ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ СВЕТОДИОДОВ
HISTORIA POWSTANIA I ROZWOJU DIOD LED.
Świecenie kryształów węglika krzemu pod wpływem przepływu prądu elekrycznego
Historia diod LED rozpoczęła się na początku XX wieku. W 1907 roku angielski wynalazca Henry Round zaprezentował technologię, na której opierają się diody LED. Odkrył on wydzielanie światła wokół kontaktu pracującego detektora. Luminescencja w węgliku krzemu po raz pierwszy na świecie została zarejestrowana w laboratorium Marconi w Wielkiej Brytanii. Później w 1923 roku rosyjski naukowiec Oleg Łosiew odkrył przyczynę tego zjawiska. W laboratorium w Niżnym Nowogrodzie, badając zjawisko rekombinacji promienistej, zaobserwował on świecenie kryształów węglika krzemu. Łosiew jako pierwszy na świecie udowodnił elektroluminescencję półprzewodników, czyli wydzielanie przez nie światła pod wpływem przepływu prądu. Chociaż w ciągu kilku dziesięcioleci dane odkrycie nie znalazło praktycznego zastosowania, był to pierwszy krok do stworzenia diod LED.
Rozwój lamp półprzewodnikowych na skalę przemysłową zaczął się dopiero w 1951 roku. W Stanach Zjednoczonych powstało centrum prac nad „lampami półprzewodnikowymi” działających na podstawie „efektu Łosiewa”, na czele którego stanął fizyk i wynalazca Kurt Lehovec. W 1955 roku Rubin Braunstein z Radio Corporation of America ogłosił, że występuje promieniowanie podczerwone arsenku galu (GaAs) w połączeniu z innymi stopami. Braunstein obserwował promieniowanie podczerwone powstałe przez prostą diodową strukturę na podstawie antymonku galu (GaSb), arsenku galu, fosforku indu (InP) oraz stopu krzemu z germanem (SiGe) w temperaturze pokojowej.
Pierwszy wyświetlacz zbudowany z czerwonych diod LED
W latach sześćdziesiątych XX wieku powstały pierwsze diody z fosforku galu (GaP) emitujące czerwone i żółtozielone światło. Długość fali, którą wytwarzały dane diody mieściła się w górnej granicy postrzegania oka ludzkiego (500-600 nm), dlatego też była wystarczająca, aby żółtozielone światło mogło być zauważone. Skuteczność świetlna diod tego rodzaju wynosiła ok. 1-2 lm/W.

W 1962 roku na uniwersytecie w Illinois w Stanach Zjednoczonych pod przewodnictwem Nicka Holonyaka stworzone zostały pierwsze diody LED o przeznaczeniu przemysłowym. Powstały one na podstawie GaAsP/GaP. To właśnie Nick Holonyak uważany jest za „ojca” współczesnych diod LED.
W 1968 roku stworzona została pierwsza lampa LED na potrzeby Monsanto. W tym samym roku firma Heweltt-Packard wyprodukowała i wypuściła na rynek pierwszy na świecie bilbord reklamowy oparty na technologii LED. Był to wyświetlacz z bardzo słabym strumieniem świetlnym, a treść wyświetlana była tylko w kolorze czerwonym. Do początku lat 70. diody LED emitujące podczerwień i światło widzialne były bardzo drogie – do 200$ za sztukę, dlatego też ich praktyczne zastosowanie było bardzo ograniczone. W roku 1968 firma Monsanto jako pierwsza zaczęła produkować diody LED emitujące światło widzialne używając przy tym fosforo-arsenku galu w celu uzyskania czerwonych diod LED odpowiadających wskaźnikom.
Dioda LED z plastikową obudową
W latach 70. XX wieku rozpoczął się bujny rozkwit tej branży. Nastąpiło udoskonalenie diod LED jednocześnie w dwóch aspektach: poszerzenie spektrum wydzielania światła oraz zwiększenie strumienia świetlnego. Oprócz tego, pod nadzorem rosyjskiego uczonego Żoresa Ałfiorowa prowadzono prace nad heterostrukturami półprzewodnikowymi, dzięki którym ograniczono aktywny obszar rekombinacji, co z kolei zwiększyło wydajność kwantową. Zaprezentowano i właściwie wytworzono heterostruktury, początkowo produkowane na bazie GaAs i jego roztworów typu AlGaAs, następnie na podstawie innych związków półprzewodnikowych, dzięki czemu czerwona część widma zwiększyła się do 15% (skuteczność świetlna do 10 lm/W), a podczerwona część widma do 30% i więcej. Jednak waga tego odkrycia doceniona została dopiero w roku 2000. Żores Ałfiorow otrzymał Nagrodę Nobla. Również w latach 70. w amerykańskich laboratoriach IBM, na bazie epitaksjalnych tlenków GaN zbudowane zostały niebieskie diody. Jednak wówczas ich żywotność była bardzo krótka.
W 1976 roku firma Heweltt-Packard opracowała i wypuściła na rynek diody LED zbudowane na bazie AlGaInP o czerwonopomarańczowej, żółtej i żółtozielonej barwie. Ich skuteczność świetlna osiągnęła 30lm/W (więcej niż w tradycyjnej żarówce), a zewnętrzna wydajność kwantowa – 55%. Nieco później, na początku lat 80., uczeni z Uniwersytetu Moskiewskiego im. Łomonosowa –Michaił Czukiczev i Giennadij Saparin odkryli luminescencyjne właściwości próbek GaN z domieszką cynku pod wpływem oddziaływania wiązki elektronów. W tym czasie uczonym nie udało się jednak pojąć przyczyny takiego zjawiska.
Niebieska dioda LED
Począwszy od 1985 roku strumień światła emitowany przez diody LED zwiększył się do 10lm, a same diody zaczęły być stosowane jako samodzielne źródła światła. Jednak problem urządzeń emitujących światło o barwie niebieskiej przez długi czas pozostawał bez rozwiązania. Dopiero 28 marca 1991 roku japoński koncern Nichia Chemical stworzył diody emitujące niebieskie światło. Z tym dniem narodziły się niebieskie diody LED. Ojcem tego wynalazku był japoński uczony Shuji Nakamura. Problem udało mu się rozwiązać przy pomocy heterostruktury na bazie InGaN. Dzięki temu odkryciu za pomocą diod LED można było emitować światło o wszystkich barwach „RGB”. Możliwe stało się również połączenie barw niebieskiej, żółtej oraz czerwonej w jednej trójkrystalicznej diodzie LED. Umożliwiło to otrzymywanie dowolnego koloru widma optycznego. W 1993 roku firma Nichia Chemical Industries rozpoczęła masową produkcję niebieskich diod LED na bazie GaN.

Na początku lat 90. skuteczność świetlna diod LED osiągnęła 30 lm. W 1997 roku Fred Shubert stworzył pierwszą na świecie diodę emitującą białe światło. A już w 1998 roku w Rosji firma Covert Lights zaczęła wypuszczać na rynek diody LED nowej generacji. Pod koniec XX wieku światowi liderzy w produkcji diod LED (Toyoda Gosei, Hewlett-Packard, Nichia Chemical, Cree) produkowali dziesiątki milionów niebieskich i zielonych diod miesięcznie. Skuteczność świetlna diod LED osiągnęła 60 lm/W. Od tej pory diody LED zaczęły stanowić poważną alternatywę dla lamp żarowych. Ogółem w Rosji na rynek wypuszczano niemal 100 milionów sztuk diod LED rocznie, na świecie liczba ta sięgała dziesiątek miliardów.

Od 2000 roku firmy Nichia Chemical oraz Osram zaczęły masowo produkować diody LED. W tym samym roku firmy „Wielkiej Trójki”: LumiLeds/Phillips, Osram/Cree oraz GELcore/Uniroyal/GE, zainwestowały ponad 70 milionów dolarów w badania związane z rozwojem, możliwościami zastosowania i produkcji diod LED. Wraz z pojawieniem się diod LED na świecie bardzo szybko zaczęła rozwijać się branża reklamowa.

W połowie roku 2006 na terytorium USA liczba elektronicznych bilbordów reklamowych sięgała niemal 200 sztuk, a w roku kolejnym liczba ta uległa podwojeniu. Dzięki takiej formie reklamy nastąpił ogromny skok we wszystkich sferach sprzedaży i produkcji.

Pod koniec 2006 roku diody LED stały się nieodłączną częścią współczesnego rynku, a zakres zastosowania tej technologii znacznie się powiększył. Diody LED zaczęto stosować w urządzeniach mobilnych, wszelkiego rodzaju płytach, ekranach i monitorach oraz oświetleniu pojazdów.

2008 rok – Uniwersytet w Bilkent w Turcji poinformował o osiągnięciu skuteczności światła wyemitowanego przez diodę zbudowanym na pojedynczym krysztale sięgającej 300 lumenów w widmie widzialnym.

Rok 2009 – uczeni z Uniwersytetu Cambridge poinformowali o zapoczątkowaniu procesu technologicznego, którego celem było pozyskiwanie azotku galu (GaN) tak, aby diody LED można było tworzyć bezpośrednio na krysztale krzemu. Wykorzystanie sześciocalowych wafli krzemowych zamiast dwucalowych wafli szafirowych umożliwiło zmniejszenie kosztów produkcji o 90%.

2010 rok – koncern Nichia poinformował o opracowaniu eksperymentalnych diod LED, które dzięki licznym udoskonaleniom konstrukcji i materiałów okazały się przełomem w podwyższaniu wydajności źródeł światła. Jedna z opracowanych diod LED, przy prądzie elektrycznym o natężeniu 5 mA wykazała rekordową efektywność – 265 lm/W, a to już o krok od teoretycznego przedziału granicznego białych diod, który przez japońskich uczonych oszacowany został na poziomie 260-300 lumenów na wat. Dla porównania: zwykłe lampy żarowe osiągają około 13-17lm/W, a lampy luminescencyjne – 60-90. Japończycy przekonują, że eksperymenty będą kontynuowane tak długo, jak istnieć będzie możliwość podniesienia skuteczności świetlnej. Pomimo, że obecne próbki diod osiągające rekordowe wyniki są zbyt drogie, aby zacząć produkować je masowo, ceny w przyszłości powinny znacznie spaść – obiecują badacze z Nichia.

W 2010 roku zastosowanie diod LED jako alternatywy dla tradycyjnego oświetlenia ogólnego nie przekroczyło 5%, czyli wyniosło około 200 milionów dolarów.

Jednak do 2011 roku wartość ta wzrosła do około 1 miliarda dolarów i według prognoz analityków z każdym rokiem będzie się ona powiększać.

Potężne projekty LED XXI wieku.
Największy diodowy wyświetlacz w Tokio
Koncern Mitsubishi Electrics zbudował największy na świecie wyświetlacz, którego powierzchnia równa jest trzem kortom tenisowym razem wziętym. Przy budowie tego gigantycznego ekranu wykorzystano technologię Aurora Vision – jego powierzchnię tworzy kilka milionów diod o dużej mocy. Powtarzający się wzór z punktów o trzech podstawowych barwach dobrany jest tak sprytnie, że pozwala osiągnąć maksymalną rozdzielczość w danym kolorze przy określonej liczbie diod. Ten cud techniki ustawiony został na hipodromie w Tokio, jego wysokość sięga 11,2 metra, długość – 66,4 metra, a powierzchnia wynosi 744 metrów kwadratowych. Ekran wart jest 28 milionów dolarów, a zamówiło go Japońskie Stowarzyszenie Wyścigów Konnych JRA. Teraz fani wyścigów mogą szczegółowo śledzić zawody konne w pełnej krasie, co więcej, obserwować mogą wszystkie detale zarejestrowane przez liczne kamery jednocześnie.

W Chinach bardzo wiele diod LED znajduje się na ulicach, a jednym z najbardziej widocznych nocą obiektów jest gigantyczna ściana reklamowa zbudowana z diod w Pekinie oraz wieża telewizyjna w Kantonie. Stanowią one przepiękne przykłady kombinacji energii alternatywnej i reklamy.

W Pekinie znajduje się również ogromny kolorowy ekran diodowy. Jego uruchomienie zbiegło się w czasie z letnią Olimpiadą w 2008 roku. Ekran wbudowany jest w baldachim nad deptakiem na wysokości 24 metrów przy wejściu do centrum handlowego. Kombinacja stworzona z pięciu ekranów diodowych tworzy spójną całość o rozmiarze 250x30 metrów, a jej powierzchnia sięga 7500 m2. To naprawdę ogromny ekran LED.

Wieża telewizyjna w Kantonie
Ściana reklamowa zbudowana z diod LED w Pekinie
Ekran diodowy w Pekinie
Kasyno w Makao
Kasyno w Makao (Specjalny Obszar Administracyjny – SAR) w Chinach słynie z tego, że olśniewające światła i ekstrawagancka architektura konkurować mogą z samym Las Vegas. Grand Lisbona Hotel zastosował inteligentny system oświetlenia zaprogramowany za pomocą technologii firmy Daktronics, który łączy zewnętrzne efekty oświetlenia i jest w stanie stworzyć i wyświetlić określone wiadomości tekstowe, grafikę, animacje i filmy wideo. Projekt budynku Grand Lisbona Hotel inspirowany był żółtym kwiatem lotosu, który jest oficjalnym logo Makao SAR. W przyszłości, kiedy budynek będzie już ukończony, będzie miał kształt wysokiej wieży wyrastającej z owalnego podium. Samo podium wysokie na 56 metrów (184 stopy), szerokie na 189 metrów (620 stóp), o całkowitej powierzchni około 10 609 metrów kwadratowych, oświetlone będzie ponad 59 000 lampami ProPixel-LED firmy Daktronics.

Nowy Jork, sławny plac Times Square. Ekran słynnego Studio ABC. Wyświetlacz LED o powierzchni kilkunastu metrów kwadratowych. Zmontowany został z 16 milionów elementów diodowych.

Jednym z największych ekranów wyprodukowanych przez chińskich przedsiębiorców na eksport jest ekran LED zamontowany w mieście New Giza w Egipcie. Powierzchnia ekranu sięga 1208 m2, a wielkość plamki wynosi 32mm. Ekran został dostosowany do upalnego klimatu i piaskowego wiatru. Jego montaż na miejscu zajął miesiąc.

Ekran Studio ABC w Nowym Jorku
Ekram w Nowej Gizie
Ekran diodowy na stadionie drużyny Atlanta Bravers
Ekran diodowy na stadionie drużyny Atlanta Bravers jest największym na świecie zewnętrznym wideo ekranem wysokiej rozdzielczości. Do czasu jego uruchomienia w klasie HD ekranów diodowych liderem był ekran firmy Daktronics zbudowany na stadionie Dolphins w Miami. Stanowią go dwa wyświetlacze ProStarВ® o rozdzielczości 1280x720 pikseli każdy. Ekran ten ma powierzchnię 636m2.
Ekran LED „Viva Vision” w Las Vegas
W Las Vegas na ulicy Frimond znajduje się największy na świecie ekran LED Viva Vision o wartości 17 milionów dolarów. Przez ponad rok robotnicy trudzili się, aby zamienić prawie 2 miliony zwykłych lampek na 12,5 miliona diod LED. Nowe diody zainstalowane są na wysokości 30 metrów nad ziemią i są w stanie polepszyć jakość obrazu o około 900% w porównaniu z poprzednimi lampkami, a w rezultacie produkują obraz porównywalny pod względem jakości z tym, jaki produkuje telewizor HD ostatniej generacji. Firma LG – twórca unikatowego ekranu diodowego, zgodziła się zapłacić 2,25 milion dolarów w ramach sponsorskiego wsparcia projektu, pod warunkiem otrzymania prawa do wyświetlenia reklamy swoich produktów przed 16 milionami widzów każdego roku. Długość gigantycznego ekranu diodowego wynosi 1500 stóp (około 500 metrów), a szerokość – 90 stóp (30 metrów). Aby uzmysłowić sobie, jak ogromne są rozmiary ekrany, można porównać jego powierzchnię z pięcioma boiskami do piłki nożnej!
Wieżowiec Podium w Zjednoczonych Emiratach Arabskich
Gdzie jeśli nie w Zjednoczonych Emiratach Arabskich może znajdować się drapacz chmur, którego jedną ze ścian stanowić będzie gigantyczny ekran LED? Projekt nosi nazwę Podium, a miejscem jego realizacji będzie duży kompleks rozrywkowy Dubailand. Ściana zbudowana z diodowego wyświetlacza osiągnie wysokość 33 pięter i będzie mieć lekko zakrzywiony kształt. Obraz na niej wyświetlany podziwiać będzie można z odległości półtora kilometra.
Pokaz robotów „Tańczące żurawie” z gigantycznymi ekranami LED, Singapur

Kompleks kurortowy w singapurskim Resorts World Sentosa zaprezentował wspaniały pokaz robotów „Tańczące żurawie” z gigantycznymi ekranami LED, których obraz można podziwiać praktycznie z każdego punktu w mieście.

W przedstawieniu wzięły udział dwa 30-metrowe dźwigi, których wysokość jest równa dziesięciopiętrowemu budynkowi. To najwyższe na świecie przedstawienie animatroniczne, w którym udział bierze „ożywiona elektronika”. Dźwigi niemal w całości zbudowane zostały ze stali, a każdy z nich waży około 80 ton. Nie wpływa to jednak w żaden sposób na precyzję i grację, z jaką poruszają się roboty przedstawiające tańce godowe żurawi.

W „tańczących żurawiach” oprócz dźwigów wykorzystano ekrany LED, efekty świetlne, pirotechniczne i dźwiękowe, a także oryginalną muzykę. Prace nad przygotowaniem show trwały około 3 lat. Autorem przedstawienia jest czterokrotny zdobywca nagrody Emmy – Jeremy Railton, który stworzył scenografię koncertów gwiazd światowego formatu: Michaela Jacksona, Cher, Barbary Streisand i Diany Ross.

Oświetlenie z użyciem diod LED w 21. wieku jest jednym z najbardziej obiecujących kierunków w branży energetycznej na małą skalę. Zastosowanie diodowych źródeł światła i lamp w halach produkcyjnych, magazynach, kompleksach handlowych, centrach biurowych, miejskich sieciach oświetlenia ulicznego, na autostradach i w każdym domu znacznie poprawi efektywność energetyczną. Dziś oświetlenie diodowe wprawdzie wymaga dużych nakładów, jednak z pewnością można stwierdzić, że oszczędności na energii elektrycznej, które sięgną nawet 90%, szybko pokryją wszystkie koszty.

Oświetlenie diodowe nie jest już luksusem. To energooszczędny sposób na poprawę komfortu i jakości życia!