Одна из самых революционных технологий 21-го века – светодиоды-, которые меняют то, как мы общаемся, освещаем наши дома и взаимодействуем с внешним миром. Это история настойчивости, творчества и новаторских-открытий, которые привели их от малоизвестных научных явлений к широко используемым решениям в области освещения. В этой статье показано развитиесветодиодыс течением времени, подчеркивая инновации, которые сделали возможным их нынешнее использование.
1. Ранние открытия: истоки электролюминесценции (1907–1960-е гг.)
Явление электролюминесценции, или выделение света из вещества при прохождении через него электрического тока, лежит в основе светодиодной технологии. Генри Джозеф Раунд, британский исследователь, впервые заметил эту концепцию в 1907 году, когда обнаружил, что кристалл карбида кремния (SiC) излучает слабое свечение при приложении напряжения. Несмотря на то, что открытие Раунда было непреднамеренным и плохо понятым, оно стало первой задокументированной электролюминесценцией.
Олег Лосев, русский изобретатель, опирался на работы Раунда в 1920-х годах. Лосев написал-подробные статьи о «световых реле», исследуя кристаллы карбида кремния и оксида цинка. Он также предположил, что электролюминесценция может послужить основой для полезных источников света. Но из-за технических ограничений того времени его исследование по большей части игнорировалось, а о его вкладе вспомнили лишь десятилетия спустя.
В 1950-х и 1960-х годах наступил рассвет современной эры светодиодов, поскольку новые возможности стали возможны благодаря развитию науки о полупроводниках. Такие материалы, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP), исследовали исследователи из RCA, General Electric и IBM. Инфракрасный светодиод был изобретен в 1961 году Робертом Биаром и Гэри Питтманом, но решающее открытие сделал ученый General Electric Ник Холоньяк-младший. Холоньяк разработал первый светодиод видимого-спектра в 1962 году, используя кристалл арсенид-фосфида галлия (GaAsP) для генерации красного света. Известный как «отец светодиодов», Холоньяк сделал тогда-футуристический прогноз о том, что светодиоды в конечном итоге заменят лампы накаливания.
2. Цветная революция (1970–1980-е годы): расширение спектра
Красный свет низкой-интенсивности, создаваемый первыми светодиодами, подходил только для индикаторов, используемых в часах, калькуляторах и других гаджетах. В 1970-е годы исследования были вызваны стремлением к новым цветам и повышению эффективности.
Зеленые и желтые светодиоды. В начале 1970-х годов изобретатели создали зеленые и желтые светодиоды путем легирования фосфида галлия азотом. Они стали включать в себя индикаторы на приборной панели автомобилей и светофоров.
Синие светодиоды: Святой Грааль Из-за сложности создания высококачественных кристаллов нитрида галлия (GaN)-синий свет остается неуловимым. Рост был затруднен из-за высокой температуры плавления GaN и несоответствия решетки подложки. Используя металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD), такие исследователи, как Исаму Акасаки и Хироши Амано в Японии, упорствовали и добились значительного прогресса в разработке GaN на сапфировых подложках в конце 1980-х годов.
Первый синий светодиод высокой-яркости был создан в 1993 году Сюдзи Накамура из Nichia Corporation, что стало последним значительным достижением. Поле было преобразовано благодаря изобретению Накамуры, в котором в качестве активного слоя использовался нитрид индия-галлия (InGaN). Помимо завершения цветовой триады RGB, синие светодиоды сделали возможным создание белых светодиодов за счет нанесения люминофорного покрытия (подробнее об этом позже). Репутация синего светодиода как изобретения,-меняющего правила игры, укрепилась, когда Акасаки, Амано и Накамура за свои усилия получили Нобелевскую премию по физике 2014 года.
3. Освещение мира: прорыв в области белых светодиодов (1990–2000-е гг.)
Общее освещение требует белого света. До появления светодиодов смешивание красных, зеленых и синих светодиодов для получения белого света было сложной и неэффективной процедурой. Появление синих светодиодов предложило более простое решение: нанесение желтого люминофора (например, иттрий-алюминиевого граната, легированного церием-, или YAG:Ce) на синий светодиод. Когда люминофор возбуждается синим светом, он излучает широкий спектр света, который в сочетании с оставшимся синим светом создает белый цвет.
В конце 1990-х годов этот метод, -известный как люминофорный-белый светодиод или ПК-LED-, стал экономически целесообразным. К 2000-м годам такие компании, как Cree, Philips и Osram, начали массово-производить белые светодиоды с эффективностью выше, чем у ламп накаливания и люминесцентных ламп.
Важные поворотные моменты включали:
Световая отдача: к 2010-м годам эффективность увеличилась с 5 лм/Вт (красныйсветодиодыс 1960-х годов) до более 150 лм/Вт.
Снижение затрат. В период с 2000 по 2015 год усовершенствованные методы производства (например, масштабное производство пластин-) снизили цены на 90 %.
Внедрение освещения: для экономии энергии правительства всего мира поощряют использование светодиодов. Например, премия L Prize 2008 года от Министерства энергетики США ускорила внедрение светодиодных ламп в качестве замены ламп накаливания мощностью 60 Вт.
4. За пределами освещения: умные технологии и диверсификация (2010-е годы – настоящее время)
Сегодня светодиоды используются не только для освещения. Многочисленные применения стали возможными благодаря достижениям в области материаловедения и миниатюризации.
а. Визуальные технологии и дисплеи
Органические светодиоды, или OLED, представляют собой гибкие, очень тонкие экраны, которые можно увидеть в смартфонах (например, панели AMOLED от Samsung).
Микро-светодиоды: самоизлучающие-пиксели для гарнитур AR/VR и телевизоров-высокой четкости.
Li-Fi: модуляция света с помощью светодиодов для беспроводной передачи данных.
б. Освещение, ориентированное на людей
Сегодня настраиваемые светодиоды меняют цветовую температуру, имитируя циклы естественного солнечного света, улучшая качество сна и продуктивность. «Циркадное освещение» используется в школах и больницах для контроля уровня мелатонина.
в. Сельское хозяйство и садоводство
Светодиодные лампы для выращивания растений используют определенные длины волн (например, красный и синий для фотосинтеза), чтобы максимизировать развитие растений. Светодиоды необходимы для круглогодичного-выращивания сельскохозяйственных культур на вертикальных фермах.
д. Транспорт и автомобили
Благодаря своей надежности и адаптируемости конструкции светодиоды являются отраслевым стандартом для освещения транспортных средств. Светодиоды используются в современных электромобилях для чего угодно: от фар до индикации состояния аккумулятора, а светодиодные дневные ходовые огни Audi 2004 года положили начало тенденции.
5. Нововведения и трудности
Несмотря на свой успех, светодиоды продолжают сталкиваться с препятствиями:
а. Падение эффективности
Эффективность светодиода снижается при больших токах из-за нагрева и утечки электронов. Подложки GaN-на-GaN и конструкции с квантовыми ямами – это два способа уменьшить дефекты.
б. Экологические проблемы
Тяжелые металлы и редкоземельные-элементы, такие как европий в люминофорах, содержатся в светодиодах. Обеспокоенность по поводу электронных-отходов вызвана отсутствием мощностей по переработке отходов.
в. Качество цвета
Цветопередача раннего белого цветасветодиоды was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. Будущее светодиодов
Новые технологии имеют потенциал для продвижения светодиодов:
Перовскитовые светодиоды: недорогие-стоящие, очень чистые-цвета материалы.
Светодиоды УФ-C: для очистки и стерилизации воды.
Интеграция LiDAR: 3D-картографирование с использованием светодиодов в беспилотных-автомобилях.
Разработка светодиодов, от осветительного кристалла Генри Раунда до синего светодиода Сюдзи Накамуры, является свидетельством человеческой изобретательности и междисциплинарного-сотрудничества. Более половины освещения в мире сейчас использует светодиоды-, что снижает выбросы углекислого газа и экономит миллиарды долларов на расходах на электроэнергию.светодиодыпродолжит возглавлять технологическую революцию, поскольку продолжаются исследования в области более умного, экологичного и адаптируемого освещения, демонстрируя, что даже самый маленький диод может осветить планету.
