Viena iš revoliucingiausių XXI amžiaus technologijų – šviesos diodai (LED) keičia mūsų bendravimo, namų apšvietimo ir bendravimo su išoriniu pasauliu būdus. Tai pasakojimas apie atkaklumą, kūrybiškumą ir novatoriškus-atradimus, atvedusius juos nuo neaiškių mokslo reiškinių prie plačiai naudojamų apšvietimo sprendimų. Šiame straipsnyje aprašomas vystymasisšviesos diodailaikui bėgant, pabrėždami naujoves, dėl kurių jie dabar naudojami.
1. Ankstyvieji atradimai: elektroliuminescencijos kilmė (1907–1960 m.)
Elektroliuminescencijos reiškinys arba šviesos išsiskyrimas iš medžiagos, kai ja teka elektros srovė, yra LED technologijos pagrindas. Britų tyrinėtojas Henry Josephas Roundas pirmą kartą pastebėjo šią koncepciją 1907 m., kai nustatė, kad silicio karbido (SiC) kristalas silpnai švytėjo, kai buvo įjungta įtampa. Nepaisant to, kad jis buvo netyčinis ir menkai suprantamas, Raundo atradimas buvo pirmasis dokumentuotas elektroliuminescencija.
Olegas Losevas, rusų išradėjas, 1920-aisiais pastatė Raundo darbus. Tyrinėdamas silicio karbido ir cinko oksido kristalus, Losevas parašė{2}}išsamių straipsnių apie „šviesos reles“. Jis taip pat pasiūlė, kad elektroliuminescencija galėtų būti naudingų šviesos šaltinių pagrindas. Tačiau dėl techninių laiko apribojimų į jo tyrimą dažniausiai nebuvo atsižvelgta, o jo indėlis buvo prisimintas tik po dešimtmečių.
1950-aisiais ir 1960-aisiais prasidėjo šiuolaikinės LED eros aušra, nes puslaidininkių mokslo raida suteikė naujų galimybių. Tokias medžiagas kaip galio arsenidas (GaAs) ir galio fosfidas (GaP) tyrė RCA, General Electric ir IBM mokslininkai. 1961 m. infraraudonųjų spindulių šviesos diodą išrado Robertas Biardas ir Gary Pittmanas, tačiau esminį atradimą padarė „General Electric“ mokslininkas Nickas Holonyakas jaunesnysis. Holonyakas 1962 m. sukūrė pirmąjį matomo -spektro šviesos diodą, naudodamas galio arsenido fosfido (GaAsP) kristalą raudonai šviesai generuoti. Žinomas kaip „LED tėvas“, Holonyak išsakė tuometinę futuristinę-prognozę, kad šviesos diodai ilgainiui pakeis kaitinamąsias lempas.
2. Spalvų revoliucija (1970–1980): spektro išplėtimas
Mažo-intensyvumo raudona šviesa, kurią gamino ankstyvieji šviesos diodai, buvo tinkama tik laikrodžių, skaičiuotuvų ir kitų įtaisų indikatoriaus lemputėms. Aštuntajame dešimtmetyje tyrimus lėmė naujų spalvų ir didesnio efektyvumo troškimas.
Žali ir geltoni šviesos diodai: aštuntojo dešimtmečio pradžioje išradėjai sukūrė žalius ir geltonus šviesos diodus, sumaišydami galio fosfidą su azotu. Jie išaugo ir apėmė automobilių ir šviesoforų prietaisų skydelio indikatorius.
Šviesos diodai, kurie yra mėlyni: Šventasis Gralis Dėl iššūkio sukurti aukštos kokybės-galio nitrido (GaN) kristalus mėlyna šviesa liko sunkiai pasiekiama. Augimas buvo sunkus dėl aukštos GaN lydymosi temperatūros ir grotelių neatitikimo substratams. Naudodami metaloorganinį cheminį nusodinimą iš garų (MOCVD), tyrėjai, tokie kaip Isamu Akasaki ir Hiroshi Amano Japonijoje, išliko ir padarė didelę pažangą kurdami GaN ant safyro substratų devintojo dešimtmečio pabaigoje.
Pirmąjį didelio{0}}ryškumo mėlyną šviesos diodą 1993 m. sukūrė Nichia Corporation Shuji Nakamura, o tai pažymėjo paskutinį reikšmingą pažangą. Lauką pakeitė Nakamuros išradimas, kuris aktyviam sluoksniui naudojo indžio galio nitridą (InGaN). Be RGB spalvų triados užbaigimo, mėlyni šviesos diodai padarė baltus šviesos diodus, padengdami fosforo danga (daugiau apie tai vėliau). Mėlynojo šviesos diodo, kaip žaidimą keičiančio išradimo, reputacija{5}}sustiprinta, kai Akasaki, Amano ir Nakamura už pastangas 2014 m. buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija.
3. Pasaulio apšvietimas: baltos šviesos diodų proveržis (1990–2000 m.)
Bendram apšvietimui reikalinga balta šviesa. Iki šviesos diodų raudonų, žalių ir mėlynų šviesos diodų maišymas, kad būtų sukurta balta šviesa, buvo sudėtinga ir neveiksminga procedūra. Įdiegus mėlynus šviesos diodus, buvo lengviau išspręsti šią problemą: mėlyną šviesos diodą užtepti geltonu fosforu (pvz., ceriu{2}}lešruotu itrio aliuminio granatu arba YAG:Ce). Kai fosforą sužadina mėlyna šviesa, jis išskiria platų šviesos spektrą, kuris susijungia su likusia mėlyna šviesa ir sukuria baltą spalvą.
Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje ši technologija -žinoma kaip fosforo-konvertuotas baltas šviesos diodas arba PC-LED-tapo ekonomiškai pagrįsta. Iki 2000-ųjų baltus šviesos diodus, kurių efektyvumas didesnis nei kaitrinių ir fluorescencinių lempučių,{7}}masiškai gamino tokios firmos kaip Cree, Philips ir Osram.
Svarbūs posūkiai apima:
Šviesos efektyvumas: iki 2010 m. efektyvumas padidėjo nuo 5 lm/W (raudonašviesos diodainuo septintojo dešimtmečio) iki daugiau nei 150 lm/W.
Išlaidų mažinimas: 2000–2015 m. patobulinti gamybos metodai (pvz., plokštelių{2} gamyba) sumažino kainas 90 proc.
Apšvietimo pritaikymas: siekdamos taupyti energiją, vyriausybės visame pasaulyje skatino naudoti šviesos diodus. Pavyzdžiui, JAV Energetikos departamento 2008 m. L premija paskatino LED lemputes naudoti kaip 60 W kaitinamųjų lempų pakaitalą.
4. Be apšvietimo: išmaniosios technologijos ir diversifikacija (2010 m. – dabar)
Šiais laikais šviesos diodai naudojami ne tik apšvietimui. Medžiagų mokslo raida ir miniatiūrizacija tapo įmanoma naudoti daugybę kartų.
a. Vaizdinės technologijos ir ekranai
Organiniai šviesos diodai arba OLED yra lankstūs, labai ploni ekranai, matomi išmaniuosiuose telefonuose (pvz., „Samsung“ AMOLED plokštėse).
Mikro-LED: savaime-skleidžiantys pikseliai, skirti AR/VR ausinėms ir didelės raiškos televizoriams.
Li-Fi: šviesos moduliavimas naudojant šviesos diodus duomenims perduoti belaidžiu būdu.
b. Apšvietimas orientuotas į žmones
Šiomis dienomis derinami šviesos diodai keičia spalvų temperatūrą, kad atkartotų natūralių saulės spindulių ciklus, pagerintų miego kokybę ir produktyvumą. „Cirkadinis apšvietimas“ naudojamas mokyklose ir ligoninėse melatonino kiekiui kontroliuoti.
c. Žemės ūkis ir sodininkystė
LED auginimo lemputės naudoja tam tikrus bangos ilgius (pvz., raudonos ir mėlynos spalvos fotosintezei), kad maksimaliai padidintų augalų vystymąsi. Šviesos diodai yra būtini vertikalių ūkių -metinei augalininkystei.
d. Transportas ir automobiliai
Dėl savo tvirtumo ir pritaikymo dizaino šviesos diodai yra pramonės standartas transporto priemonių apšvietimui. Šviesos diodai dabartiniuose elektromobiliuose naudojami viskam – nuo priekinių žibintų iki akumuliatoriaus būsenos indikacijų, o „Audi“ 2004 m. LED dienos žibintai pradėjo populiarėti.
5. Inovacijos ir sunkumai
Nepaisant sėkmės, šviesos diodai ir toliau susiduria su kliūtimis:
a. Nukritęs efektyvumas
Šviesos diodų efektyvumas mažėja esant didelėms srovėms dėl šilumos ir elektronų nutekėjimo. GaN-on-GaN substratai ir kvantinių šulinių dizainas yra du būdai, kaip sumažinti trūkumus.
b. Aplinkosaugos klausimai
Šviesos dioduose yra sunkiųjų metalų ir retųjų{0}}žemių elementų, pvz., europio fosfore. Susirūpinimą dėl e-atliekų kelia perdirbimo įrenginių trūkumas.
c. Spalvos kokybė
Ankstyvosios baltos spalvos perteikimasšviesos diodai was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. Šviesos diodų ateitis
Naujos technologijos gali patobulinti šviesos diodus:
Perovskito šviesos diodai: mažos{0}}kainos, labai spalvotos-grynos medžiagos.
UV-C šviesos diodai: vandens valymui ir sterilizavimui.
LiDAR integravimas: 3D žemėlapių sudarymas naudojant LED{1}}savarankiškai vairuojančius automobilius.
Šviesos diodų kūrimas – nuo Henry Round apšvietimo kristalo iki mėlyno Shuji Nakamuros šviesos diodo – tai žmogaus išradingumo ir tarpdisciplininio{0}}bendradarbiavimo įrodymas. Daugiau nei pusė pasaulio apšvietimo dabar yra varomi LED-, todėl sumažėja anglies dvideginio išmetimas ir sutaupoma milijardai dolerių energijos sąnaudų.šviesos diodaiir toliau vadovaus technologinei revoliucijai, nes tęsiami pažangesnio, ekologiškesnio ir labiau pritaikomo apšvietimo tyrimai, įrodantys, kad net ir mažiausi diodai gali apšviesti planetą.
