Și să fie lumină
Ce este LED-ul și de ce auzim aceste trei litere constant? Povestea începe încă de la începutul secolului al XX-lea. Într-o lume în care toți foloseau lămpi cu gaz și lumânări pentru iluminat, oamenii de știință au început să dezvolte o soluție mai practică, care ulterior a schimbat fața lumii. Ei au pus bazele ideii de bec cu incandescență. Exista deja o idee clară despre cum va arăta, pe ce principiu va lumina, ce filament va avea, dar exista o problemă – nu lumina mult timp.
Aici a intervenit Thomas Edison, care în 1879 a stabilit că pentru a lumina durabil și eficient, era necesar să se extragă aerul din balonul de sticlă, iar filamentul să fie realizat din wolfram.
După inventarea sa, oamenii de știință au descoperit un alt efect de iluminare – fluorescența. George Gabriel Stokes a observat primul fenomenul în 1852, iar în 1934 Arthur Holly Compton, de la General Electric, a realizat un experiment reușit cu iluminat fluorescent, ceea ce a dus la primele prototipuri ale lămpii fluorescente.
Deși dominată de becul cu incandescență, secolul XX a adus o serie de descoperiri în domeniul iluminatului. A doua jumătate a secolului a dus și la inventarea lămpii cu halogenuri metalice – HID (High-Intensity Discharge Lamps). Aceasta reprezintă o lampă electrică cu emițător cu descărcare de gaz. Produce lumină prin crearea unui arc electric între electrozi de wolfram. La începutul anilor ’90, a fost utilizată pe scară largă pentru faruri de automobile, biciclete, lanterne și alte corpuri de iluminat similare.
Ca răspuns la criza petrolului din 1973, Edward Hammer, inginer de la General Electric, a inventat lampa spiralată (CFL – Compact fluorescent lamp). A apărut în 1976, cunoscută ca fiind economisitoare de energie. Designul său inovator și principiul de funcționare au fost copiate și de alți producători, ceea ce a dus la producția sa în masă. Și deși inventat după anii ’50 și perfecționat la începutul acestui secol, iluminatul LED își declară categoric prezența.
Ce este LED-ul și cum funcționează diodele LED?
Ce este LED-ul? LED- Light Emitting Diode reprezintă o diodă semiconductoare, care constă din zone cu purtători de curent pozitivi și negativi și un joncțiune p-n. Emite lumină incoerentă într-un spectru îngust atunci când prin el trece curent.
Dioda utilizează o parte din material de tip N (cu exces de electroni) conectată la o altă parte din material de tip P (cu exces de „goluri”). Locul unde cele două elemente se întâlnesc se numește joncțiune.
Inițial, materialul N are mai mulți electroni, iar materialul P are mai puțini. Acest lucru creează un dezechilibru, astfel încât electronii și golurile încep să se miște unul către celălalt prin joncțiune, atrași de sarcinile lor electrostatice opuse.
Când un gol și un electron se întâlnesc, se neutralizează reciproc, formând o zonă neutră de goluri și electroni legați.
Când materialul de tip P este conectat la polul pozitiv și respectiv tipul N la polul negativ al unei surse de alimentare, se formează un câmp electric în diodă. Acest lucru determină electronii liberi să fie atrași de electrodul pozitiv și respinși de cel negativ.
Dacă ridicăm tensiunea suficient de sus, electronii care stau liniștiți în golurile din zona de epuizare sunt expulzați. Ca rezultat, zona este eliminată și toți electronii și golurile încep să se miște din nou. Când un electron ajunge în golul mai slab din punct de vedere energetic, trebuie cumva să piardă energia în exces. Astfel, această energie este eliberată sub formă de foton – unitatea principală a luminii. Diferența de nivel energetic determină energia și puterea fotonului (puterea luminii).
Părinții LED-ului
În 1906, omul de știință britanic Henry Round de la laboratoarele Marconi a descoperit că o combinație de semiconductor produce lumină – electroluminiscență. În anii ’50, alți oameni de știință britanici au experimentat electroluminiscența. Au folosit un semiconductor numit arsenid de galiu (GaAs), care a dus la dezvoltarea primei diode infraroșii. În 1962, Nick Holonyak de la General Electric a creat primul spectru de lumină vizibilă, care strălucea în roșu. Această descoperire i-a adus titlul de „Părintele LED-ului”.
Mai târziu, împreună cu un fost student – George Crawford, au inventat primul LED galben și, în cele din urmă, LED-ul roșu-portocaliu mult mai strălucitor. Anii ’80 au fost marcați de crearea LED-ului realizat din galiu-aluminiu-arsenid. Acesta putea emite lumină roșie, galbenă, portocalie și verde. Strălucea de 10 ori mai puternic decât modelele vechi de LED.
De ce a întârziat LED-ul alb? Ce este LED-ul cu lumină albă?
În funcție de semiconductorul utilizat, culorile de iluminare ale LED-ului sunt:
AlGaAs – roșu, infraroșu;
AlGaP – verde;
AlGaInP – roșu-portocaliu, portocaliu, galben și verde;
GaAsP – roșu, roșu-portocaliu, portocaliu și galben;
GaP – roșu, galben, verde;
GaN – verde, albastru;
InGaN – UV apropiat, albastru-verzui, albastru;
SiC – albastru;
Al2O3 – albastru;
ZnSe – albastru;
AlN,
AlGaN,
AlGaInN – de la UV apropiat la UV îndepărtat
Deși primele LED-uri au fost produse în anii ’60, LED-urile albe au apărut la sfârșitul secolului 20. Acest lucru se datorează faptului că toate LED-urile emit într-un spectru foarte îngust de lumină. Lumina albă este o sumă a tuturor spectrelor de lumină vizibilă. Practic, în alb sunt incluse toate culorile – începând cu roșu (imediat după spectrul infraroșu), trecând prin galben, verde și ajungând la albastru înainte de spectrul ultraviolet.
Primele încercări de a crea un LED alb s-au bazat pe tehnologia RGB. Combinarea unui LED roșu, albastru și verde dă lumină albă. Tehnologia s-a dovedit însă a fi extrem de costisitoare și inadecvată pentru o distribuție în masă.
Inovatorii LED-ului
În 1991, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano și Shuji Nakamura au inventat LED-urile albe folosind LED-uri albastre și UV. Pentru această descoperire, au câștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 2014.
„Becul incandescent a luminat secolul 20, secolul 21 va fi luminat de lămpile LED!”
– notează Comitetul Nobel
Cei trei japonezi au descoperit principiul utilizării unui material fosforos pentru a transforma lumina monocromatică de la un LED albastru sau ultraviolet în lumină albă cu spectru larg. Lumina fluorescentă este similară.
Ce este LED-ul cu lumină albă?
La LED-urile pe bază de material fosforos, LED-urile sunt acoperite într-o culoare (cel mai adesea LED-uri albastre din InGaN – nitrură de galiu și indiu) cu fosfor în diferite culori. Pentru a forma lumina albă, se obțin așa-numitele LED-uri albe pe bază de fosfor.
În funcție de culoarea LED-ului original, pot fi utilizați fosfori în diferite culori. Dacă se aplică mai multe straturi de fosfor în diferite culori, spectrul emis se extinde, crescând valoarea CRI – indicele de redare a culorii al respectivului LED.
Astăzi, LED-ul alb este disponibil în diferite tipuri de temperatură de culoare, variind de la 2700K (alb cald) la 14000K (alb rece).
Aplicații ale LED-ului
Cu doar două decenii în urmă, modulele LED găseau aplicație doar în domenii restrânse, cum ar fi: telecomenzi, ieșiri de urgență și indicatoare și iluminarea aparatelor de control.
În zilele noastre, lucrurile arată diferit. Iluminatul LED este deja aplicat din ce în ce mai des atât în industrie, cât și în viața de zi cu zi. Acestea oferă nenumărate soluții LED pentru casă, iluminatul stațiilor de benzină, hale, stații de metrou etc., industria auto, materiale pentru publicitate LED interioară și exterioară.
Nu ne mai întrebăm deja „Ce este LED-ul?”. Suntem atât de obișnuiți cu tehnologia LED – practic, tehnologia LED este peste tot în jurul nostru – iluminat, televizoare, telecomenzi, lasere epilatoare, masaje infraroșii și multe altele.
