Czytaj dalej

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].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.