Ein byltingarkenndasta tækni 21. aldar, -ljósdíóða (LED) eru að breyta því hvernig við höfum samskipti, lýsum upp heimili okkar og umgengst umheiminn. Þetta er saga um þrautseigju, sköpunargáfu og brautryðjandi-uppgötvanir sem leiddu þá frá óljósum vísindalegum fyrirbærum yfir í víða notaðar ljósalausnir. Þessi grein sýnir þróun áLEDí gegnum tíðina, með áherslu á nýjungarnar sem gerðu núverandi notkun þeirra mögulega.
1. Snemma niðurstöður: Uppruni rafgeislunar (1907–1960)
Fyrirbærið rafljómun, eða losun ljóss frá efni þegar rafstraumur streymir í gegnum það, er undirstaða LED tækni. Henry Joseph Round, breskur vísindamaður, gerði fyrstu athugun á þessari hugmynd árið 1907 þegar hann komst að því að kísilkarbíð (SiC) kristal gaf frá sér daufan ljóma þegar spenna var sett á. Þrátt fyrir að vera óviljandi og illa skilin, var uppgötvun Round fyrsta rafljómunin sem var skráð.
Oleg Losev, rússneskur uppfinningamaður, byggði á verkum Round á 1920. Losev skrifaði -djúpar greinar um „ljósaskipti“ á meðan hann rannsakaði kristalla kísilkarbíðs og sinkoxíðs. Hann lagði einnig til að rafljómun gæti þjónað sem grunnur að gagnlegum ljósgjöfum. En vegna tæknilegra takmarkana tímans var rannsókn hans að mestu virt að vettugi og framlags hans var ekki minnst fyrr en áratugum síðar.
Á 5. og 6. áratugnum var upphaf nútíma LED tímabils þar sem nýir möguleikar voru gerðir mögulegir með þróun í hálfleiðaravísindum. Efni eins og gallíumarseníð (GaAs) og gallíumfosfíð (GaP) voru rannsökuð af vísindamönnum hjá RCA, General Electric og IBM. Innrauð ljósdíóða var fundin upp árið 1961 af Robert Biard og Gary Pittman, en mikilvæga uppgötvunin var gerð af Nick Holonyak Jr., vísindamanni General Electric. Holonyak, sem er þekktur sem „faðir ljósdíóðunnar“, gerði þá -framúrstefnuspá að LED muni að lokum koma í stað glóperanna.
2. Litabyltingin (1970–1980): Brekkaðu litrófið
Lág-rauða ljósið sem framleitt var af fyrstu ljósdíóðum var aðeins viðeigandi fyrir gaumljós sem notuð voru í klukkur, reiknivélar og aðrar græjur. Á áttunda áratugnum voru rannsóknir knúnar áfram af þrá eftir nýjum litum og aukinni skilvirkni.
Grænar og gular LED: Snemma á áttunda áratugnum bjuggu uppfinningamenn til græna og gula LED með því að dópa gallíumfosfíð með köfnunarefni. Þetta stækkaði til að innihalda mælaborðsvísa fyrir bíla og umferðarljós.
Ljósdíóðir sem eru bláir: Hinn heilagi gral Vegna áskorunar um að búa til hágæða gallíumnítríð (GaN) kristalla hefur blátt ljós haldist fáránlegt. Vöxtur var erfiður vegna hás bræðsluhitastigs GaN og misræmis grindar við hvarfefni. Með því að nota málmlífræna efnagufu (MOCVD) héldu vísindamenn eins og Isamu Akasaki og Hiroshi Amano í Japan áfram og náðu verulegum framförum í þróun GaN á safír hvarfefni seint á níunda áratugnum.
Fyrsta há-bláa ljósdíóðan með háum birtu var búin til árið 1993 af Shuji Nakamura frá Nichia Corporation, sem markar síðustu mikilvægu framfarirnar. Sviðið var umbreytt með uppfinningu Nakamura, sem notaði indíum gallíumnítríð (InGaN) fyrir virka lagið. Auk þess að klára RGB litadríduna gerðu bláar LED hvítar LED mögulegar með því að beita fosfórhúð (meira um þetta síðar). Orðspor bláu ljósdíóðunnar sem leikja-uppfinningar sem breytti leik var styrkt þegar Akasaki, Amano og Nakamura fengu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 2014 fyrir viðleitni sína.
3. Lighting the World: The White LED Breakthrough (1990–2000s)
Almenn lýsing krefst hvíts ljóss. Fyrir ljósdíóða var það erfitt og árangurslaust að blanda rauðum, grænum og bláum ljósdíóðum til að búa til hvítt ljós. Kynning á bláum ljósdíóðum bauð upp á einfaldari leiðréttingu: að setja gulan fosfór (eins og cerium-dópaður yttríum ál granat, eða YAG:Ce) á bláa LED. Þegar fosfórinn er spenntur af bláu ljósi gefur hann frá sér breitt litróf ljóss sem sameinast einhverju bláu ljósi sem eftir er til að mynda hvítt.
Seint á tíunda áratugnum varð þessi tækni-þekkt sem fosfór-umbreytt hvít LED eða PC-LED- efnahagslega framkvæmanleg. Upp úr 2000 voru hvítar ljósdíóður með meiri skilvirkni en glóperur og flúrperur í fjöldaframleiðsla- af fyrirtækjum eins og Cree, Philips og Osram.
Mikilvæg tímamót voru meðal annars:
Lýsingarvirkni: Upp úr 2010 hefur skilvirkni aukist úr 5 lm/W (rauttLEDfrá 1960) í yfir 150 lm/W.
Lækkun kostnaðar: Á árunum 2000 til 2015 lækkuðu bættar framleiðsluaðferðir (eins og framleiðsla á flísum-) verð um 90%.
Samþykkt í lýsingu: Til að spara orku hvöttu stjórnvöld um allan heim til notkunar LED. Til dæmis, 2008 L verðlaunin frá bandaríska orkumálaráðuneytinu flýttu fyrir upptöku LED ljósa í staðinn fyrir 60W glóperur.
4. Handan lýsingar: Snjöll tækni og fjölbreytni (2010–nú)
Þessa dagana eru LED notuð í meira en bara lýsingu. Fjölmörg notkun hefur verið möguleg vegna þróunar í efnisfræði og smæðingu.
a. Sjóntækni og skjáir
Lífræn LED, eða OLED, eru sveigjanlegir, mjög þunnir skjáir sem sjást í snjallsímum (eins og AMOLED spjöldum Samsung).
Ör-LED: Sjálfgefandi-pixlar fyrir AR/VR heyrnartól og há-sjónvörp.
Li-Fi: Ljósmótun með LED til að senda gögn þráðlaust.
b. Lýsing með áherslu á menn
Þessa dagana breyta stillanleg LED litahitastig til að endurtaka hringrás náttúrulegs sólar, bæta svefngæði og framleiðni. „Dagnarljós“ er notað í skólum og sjúkrahúsum til að stjórna melatónínmagni.
c. Landbúnaður og garðyrkja
LED vaxtarljós nota sérstakar bylgjulengdir (rautt og blátt fyrir ljóstillífun, til dæmis) til að hámarka þróun plantna. Ljósdíóður eru nauðsynlegar fyrir-uppskeruframleiðslu á lóðréttum bæjum árið um kring.
d. Samgöngur og bifreiðar
Vegna styrkleika þeirra og aðlögunarhæfni í hönnun eru LED iðnaðarstaðallinn fyrir lýsingu ökutækja. LED eru notuð í núverandi rafbílum fyrir allt frá framljósum til rafhlöðustöðuvísa og 2004 LED dagljós frá Audi hófu þróun.
5. Nýjungar og erfiðleikar
LED halda áfram að takast á við hindranir þrátt fyrir árangur þeirra:
a. Hækkandi skilvirkni
LED skilvirkni minnkar við mikla strauma vegna hita og rafeinda leka. GaN-on-GaN hvarfefni og skammtabrunnshönnun eru tvær leiðir til að minnka galla.
b. Umhverfismál
Þungmálmar og sjaldgæf-jarð frumefni, eins og evrópíum í fosfórum, finnast í LED. Áhyggjur af rafrænum úrgangi vekur upp vegna bilsins í endurvinnslustöðvum.
c. Gæði lita
Litaflutningur snemma hvítsLED was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. Framtíð LED
Ný tækni hefur möguleika á að efla LED:
Perovskite LED: Lítill-kostnaður, mjög lit-hreint efni.
UV-C LED: Til að hreinsa og dauðhreinsa vatn.
LiDAR samþætting: 3D kortlagning með LED í sjálfkeyrandi bílum-.
Þróun ljósdíóða, allt frá lýsingarkristalli Henry Round til bláu ljósdídunnar frá Shuji Nakamura, ber vott um hugvit manna og þverfaglegt samstarf. Meira en helmingur lýsingar í heiminum er nú LED-knúinn, sem dregur úr kolefnislosun og sparar milljarða dollara í orkukostnaði.LEDmun halda áfram að leiða tæknibyltinguna þar sem rannsóknir á snjallari, grænni og aðlögunarhæfari lýsingu halda áfram og sýna fram á að jafnvel minnsta díóða getur lýst upp plánetuna.
