Одна з найбільш революційних технологій 21-го століття, світло-діоди (світлодіоди) змінюють спосіб спілкування, освітлення наших домівок і взаємодію із зовнішнім світом. Це історія про наполегливість, креативність і новаторські-відкриття, які привели їх від незрозумілих наукових явищ до широко використовуваних рішень освітлення. У цій статті показано розвитоксвітлодіодиупродовж часу, наголошуючи на інноваціях, які зробили можливим їх поточне використання.
1. Ранні відкриття: походження електролюмінесценції (1907–1960-ті)
В основі світлодіодної технології лежить явище електролюмінесценції, або виділення світла з речовини при проходженні через неї електричного струму. Генрі Джозеф Раунд, британський дослідник, зробив перше спостереження щодо цієї концепції в 1907 році, коли він виявив, що кристал карбіду кремнію (SiC) видає слабке світіння під час подачі напруги. Незважаючи на те, що відкриття Раунда було ненавмисним і погано вивченим, відкриття Раунда стало першою задокументованою електролюмінесценцією.
Олег Лосєв, російський винахідник, спирався на роботу Раунда в 1920-х роках. Досліджуючи кристали карбіду кремнію та оксиду цинку, Лосєв написав-ґрунтовні статті про «світлові реле». Він також припустив, що електролюмінесценція може служити основою для корисних джерел світла. Але через технічні обмеження часу його дослідження здебільшого ігнорували, а про його внесок згадували лише через десятиліття.
У 1950-х і 1960-х роках почалася сучасна світлодіодна ера, коли нові можливості стали можливими завдяки розвитку науки про напівпровідники. Такі матеріали, як арсенід галію (GaAs) і фосфід галію (GaP), були досліджені дослідниками RCA, General Electric і IBM. Інфрачервоний світлодіод був винайдений у 1961 році Робертом Біардом і Гарі Піттманом, але ключове відкриття зробив вчений з General Electric Нік Холоняк-молодший. Холоняк розробив перший світлодіод із видимим -спектром у 1962 році, використовуючи кристал фосфіду арсеніду галію (GaAsP) для генерування червоного світла. Відомий як «батько світлодіодів», Холоняк зробив тоді-футуристичне передбачення, що світлодіоди з часом замінять лампи розжарювання.
2. Кольорова революція (1970–1980-ті): розширення спектру
Червоне світло-низької інтенсивності, яке виробляли ранні світлодіоди, було доречним лише для індикаторів годинників, калькуляторів та інших гаджетів. У 1970-х роках дослідження були зумовлені прагненням до нових кольорів і підвищення ефективності.
Зелені та жовті світлодіоди: на початку 1970-х років винахідники створили зелені та жовті світлодіоди, додавши фосфід галію азотом. До них увійшли індикатори на панелі приладів для автомобілів і світлофорів.
Сині світлодіоди: Святий Грааль Через складність створення високоякісних-кристалів нітриду галію (GaN) синє світло залишалося невловимим. Вирощування було складним через високу температуру плавлення GaN і невідповідність решітки підкладкам. Використовуючи металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD), такі дослідники, як Ісаму Акасакі та Хіроші Амано з Японії, наполегливо досягли значного прогресу в розробці GaN на сапфірових підкладках наприкінці 1980-х років.
Перший-блакитний світлодіод високої яскравості був створений у 1993 році Шуджі Накамурою з Nichia Corporation, що стало останнім значним досягненням. Поле було перетворено винаходом Накамури, який використовував нітрид індію-галію (InGaN) для активного шару. На додаток до завершення колірної тріади RGB, сині світлодіоди зробили можливим білі світлодіоди завдяки застосуванню люмінофорного покриття (про це пізніше). Репутація синього світлодіода як винаходу,-що змінить ігри, зміцнилася, коли Акасакі, Амано та Накамура отримали Нобелівську премію з фізики 2014 року за свої зусилля.
3. Освітлення світу: прорив білих світлодіодів (1990-ті – 2000-ті)
Для загального освітлення потрібен білий світ. До світлодіодів змішування червоного, зеленого та синього світлодіодів для створення білого світла було важкою та неефективною процедурою. Поява синіх світлодіодів запропонувала більш просте рішення: нанесення жовтого люмінофора (наприклад, легованого церієм-ітрієвого алюмінієвого гранату або YAG:Ce) на синій світлодіод. Коли люмінофор збуджується синім світлом, він вивільняє широкий спектр світла, який поєднується з будь-яким рештою синього світла, створюючи білий колір.
Наприкінці 1990-х ця техніка-, відома як-білий світлодіод із перетворенням фосфору, або PC{3}}LED-стала економічно доцільною. До 2000-х білі світлодіоди з вищою ефективністю, ніж лампи розжарювання та флуоресцентні лампи, почали масово-виробляти такі фірми, як Cree, Philips і Osram.
Серед важливих поворотних моментів:
Світлова ефективність: до 2010-х років ефективність зросла з 5 лм/Вт (червонийсвітлодіодиз 1960-х років) до понад 150 лм/Вт.
Зменшення витрат: між 2000 і 2015 роками вдосконалені методи виробництва (наприклад, масштабне виробництво пластин) знизили ціни на 90%.
Впровадження в освітленні: щоб заощадити енергію, уряди в усьому світі заохочують використання світлодіодів. Наприклад, премія L 2008 року від Міністерства енергетики США прискорила впровадження світлодіодних ламп замість ламп розжарювання потужністю 60 Вт.
4. Крім освітлення: інтелектуальні технології та диверсифікація (2010-ті – тепер)
Сьогодні світлодіоди використовуються не тільки для освітлення. Численні способи використання стали можливими завдяки розвитку матеріалознавства та мініатюризації.
a. Візуальні технології та дисплеї
Органічні світлодіоди, або OLED, — це гнучкі, дуже тонкі екрани смартфонів (наприклад, панелі AMOLED від Samsung).
Мікро-світлодіоди:-самовипромінювальні пікселі для гарнітур AR/VR і телевізорів високої-роздільності.
Li-Fi: модуляція світла за допомогою світлодіодів для бездротової передачі даних.
b. Освітлення, орієнтоване на людей
У наші дні регульовані світлодіоди змінюють колірну температуру, щоб відтворити цикли природного сонячного світла, покращуючи якість сну та продуктивність. «Циркадне освітлення» використовується в школах і лікарнях для контролю рівня мелатоніну.
в. Сільське господарство і садівництво
Світлодіодні лампи для вирощування використовують хвилі певної довжини (наприклад, червоний і синій для фотосинтезу), щоб максимізувати розвиток рослин. Світлодіоди необхідні-для цілорічного рослинництва вертикальних ферм.
d. Транспорт і автомобілі
Завдяки своїй міцності та адаптивності дизайну світлодіоди є галузевим стандартом для освітлення транспортних засобів. Світлодіоди використовуються в сучасних електромобілях для чого завгодно, від фар до індикації стану батареї, а світлодіодні денні ходові вогні Audi 2004 року започаткували тенденцію.
5. Інновації та труднощі
Світлодіоди продовжують стикатися з перешкодами, незважаючи на свій успіх:
a. Зниження ефективності
Ефективність світлодіодів знижується при великих струмах через нагрівання та витік електронів. GaN-на-GaN підкладках і конструкції квантових ям — це два способи зменшити недоліки.
b. Екологічні питання
Важкі метали та рідкоземельні-елементи, як-от європій у люмінофорах, містяться в світлодіодах. Занепокоєння щодо електронних -відходів викликає прогалина у переробних підприємствах.
в. Якість кольору
Передача кольору раннього білогосвітлодіоди was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. Майбутнє світлодіодів
Нові технології мають потенціал для просування світлодіодів:
Перовскітні світлодіоди: низька-вартість, дуже{1}}кольорові матеріали.
Світлодіоди UV-C: для очищення та стерилізації води.
Інтеграція LiDAR: тривимірне відображення за допомогою світлодіодів у-самокерованих автомобілях.
Розробка світлодіодів, від освітлювального кристала Генрі Раунда до блакитного світлодіода Шуджі Накамури, є доказом людської винахідливості та міждисциплінарної-співпраці. Більше половини освітлювальних приладів у світі зараз працюють від світлодіодів-, що зменшує викиди вуглецю та економить мільярди доларів на витратах на електроенергію.світлодіодипродовжить очолювати технологічну революцію, оскільки тривають дослідження розумнішого, екологічнішого та адаптивнішого освітлення, демонструючи, що навіть найменший діод може освітлити планету.
