23 Μαρτίου 2015

Leds : Ιστορική αναδρομή, ιδιότητες, χρησιμότητα και εφαρμογές



Δίοδος Εκπομπής Φωτός, (LED, Light Emitting Diode), αποκαλείται ένας ημιαγωγός ο οποίος εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση κατά τη φορά ορθής πόλωσης (forward-biased). Το χρώμα του φωτός που εκπέμπεται εξαρτάται από την χημική σύσταση του ημιαγώγιμου υλικού που χρησιμοποιείται, και μπορεί να είναι υπεριώδες, ορατό ή υπέρυθρο. Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται, και, κατά συνέπεια, το χρώμα του, εξαρτάται από το χάσμα ενέργειας των υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται. 

Η δομή ενός LED πρέπει να είναι τέτοια ώστε τα εκπεμπόμενα φωτόνια να μπορούν να απομακρύνονται από την διάταξη χωρίς να επαναπορροφώνται από το ημιαγώγιμο υλικό. Αυτό σημαίνει ότι η p-περιοχή πρέπει να είναι επαρκώς ρηχή, ή διαφορετικά πρέπει να χρησιμοποιήσουμε διατάξεις ετεροδομών.Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολλά ημιαγώγιμα υλικά άμεσου ενεργειακού διακένου, τα οποία μπορούν εύκολα να νοθευτούν και να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εμπορικών LED που εκπέμπουν ακτινοβολία στην ερυθρή και την υπέρυθρη περιοχή μηκών κύματος του φάσματος.

 Όλοι γνωρίζουμε ότι το φως αντιπροσωπεύει στην συλλογική ανθρώπινη συνείδηση σημαντικές ιδέες όπως το καλό, την αλήθεια, την αρετή, την ίδια τη ζωή. Αν δεν πιστεύετε εμένα τότε πιστέψετε το πλέον ευπώλητο βιβλίο της ανθρώπινης ιστορίας, τη βίβλο στην οποία μόνο η λέξη φως χρησιμοποιείται για να ταυτίσει ή να αναφερθεί στην έννοια του θεού. Ο άνθρωπος κατάφερε να αντιμετωπίσει από τα αρχαία χρόνια τις πραγματικές και φανταστικές απειλές που έφερνε η δύση του ηλίου με τη φωτιά…την καύση ξύλου, αργότερα ελαίων και στη συνέχεια αερίων. 

Η επανάσταση όμως που έφερε ο ηλεκτρισμός στην ανθρώπινη ιστορία κατά το 19ο αιώνα άλλαξε και τον τρόπο που φωτίζουμε τις ζωές μας. Με πολύ λίγα λόγια φως μπορεί να δημιουργηθεί όταν μέσω μεταφοράς ενέργειας διαταραχθεί η ηλεκτρονική δομή ατόμων. Καθώς το κάθε άτομο επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση η περίσσεια ενέργεια εκπέμπεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που μπορεί ανάλογα με το μέγεθος της διαταραχής να ανήκει στο ορατό για εμάς μέρος του φάσματος, φως. Μεγαλύτερες διαταραχές θα δημιουργήσουν υπεριώδες και μικρότερες υπέρυθρο.Η χρήση του ηλεκτρισμού τα τελευταία 200 χρόνια μας έχει δώσει 3 διαφορετικούς τρόπους δημιουργίας. 

Στην πρώτη περίπτωση ρεύμα περνά από σώμα μέχρι αυτό να ζεσταθεί αρκετά και αρχίσει να φωτοβολεί. Κάτι σαν το μάτι στην ηλεκτρική σας κουζίνα αν και όχι αποδοτικός τρόπος μιας και η περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα. Ο δεύτερος τρόπος και πολύ περισσότερο αποδοτικός είναι η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από ένα αέριο, δηλαδή με τη χρήση πλάσμα. Το νέον μας δίνει κόκκινο φως ενός το νάτριο μας δίνει το κίτρινο των λαμπτήρων δρόμων. Στους γνωστούς μας λαμπτήρες φθορισμού χρησιμοποιείται υδράργυρος που όμως ακτινοβολεί στο υπεριώδες και εμείς μετατρέπουμε σε ορατό λευκό φως με πούδρες στα τοιχώματα. Ο τρίτος και νεότερος τρόπος αλλά πάλι όχι τόσο αποδοτικός ακόμα είναι τα γνωστά σε όλους μας LEDs. Ηλεκτρική ροή μέσα από στερεό σώμα πάλι αλλά κρυστάλλους και όχι οποιοδήποτε υλικό.

 Οι λαμπτήρες στερεής κατάστασης, δηλαδή οι δίοδοι εκπομπής φωτός (Light Emitting Diodes), θεωρούνται από πολλούς το μέλλον του φωτισμού. Μάλιστα έχουν εξελιχτεί σε τέτοιο βαθμό, που επιδεικνύουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις άλλες τεχνολογίες και έτσι έχουν κυριαρχήσει ήδη σε κάποιες εφαρμογές. Η τεχνολογία ημιαγωγών και διόδων πάνω στην οποία βασίζονται τα LEDs, οι τρόποι δημιουργίας διαφορετικών χρωμάτων αλλά και λευκού φωτός, ο τρόπος λειτουργίας τους, η θερμική τους διαχείριση, οι εφαρμογές τους και οι συγκρίσεις με τις άλλες δύο τεχνολογίες πηγών φωτός (πυράκτωση και ηλεκτρική εκκένωση) είναι κάποια από τα θέματα.

Ιστορική αναδρομή

Η πρώτη γνωστή αναφορά συμπαγούς διόδου εκπομπής φωτός έγινε το 1970 από τον Βρετανό πειραματιστή H. J. Round του Marconi Labs, όταν παρατήρησε φωταύγεια παραγόμενη από ένα κρύσταλλο πυριτίου, ενώ χρησιμοποιούσε έναν ανιχνευτή μαγνητικού πεδίου (cats' whiskers sensor). Ο Ρώσος Oleg Vladimirovich Losev δημιούργησε το πρώτο LED στα μέσα της δεκαετίας του 1920. Η ερευνά του αν και διανεμήθηκε σε Ρωσικά, Γερμανικά και Βρετανικά επιστημονικά περιοδικά αγνοήθηκε και δεν βρήκε πρακτική εφαρμογή για αρκετές δεκαετίες.

Ο Rubin Braunstein του Radio Corporation of America ανέφερε υπεριώδεις εκπομπές από αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) και από άλλα κραμάτα ημιαγώγιμων υλικών το 1955. Ο Braunstein παρατήρησε υπεριώδεις εκπομπές παραγόμενες από απλές σε δομή διόδους χρησιμοποιώντας κράματα GaSb, GaAs, InP και Ge-Si σε θερμοκρασία δωματίου στους 77 βαθμούς Kelvin.
Το 1961 οι πειραματιστές Bob Biard και Gary Pittman που δούλευαν στην Texas Instruments βρήκαν ότι το αρσενικούχο γάλλιο παρήγαγε υπέρυθρη ακτινοβολία, όταν δεχόταν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι Biard and Pittman κατάφεραν να διασφαλίσουν την πιστοποίηση του έργου τους, λαμβάνοντας δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη δίοδο εκπομπής υπέρυθρου φωτός. Το πρώτο πρακτικά ορατού φάσματος (κόκκινο) LED δημιουργήθηκε το 1962 από τον Nick Holonyak Jr., ενώ δούλευε στην General Electrics Company. 
Αργότερα μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις (University of Illinois). Ο Holonyak θεωρείται ο πατέρας της διόδου εκπομπής φωτός. Ο M. George Craford, ένας πρώην απόφοιτος φοιτητής του Holonyak, εφήυρε το πρώτο κίτρινο LED και το 10 φορές πιο δυνατό κόκκινο και το κόκκινο-πορτοκαλί LED το 1972. Μέχρι το 1968 τα LED ορατού και υπεριώδους φάσματος ήταν υπερβολικά δαπανηρά, της τάξης των $200 το τεμάχιο, έχοντας έτσι μικρή εφαρμογή. Η Hewlett Packard (HP) εισήγαγε τις διόδους εκπομπής φωτός το 1968 χρησιμοποιώντας αρχικά GaAsP υλικό. Η τεχνολογία αυτή αποδείχτηκε να έχει σημαντικές εφαρμογές σε αλφαριθμητικές οθόνες και εντάχθηκε η εφαρμογή της στα πρώιμα φορητά κομπιουτεράκια.
Πλεονεκτήματα
  • Απόδοση: Τα LEDs παράγουν περισσότερο φως ανά watt συγκριτικά με της λάμπες πυράκτωσης.
  • Χρώμα: Τα LEDs εκπέμπουν φως συγκεκριμένου χρώματος χωρίς την χρήση φίλτρων που απαιτούν οι παραδοσιακοί μέθοδοι φωτισμού. Είναι πιο αποδοτικά και χαμηλώνουν το αρχικό κόστος. 
  • Μέγεθος: Τα LEDs είναι πολύ μικρά (μικρότερα από 2mm) και μπορούν να τοποθετηθούν σε πινάκες αποτύπωσης. Χρόνος ON/OFF: Τα LEDs έχουν γρήγορη απόκριση. Μια τυπική κόκκινη LED μπορεί να έρθει σε κατάσταση πλήρους φωτεινότητας σε χρόνο microsecond. Τα LEDs που χρησιμοποιούνται ως συσκευές επικοινωνίας έχουν ακόμα μικρότερους χρόνους απόκρισης. 
  •  Αντίσταση σε κραδασμούς: Τα LEDs, όντας στοιχεία στερεάς κατάστασης, είναι δύσκολο να υποστούν ζημιά από κραδασμούς όπως συμβαίνει με τις λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού.
  • Εστίαση: Τα LEDs μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να εστιάζουν το φως σε ένα συγκεκριμένο σημείο ή περιοχή. Οι λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού απαιτούν ένα εξωτερικό ανακλαστήρα για να συλλέγει το φως και να το κατευθύνει με ένα χρήσιμο τρόπο. 
Οι εφαρμογές των LEDs μπορούν να χωριστούν σε τρεις βασικές κατηγορίες: Ορατή απεικόνιση, το φως κατευθύνεται περισσότερο ή λιγότερο στο ανθρώπινο μάτι για να μεταφέρει ένα μήνυμα ή μια πληροφορία. Φωταγώγηση, το φως από τα LED ανακλάται από αντικείμενα για να μπορούν αυτά να είναι ορατά. Ο φωτισμός με την εξέλιξη των LEDs υψηλής απόδοσης και ισχύος έκανε δυνατή τη χρήση τους για φωτισμό και φωταγώγηση. 
 
Xρησιμοποιούνται ακόμη στα φώτα των δρόμων ή σε αρχιτεκτονικές κατασκευές που απαιτείται φωτισμός με εναλλαγή χρωμάτων.Επίσης χρησιμοποιούνται και ως κύρια φώτα στα αυτοκίνητα, στις μοτοσυκλέτες και στα ποδήλατα. Μπορούν να παρέχουν το απαιτούμενο φως με μικρότερη εκπομπή θερμότητας και έτσι βοηθούν στην συντήρηση της βέλτιστης θερμοκρασίας του ενυδρείου. Επειδή μπορούν να παράγουν φως με συγκεκριμένο μήκος κύματος είναι ιδανικά για να παρέχουν ένα συγκεκριμένο χρώμα-φάσμα για τον χρωματισμό των κοραλλιών, των ψαριών, των ανεμώνων κ.α. Τα LEDs είναι ακόμα ιδανικά για χρήση στης τηλεοράσεις, στους φορητούς υπολογιστές και στους προβολείς (projectors) DLP. Παραγωγή φωτός για μέτρηση και αλληλεπίδραση με διαδικασίες που δεν γίνονται αντιληπτές από το ανθρώπινο μάτι. 
 
Επίλογος
Τα LEDs μας δείχνουν την πρόοδο (αλλά η τεχνολογία του  πλάσματος μας προσφέρει ακόμη πιό μεγάλες δυνατότητες). Ο απλός τρόπος φωτισμού μέσω της απλής παραδοσιακής μεθόδου της πυράκτωσης δεν μας συμφέρει, για περιβαλλοντικούς λόγους αλλά κυρίως λόγους απόδοσης φωτισμού/κατανάλωσης ενέργειας. Αν αναλογιστούμε ότι ο φωτισμός είναι υπεύθυνος για το 20% της παγκόσμιας καταναλωμένης ενέργειας γίνεται ευνόητο ότι πρόοδος και η στροφή της ανθρωπότητας στον ΄΄ποιοτικό΄΄ φωτισμό σημαίνει τεράστιες αλλαγές πρός το καλύτερο για την παγκόσμια αγορά, την κατανάλωση ενέργειας, και φυσικά για το περιβάλλον.

 Πηγές Wikipedia, openscience.gr, bauerenergy.com



Δεν υπάρχουν σχόλια:
Write σχόλια