерен конечного сплава (20–30 нм в диаметре) жидкая ковка позволяет добиться двукратного повышения теплопроводности финального алюминиевого состава по сравнению с радиаторами используемыми сегодня и изготовленными методом литья из тех же материалов.
Новый техпроцесс, значительно улучшает систему охлаждения миниатюрных электронных устройств, и, похоже, что принесет революцию в производство светодиодов следующего поколения.
«Жидкая ковка представляет собой гибрид между традиционной штамповкой и литьем», говорит Чуа Бенг Ва, ведущий исследователь проекта SIMTech, - этот техпроцесс особенно полезен, если вам нужно производить более легкие компоненты со сложным функционалом, такие как радиаторы, в конструкции которых используются деформируемые сплавы, обрабатываемые методом пластической деформации алюминия или меди».
Техпроцесс обеспечивает значительные дополнительные преимущества для инженеров, которые занимаются созданием систем теплообмена: теплопроводность материалов, созданных с помощью жидкой штамповки, превосходит все ожидания. Новый техпроцесс превосходит по большинству параметров обычные методы, такие как литье, в два раза. Ученые уже лицензировали запатентованную технологию ведущим разработчикам систем теплообмена для светодиодных ламп. Соглашение позволяет производителям создавать легкие, высокопроизводительные светодиодные радиаторы с использованием техпроцесса жидкой штамповки.
Техпроцесс отличается высокой масштабируемостью и позволяет создавать сложные детали. С помощью композитных материалов, таких как сплавы меди и алюминия, радиаторы для светодиодов могут быть созданы за один технологический шаг.
Открытие также означает, что радиаторы и светильники могут быть сформированы как единое целое. Этот факт обернется значительной минимизацией затрат на сборку. Дополнительным преимуществом таких радиаторов будет сравнительная дешевизна новой технологии. Если для производства штампованных алюминиевых деталей необходимы прессы с мощностью более 10 тысяч тонн, то жидкая штамповка требует оборудования мощностью не более 2–3 тысяч тонн. Подобные станки на порядок более доступны по цене.
Кроме того, жидкая ковка позволяет создавать более сложные конструкции, такие как сложные массивы ребер. Подобное преимущество позволяет увеличить площадь поверхности радиаторов для улучшения отвода тепла. Ученые также подчеркивают, что конечный продукт потребует меньшей обработки, отчасти потому, что техпроцесс позволяет более эффективно использовать сырье.
Но создатели техпроцесса жидкой штамповки не ограничиваются системами охлаждения светодиодов. Ученые отмечают, что у разработки есть потенциал, чтобы конкурировать с традиционными производственными процессами в биомедицинской, аэрокосмической и автомобильной промышленности. Среди прочего, этот метод может быть использован при создании легкосплавных колесных дисков, корпусов для электронных устройств или поршней.
По прогнозам, первые продукты на основе техпроцесса жидкой штамповки будет на прилавках уже в 2013 году.
Жидкая штамповка была разработана командой ученых из SIMTech во главе с Джоном Янгом. В 2008 году команда Янга благодаря своему открытию получила наивысшую научную награду Сингапура - National Technology Award.
РТК-ЭЛЕКТРО-М
