Súčasnosť a perspektívy LED

Súčasnosť a perspektívy LED

Pred niekoľkými rokmi nastal v svetelnej technike revolučný zvrat spôsobený návrhom a následnou výrobou svetelných diód, ktoré mali podstatne vyššie svetelnotechnické parametre ako ich predchodkyne. Začalo sa to nielen narastaním hodnoty jasu, ale aj výrobou iných farieb týchto polovodičových diód. Nové technológie umožnili vyrábať diódy s bielym svetlom. To už bol iba krok k myšlienke vytvoriť nový svetelný zdroj s vynikajúcimi vlastnosťami, ktorý bude mať svetelnotechnické parametre porovnateľné s inými svetelnými zdrojmi s tým, že sa LED vhodne pospájajú do jedného celku. Postupne sa tieto technológie vylepšujú a začínajú otvárať nový obzor osvetľovacím zariadeniam.

V ostatnom čase sa na LED technológie orientujú veľké výskumno-vývojové pracoviská svetových výrobcov, pričom sa zaznamenáva enormný nárast merného výkonu svetelných zdrojov pri zachovaní dlhej životnosti a pri nízkej spotrebe elektrickej energie. To všetko dáva tušiť, že práve tieto svetelné zdroje sa stanú dominantnými pre systémy núdzového, orien­tačného a automobilového osvetlenia a zároveň umožnia aplikácie v interiérovom, ale aj exteriérovom osvetľovaní. Sú veľmi vhodné ako dekoratívny doplnok rôznych priestorov (obchodné domy, schodištia a chodby v kinách i v divadlách, steny rodinných domov, schodiská a iné priestory domov).

Čo je to elektroluminiscenčná dióda (LED)

Elektroluminiscenčná dióda (LED) je elektronická polovodičová súčiastka, ktorá obsahuje PN priechod. Ak prechádza cez priechod elektrický prúd v priepustnom smere, priechod vyžaruje nekoherentné svetlo s úzkym rozsahom spektra (nie monochromatické). Môže pritom emitovať aj iné druhy žiarenia. Tento jav nazývame elektroluminiscenciou. 

Pásmo spektra žiarenia LED závisí od chemického zloženia použitého polovodiča. LED sa vyrábajú s rôznymi pásmami vyžarovania. Na jednej strane sú to spektrá na hranici ultrafialového žiarenia cez rôzne farby viditeľného spektra, na druhej strane sú to spektrá z infračerveného pásma. Pomerne dlho trval vývoj modrej LED. Jej objavom sa nielenže začal vývoj nových typov farebných televíznych prijímačov, ale umožnilo sa aj emitovanie bieleho svetla, a teda použitie LED na bežné osvetľovacie účely.

Možnosti vzniku svetla v LED

Z princípu funkcie LED vyplýva, že nie je možné priamo emitovať biele svetlo. Preto je aj jeden zo základných typov LED vyžarujúcich biele svetlo zostrojený na báze troch čipov produkujúcich také spektrá, aby sa aditívnym zmiešaním farieb dosiahol vnem bieleho svetla. Iné technológie na zhotovenie bielych LED využívajú luminofor. Pri použití modrých LED sa časť ich svetla priamo na čipe transformuje luminoforom do iných než modrých spektrálnych oblastí. Miešaním pôvodného svetla modrých LED a transformovaného žltého a červeného spektra vzniká spektrum bielych LED.

So zväčšujúcou sa frekvenciou emitovaného svetla rastie aj napätie, pri ktorom sa prúd v priepustnom smere začína zväčšovať. V prípade kremíkovej (Si) diódy je toto napätie asi 0,6 V, pri zelenej LED z GaP je 1,7 V a pri modrej LED z SiC už 2,5 V.

Na výrobu luminiscenčných LED diód sa používajú polovodičové prvky, ako napr. arzenid gália GaAs, fosfid gália GaP, arzenid – fosfid gália GaAsP a karbid kremíka SiC. Prednosťou luminiscenčných diód je nepatrná spotreba elektrickej energie (napr. 100 mW pri jednosmernom napätí 5 V). To je však zároveň aj nevýhoda, ak chceme použiť LED na osvetľovacie účely, kde je dôležitým parametrom celkový príkon a výsledný svetelný tok LED.

Pri vlnovej dĺžke 690 nm (fosfid gália) je šírka spektra LED 100 nm, zatiaľ čo pri vlnovej dĺžke 660 nm (arzenid – fosfid gália) je šírka spektra 40 nm. Žiarenie, ktoré prislúcha vlnovej dĺžke 565 nm (fosfid gália), má šírku spektra 35 nm. Žiarenie v blízkej infračervenej oblasti s vlnovou dĺžkou 867 nm (arzenid gália) možno meniť pomocou anti-Stokesovho luminoforu na viditeľné žiarenie, ktoré vykazuje maximum v úseku vlnových dĺžok 540 až 660 nm.

Vývoj merných výkonov rôznych svetelných zdrojov a LED diód (1)

Svetelné diódy sa začínajú stále viac používať všade tam, kde ich vynikajúce vlastnosti prispievajú k efektívnemu využitiu svetla pri maximálnej bezpečnosti. Aplikujú sa vo všeobecnom osvetľovaní, kde sa stávajú pravou alternatívou ku konvenčným osvetľovacím prostriedkom.

Okrem uvedených luminiscenčných diód s jedným PN priechodom sa v určitých prípadoch používa luminiscenčná dióda, ktorá vysiela žiarenie v zelenej, žltej a červenej oblasti. Je to luminiscenčná dióda s dvoma PN priechodmi. Tieto dva PN priechody vysielajú žiarenie v zelenej a červenej oblasti. Pri súčasnom vzbudení obidvoch PN priechodov môžeme získať žiarenie, ktoré sa vyznačuje žltým tónom. Zmenou hustoty prúdu sa mení vysielané žiarenie od zelenožltej do žltočervenej oblasti.

Farba vyžarovaného svetla je daná použitým materiálom a prímesami substrátu. Najčastejšie používaná technológia LED je takáto: modro svietiaci diódový čip je umiestnený na dne priesvitného držiaka, ktorý tvorí zároveň katódový vývod. Tento čip je pokrytý fosforescenčnou látkou. Luminiscenčná vrstva absorbuje fotóny modrého svetla a emituje svetlo s dlhšou vlnovou dĺžkou. Materiál vrstvy sa musí vybrať tak, aby pohlcoval presne určenú časť modrého svetla emitovaného čipom a toto svetlo účinne transformoval na svetlo s nižšou vlnovou dĺžkou.

Aplikačné možnosti LED

Súčasnosť a perspektívy LED

Merný výkon (účinnosť) súčasných LED je na úrovni asi 80 lm/W a predpokladá sa, že v blízkej budúcnosti bude významne narastať. V laboratórnych podmienkach možno vyrobiť LED s merným výkonom 150 lm/W, čo predstavuje úroveň súčasných najúčinnejších svetelných zdrojov. Mimoriadny pokrok sa dosahuje pri pulzných diódach. Jednotkový výkon LED je v súčasnosti na úrovni 10 W a neustále rastie. To znamená, že jednou diódou dosiahneme svetelný tok, aký poznáme pri bežných žiarovkách. Aj preto sa uvažuje o LED ako o náhrade žiaroviek v budúcnosti.

Merné výkony pre klasické a biele LED

Osobitnú pozornosť si zasluhujú organické LED, tzv. OLED. Ich budúcnosť sa ešte nedávno viazala iba na použitie v displejoch, predovšetkým televíznych. V súčasnosti prebieha boj o pozíciu lídra v televíznej technike medzi plazmovými a LCD televízormi. Práve OLED môžu vyriešiť tento spor jednoznačne vo svoj prospech. Na trhu sa už objavili prvé prototypy televízorov na báze OLED. Možno pritom využívať rôzne technológie, napr.:

  • displeje s pasívnou matricou PMOLED,
  • displeje s aktívnou matricou AMOLED,
  • fosforečné OLED (merný výkon v súčasnosti asi 20 lm/W),
  • biele OLED (WOLED – merný výkon 30 lm/W, možnosť plynulej voľby farebného tónu svetla),
  • flexibilné FOLED,
  • transparentné TOLED.

OLED využíva čipy ako bežné LED, len s tým rozdielom, že materiál čipu je z organickej látky, čím sa dosiahne minimálna veľkosť čipu, ktorý je potom vhodný na použitie v monitoroch a v obrazovkách. Pracuje na takom istom princípe ako monitor LCD alebo CRT, až na to, že vyžaruje jeden pixel z troch subpixelov, ktoré tvoria 3 OLED s troma farbami v klasickom RGB zložení (červená, zelená, modrá). Oproti LCD panelom má OLED displej jednu veľkú výhodu – pri vypnutom stave diódy nesvietia.

Pri LCD paneloch, aj keď sú kryštály zatvorené, svetlo nimi vždy prenikne, čo sa prejaví tým, že ak v noci vypneme svetlo, displej stále vidíme ako šedý. Pri OLED displejoch je to iné. Organická vrstva je priehľadná, takže ak výrobca nanesie túto vrstvu na priesvitnú fóliu, bude priesvitný aj displej. Ak však dá hliníkovú fóliu, bude displej vo vypnutom stave pripomínať zrkadlo. Najväčšími výhodami sú odozvy v mikrosekundách, teoreticky nekonečný kontrast, perfektné geometrické a farebné podanie a obrovská hĺbka obrazu.

Keď sa v budúcnosti podarí vyriešiť problémy so životnosťou OLED, budú pravdepodobne aj tieto svetelné zdroje pripravené na použitie na bežné osvetľovacie účely. Možno konštatovať, že prechádzame obdobím, v ktorom sa LED stávajú zo svetelných zdrojov budúcnosti reálnymi svetelnými zdrojmi súčasnosti.
 

prof. Ing. Alfonz Smola, PhD.
Obrázky: archív autora, OSRAM, Philips, pro JGS

Autor pôsobí ako riaditeľ Znaleckého ústavu elektrotechniky a informatiky Fakulty elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave.

Literatúra
1. Marchl, W.: LED Development Trends. Lux Junior. Ilmenau, 2007.
2. KOVÁČ, J., UHEREK, F.: Súčasné trendy vývoja svetelných zdrojov na báze LED a OLED. In: 14. medzinárodná konferencia Svetlo 2005. Liptovský Ján: SSTS, 2003, s. 39 – 45.
3. Roesler, S.: Phospors for white LEDs. Lux Junior. Ilmenau, 2007.

Webové stránky   
1. www.led-info.de/
2. www.osram.com
3. www.luxeon.com
4. www.hess-form-licht.de