Ena najbolj revolucionarnih tehnologij 21. stoletja, svetleče-diode (LED), spreminjajo naš način komuniciranja, osvetljevanja naših domov in interakcije z zunanjim svetom. To je zgodba o vztrajnosti, ustvarjalnosti in revolucionarnih-odkritjih, ki so jih pripeljala od nejasnih znanstvenih pojavov do široko uporabljenih svetlobnih rešitev. Ta članek opisuje razvojLED diodeskozi čas, s poudarkom na inovacijah, ki so omogočile njihovo trenutno uporabo.
1. Zgodnje ugotovitve: izvor elektroluminiscence (1907–1960)
Pojav elektroluminiscence oziroma sproščanja svetlobe iz snovi, ko skozinjo teče električni tok, je osnova LED tehnologije. Henry Joseph Round, britanski raziskovalec, je prvič opazil ta koncept leta 1907, ko je ugotovil, da kristal silicijevega karbida (SiC) oddaja šibek sijaj ob uporabi napetosti. Čeprav je bila Roundova ugotovitev nenamerna in slabo razumljena, je bila prva dokumentirana elektroluminiscenca.
Oleg Losev, ruski izumitelj, je gradil na Roundovem delu v dvajsetih letih prejšnjega stoletja. Losev je med raziskovanjem kristalov silicijevega karbida in cinkovega oksida napisal -poglobljene članke o "svetlobnih relejih". Predlagal je tudi, da lahko elektroluminiscenca služi kot osnova za uporabne vire svetlobe. Toda zaradi časovnih tehničnih omejitev je bila njegova študija večinoma zanemarjena, njegovih prispevkov pa so se spomnili šele čez desetletja.
V 50. in 60. letih 20. stoletja se je začela sodobna doba LED, saj je razvoj znanosti o polprevodnikih omogočil nove možnosti. Materiale, kot sta galijev arzenid (GaAs) in galijev fosfid (GaP), so raziskovali raziskovalci RCA, General Electric in IBM. Infrardečo LED sta leta 1961 izumila Robert Biard in Gary Pittman, ključno odkritje pa je naredil znanstvenik družbe General Electric Nick Holonyak Jr. Holonyak je leta 1962 razvil prvo LED z vidnim -spektrom, ki je za ustvarjanje rdeče svetlobe uporabil kristal galijevega arzenid fosfida (GaAsP). Holonyak, znan kot »oče LED«, je takrat -futuristično napovedal, da bodo LED sčasoma nadomestile žarnice z žarilno nitko.
2. Barvna revolucija (1970-1980): Razširitev spektra
Nizko{0}}intenzivna rdeča svetloba, ki so jo proizvajale zgodnje diode LED, je bila primerna samo za indikatorske lučke, ki so se uporabljale v urah, kalkulatorjih in drugih pripomočkih. V sedemdesetih letih je raziskave vodila želja po novih barvah in večji učinkovitosti.
Zelene in rumene LED: V zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so izumitelji ustvarili zelene in rumene LED z dopiranjem galijevega fosfida z dušikom. Te so se razširile na indikatorje na armaturni plošči za avtomobile in semaforje.
LED, ki so modre: sveti gral Zaradi izziva ustvarjanja visoko{0}}kakovostnih kristalov galijevega nitrida (GaN) je modra svetloba ostala nedosegljiva. Rast je bila težavna zaradi visoke temperature taljenja GaN in neskladja mreže s substrati. Raziskovalci, kot sta Isamu Akasaki in Hiroshi Amano na Japonskem, so z uporabo metalorganskega kemičnega naparjevanja (MOCVD) vztrajali in dosegli pomemben napredek pri razvoju GaN na safirnih substratih v poznih osemdesetih letih.
Prvo visoko{0}}svetlo modro LED je leta 1993 ustvaril Shuji Nakamura iz družbe Nichia Corporation, kar je pomenilo zadnji pomemben napredek. Polje je preoblikoval Nakamurin izum, ki je za aktivno plast uporabil indijev galijev nitrid (InGaN). Poleg dokončanja barvne triade RGB so modre LED omogočile bele LED z nanosom fosforne prevleke (več o tem pozneje). Sloves modre LED kot izuma,-ki spreminja igre, se je utrdil, ko so Akasaki, Amano in Nakamura leta 2014 za svoja prizadevanja prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.
3. Osvetlitev sveta: Preboj bele LED (1990–2000)
Splošna razsvetljava zahteva belo svetlobo. Pred LED diodami je bilo mešanje rdečih, zelenih in modrih LED diod za ustvarjanje bele svetlobe težaven in neučinkovit postopek. Uvedba modrih LED diod je ponudila enostavnejšo rešitev: nanos rumenega fosforja (kot je cerij-dopiran itrijevo-aluminijev granat ali YAG:Ce) na modro LED. Ko fosfor vzbudi modra svetloba, sprosti širok spekter svetlobe, ki se združi s preostalo modro svetlobo in ustvari belo.
V poznih devetdesetih letih je ta tehnika-znana kot fosfor{2}}bela LED ali PC{3}}LED-postala ekonomsko izvedljiva. Do leta 2000 so podjetja, kot so Cree, Philips in Osram, množično -proizvajala bele LED z učinkovitostjo, višjo od žarnic z žarilno nitko in fluorescenčnih žarnic.
Pomembne prelomnice vključujejo:
Svetlobna učinkovitost: Do leta 2010 se je učinkovitost povečala s 5 lm/W (rdečaLED diodeod leta 1960) na več kot 150 lm/W.
Znižanje stroškov: Med letoma 2000 in 2015 so izboljšane proizvodne metode (kot je proizvodnja rezin-v obsegu) znižale cene za 90 %.
Uvajanje v razsvetljavo: vlade po vsem svetu so spodbujale uporabo LED za varčevanje z energijo. Nagrada L leta 2008, ki jo je podelilo Ministrstvo za energijo ZDA, je na primer pospešila sprejetje LED luči kot nadomestek za 60 W žarnice z žarilno nitko.
4. Beyond Lighting: Pametna tehnologija in diverzifikacija (2010–danes)
Dandanes se LED diode uporabljajo za več kot le razsvetljavo. Razvoj znanosti o materialih in miniaturizacija sta omogočila številne uporabe.
a. Vizualna tehnologija in zasloni
Organske LED diode ali OLED so prilagodljivi, zelo tanki zasloni, ki jih vidimo v pametnih telefonih (kot so Samsungove plošče AMOLED).
Mikro-LED: samo{1}}oddajne slikovne pike za slušalke AR/VR in televizorje visoke-ločljivosti.
Li-Fi: modulacija svetlobe z uporabo LED za brezžično prenašanje podatkov.
b. Razsvetljava, osredotočena na ljudi
Dandanes nastavljive LED diode spreminjajo barvno temperaturo, da posnemajo cikle naravnega sonca, s čimer izboljšujejo kakovost spanja in produktivnost. V šolah in bolnišnicah se za nadzor ravni melatonina uporablja "cirkadiana osvetlitev".
c. Kmetijstvo in vrtnarstvo
LED luči za rast uporabljajo določene valovne dolžine (rdeča in modra za fotosintezo, na primer), da povečajo razvoj rastlin. Svetleče diode so bistvenega pomena za-celoletno pridelavo pridelkov na vertikalnih kmetijah.
d. Transport in avtomobili
Zaradi svoje robustnosti in prilagodljivosti v zasnovi so LED diode industrijski standard za osvetlitev vozil. Svetleče diode se v trenutnih električnih vozilih uporabljajo za vse, od žarometov do indikatorjev stanja baterije, Audijeve dnevne luči LED iz leta 2004 pa so začele trend.
5. Inovacije in težave
LED diode se kljub uspehu še naprej soočajo z ovirami:
a. Padec učinkovitosti
Učinkovitost LED se zmanjša pri visokih tokovih zaradi toplote in uhajanja elektronov. GaN-na-GaN podlagah in zasnova kvantnih vrtin sta dva načina za zmanjšanje napak.
b. Okoljska vprašanja
Težke kovine in redki{0}}zemeljski elementi, kot je evropij v fosforjih, so v LED diodah. Zaskrbljenost glede e-odpadkov povzroča vrzel v obratih za recikliranje.
c. Kakovost barve
Barvno upodabljanje zgodnje beleLED diode was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. Prihodnost LED diod
Nove tehnologije imajo potencial za napredek LED:
Perovskite LED: poceni-cenovni,-barvno čisti materiali.
UV{0}}C LED: za čiščenje in sterilizacijo vode.
Integracija LiDAR: 3D kartiranje z uporabo LED v samovozečih-avtomobilih.
Razvoj LED, od svetlobnega kristala Henryja Rounda do modre LED Shujija Nakamure, je dokaz človeške iznajdljivosti in med-disciplinarnega sodelovanja. Več kot polovica razsvetljave na svetu zdaj poganja-LED, kar zmanjšuje emisije ogljika in prihrani milijarde dolarjev pri stroških energije.LED diodebo še naprej vodila tehnološko revolucijo, saj se raziskave pametnejše, bolj zelene in bolj prilagodljive razsvetljave nadaljujejo, kar dokazuje, da lahko tudi najmanjša dioda osvetli planet.
http://www.benweilight.com/ceiling-lighting/led-downlights/vgradne-downlights-led-can-spotlight.html
