-Czas czytania: 6 minut-
Znacząca data – 7 października 2014: Królewska Szwedzka Akademia ogłosiła, że przyznaje Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2014 trzem naukowcom, którzy wynaleźli niebieską diodę elektroluminescencyjną (LED). Jak wiemy lampy LED zużywają mniej energii do emitowania światła w porównaniu do starszych źródeł, w tym żarówek i świetlówek, a także są trwalsze i nie zawierają rtęci.
Spis treści:
Nagroda Nobla – kto ją otrzymał i za co?
Tworzenie światła w półprzewodniku
Fiat lux – niech stanie się światło
Nagroda Nobla – kto ją otrzymał i za co?
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura otrzymają Nagrodę Nobla „za wynalezienie wydajnych diod emitujących światło niebieskie, które umożliwiły uzyskanie jasnych i energooszczędnych źródeł światła białego”. Niebieskie światło jest niezbędne do wytworzenia białego światła, jako dodatek do starszych wynalazków: czerwonej i zielonej diody LED. Akademia sugeruje, że wynalazek trzech naukowców sprzed 20 lat jest rewolucyjny: „Żarówki rozświetliły XX wiek; XXI wiek będzie oświetlony lampami LED” – mówią.
Według Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk „ponieważ około jedna czwarta światowego zużycia energii elektrycznej jest wykorzystywana do celów oświetleniowych, wysoce energooszczędne diody LED przyczyniają się do oszczędzania zasobów Ziemi”. Obecnie strumień świetlny na jednostkę mocy pobieranej przez białe oprawy przemysłowe LED jest porównywalny z 10-12 zwykłymi żarówkami i prawie 2-3 świetlówkami. Lampy LED wytrzymują także do 100 razy dłużej niż żarówki tradycyjne i 10 razy dłużej niż świetlówki.
Wśród licznych zalet lamp LED jest ich potencjał w zakresie poprawy jakości życia ponad 1,5 miliarda ludzi, którzy obecnie nie mają dostępu do sieci energetycznej. Biorąc pod uwagę niskie zapotrzebowanie mocy oprawy przemysłowe LED, może ona być zasilana lokalną energią słoneczną. Ponadto ultrafioletowa dioda LED, będąca rozwinięciem niebieskiej diody LED, może być używana do sterylizacji zanieczyszczonej wody.
Oszczędność energii i zasobów
Dioda elektroluminescencyjna składa się z szeregu warstwowych materiałów półprzewodnikowych. W diodzie LED prąd jest bezpośrednio przekształcany w cząstki światła, fotony, co prowadzi do wzrostu wydajności w porównaniu z innymi źródłami światła, w których większość energii elektrycznej zamieniana jest na ciepło, a tylko niewielka ilość na światło. W żarówkach, a także w lampach halogenowych, prąd elektryczny służy do podgrzewania żarnika drucianego, powodując jego świecenie. W świetlówkach (dawniej nazywanych lampami niskoenergetycznymi, ale wraz z pojawieniem się lamp LED, ta etykieta straciła swoje znaczenie) następuje wyładowanie gazowe, wytwarzające zarówno ciepło, jak i światło.
Tym samym nowe diody LED wymagają mniej energii do wyemitowania światła w porównaniu ze starszymi źródłami światła. Ponadto oprawy są stale udoskonalane, również przez naszą firmę i stają się coraz wydajniejsze przy większym strumieniu świetlnym (mierzonym w lumenach) na jednostkę mocy wejściowej (mierzonej w watach). Najnowszy rekord to nieco ponad 200 lumenów/wat z oprawy, mierzony po wszystkich stratach, co można porównać do 16 lm/W dla zwykłych żarówek i blisko 70 lm/W dla świetlówek. Wpływając na jedną czwartą światowego zużycia energii elektrycznej przeznaczanych na cele oświetleniowe wysokoefektywne energetycznie diody LED przyczyniają się znacząco do oszczędzania zasobów Ziemi.
Tworzenie światła w półprzewodniku
Technologia LED wywodzi się z tej samej sztuki inżynieryjnej, która dała nam telefony komórkowe, komputery i cały nowoczesny sprzęt elektroniczny oparty na zjawiskach kwantowych. Dioda elektroluminescencyjna składa się z kilka warstw: warstwa typu n z nadmiarem elektronów ujemnych i warstwa typu p z niedoborem ilości elektronów, zwana także warstwą z nadmiarem dziur dodatnich.
Pomiędzy nimi znajduje się warstwa aktywna, do której kierowane są elektrony ujemne i dziury dodatnie. Do półprzewodnika przykładane jest napięcie elektryczne. Kiedy elektrony i dziury się spotykają, łączą się ponownie i w efekcie półprzewodnik emituje światło. Długość fali światła zależy całkowicie od rodzaju półprzewodnika.
Pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku wynaleziono czerwoną diodę elektroluminescencyjną. Wykorzystywano je m.in. w urządzeniach cyfrowych zegarków i kalkulatorów lub jako wskaźniki stanu włączenia/wyłączenia różnych urządzeń. Na wczesnym etapie rozwoju technologii LED było oczywiste, że do wytworzenia światła białego była potrzebna dioda elektroluminescencyjna emitująca światło o krótkiej długości fali, składające się z fotonów o wysokiej energii – niebieska dioda. Wiele laboratoriów próbowało, ale bez powodzenia.
Przeczytaj również: Czy oświetlenie LED jest dobre dla środowiska, naszych kieszeni oraz dzieł sztuki? – Nasze oprawy przemysłowe LED podbijają świat
Fiat lux – niech stanie się światło
W 1986 roku firmom Akasaki i Amano jako pierwszym udało się stworzyć wysokiej jakości kryształ azotku galu poprzez umieszczenie warstwy azotku glinu na szafirowym podłożu, a następnie hodowaniu wysokiej jakości galwanicznego azotku litu na wierzchu. Kilka lat później, pod koniec lat 80., inżynierowie dokonali przełomu. Przez przypadek Akasaki i Amano odkryli, że ich materiał świecił bardziej intensywnie podczas badania pod skaningowym mikroskopem elektronowym. Sugerowało to, że wiązka elektronowa z mikroskopu sprawiała, że warstwa typu p była bardziej wydajna. W 1992 roku mogli zaprezentować swoją pierwszą diodę emitującą jasnoniebieskie światło.
Nakamura zaczął opracowywać swoje niebieskie diody LED w 1988 roku. Dwa lata później jemu również udało się stworzyć wysokiej jakości azotek galu. Znalazł swój własny sprytny sposób na stworzenie kryształu, najpierw wyhodowując cienką warstwę azotku galu w niskiej temperaturze, a następnie dodając poprzez hodowanie kolejne warstwy w wyższej temperaturze.
W latach 90. obu grupom badawczy udało się udoskonalić swoje niebieskie diody LED i wytworzyć je w bardziej wydajny sposób. Stworzyli różne stopy azotku galu, wykorzystując aluminium lub ind, a struktura diody LED stawała się coraz bardziej złożona.
Akasaki wraz z Amano i Nakamurą wynaleźli także niebieski laser, w którym niebieska dioda LED, wielkości ziarenka piasku, jest kluczowym elementem. W przeciwieństwie do rozproszonego światła diody LED, kolor niebieski lasera emituje ostrą wiązkę światła. Ponieważ światło niebieskie ma bardzo krótką długość fali; przy świetle niebieskim ten sam obszar może pomieścić cztery razy więcej informacji niż przy świetle podczerwonym. Ten wzrost pojemności szybko doprowadził do opracowania dysków Blu-ray z dłuższym czasem odtwarzaniem, a także lepszych drukarek laserowych.
Wiele urządzeń gospodarstwa domowego jest również wyposażonych w diody LED. Świecą swoim światłem na ekranach LCD w telewizorach, komputerach i telefonach komórkowych, w których są używane także jako lampy błyskowe do aparatu.
Przeczytaj również: 7 sposobów na wdrożenie „zielonych” inicjatyw w magazynie – czy oprawy przemysłowe LED mają tu swoje miejsce?
Wymagająca konwencja
Laureaci kwestionowali ustalone prawdy; ciężko pracowali i podejmowali znaczne ryzyko. Zbudowali i sami zdobyli sprzęt, poznali technologię i przeprowadzili tysiące eksperymentów. Większość czasu, to czas kiedy pomysły zawodziły, ale oni nie rozpaczali, pracowali dalej. To był kunszt laboratoryjny na najwyższym poziomie. Azotek galu był materiałem wybranym zarówno przez Akasaki i Amano, jak i Nakamurę. W końcu odnieśli sukces w swoich wysiłkach, mimo że inni ponieśli porażkę przed nimi.
Początkowo materiał uznano za odpowiedni do wytwarzania światła niebieskiego, ale w praktyce trudności okazały się ogromne. Nikt nie był w stanie wyhodować kryształów azotku galu o wystarczająco wysokiej jakości, ponieważ nie można było wytworzyć odpowiedniej powierzchni, na której można byłoby hodować kryształy azotku galu. Ponadto, praktycznie niemożliwe było wytworzenie w tym materiale warstw typu p. Niemniej jednak Akasaki był przekonany na podstawie wcześniejszych doświadczeń, że wybór materiału był prawidłowy, i kontynuował współpracę z Amano, który był doktorantem na Uniwersytecie w Nagoya. Nakamura również wybrał azotek galu zamiast alternatywy, selenku cynku, substancji, którą inni uważali za bardziej obiecujący materiał.
Jasna rewolucja
Wynalazki Laureatów zrewolucjonizowały dziedzinę techniki oświetleniowej. Zaczęły powstawać nowe, bardziej wydajne, coraz tańsze i inteligentniejsze lampy. Białe oprawy przemysłowe LED można stworzyć w dwóch różnych wersjach. Jednym ze sposobów jest użycie niebieskiego światła do wzbudzenia luminoforu, tak aby świecił na czerwono i zielono. W wyniku mieszania widma powstaje białe światło. Innym sposobem jest zbudowanie lampy z trzech diod LED, w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim (RGB – te kolory są symbolicznie przedstawione w pierścieniach w logotypie TheusLED!).
Lampy LED są zatem elastycznymi źródłami światła, mającymi już szereg zastosowań w dziedzinie oświetlenia – można otrzymać miliony różnych kolorów; kolory i intensywność można zmieniać w zależności od potrzeb. Kolorowe, pełne panele świetlne o powierzchni kilkuset metrów kwadratowych, mrugają, zmieniają kolory i wzory. I wszystkim można sterować za pomocą komputerów. Możliwość kontrolowania temperatury barwowej światła oznacza również, że lampy LED, w tym oświetlenie przemysłowe może odtwarzać zmiany naturalnego światła i podążać za naszym zegarem biologicznym. Uprawa szklarniowa i używanie w nich sztucznego światła LED też jest już rzeczywistością.
Lampa LED jest również bardzo obiecująca, jeśli chodzi o możliwość podniesienia jakości życia u ponad 1,5 miliardów ludzi, którzy obecnie nie mają dostępu do sieci elektroenergetycznych, a niskie zapotrzebowanie na moc oznacza, że lampa może być zasilana tanią, lokalną energią słoneczną. Co więcej, zanieczyszczona woda może być sterylizowana za pomocą ultrafioletowych diod LED, które powstały w toku prac rozwojowych niebieskiej diody LED. Praktyczne stosowanie wydajnej niebieskiej diody LED trwa zaledwie ponad dwadzieścia lat, ale już przyczyniła się do wytworzenia białego światła w zupełnie nowy sposób, z korzyścią dla nas wszystkich.
Jeśli i Ty jesteś gotowy na tę zmianę, to zapraszamy do kontaktu.
Zespół TheusLed – specjaliści od światła
Materiał inspirowany: THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2014
