Szilícium-karbid kristályok lumineszkálása elektromos áram áramlásakor
A fénydióda története a XX. század elején kezdődött. 1907-ben Henry Round angol
kutató ajánlotta a technológiát, amely a LED-ek alapja. Felfedezte a világítást a működő
érzékelő érintkezői körül. A brit Marconi Laboratóriumban a világon elsőként rögzítették
a szilícium-karbid kristályok lumineszkálását. Később 1923-ban Oleg Vladimirovics Loszev
orosz tudós, felfedezte a jelenség összefüggéseit. Nizsnij Novgorogi laboratoriumában
tapasztalta a szilícium-karbid kristályok lumineszkálását a sugárzási rekombináció
jelenség vizsgálata során. Loszev a világon elsőként bizonyítota a félvezetők
elektrolumineszcenciáját azaz a fény kibocsátást az elektromos áram folyásakor. Ez
volt az első lépés a fénydiódák létrehozása felé, de néhány évtizeden keresztül ez a
felfedezés nem talált gyakorlati alkalmazásra.
A félvezető lámpák ipari tervezése csak 1951-ben kezdődött meg. USA-ban létrehoztak
egy központott a „Loszev hatás” alapján működő „félvezető lámpák” fejlesztésére,
ezt Kurt Lehovec fizikus és feltataláló vezette. 1955-ben Rubin Braunstein a Radio
Corporation of America cégtől fedezte fel a gallium-arzenid (GaAs), és egyéb félvezető-
ötvözetek infravörös emisszióját. Braunstein tapasztalta az infravörös sugárzást,
amelyet a gallium antimonid (GASB), gallium-arzenid, indium-foszfid (InP), és a
szilícium - germánium ötvözet (SiGe) alapú egyszerű dióda struktura gerjesztett
szobahőmérsékleten.
Az első piros LED kijelző
A XX. század hatvanas éveiben jelentek meg az első LED-ek GaP alapján, amelyek piros és
sárga-zöld fényt bocsátóttak ki. Ezen műszerek által kibocsátott hullámhossz az emberi
szem felfogásának a felső határán belül volt (500-600 nm), ezért a jelzés céljainak ez a
sárga-zöld fény is elegendő volt. Ezen LED-ek fényhasznosítása cca. 1-2 Lm / Watt volt.
1962. év az Egyesült Államokban az Illinois-i Egyetemen Nick Holonyak által vezetett
csoport megalkotta az ipari használatra alkalmas első fénykibocsátó diódákak GaAsP/GaP
strukturák alapján. Nick Holonyakot tartják a modern LED-ek "atyjának".
1968. év – megalkották az első LED-lámpát a Monsanto kijelzőhöz. Ugyan ebben az
évben az USA-ban a Hewlett-Packard cég legyártotta és kibocsátotta a világ első LED
kijelzős reklám képernyőt. Ennek a kijelzőnek nagyon gyenge volt a fényárama, az
információkat csak vörös szinben lehetett megjeleniteni. A hetvenes évek elejeig a
látható és infravörös LED-ek nagyon drágák voltak, az ár elérte a 200 USD-t darabjáért,
és ezért nem nagy volt a felhasználásuk a gyakorlatban. 1968-ban a Monsanto Corporation
létrehozta és elsőként elkezdte a látható LED-ek sorozatgyártását, amelyekben gallium-
arzenid-foszfidot használta fel a kijelzőkre alkalmas piros LED-ek előállításához.
Fénydióda (LED) műanyag burkolatban
A XX. század hetvenes éveiben kezdődik az ágazat gyors fejlődése. A fénydiódák
továbbfejlesztése egyszerre két irányban folyik: sugárzási tartomány bővítése és a
fényáram növelése. Ezenkivül Alfjorov Zsoresz Ivanovics vezetése alatt félvezető kettős
heterostruktúrák kifejlesztése lehetőséget adott a rekombináció aktív részének a
korlátozására, ami növelte a külső kvantum hatásfokot. Ajánlották és a gyakorlatban
is legyártották a heterostruktúrákat, először a GaAs és AlGaAs típusú szilárd oldatai
alapján, majd más félvezető vegyületek alapján, miközben a spektrum piros része 15%-ra
növekedett (a fényhasznosítás elérte a 10 Lm/W-ot), az infravörös pedig 30%-ra és ennél
többre. De a találmánynak a fontosságát csak 2000-ben ismerték el. Alfjorov Zsoresz
Ivanovics megkapta a Fizikai Nobel-díjat. Ugyancsak a a hetvenes években USA-ban az IBM
laboratóriumban kék szinű LED-eket hoztak létre GaN epitaxiális filmek alapján. De abban
az időben ezek élettartama nagyon rövid volt.
1976-ban a Hewlett Packard cég kifejlesztette és legyártotta a piros-narancs, sárga
és sárga-zöld szinű LED-eket alumínium-gallium-indium foszfidok alapján. Ezek
fényhasznosítása elérte a 30 Lm/W-ot (kevéssel több volt mint az izzólámpáké), a külső
kvantum hatásfok – az 55 %-ot. Kissé később, a nyolcvanas évek elején, a Lomonoszov
Moszkvai Állami Egyetem tudósai Csukicsev Mihail Vasziljevics és Szaparin Gennadij
Vasziljevics felfedezték a cinkkel adalékolt GaN minta részeinek fényes lumineszcencia
világítását az elektronsugár hatására. Abban az időben a jelenség okát a tudósoknak nem
sikerült megérteni.
1985-től a LED-ek által kibocsátott fényáram 10 Lm-ig növekedett és ezeket független
világító elemekként kezdték használni. A kék szín tartományban sugárzó műszerek
próblémája hosszú ideig nem talált megoldásra. És csak 1991 március 28-án a japán
Nichia Chemical cég kezdte el a kék színű LED-ek gyártását. Ezt a napot a kék színű
LED-ek születésnapjának lehet számítani. A találmány atyja dr. Shuji Nakamura japán
tudós lett. Neki sikerült a próblémát megoldani az InGaN (indium gallium nitrid) alapú
heterostruktura segítségével. A találmánynak köszönhetően bezárult az „RGB-kör”.
Valamint lehetőség nyílt egyesíteni a kék, sárga és piros kristályokat egy háromkristályos
fénydiódában. Ez a találmány lehetőséget adott bármilyen szinű sugarak létrehozására.
1993-ban a Nichia Chemical Industries cég megkezdte a GaN alapú kék szinű LED-ek
tömeggyártását.
A kilencvenes évek elején a fénydiódák fényhasznosítása elérte a 30 Lm-t. 1997-ben
Fred Subertnek sikerült fehér szinű világítást sugárzó LED-et legyártani. És már 1998-
ban Oroszországban a Kovert-Lajts cég megkezdte az új generációs LED-ek gyártását.
A XX. század végére a fénykibocsátó diódákat gyártó világ vezető cégei (Toyoda
Gosei", "Hewlett Packard", "Nichia Chemical", "Cree") már több millió kék és zöld szinű
LED-et gyártottak havonta. A fénydiódák fényhasznosítása elérte a 60 Lm/W-t. Ettől
az időtől a LED-ek megfelelő alternatívájává váltak a hagyományos izzólámpáknak. Az
Oroszországban gyártott összes LED-ek száma évente egyenlő volt 100 millió darabbal, a
világon pedig több tízmilliárd darabbal.
2000-ik évtől kezdve a Nichia Chemical" és az "Osram" megkezdték a LED-ek
tömeggyártását. Ugyan ebben az évben a „Nagy Hármas” – a "LumiLeds/Phillips", "Osram/
Cree" és a "GELcore/Uniroyal/GE" több mint 70 millió USD-t beruháztak a fénydiódák
fejlesztésére, ezek alkalmazásának és gyártásának lehetőségére. A LED-ekkel együtt a
világon gyorsan kezdett kialakulni és fejlődni a reklámipar.
A 2006-ik év közepére USA-ban az elektronikus reklám "hirdetőtáblák" (billboardok) a
száma egyenlő volt a 200-zal, és már egy év alatt ez a mennyiség megguplázódott. Az
ilyen reklámnak köszönhetően jelentős ugrás történt a termelés és értékesítés minden
területén.
A 2006-ik év végére a fénydiódák a mai piac szerves részévé váltak, és alkalmazásuk köre
jelentősen bővült. LED-eket aktívan kezdték el használni a mobil eszközök, mindenféle
táblák, képernyők és monitorok, autóipari világítás előállításához.
2008-ik év – Törökországban a Bilkent egyetem beszámolt, hogy sikerült elérni a 300
lumen fényhasznosítást a látható tartományban az egykristályra épült LED-en.
2009-ik év - a Cambridge-i Egyetem kutatói számoltak be arról, hogy elindították a
technológiai folyamatot, gallium nitridálására (GaN), miszerint a LED-ek létrehozása
közvetlenül a szilíciumon történik. A termelési költségeket 90%-kal lehetett csökkenteni,
amennyiben a két hüvelykes Sapphire alátétek helyett a hat hüvelykes szilícium
alátéteket használták.
2010-ik év a Nichia Corporation beszámolt az olyan kisérleti fénydiódák fejlesztéséről,
amelyek felépítésükben és anyagában néhány módosítással nagy lépést tettek előre a
hatékonyabb fényforrások előállításában. A kifejlesztett fénydiódák egyike 5 mA áram
mellett rekord hatékonyságot mutatott - 265 Lm/W – ami fehér szinű LED-eknél már
nagyon közel van az elméleti határértékhez, amit a japán kutatók 260-300 Lm/W-nak
tartanak. Összehasonlítás végett: a hagyományos izzólámpák fényhasznosítása 13-17
Lm/W, a fénycsöveké pedig 60-90 Lm/W. A japánok állítják, hogy a kutatásokat tovább
folytatják, mivel még vannak tartalékok a hatékonyság növelésére. Annak ellenére, hogy
a mai rekord eredményeket mutató LED-ek túl drágák a tömeggyártás elindításához, a
későbbiekben az áraknak csökkeni kell, igérik a Nichia kutatói.
2010-ik évben a LED-ek használata általános világítási alternatívaként nem haladta meg
az 5%-ot, ami megközelítőleg 200 millió USD összeget tett ki. De már 2011-ben ez az
összeg csaknem 1 milliárd dollárra növekedett, és az analitikusok azt jósolják, hogy a
szám minden évben növekedni fog.
Grandiózus LED - projektek a 21. században.
A legnagyobb LED kijelző Tokióban
A Mitsubishi Electric cég felépítette a világ legnagyobb képernyőjét, amely mérete
azonos egybe komponált három teniszpályával. Az óriási képernyő előállításához az
Aurora Vision technológiát alkalmazták – felülete több millió fényes LED-ből áll. A
képernyő három alapszínű pontokból kialakított ismétlődő mintázata oly szellemes
módon van kiválasztva, hogy elérje a maximum felbontást színekben, a meghatározott
számú LED-kkel. Tokióban a lóversenypályán telepített újdonság magassága 11,2
méter, hossza 66,4 méter, úgy a területe megközelítőleg 744 négyzetméter. A
képernyő ára 28 millió dollárt tett ki. Megrendelő a lóversenyek Japán Egyesülete JRA.
Most a szurkolók láthatják a verseny minden szakaszait és egyuttal az egyidejűleg több
kamerával készült részleteket is.
Kinában nagyon sok a LED az utcákon, egyik legfényesebb éjszakai objektum az óriási
LED média fal Pekingben és a TV-torony Guanchzhouban. Ezek a legszebb példányok az
alternatív energetika és a LED média hordozó kombinációra.
Ugyancsak Pekingben fel van építve a hatalmas méretű több színű LED képernyő.
Elindítását a 2008-as nyári olimpiai játékokhoz időzítették. A képernyő a sétálóutcában
található, lombkorona fölött 24 m magasságon van felépítve a város Megamall
bejáratánál. Öt darab LED-képernyő kombinációja folytonos felületet képez, amelynek
mérete 250 x 30 méter és területe 7500 négyzetméter. Valóban egy óriási LED képernyő.
Kasinók Makaóban (Kína Különleges Igazgatású Területe(SAR), arról ismertek, hogy
vakító fényei és extravagáns létesítményei versenyeznek még a Las Vegasszal is. A Grand
Lisboa Hotel létrehozott egy szellemi világítási rendszert, alkalmazva a Daktronics
technnológiát, amely egyesíti a külső fényhatásokat, amelyek képesek létrehozni és
megjeleníteni a megadott szöveges üzeneteket, a grafikát, animációt és videóképeket.
A Grand Lisboa Hotel épületének a formatervezését ihlette a sárga lótuszvirág, ami
Makaó SAR hivatalos jelképe. A későbbiekben, amikor az épület be lesz fejezve, ez egy
magas torony lesz, amely emelkedik a pódium ovális alapjából. Maga az ovális pódium
magassága 56 méter (184 láb), szélessége 189 méter (620 láb), melynek az összes
felületét, ami kitesz mintegy 10.609 négyzetmétert, teljes megvilágítását, ami több mint
59000 ProPixel a Daktronics LED-lámpákkal oldják meg.
New York, a híres Times Square. Az ismert "ABC" stúdió képernyő. Teljes LED kijelző,
melynek területe több négyzetméter. Ez a képernyő 16 millió LED-elemekből volt
összeszerelve.
Az egyik legnagyobb képernyő, amelyet a kínai gyártók exportra gyátották, az az
Egyiptomi Giza városban telepített LED-képernyő. Területe 1208 m2-
osztása 32 mm. Képernyő igazított a meleg éghajlatra és a homokos szélre. Telepítése a
helyszinen 1 hónapig tartott.
A New York-i "abc" stúdió képernyője
A New Giza városban telepített képernyő
Az Atlanta Braves csapat stadionon telepített LED kijelző.
Az Atlanta Braves csapat stadionon telepített LED képernyő lett a világ legnagyobb nagy
felbontású szabadtéri képernyő. Indítása előtt HD LED kijelző osztályban a legnagyobb
volt a "Daktronics» cég által telepített videovetítő a Dolphins stadion részére Miamiban.
Két nagy «ProStarB®» kijelzőből ál, mindegyikének felbontása 1280 x 720 pixel. Ez a
videó monitor területe 636 m2
.
"Viva Vision" LED kijelző Las Vegasban
A Las Vegasban a Frimond utcában működik a világ legnagyobb LED képernyő a "Viva
Vision", értéke 17 millió USA dollár. Több mint egy évet dolgoztak a munkások, hogy
kicseréljék a közel 2 millió a hagyományos izzó égőt 12,5 millió LED-re. Új LED-ek 30
méter magasságon vannak elrendezve a földtől, 900%-ra képesek javítani a képminőséget
a elődeikhez képest, ennek eredményeként a kép minősége hasonló a legújabb HD
TV minőségéhez. Az LG cég - az egyedi LED kijelző alkotója, vállalta, hogy fizet 2,25
millió USA dollárt a projekt szponzor támogatásaként azzal a feltétellel, hogy jogot
kap termékeinek hirdetésére 16 millió néző előtt évente. Az óriás LED képernyő hossza
1500 láb (közel 500 méter), a szélessége 90 láb (30 méter). Ahhoz, hogy megértsük,
milyen lenyűgöző méretei vannak ennek a képernyőnek, össze lehet hasonlítani azt öt
futballpálya területével!
Podium felhőkarcoló Egyesült Arab Emírségekben.
Hol máshol, ha nem az Egyesült Arab Emírségekben, kerülhet elhelyezésre olyan
felhőkarcoló, amelynek egyik fala egy óriási LED – képernyő? A projektet Pódiumnak
nevezték, építésére kijelölt hely a nagy szórakoztató komplexum a Dubailand. A LED
fal magassága 33 emelet lesz és enyhén ívelt alakú. A kép látható lesz másfél kilométer
távolságról.
Robotok show "Táncoló Daruk", Singapore
A Singaporei Resorts World Sentosa üdülőkomplexum bemutatta a "Táncoló Daruk"
Robotok show nagyszabású mutatványt óriási LED-képernyökkel, amelyet a város bármely
pontjáról lehet látni.
A mutatványban két darab, egy tíz emeletes épülettel összehasolítható 30 méter
magasságú emelődarú vesz részt. Ez a világon a legmagasabb animatronic show,
amelyben "az animált elektronika" vesz részt. A darúk szinte teljesen acélból készültek
és mindegyik súlya megközelítőleg 80 tonna. Ez azonban nem fosztja meg a táncoló bájos
darúkat az eleganciától, amellyel a robotok utánozzák az udvarló daruk táncát.
Az emelődarúkon kivül a „Táncoló darúk” létrehozásában LED képernyőket, fény-,
hanghatásokat és a pirotechnikát, valamint az eredeti zenét alkalmazták. A sow
elkészítése három évet vett igénybe. Szerzője a négyszeres "Emmy» díj győztes Jeremy
Railton díszlettervező, aki a világsztárok: Michael Jackson, Cher, Barbra Streisand és
Diana Ross koncerteinek végezte a színpad tervezését.
A LED-es világítás a 21. században a kis energiatakarékos energetika egyik legígéretesebb
iránya. A LED lámpák és lámpatestek alkalmazása az iparban, raktárhelyiségekben,
kereskedelmi komplexumokban, irodai központokban, városi közvilágítái hálózatokban,
autópályákon és minden házban sokszorosan növeli az energiahatékonyságot. Ma még a
LED világítás, természetesen, komoly befektetésekkel jár, de nyugodtan mondhatjuk,
hogy a villamos energia megtakarítása, amely akár 90%-os is lehet, gyorsan megtéríti az
összes költséget.
A LED-es világítás már nem luxus, ez az az energia-hatékony eszköz, hogy javítsa a
kényelmet és az életminőséget.
