5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o lampach LED

LED-y rozpanoszyły się we współczesnym świecie tak niepostrzeżenie, że większość z nas nawet nie zdaje sobie sprawy, z jak długo wyczekiwanym wynalazkiem ma do czynienia. Naprawmy to i przyjrzyjmy się paru faktom na temat powstania i funkcjonowania świecących diod.

Pod koniec lat 60. XX wieku opracowano już czerwone i zielone diody LED oraz lasery półprzewodnikowe w podczerwieni; nie istniały jednak perspektywy na praktyczne diody emitujące niebieskie światło.

Isamu Akasaki

1. Diody to żadna nowość

Słysząc o diodzie, zapewne masz przed oczami kolorowy świecący łepek z wystającymi u spodu dwoma drucikami. To jak najbardziej słuszne skojarzenie, choć diody są w świecie elektroniki czymś więcej niż tylko maleńkimi lampkami. Przede wszystkim to elementy służące do przepuszczania prądu w jednym kierunku i blokowania jego przepływu w drugim. Nie potrzeba do tego żadnej wyrafinowanej technologii. W praktyce rodzajem prymitywnej diody była próżniowa lampa elektronowa, wynaleziona już na początku ubiegłego stulecia. Elektrony płynęły w niej przez próżnię (lub odpowiedni gaz), wyłącznie od rozżarzonej katody do anody.

Sama zasada działania nie uległa specjalnej zmianie, lecz konstrukcja współczesnych diod oparta jest zazwyczaj o użycie materiałów półprzewodnikowych. Tego typu substancje – jak arsenek galu, fosforek galu, german i oczywiście krzem – zależnie od sytuacji, potrafią przyjmować cechy przewodnika albo izolatora elektryczności. Wykorzystuje się je do tworzenia tzw. złączy p-n, złożonych z dwóch warstw. Pierwsza, warstwa n, zwiększa liczbę swobodnych elektronów, które wezmą udział w przepływie prądu. Druga, warstwa p, wyłapuje elektrony za pomocą dziur, de facto pełniących rolę ładunków dodatnich. W normalnych warunkach, pomiędzy obiema warstwami rozciąga się swoista ziemia niczyja, jednak podczas przepuszczenia prądu, elektrony opuszczają okopy i przypuszczają szturm, przeskakując do dziur z warstwy p. Część energii z tego starcia jest gubiona i uchodzi z diody pod postacią fotonów.

Złącze p-n w diodzie

Półprzewodnikowe diody szybko stały się podstawowym elementem urządzeń elektronicznych, mogąc pełnić rolę – zależnie od rodzaju – prostowników, stabilizatorów napięcia, szybkich przełączników, czy wreszcie źródeł światła. Jednak dla klasycznych żarówek nie stanowiły żadnej konkurencji przez bardzo długie lata.

2. Brakowało nam niebieskiego

LED-y, czyli diody elektroluminescencyjne produkuje się już szóstą dekadę. Dlaczego więc dopiero od niedawna oświetlają nasze domy i ulice? Problem leży w… kolorze. Brzmi trywialnie, lecz diody poprzedniej generacji świeciły na czerwono, żółto czy zielono – ale nigdy na niebiesko. Gdyby dawniej ktoś marzył o zastąpieniu lamp i żarówek LED-ami, to musiałby zadowolić się klimatem rodem z ciemni fotograficznej bądź domu uciech.

Niebieska dioda LED

O kolorze decyduje rodzaj użytego w złączu p-n półprzewodnika. Wytworzony w jego wnętrzu foton musi się zeń wydostać, a to wiąże się z pewną stratą energii. W efekcie diodę opuszcza jedynie światło o ściśle określonej długości fali. Niska energia oznacza długą falę i światło przesunięte bliżej czerwieni – taką też barwę oferowały złącza oparte o kryształy z dodatkiem wspomnianych już związków, jak arsenek galu czy fosforek galu. Aby LED-y mogły stać się realną alternatywą dla standardowych żarówek, konieczne było uzyskanie praktycznego, białego światła. To najłatwiej skomponować poprzez wymieszanie czerwieni, zieleni i właśnie niebieskiego. Inną opcją jest wydobycie białego światła z ultrafioletu przy użyciu odpowiedniego luminoforu. Jednak bez względu na wariant, naukowcy musieli wynaleźć najpierw materiał, oferujący emisję promieniowania o krótszej fali.

3. LED-y doczekały się Nobla

Temat zaczął spędzać sen z powiek fizykom i inżynierom z poważnych ośrodków na całym globie. Przełom nastąpił na początku lat 90. w Japonii. Shuji Nakamura oraz niezależnie od niego Hiroshi Amano i Isamu Akasaki, jako pierwsi znaleźli sposób na wykrzesanie z diod elektroluminescencyjnych krótszych fal. Uczeni skupili się na zastąpieniu dotychczasowych domieszek azotkiem galu (GaN), mającym potencjał do emisji światła nawet w zakresie ultrafioletu. Pozostawał problem techniczny. Japończycy z jednej strony musieli stworzyć dobre jakościowo i jednocześnie możliwie tanie kryształy z zawartością GaN, z drugiej zaś doprawić go substancją, która ułatwi ucieczkę fotonów i zwiększy wydajność układu (cynk lub magnez) – co nie było łatwe z uwagi na chemiczną wrażliwość azotku galu. Pierwsza niebieska dioda zaświeciła w 1993 roku na Uniwersytecie w Nagoya i niedługo później w laboratoriach niewielkiej wtedy korporacji Nichia. Sukces był ogromny, choć musiało upłynąć jeszcze sporo wody w Shinano, zanim uczeni zostali właściwie docenieni.

Shuji Nakamura

Jeśli nie jest to jeszcze dla Ciebie jasne, skonstruowanie niebieskiego LED-a było nie tylko wydarzeniem komercyjnym, ale również naukowym. Na początku października 2014 roku Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura (na zdjęciu), zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Warto przy tej okazji zauważyć, że obok wyróżnienia za światłowody w 2009 roku, było to chyba najbardziej praktyczne odkrycie nagrodzone fizycznym Noblem, w XXI wieku. Jak podkreślił David Gross (również noblista): “Co pięć lub sześć lat nagroda przyznawana jest wynalazkowi, który przyniósł wielką korzyść ludzkości, jak tranzystor, laser czy światłowód. Myślę, że ten stosunek można uznać za zadowalający”.

4. Mają wąskie spektrum światła

Sposób emisji światła pozostaje jednocześnie największą zaletą i największą wadą LED-ów. Jak już wiesz, fotony powstają jako produkt elektroluminescencji, przy przeskakiwaniu elektronów w półprzewodnikowym złączu p-n. Od strony technicznej to bardzo wydajny proces, ponieważ przepływający prąd w sposób niemalże bezpośredni przekształcany jest w światło. Działanie standardowej żarówki prezentuje się zgoła inaczej. Prąd przepływa przez określony materiał (najczęściej wolframowy drucik lub gaz) i rozgrzewa go do ogromnej temperatury, wskutek czego ten zaczyna się żarzyć. Nie trzeba być fizykiem żeby dostrzec, jakie to marnotrawstwo. Zdecydowana większość energii wycieka pod postacią ciepła, a także światła o przeróżnej długości fali – w tym również niewidzialnego dla ludzkiego oka. Aby zobrazować różnice w wydajności, spójrzmy na liczby. Otóż do uzyskania około 700 lm (lumenów, jednostek strumienia świetlnego) potrzebujemy 60-watowej żarówki wolframowej. W przypadku LED-ów, do osiągnięcia podobnego wyniku wystarczy nam dioda wymagająca 12-16 watów, co oznacza przynajmniej czterokrotnie większą wydajność. A to nie ostatnie słowo. Firma Cree Inc. skonstruowała eksperymentalną diodę, która z jednego wata wyciągnęła… 303 lumeny!

Kolorowe diody LED

Ale jak wspomniałem, wąskie spektrum emitowanego światła ma też swoje wady. Być może zdarzyło Ci się patrząc na LED pomyśleć, że jej blask nie jest tak przyjemny, nie tak “ciepły” dla oka jak ten od żarzącej się żarówki. W rzeczy samej, coś w tym jest. Rozgrzany wolfram emituje mieszaninę promieniowania o różnej długości fal, które pieszczą nasze receptory wzroku niemal równie skutecznie co światło Słońca. W przypadku nienaturalnie białego światła, lub też nazbyt przesuniętego ku niebieskiemu, nasze zmysły mają prawo odczuwać pewien dyskomfort. Jedną z konsekwencji jest rozregulowywanie rytmu dobowego i utrudnianie zasypiania. Na szczęście kwestia ta stanowi coraz mniejszą bolączkę, a nowe diody wytwarzają światło mniej drażniące wzrok niż kiedyś.

5. Diody są już wszędzie

Mimo pewnych niedogodności, rekordowo niskie zużycie prądu i długa żywotność, muszą zadecydować o ostatecznym zastąpieniu klasycznych źródeł światła diodami. Aktualnie znajdujemy się w samym środku tej rewolucji. Zresztą piszę te słowa w dobrym momencie. Jak chyba wszyscy wiemy żarówki wolframowe już zniknęły, a zaledwie kilka miesięcy temu ze sprzedaży wycofywane zostały również żarówki halogenowe. Jest to podyktowane zarówno względami ekonomicznymi jak i środowiskowymi. Odczuwalnie niższe zużycie energii oznacza mniejszy pobór elektryczności, a to z kolei przekłada się na odpowiednio niższą emisję CO2 (wszakże nie tylko polska energetyka oparta jest na węglu). W związku z tym zmiana na LED-y wydaje się całkowicie racjonalna i naturalna. Choć oczywiście nigdy nie zabraknie osób, które z radością wróciłyby do czasów wolframu, termometrów rtęciowych i azbestu.

Gra jest warta świeczki. Ocenia się, że oświetlenie odpowiada za około 14% ogólnego zużycia elektryczności w Europie. Mowa o milionach żarówek w domach, szkołach, szpitalach, urzędach, fabrykach, sklepach i biurowcach. W samym oświetlaniu ulic europejskich miast bierze udział około 90 milionów lamp (w samej Polsce to 3,3 miliona lamp, głównie sodowych). Nawet w niewielkim 50-tysięcznym mieście, wymiana klasycznego oświetlenia na LED-y skutkuje zmniejszeniem poboru prądu od 55 do 70% i oszczędnością dla budżetu rzędu miliona złotych. Mnożąc to przez cały kraj, czy też lepiej przez cały kontynent, mamy do czynienia z liczbami, których nie sposób lekceważyć.


Ardant.pl - Lampy & świetlenie
Patronem powyższego artykułu jest Ardant.pl – Lampy & Oświetlenie

Literatura uzupełniająca:
M. Gunther, Blue LEDs may be caught in a trap, [online: www.chemistryworld.com/news/blue-leds-may-be-caught-in-a-trap/8184.article];
Shedding light on why blue LEDS are so tricky to make, [online: www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150107123936.htm];
F. Diep, Why A Blue LED Is Worth A Nobel Prize, [online: www.popsci.com/article/technology/why-blue-led-worth-nobel-prize];
T. Lombardo, Are LED Lights Bad for Your Health?, [online: www.engineering.com/ElectronicsDesign/ElectronicsDesignArticles/ArticleID/14607/Are-LED-Lights-Bad-for-Your-Health.aspx];
M. Ciechanowska, Technologia LED-owa wchodzi do polskich miast, [online: www.pb.pl/technologia-led-owa-wchodzi-do-polskich-miast-695739];
Lighting the Future. Accelerating the deployment of innovative lighting technologies, [online: www.ab.gov.tr/files/ardb/evt/greenpaper_december_2011.pdf].
5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji statku Crew Dragon Kosmologiczna herezja – zmienna prędkość światła Ostatnie lądowanie promu Atlantis. Zmierzch epoki wahadłowców