Светлинна революция Сини светодиоди осветяват света по нов начин, ROBOTOSHA
Исаму Акасаки, Хироши Амано и Суджи Накамура получиха Нобелова награда за изобретяването на нов енергоспестяващ и екологичен източник на светлина - сини светодиоди. В духа на Алфред Нобел, наградата се присъжда за изобретения, които носят най-голяма полза за човечеството, с помощта на сини светодиоди може да се създаде бяла светлина по нов начин. С навлизането на LED лампите, сега имаме по-издръжлива и ефективна алтернатива на по-старите източници на светлина.
Червените и зелените светодиоди са с нас от близо половин век, но синята светлина революционизира технологията за осветление. Само триадата от червено, зелено и синьо може да доведе до бялата светлина, която осветява света за нас. Въпреки високите залози и големите усилия, положени от научната общност, синята светлина е недостъпна от три десетилетия.
Акасаки работеше с Амано в университета в Нагоя, а Накамура работеше в Nichia Chemicals, малка компания в Токушимо на остров Шикоку. Когато получиха ярка синя светлина от полупроводници, вратите се отвориха за радикално нова технология за осветление. Крушките с нажежаема жичка запалиха 20-ти век, а 21-ви ще бъде осветен от светодиоди.
Спестяване на енергия и ресурси
Светодиодите са съставени от редица слоести полупроводникови материали. Светодиодите преобразуват електричеството директно във фотони, което води до по-висока ефективност в сравнение с други източници на светлина, където по-голямата част от електричеството се преобразува в топлина и само малко количество в светлина. В лампите с нажежаема жичка, както и в халогенните лампи, електрическият ток се използва за нагряване на нишка от тел, която произвежда блясък. Във флуоресцентни лампи (по-рано наричани енергоспестяващи лампи, но с появата на LED лампи,загубили значението си) газовият разряд създава топлина и светлина едновременно.
По този начин новите светодиоди изискват по-малко енергия за излъчване на светлина в сравнение с по-старите източници на светлина. В допълнение, те непрекъснато се подобряват, стават по-ефективни, с по-висок светлинен поток (измерен в лумени) на единица входяща електрическа мощност (измерен във ватове). Най-новата разработка е 300 лумена/ват, сравнимо с 16 лампи с нажежаема жичка и 70 флуоресцентни лампи. Тъй като около една четвърт от световното потребление на електроенергия се използва за целите на осветлението, високата енергийна ефективност на светодиодите допринася за пестенето на ресурсите на Земята.
Светодиодите имат по-дълъг живот от другите лампи. Ресурсът на лампите с нажежаема жичка е около 1000 часа, докато луминесцентните лампи имат 10 000 часа. Животът на светодиодите е 100 000 часа, което значително намалява разхода на материали.
Принципът на работа на светодиод (горе вляво) и пример за син светодиод
Създаване на светлина в полупроводник
- n-слой с излишък от отрицателни електрони,
- p-слой с недостатъчен брой електрони, известен също като слой с излишък от положително заредени дупки.
Между тях има активен слой, към който се придвижват дупки и отрицателно заредени електрони, когато към полупроводника се приложи електрическо напрежение. Когато електроните срещнат дупки, те се рекомбинират и това води до излъчване на светлина. Дължината на вълната на светлинния източник е напълно зависима от полупроводника, синята светлина се появява в края на спектъра с къса дължина на вълната и може да бъде произведена само в някои материали.
Представен е първият доклад за светлината, излъчвана от полупроводникпрез 1907 г. от Хенри Раунд, колега на Маркони, носител на Нобелова награда за 1909 г. По-късно, през 20-те и 30-те години на миналия век, в Съветския съюз Олег Владимирович Лосев провежда по-подробни изследвания на светлинното лъчение. Раунд и Лосев обаче не са имали достатъчно познания, за да разберат феномена. Отне няколко десетилетия, преди да се появят предпоставките за теоретично описание на електролуминесценцията.
Червените светодиоди са изобретени в края на 50-те години. Използвани са в цифрови часовници и калкулатори, за да покажат позицията за включване / изключване в различни устройства. Очевидно беше, че син диод с къса дължина на вълната, състоящ се от високоенергийни фотони, не е достатъчен, за да създаде бяла светлина. Много лаборатории са се борили с тази задача, но без успех.
Въпреки трудностите
Лауреатите се противопоставиха на установените истини, работиха усилено и поеха значителни рискове. Те сглобиха оборудването, разработиха технологията и извършиха хиляди експерименти. През повечето време се проваляха, но не се пречупиха, бяха професионалисти от най-висок клас. Акасаки, Амано и Накамура избраха галиев нитрид като материал и в крайна сметка усилията им бяха възнаградени и те постигнаха успех. Още на ранен етап беше очевидно, че избраният материал е подходящ за производството на синьо, но на практика всичко се оказа много по-сложно. Беше много трудно да се отглеждат висококачествени кристали от галиев нитрид и изглеждаше абсолютно невероятно да се намери повърхност за отглеждане на кристали. Освен това беше практически невъзможно да се създаде p-слой в този материал.
Въпреки това, въз основа на предишни експерименти, Акасаки беше убеден в правилния избор на материал и продължи да работи с Амано, завършил студент в университета в Нагоя. Накамура също избрагалиев нитрид вместо цинков селенид, който други учени смятаха за по-обещаващ материал.
Фиат Лукс - нека бъде светлина
През 1986 г. Акасаки и Амано са пионери в създаването на висококачествени кристали от галиев нитрид чрез поставяне на слой от алуминиев нитрид върху сапфирен субстрат и след това отглеждане на слой от висококачествен кристал от галиев нитрид върху него. Няколко години по-късно, в края на 80-те години, те направиха пробив в създаването на p-слой. Случайно Акасаки и Амано откриха, че техният материал свети по-ярко, когато го изследваха под сканиращ електронен микроскоп. Това предполага, че електронният лъч от микроскопа повишава ефективността на p-слоя. През 1992 г. те успяха да покажат първия си диод, излъчващ ярка синя светлина. Накамура започва да разработва своя дизайн на сини диоди през 1988 г. Две години по-късно успява да създаде и висококачествен галиев нитрид. Той намери начин да създаде кристал чрез отглеждане на тънък слой галиев нитрид при ниска температура и след това последващи слоеве при по-висока температура.
Накамура също успя да обясни защо Акасаки и Амано успяха да получат p-слоя: електронният лъч отстрани водорода, който предотврати образуването на p-слоя. От своя страна Накамура замени електронния лъч с по-прост и по-евтин метод: през 1992 г. той успя да създаде функционален p-слой чрез нагряване на материала. Така решенията на Накамуро се различават значително от тези на Акасаки и Амано. През 90-те години и двете изследователски групи подобриха производствената технология на сините светодиоди, което повиши тяхната ефективност. Те създават различни сплави от галиев нитрид, използвайки алуминий или индий, и структурата на светлинните индикатори става все по-сложна.
LED крушките използват по-малко енергия за излъчване на светлина от по-старите източници на светлина. Ефективността се определя от светлинния поток (измерен в лумени) на единица добавена мощност (измерен във ватове). Тъй като около една четвърт от световното потребление на електроенергия се използва за осветление, енергоспестяващите LED лампи спомагат за пестенето на ресурсите на земното кълбо.
Революция на светлината
Изобретенията на лауреатите предизвикаха революция в осветителната техника. Разработени са нови, по-евтини и по-ефективни лампи. Бялата светлина може да бъде създадена по два различни начина. Единият е да се използва синя светлина за облъчване на фосфора, така че да свети в червено и зелено. Когато всички цветове се слеят, се появява бяла светлина. Друг начин е да изградите лампа с три светодиода: червен, зелен и син и да оставите човешкото око да комбинира тези три цвята в бяло.
По този начин LED лампите са гъвкав източник на светлина с различни приложения в областта на осветлението. Могат да се получат милиони различни цветове, като цветовете и интензивността им могат да варират според нуждите. Цветните светлинни панели с размери няколкостотин квадратни метра могат да променят цветовете и шарките мигновено. И всичко това може да се контролира от компютър. Възможността за контролиране на цвета на светлината също означава, че LED лампите могат да възпроизвеждат редуването на естествената светлина и да следват нашия биологичен часовник. Отглеждането в оранжерии с изкуствена светлина вече е реалност.
LED лампите също имат голямо обещание, когато става въпрос за подобряване на качеството на живот на повече от 1,5 милиарда души, които в момента нямат достъп доелектрически мрежи. Поради ниската консумация на енергия, LED лампата може да се захранва от евтина местна слънчева енергия. В допълнение, замърсената вода може да бъде стерилизирана с помощта на ултравиолетови светодиоди, последвани от разработването на сини светодиоди. Синият светодиод е изобретен едва преди 20 години, но вече е допринесъл за създаването на бяла светлина в полза на всички нас.