Modr´a je dobr´a D´ıl 2. Sv´ıtiv´e diody jako z´aklad nov´e generace osvˇetlovac´ı techniky Jan Valenta, Praha
V prvn´ım d´ıle tohoto pojedn´ an´ı [12] jsme si povˇedˇeli o stolet´em zkoum´an´ı elektroluminiscence, v´ yvoji sv´ıtiv´ ych diod (LED) a dlouh´em u ´sil´ı o v´ yrobu u ´ˇcinn´e modr´e LED, kter´e bylo roku 2014 odmˇenˇeno Nobelovou cenou za fyziku pro tˇri japonsk´e vˇedce: ˇ Nakamuru. Nyn´ı n´am zb´ I. Akasakiho, H. Amana a S. yv´a osvˇetlit druhou ˇc´ast zd˚ uvodnˇen´ı udˇelen´ı t´eto ceny, kter´e zn´ı za vyn´ alez u ´ˇcinn´ych diod emituj´ıc´ıch modr´e svˇetlo, kter´e umoˇ znily vznik jasn´ ych a energeticky u ´ sporn´ ych zdroj˚ u b´ıl´ eho svˇ etla [15]. Jak tedy souvis´ı modr´e LED a nov´e energeticky u ´sporn´e zdroje b´ıl´eho svˇetla? 1. Vn´ım´ an´ı svˇ etla — objektivn´ı popis subjektivn´ıho vjemu Je vˇseobecnˇe zn´ amo, ˇze v lidsk´em oku jsou dva typy detektor˚ u“ svˇetla — tyˇcinky ” a ˇc´ıpky. Tyˇcinky odpov´ıdaj´ı za nebarevn´e vidˇen´ı za n´ızk´ ych intenzit osvˇetlen´ı, kdeˇzto ˇc´ıpky umoˇzn ˇuj´ı barevn´ y vjem d´ıky tomu, ˇze existuj´ı tˇri typy ˇc´ıpk˚ u citliv´ ych bud’ na modr´e, zelen´e nebo ˇcerven´e svˇetlo. D´ale se budeme vˇenovat pouze barevn´emu vidˇen´ı. Aby bylo moˇzn´e jednoznaˇcnˇe charakterizovat barevn´ y vjem, dohodla se roku 1931 Mezin´ arodn´ı komise pro osvˇetlov´an´ı (Commission Internationale d’Eclairage — CIE) na definici norm´ aln´ıho pozorovatele CIE 1931. To jsou vlastnˇe tˇri spektra (obr. 1a), kter´ a popisuj´ı intenzitu vjemu v z´avislosti na vlnov´e d´elce svˇetla pro vˇsechny tˇri typy ˇc´ıpk˚ u. Kdyˇz pak jak´ekoliv spektrum porovn´ame s tˇemito charakteristikami, dostaneme relativn´ı odezvu ˇcerven´eho, zelen´eho a modr´eho ˇc´ıpku, tedy tˇri ˇc´ısla x, y, z. Tato ˇc´ısla znormujeme tak, aby dohromady dala jedniˇcku: x + y + z = 1. Kaˇzdou barvu (tedy pˇresnˇeji, odezvu oka na n´ı) nyn´ı popisuj´ı tˇri ˇc´ısla (x, y, z), podobnˇe jako tˇri souˇradnice urˇcuj´ı bod v prostoru, proto se j´ım ˇr´ık´a trichromatick´e souˇradnice. Hezk´e na tomto syst´emu je, ˇze m˚ uˇzeme vˇsechny barevn´e t´ony (vjemy) vyn´est do ploch´eho diagramu s osami x, y (protoˇze souˇradnici z dopoˇc´ıt´ame jako z = 1 − x − y). Tento diagram se naz´ yv´ a kolorimetrick´y troj´ uheln´ık, ale m´a sp´ıˇse tvar podkovy. Okraj tvoˇr´ı spektr´ alnˇe ˇcist´e, monochromatick´e barvy1 (obr. 1b). Doln´ı hrana je pˇr´ımka purpur˚ u“ ” — purpurov´ a (fialov´ a) barva je vlastnˇe kombinac´ı vjem˚ u na opaˇcn´ ych p´olech spektra (ˇcerven´e a modr´e), zp˚ usoben´ a t´ım, ˇze ˇcerven´ y ˇc´ıpek m´a v´ ybˇeˇzek citlivosti u 440 nm (viz obr. 1a). Uprostˇred na souˇradnici (x, y, z) = (1/3, 1/3, 1/3) je dokonale vyv´aˇzen´e b´ıl´e, achromatick´e svˇetlo. M˚ uˇzeme zde tak´e vyn´est zahnutou kˇrivku popisuj´ıc´ı souˇradnice emise dokonale ˇcern´eho tˇelesa o r˚ uzn´ ych teplot´ach (viz napˇr. [9]). 1 Pozn.
redakce: Barevn´ y obr´ azek bude bˇ ehem roku 2016 dostupn´ y na www.dml.cz.
Prof. RNDr. Jan Valenta, Ph.D., katedra chemick´e fyziky a optiky, Matematicko-fyzik´ aln´ı fakulta UK, Ke Karlovu 5, 121 16 Praha 2, e-mail:
[email protected]
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
89
D´ ale si mus´ıme bl´ıˇze povˇsimnout spektra citlivosti zelen´ ych“ ˇc´ıpk˚ u. Jeho pr˚ ubˇeh ” totiˇz urˇcuje tzv. svˇetelnou u ´ˇcinnost z´ aˇren´ı K(λ) (dˇr´ıve zvanou viditelnost) v jednotk´ach lumen na watt [lm/W] a je tak vlastnˇe spojnic´ı mezi subjektivn´ımi fotometrick´ymi veliˇcinami a energetick´ ymi, tedy radiometrick´ymi veliˇcinami. Zde je nutn´e zd˚ uraznit, ˇze volba trojice spekter CIE 1931 z obr. 1a nen´ı jednoznaˇcn´a a z praktick´ ych d˚ uvod˚ u byla provedena pr´ avˇe tak, aby spektrum pro zelenou barvu bylo totoˇzn´e se svˇetelnou u ´ˇcinnost´ı z´ aˇren´ı. Svˇeteln´e zdroje a jejich z´ aˇren´ı popisuj´ı radiometrick´e (energetick´e) veliˇciny (jednotky jsou uvedeny v hranat´ ych z´avork´ach): z´ aˇriv´y tok [W] — energie vyz´aˇren´a ze svˇeteln´eho zdroje za 1 sekundu, z´ aˇrivost [W/sr] — z´aˇriv´ y tok vyslan´ y zdrojem do jednotkov´eho prostorov´eho u ´hlu, z´ aˇr (radiance) [W/(sr·m2 )] — energie vyz´aˇren´a z jednotkov´e plochy do jednotkov´eho prostorov´eho u ´hlu za jednotku ˇcasu a oz´ aˇren´ı (oz´ aˇrenost) [W/m2 ] — z´ aˇriv´ a energie dopadaj´ıc´ı na jednotkovou plochou za jednotku ˇcasu. Odpov´ıdaj´ıc´ı fotometrick´e veliˇciny (odr´aˇzej´ıc´ı subjektivn´ı“ vjem ˇclovˇeka) ” jsou: svˇeteln´y tok [lumen lm], sv´ıtivost svˇeteln´eho zdroje [candela cd = lm/sr], jas 2 2 [nit nt = lm/(sr·m )] a osvˇetlen´ı [lux lx = lm/m ]. Pokud nˇekterou z uveden´ ych veliˇcin vyjadˇrujeme nikoli v integr´aln´ı, ale spektr´ aln´ı formˇe, pak vlastnˇe uv´ ad´ıme spektr´aln´ı hustotu“, tedy mnoˇzstv´ı dan´e veliˇciny na ” jednotkov´ y interval vlnov´e d´elky, frekvence nebo jin´e spektr´aln´ı veliˇciny. Napˇr´ıklad spektr´ aln´ı hustota oz´ aˇren´ı je nejˇcastˇeji uv´adˇena v jednotk´ach W/(m2 ·nm) (jednotka je 3 tedy W/m , ale tento z´ apis autor nedoporuˇcuje, protoˇze to sv´ad´ı ke klamn´emu dojmu, ˇze se jedn´ a o v´ ykon z jednotkov´eho objemu). Z porovn´ an´ı radiometrick´ ych a fotometrick´ ych jednotek vid´ıme, ˇze lumen vystupuje v roli svˇeteln´eho v´ ykonu“. Proto staˇc´ı definovat pˇrevod mezi lumenem a wattem, tedy ” v´ yˇse zm´ınˇenou svˇetelnou u ´ˇcinnost z´ aˇren´ı K, a m˚ uˇzeme pˇrev´adˇet libovolnou radiometrickou veliˇcinu Qr na pˇr´ısluˇsnou fotometrickou Qf pomoc´ı vztahu Z Qf = Qr (λ) · K(λ) · dλ. Zde je evidentn´ı, ˇze mus´ıme zn´ at spektr´ aln´ı pr˚ ubˇeh pˇr´ısluˇsn´e radiometrick´e veliˇciny (napˇr. spektr´ aln´ı hustotu oz´ aˇren´ı). Integraci pak prov´ad´ıme pˇres celou spektr´aln´ı oblast citlivosti lidsk´eho oka, zhruba od 380 nm do 780 nm. Svˇeteln´ au ´ˇcinnost z´ aˇren´ı je z´ akladem definice candely [cd], jedn´e ze sedmi z´akladn´ıch veliˇcin soustavy SI. Definice z roku 1979, kter´a nahradila pˇredchoz´ı definici (zaloˇzenou na emisi z tepeln´eho z´ aˇriˇce tvoˇren´eho roztavenou platinou) a pravdˇepodobnˇe pˇreˇzije i souˇcasnou revizi z´ akladn´ıch veliˇcin, ˇr´ık´a: Sv´ıtivost 1 cd m´ a svˇeteln´y zdroj, kter´y aˇrivost v dan´em emituje monochromatick´e z´ aˇren´ı o frekvenci 540 × 1012 Hz a jehoˇz z´ smˇeru je 1/683 W/sr. Je zaj´ımav´e, ˇze tato veliˇcina st´ale dobˇre odpov´ıd´a p˚ uvodn´ım definic´ım sv´ıˇcky“ (latinsky candela), kter´a byla odvozena od sv´ıtivosti klasick´e“ ” ” sv´ıˇcky. V´ yˇse uveden´ a definice candely je vlastnˇe normovac´ı podm´ınkou pro maximum svˇeteln´e u ´ˇcinnosti z´ aˇren´ı na 555 nm, kter´e nastavuje na 683 lm/W. Poznamenejme, ˇze spektr´ aln´ı pr˚ ubˇeh standardn´ıho pozorovatele CIE 1931“ byl pozdˇeji revidov´an na ” z´ akladˇe pr´ ace Judda a Vose, kteˇr´ı navrhli upˇresnˇen´ı funkce K(λ) ve fialov´e oblasti spektra, kde byla citlivost lidsk´eho oka p˚ uvodnˇe podcenˇena. Tato funkce je zn´ama jako CIE 1978 a je zn´ azornˇena na obr. 1c [10]. Ned´ avn´e v´ yzkumy ukazuj´ı, ˇze v oku existuj´ı jeˇstˇe dalˇs´ı detektory“ svˇetla, kter´e sice ” nevytv´ aˇr´ı obraz, ale mˇeˇr´ı“ celkovou intenzitu svˇetla [2]. Jsou to gangliov´e (nervov´e) ” 90
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
Obr. 1. (a) Spektra relativn´ı citlivosti tˇr´ı typ˚ u ˇc´ıpk˚ u lidsk´eho oka, kter´ a tvoˇr´ı z´ aklad popisu barevn´ ych vjem˚ u v soustavˇe CIE 1931. (b) Kolorimetrick´ y diagram zn´ azorˇ nuj´ıc´ı vˇsechny vn´ımateln´e barvy v souˇradnic´ıch x (ˇcerven´ a), y (zelen´ a) a z = 1 − x − y (modr´ a); barvy reprodukovateln´e RGB diodami jsou vymezeny tzv. Maxwellov´ ym troj´ uheln´ıkem. Tak´e je zn´ azornˇen b´ıl´ y (achromatick´ y) bod, kter´ ym proch´ az´ı kˇrivka barev tepeln´eho z´ aˇren´ı z dokonale ˇcern´eho tˇelesa — pˇri zvyˇsov´ an´ı teploty se bude barva posouvat zprava doleva od ˇcerven´e, teple“ b´ıl´e, vyv´ aˇzen´e b´ıl´e aˇz k studenˇe“ b´ıl´e. (c) Kˇrivka G z panelu (a) je vynesena v log ” ” mˇeˇr´ıtku spolu s reviz´ı CIE 1978 (koriguje UV hranu citlivosti) — tato funkce po znormov´ an´ı ˇ na 683 lm/W urˇcuje svˇetelnou u ´ˇcinnost z´ aˇren´ı. Cerchovanou ˇcarou je vyznaˇcen pr˚ ubˇeh citlivosti gangliov´ ych bunˇek obsahuj´ıc´ıch melanopsin (upraveno podle [10], [2]).
buˇ nky um´ıstˇen´e v horn´ı vrstvˇe s´ıtnice oka nad tyˇcinkami a ˇc´ıpky. Asi 1 aˇz 3 % tˇechto bunˇek obsahuj´ı barvivo melanopsin a d´avaj´ı sign´aly pro nastaven´ı naˇseho denn´ıho biorytmu, tzv. cirkadi´ ann´ı rytmus. Na obr. 1c je vynesen spektr´aln´ı pr˚ ubˇeh jejich citlivosti ukazuj´ıc´ı maximum pro modr´e svˇetlo kolem 485 nm a velmi slabou citlivost v ˇzluto-ˇcerven´e oblasti, proto se tˇemto buˇ nk´am tak´e ˇr´ık´a detektory modr´e oblohy“. ” Z uveden´ ych v´ yzkum˚ u plyne d˚ uleˇzit´e doporuˇcen´ı, ˇze v dobˇe minima bioaktivity, tedy v noci, bychom si mˇeli sv´ıtit pouze slab´ ym naˇcervenal´ ym svˇetlem, aby pˇr´ıpadnˇe nedoˇslo k naruˇsen´ı naˇseho cirkadi´ ann´ıho rytmu. 2. Z´ısk´ an´ı b´ıl´ eho svˇ etla pomoc´ı sv´ıtiv´ ych diod — diody vˇ sech barev spojte se Z v´ yˇse uveden´eho popisu plyne, ˇze vjem b´ıl´e barvy dostaneme vyv´aˇzen´ ym podr´aˇzdˇe” n´ım“ tˇr´ı typ˚ u ˇc´ıpk˚ u. Pokud pro tento u ´ˇcel chceme pouˇz´ıt LED, je logick´e vz´ıt modrou, zelenou a ˇcervenou LED, kter´e jsou spektr´alnˇe vyladˇen´e na maximum citlivosti pˇr´ısluˇsn´ ych ˇc´ıpk˚ u, a spojit je v jeden celek. Tak dostaneme tzv. RGB LED (zkratka z anglick´ ych slov Red, Green, Blue, obr. 2a), kter´e mohou nejen vytv´aˇret jednu poˇzadovanou barvu, ale za vyuˇzit´ı pˇr´ısluˇsn´ ych elektronick´ ych obvod˚ u bude moˇzn´e vyladit barvu dle libosti — to je moˇznost u dˇr´ıvˇejˇs´ıch osvˇetlovac´ıch zdroj˚ u nev´ıdan´a (jedinˇe bylo moˇzn´e d´ avat pˇred lampy r˚ uzn´e barevn´e filtry). Mnoˇzinu vˇsech barev, kter´e Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
91
lze RGB syst´emem reprodukovat (v technick´em popisu monitor˚ u apod. se naz´ yv´a tato mnoˇzina gamut), lze zobrazit v kolorimetrick´em diagramu jako tzv. Maxwell˚ uv troj´ uheln´ık, jehoˇz vrcholy jsou d´ any trichromatick´ ymi souˇradnicemi tˇr´ı pouˇzit´ ych barev. Aby byl tento troj´ uheln´ık co nejvˇetˇs´ı, je ˇz´adouc´ı, aby vrcholy leˇzely co nejv´ıce na hranˇe a v roz´ıch podkovy“, aby tedy element´arn´ı barvy byly co nejv´ıce monochroma” tick´e. Oproti luminofor˚ um ˇci filtr˚ um barevn´ ych (CRT, resp. LCD) obrazovek nebo chemick´ ym barviv˚ um maj´ı LED tu v´ yhodu, ˇze jejich spektrum je pomˇernˇe u ´zk´e (typicky 20 nm, obr. 2a), tedy bl´ızk´e monochromatick´emu, a tak je rozsah reprodukovan´ ych barev (gamut) skoro maxim´ aln´ı moˇzn´ y. Ovˇsem RGB LED jsou zbyteˇcnˇe drah´e pro bˇeˇzn´e pouˇzit´ı, kdy tˇreba pˇri osvˇetlen´ı pracovn´ıho stolu nepotˇrebujeme barevn´e hr´atky, ale konstantn´ı b´ıl´e osvˇetlen´ı. Naˇstˇest´ı existuje druh´ a, v´ıce vyuˇz´ıvan´ a moˇznost z´ısk´an´ı LED diod s pˇribliˇznˇe b´ıl´ ym spektrem. Je to kombinace modˇre sv´ıt´ıc´ı LED s vhodn´ ym luminoforem sv´ıt´ıc´ım ˇzlutˇe (studenˇe b´ıl´ a LED) nebo kombinac´ı luminofor˚ u ˇzlut´ ych a ˇcerven´ ych (teple b´ıl´a LED). Modr´e svˇetlo (nejˇcastˇeji kolem 470 nm) je ˇc´asteˇcnˇe pohlceno luminoforem a vyz´aˇreno na delˇs´ıch vlnov´ ych d´elk´ ach a ˇca´steˇcnˇe proch´az´ı, takˇze v´ ysledn´ y vjem je kombinac´ı spektra LED a luminoforu. Je to zcela stejn´ y princip jako v z´aˇrivk´ach, kde ovˇsem prim´ arn´ım zdrojem je svˇetlo v´ yboje ve rtut’ov´ ych par´ach. Nepˇrekvapuje, ˇze takovouto ˇ b´ılou LED realizoval Suji Nakamura v roce 1995, kdyˇz uˇz Nichia s´eriovˇe vyr´abˇela u ´ˇcinn´e modr´e LED a na skladˇe mˇela vhodn´e luminofory, na jejichˇz v´ yrobu se tradiˇcnˇe specializovala. Sch´ema t´eto b´ıl´e diody a jej´ı spektrum jsou na obr. 2c,d. Pr´aˇsek luminoforu je obvykle nasyp´ an“ pˇr´ımo na ˇcip diody, i kdyˇz se v posledn´ı dobˇe ob” jevuj´ı i zdroje, kter´e maj´ı luminofor zabudov´an d´ale od prim´arn´ıch diod — tˇreba ˇ ym luminoforem v b´ıl´ aˇz na vnˇejˇs´ım obalu, jako u z´ aˇrivky (obr. 4a). Zlut´ ych LED b´ yval nejˇcastˇeji yttrito-hlinit´ y gran´at s pˇr´ımˇes´ı iont˚ u ceru (YAG:Ce), oranˇzov´ ym napˇr. CaS:Eu, ale doch´ az´ı k neust´al´ ym inovac´ım a sloˇzen´ı souˇcasn´ ych luminofor˚ u vˇetˇsinou nen´ı uv´ adˇeno. Zde je nutn´e poznamenat, ˇze nen´ı principi´aln´ı probl´em vytvoˇrit libovolnˇe barevn´e“ LED svˇetlo. Zpoˇc´atku se ale v´ yrobci neradi pouˇstˇeli do ” tepl´ ych“ barev zˇrejmˇe proto, ˇze takov´a svˇetla maj´ı niˇzˇs´ı u ´ˇcinnost (protoˇze svˇeteln´a ” u ´ˇcinnost ˇcerven´ ych foton˚ u je horˇs´ı neˇz tˇech zelen´ ych a ˇzlut´ ych), a tak nebylo moˇzn´e dos´ ahnout ˇspiˇckov´ ych parametr˚ u. 3. Tepeln´ e z´ aˇ ren´ı versus luminiscence — lumidky Lidsk´e oko je dlouhou evoluc´ı pˇrizp˚ usoben´e svˇetlu naˇseho hlavn´ıho — dˇr´ıve v´ yhradn´ıho — zdroje svˇetla, tedy Slunci. Sluneˇcn´ı fotony vych´az´ı z vnˇejˇs´ı vrstvy Slunce zvan´e fotosf´era, kter´ a m´ a teplotu asi 5780 K. Spektrum je dobˇre pops´ano Planckov´ym z´ akonem popisuj´ıc´ım rovnov´ aˇzn´e spektr´ aln´ı rozloˇzen´ı foton˚ u vyzaˇrovan´ych tˇelesem o teplotˇe T . Toto z´ aˇren´ı naz´ yv´ ame tepeln´e z´ aˇren´ı a je spoleˇcn´e vˇsem tˇeles˚ um. Tepeln´ ym zdrojem svˇetla jsou tak´e ˇz´ arovky, v nichˇz doch´az´ı k zahˇr´at´ı kovov´eho vl´akna proch´azej´ıc´ım proudem. Nejvyˇsˇs´ı teplotu t´ an´ı pˇres 3 400 ◦ C, m´a z dostupn´ ych materi´al˚ u wolfram, proto se z nˇej dˇelaj´ı vl´ akna ˇz´ arovek (dˇr´ıve to byly tak´e tantal a osmium). D˚ uleˇzit´e je, ˇze celkov´ a intenzita tepeln´eho z´ aˇren´ı rychle roste s teplotou (jako ˇctvrt´a mocnina, viz Stefan˚ uv–Boltzmann˚ uv z´ akon) a maximum se posouv´a ke kratˇs´ım vlnov´ ym d´elk´am (jako 1/T , viz Wien˚ uv z´ akon). V kontrastu s tepeln´ ymi zdroji svˇetla jsou LED zaloˇzeny na elektroluminiscenci. 92
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
Obr. 2. (a) Elektroluminiscenˇcn´ı spektrum RGB diody, jej´ıˇz struktura je uk´ az´ ana na makrofotografii v panelu (b). Povˇsimnˇete si, ˇze ˇcip ˇcerven´e diody (R) je menˇs´ı neˇz ostatn´ı dva, a tak´e toho, ˇze spektrum zelen´e diody (G) je v´ yraznˇe posunuto od maxima spektr´ aln´ı u ´ˇcinnosti na 555 nm (pˇreruˇsovan´ a ˇca ´ra). (c) Absolutnˇe kalibrovan´ a spektra teple a studenˇe b´ıl´e lumidky mˇeˇren´ a ve vzd´ alenosti 50 cm. (d) Sch´ema jednoduch´e levn´e b´ıl´e diody s luminoforem um´ıstˇen´ ym pˇr´ımo na ˇcipu modr´e LED.
Jako luminiscenci obecnˇe oznaˇcujeme nerovnov´aˇzn´e“ z´aˇren´ı vyvolan´e vybuzen´ım (exci” tac´ı) vhodn´eho materi´ alu do vyˇsˇs´ıch elektronov´ ych energetick´ ych stav˚ u — luminiscence je tedy z´ aˇren´ı nav´ıc nad tepeln´ ym z´aˇren´ım spoleˇcn´ ym pro vˇsechna tˇelesa s jistou ´ cinn´ teplotou. Uˇ a luminiscence existuje pouze v nˇekter´ ych speci´aln´ıch materi´alech, m´a velmi specifick´e spektrum a obvykle kles´a s rostouc´ı teplotou — prakticky se tedy ve vˇsech ohledech odliˇsuje od tepeln´eho z´aˇren´ı. Pˇresto se u n´ as svˇeteln´e zdroje zaloˇzen´e na LED — tedy na elektroluminiscenci a pˇr´ıpadnˇe fotoluminiscenci luminoforu — ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u oznaˇcuj´ı jako LED ˇz´ arovky. To zn´ı jak oxym´ oron typu strhan´e struny zvuk, slit´eho zvonu hlas“. D˚ uvodem ” tohoto nevhodn´eho pojmenov´ an´ı je — jako dnes ˇcasto — otrock´ y pˇreklad z angliˇctiny. Tam se ˇz´ arovka“ ˇrekne bulb“, coˇz je oznaˇcen´ı vystihuj´ıc´ı baˇ nkovit´ y tvar tradiˇcn´ıch ” ” ˇz´ arovek, kter´ y b´ yv´ a ˇcasto zachov´av´an i u LED zdroj˚ u. Oproti tomu ˇz´arovka“ je ” n´ adhern´e ˇcesk´e slovo vystihuj´ıc´ı tepelnou podstatu jej´ıho z´aˇren´ı. Mˇeli bychom tedy nal´ezt pˇr´ıhodnˇejˇs´ı ˇcesk´ y n´ azev pro LED svˇeteln´e zdroje, kter´ y bude vystihovat jejich Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
93
fyzik´ aln´ı podstatu. Jelikoˇz je z´ akladn´ım principem elektro- a foto-luminiscence, mohl by kr´ atk´ y a jednoduch´ y n´ azev zn´ıt lumidka, jak jsme navrhli ned´avno [13]. V odborn´e literatuˇre se pak nov´ a technologie osvˇetlov´an´ı oznaˇcuje jako solid-state lighting (SSL), tedy pevnol´ atkov´e osvˇetlov´ an´ı. 4. Porovn´ an´ı elektricky nap´ ajen´ ych zdroj˚ u osvˇ etlen´ı — v´ıtˇ ezn´ e polovodiˇ ce Elektricky nap´ ajen´e zdroje svˇetla prok´azaly sv´e praktick´e v´ yhody velmi rychle, a proto ˇ dominuj´ı osvˇetlovac´ı technice jiˇz t´emˇeˇr sto let. (Radu zaj´ımavost´ı ˇcten´aˇr najde v ned´ avn´em ˇcl´ anku J. Hubeˇ n´ aka [4].) Mezi nimi se kdysi uˇz objevily i zdroje zaloˇzen´e na elektroluminiscenci. Bylo to v 60. a 70. letech minul´eho stolet´ı, kdy vzbudily ˇziv´ y z´ ajem elektroluminiscenˇcn´ı panely zaloˇzen´e na pr´aˇskov´em ZnS obsahuj´ıc´ım vhodn´e dopanty. Podrobnˇe se jim vˇenoval v´ yznamn´ y ˇcesk´ y vˇedec Karel P´ atek (1927–1967, mimo jin´e autor prvn´ıho ˇceskoslovensk´eho laseru [14]) ve sv´e knize Elektroluminiscence — svˇetlo budoucnosti, vyˇsl´e v roce 1965 [6] (jak prorock´ y n´azev!). Principem ˇcinnosti tˇechto panel˚ u ovˇsem nebyla injekˇcn´ı elektroluminiscence, ale elektroluminiscence ve vysok´ ych stˇr´ıdav´ ych pol´ıch (neboli Destriau˚ uv jev, viz [7]). Tyto panely se jistou dobu vyr´ abˇely v Tesle Holeˇsovice, ale trvale se neprosadily — podobnˇe jako jinde ve svˇetˇe — hlavnˇe kv˚ uli probl´em˚ um se stabilitou (ovˇsem i n´ızk´e u ´ˇcinnosti, kter´a by ale v nˇekter´ ych aplikac´ıch nemusela b´ yt z´ asadn´ım probl´emem). Aby nov´ y svˇeteln´ y zdroj uspˇel, mus´ı nab´ızet r˚ uzn´e v´ yhody — u lumidek je to vysok´ a u ´ˇcinnost, trvanlivost a odolnost — a pˇredevˇs´ım mus´ı b´ yt cenovˇe dostupn´ y a provoznˇe v´ yhodn´ y. Z ekonomick´eho hlediska nem´a ˇz´adn´a novinka jednoduchou pozici, protoˇze v´ yvoj a zaveden´ı v´ yroby b´ yvaj´ı n´akladn´e. Nejinak tomu bylo u lumidek, kter´ ym trvalo t´emˇeˇr dvˇe desetilet´ı, neˇz se jejich poˇrizovac´ı cena sn´ıˇzila natolik, ˇze se pˇri uv´ aˇzen´ı provozn´ıch u ´spor a dlouh´e ˇzivotnosti vyplat´ı nahrazovat jimi vyslouˇzil´e ˇz´ arovky a z´ aˇrivky. Velkou v´ yhodou lumidek je, ˇze jsou zaloˇzeny na polovodiˇc´ıch a polovodiˇcov´ y pr˚ umysl prokazuje kouzelnou“ schopnost neust´ale inovovat technologie, zpˇresˇ novat (mi” niaturizovat) strukturu souˇc´ astek a hlavnˇe vyr´abˇet velk´e mnoˇzstv´ı souˇc´astek najednou, paralelnˇe na ˇc´ım d´ al vˇetˇs´ıch substr´atech — t´ım je moˇzn´e st´ale sniˇzovat cenu jednotliv´ ych souˇc´ astek. U integrovan´ ych obvod˚ u je pokrok technologie pops´an zn´am´ ym Mooreov´ ym z´ akonem: Mnoˇzstv´ı komponent na ˇcipu roste pˇribliˇznˇe dvakr´ at kaˇzd´y rok“ ” — po 10 letech opraveno na zdvojn´asoben´ı za 18 mˇes´ıc˚ u, viz [11]. Pro v´ yvoj LED byl navrˇzen podobn´ y z´ akon“, kter´ y se naz´ yv´a Haitz˚ uv (podle R. Haitze z firmy Agi” lent, kter´ y jej vyslovil roku 2000). Ten ˇr´ık´a: Za deset let vzroste svˇeteln´ y v´ ykon diod ” asi dvacetkr´ at a pˇritom skoro desetkr´at klesne cena za jeden lumen“ a zat´ım dobˇre plat´ı (obr. 3).2 Samozˇrejmˇe i lumidky maj´ı nˇekter´e nev´ yhody — LED jsou velmi mal´e souˇc´astky pracuj´ıc´ı se stejnosmˇern´ ym napˇet´ım. Kdyˇz jimi chceme nahradit ˇz´arovku nebo z´aˇrivku, mus´ıme zkombinovat ˇr´ adovˇe des´ıtky jednotliv´ ych LEDek do vhodn´eho obalu a pˇridat nˇejak´e ty obvody (obr. 4a). To vˇse, pochopitelnˇe, komplikuje v´ yrobu a zvyˇsuje cenu. M˚ uˇzete se zeptat: Proˇc jsou vlastnˇe LED tak mal´e (pˇribliˇznˇe krychlov´e o d´elce strany 2 Je tˇ reba si uvˇ edomit, ˇ ze oba zm´ınˇ en´ e z´ akony“ — Moore˚ uv a Heitz˚ uv — nejsou nˇ ejak´ ymi ” pˇr´ırodn´ımi“ z´ akony, ale jen vystiˇ zen´ım rychlosti inovac´ı polovodiˇ cov´ e technologie, kter´ e po sv´ em vy” sloven´ı slouˇ z´ı jako jist´ y c´ıl pro manaˇ zery pl´ anuj´ıc´ı budouc´ı v´ yvoj (tzv. road maps) — t´ım se z´ akon“ ” jakoby samonaplˇ nuje“. ”
94
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
Obr. 3. Zobrazen´ı Haitzova z´ akona, kter´ y ˇr´ık´ a, ˇze maxim´ aln´ı svˇeteln´ y tok z jedn´e LED lampiˇcky se zvyˇs´ı dvacetkr´ at za deset let a pˇritom se sn´ıˇz´ı cena za jeden lumen desetkr´ at. Jsou zobrazena data pro ˇcerven´e a b´ıl´e LED.
jen nˇekolik desetin milimetru), neˇslo by udˇelat je vˇetˇs´ı? Bohuˇzel to (zat´ım) nejde, probl´emem je rozloˇzit proud rovnomˇernˇe na vˇetˇs´ı plochu. Pokud se to nepodaˇr´ı, bude se soustˇred’ovat do urˇcit´ ych m´ıst a hroz´ı nevratn´e poˇskozen´ı polovodiˇce. Vˇetˇs´ı plocha souˇc´ astky tak´e zvyˇsuje pravdˇepodobnost, ˇze se v n´ı objev´ı fat´aln´ı defekt a procento zmetk˚ u“ naroste (pˇri uvaˇzovan´e konstantn´ı hustotˇe takov´ ych defekt˚ u). A co ” tedy zv´ yˇsit proud jednotliv´ ymi LED a tak zv´ yˇsit v´ ykon? To tak´e nejde, od urˇcit´e hranice proudu je hustota n´ aboj˚ u tak velk´a, ˇze doch´az´ı k vz´ajemn´emu nepruˇzn´emu rozptylu elektron˚ u ˇci dˇer (tzv. Augerova rekombinace) — tedy ke ztr´atˇe energie na teplo a poklesu svˇeteln´e u ´ˇcinnosti (obr. 4b). Zahˇr´ıv´an´ı lumidky je v˚ ubec samostatn´ ym probl´emem, protoˇze kaˇzd´ a LED trochu top´ı“ — ˇc´ast dodan´e energie pˇremˇen ˇuje ” v teplo, a kdyˇz jich je natˇesnan´ ych v´ıce vedle sebe, mus´ı se ˇreˇsit i jejich efektivn´ı chlazen´ı. Velk´e zahˇr´ at´ı (pˇres 80◦ C) nedˇel´a LED a luminofor˚ um dobˇre. Nˇekter´e uveden´e nev´ yhody“ lumidek vˇsak otev´ıraj´ı zcela nov´e moˇznosti pro osvˇet” lovac´ı techniku: Mal´e LED lze snadno uspoˇr´ad´avat do zcela neobvykl´ ych svˇeteln´ ych zdroj˚ u, nepodobn´ ych dosavadn´ım lamp´am. Zachov´avat tvar ˇz´arovek a z´aˇrivek u lumidek m´ a smysl, jen pokud chceme zachovat p˚ uvodn´ı sv´ıtidlo s pˇr´ısluˇsnou patic´ı a prostˇe jen pˇreˇsroubovat“ star´ y zdroj za nov´ y. Nov´e lampy umoˇzn ˇuj´ı nam´ısto centr´aln´ıho ” osvˇetlen´ı distribuovat svˇetlo na vˇsechna m´ısta, kde je potˇreba. Bˇeˇznˇe uˇz m˚ uˇzeme vidˇet sv´ıt´ıc´ı p´ asy, ploch´e panely, svˇetlovodn´e struktury a pod. Zmˇeny ovˇsem prob´ıhaj´ı pomalu, protoˇze nar´ aˇz´ı na pevnˇe zakoˇrenˇen´e zvyklosti uˇzivatel˚ u (nˇekdy i design´er˚ u) a finanˇcn´ı moˇznosti. V´ yhodou lumidek je i jejich snadn´e nap´ajen´ı z akumul´ator˚ u, takˇze jsou z´akladem podsvˇetlen´ı vˇetˇsiny displej˚ u z kapaln´ ych krystal˚ u v dneˇsn´ıch mobiln´ıch zaˇr´ızen´ıch, telefonech, tabletech, laptopech a pod. (existuje jen jeden v´aˇzn´ y konkurent a to OLED — organick´e LED z vodiv´ ych polymer˚ u). Baterie ve spojen´ı se sol´arn´ım dob´ıjen´ım pomoc´ı fotovoltaick´ ych panel˚ u umoˇzn ˇuj´ı vytv´aˇret autonomn´ı osvˇetlovac´ı syst´emy, napˇr. osvˇetPokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
95
Obr. 4. (a) Sch´ema jednoho moˇzn´eho proveden´ı lumidky s luminoforem pod vnˇejˇs´ı baˇ nkou. (b) Z´ avislost energetick´e u ´ˇcinnosti (vyz´ aˇren´ a energie ku pˇr´ıkonu) lumidky v z´ avislosti na proudov´e hustotˇe (ˇsed´ a plocha naznaˇcuje moˇzn´ y rozptyl parametr˚ u u vyr´ abˇen´ ych lumidek) — optimum leˇz´ı kolem 30 mA/mm2 , n´ asleduj´ıc´ı pokles se oznaˇcuje jako droop“. Pro dosaˇzen´ı ” vˇetˇs´ıho v´ ykonu se ˇcasto lumidky provozuj´ı pˇri vˇetˇs´ı proudov´e hustotˇe i za cenu poklesu u ´ˇcinnosti (podle dat z ˇcasopisu LED Magazine). (c) Souˇcasn´ a a pˇredpokl´ adan´ a budouc´ı svˇeteln´ au ´ˇcinnost lumidek v proveden´ı teple nebo studenˇe b´ıl´e (TB resp. SB) a realizovan´e bud’ s luminofory (LP), nebo jako kombinace LED r˚ uzn´ ych barev (KB) — do budoucna se pˇredpokl´ ad´ a, ˇze druh´ a uveden´ a moˇznost umoˇzn´ı dosahovat vˇetˇs´ı svˇeteln´e u ´ˇcinnosti.
len´ı komunikac´ı bez nutnosti pˇriv´adˇet k nim nap´ajec´ı kabely, ale zejm´ena v oblastech daleko od jak´ ychkoliv elektrick´ ych s´ıt´ı, tedy v chud´ ych oblastech svˇeta (uv´ad´ı se, ˇze asi 1,3 miliardy lid´ı nem´ a pˇr´ıstup k elektrick´e s´ıti). V tˇechto oblastech se jeˇstˇe st´ale sv´ıt´ı pˇredevˇs´ım petrolejkami. Petrolej m´a ale ˇradu nev´ yhod — je relativnˇe drah´ y, mus´ı se na opuˇstˇen´ a m´ısta don´ aˇset v kanystrech, m˚ uˇze zp˚ usobit zdravotn´ı pot´ıˇze nebo poˇz´ ar. Proto zde lumidkov´e osvˇetlen´ı m˚ uˇze sehr´at v´ yznamnou roli pro zlepˇsen´ı kvality ˇzivota. Tohoto u ´kolu se chopily r˚ uzn´e neziskov´e organizace, napˇr. iniciativa Light Up the World Foundation (nadace Osvˇetli svˇet), kter´a dod´av´a a instaluje autonomn´ı osvˇetlovac´ı syst´emy za dotovan´e ceny. Jednoduchost sp´ın´ an´ı a zmˇeny intenzity svˇetla nab´ız´ı moˇznost vybavit LED osvˇetlen´ı chytrou“ elektronikou, kter´a umoˇzn´ı naprogramov´an´ı, snadn´e d´alkov´e ovl´ad´an´ı ” nebo bude sama hl´ıdat optim´ aln´ı zap´ın´an´ı a vyp´ın´an´ı. Napˇr´ıklad je uˇz moˇzn´e narazit na pouliˇcn´ı osvˇetlen´ı, kter´e sleduje pohyb chodce ˇci automobilu a zap´ın´a (nebo zesiluje) svˇetlo jen v jeho okol´ı. A jak jsou na tom lumidky s u ´ˇcinnost´ı v porovn´an´ı s ostatn´ımi zdroji? Skvˇele; 96
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
Obr. 5. V´ yvoj elektricky nap´ ajen´ ych svˇeteln´ ych zdroj˚ u a jejich u ´ˇcinnosti. B´ıl´e LED udivuj´ı dynamikou zlepˇsen´ı svˇeteln´e u ´ˇcinnosti. V roce 2014 firma Cree ohl´ asila pˇrekon´ an´ı hranice 300 lm/W. Vloˇzen´ a fotografie ukazuje lumidku imituj´ıc´ı tvarem klasickou ˇza ´rovku. Upraveno podle [8].
jsou nejlepˇs´ı! Na obr. 5 vid´ıme v´ yvoj svˇeteln´e u ´ˇcinnosti hlavn´ıch pouˇz´ıvan´ ych zdroj˚ u svˇetla. Nejhorˇs´ı jsou ˇz´ arovky s u ´ˇcinnost´ı kolem 10 lm/W. Halogenka je asi dvakr´at lepˇs´ı, zato z´ aˇrivka s luminoforem m˚ uˇze j´ıt aˇz na 100 lm/W. Vysokotlak´e sod´ıkov´e v´ ybojky pouˇz´ıvan´e v pouliˇcn´ım osvˇetlen´ı jdou sice aˇz na 150 lm/W, ale jsou velk´e, maj´ı komplikovan´ y elektrick´ y obvod a pomalu startuj´ı, takˇze se nedaj´ı v menˇs´ıch aplikac´ıch, tˇreba v dom´ acnosti, pouˇz´ıt. U lumidek byla za z´asadn´ı hranici u ´ˇcinnosti povaˇzov´ ana hodnota 100 lm/W, kter´a byla pˇrekon´ana jiˇz pˇred p´ar lety a dnes se nˇekteˇr´ı v´ yrobci chlub´ı hodnotami kolem 300 lm/W. Ovˇsem pozor! Bˇeˇznˇe prod´avan´e lumidky se mohou velmi liˇsit a nˇekter´e jsou v´ yraznˇe pod 100 lm/W. Pokud m´ a ˇcten´ aˇr k dispozici wattmetr a luxmetr, m˚ uˇze snadno zjistit pˇribliˇznou hodnotu svˇeteln´e u ´ˇcinnosti sv´eho zdroje podle tohoto postupu: Lampu zapoj´ıme do s´ıtˇe pˇres wattmetr a nastav´ıme na mˇeˇren´ı pˇr´ıkonu. Luxmetrem pak mˇeˇr´ıme kolm´e osvˇetlen´ı vytvoˇren´e mˇeˇren´ ym zdrojem (ostatn´ı zdroje svˇetla mus´ıme vypnout ˇci odst´ınit) ve vzd´ alenosti 1 m — pokud citlivost luxmetru nestaˇc´ı, mˇeˇr´ıme osvˇetlen´ı v bliˇzˇs´ı vzd´alenosti a pˇrepoˇcteme je na vzd´ alenost 1 m (osvˇetlen´ı ub´ yv´a s kvadr´atem vzd´alenosti). Posoud´ıme tak´e prostorov´e rozloˇzen´ı, protoˇze potˇrebujeme zjistit celkov´ y svˇeteln´ y tok v lm. Osvˇetlen´ı je v jednotk´ach lx = lm/m2 , takˇze pr˚ umˇern´e osvˇetlen´ı mus´ıme vyn´ asobit celkovou osvˇetlenou plochou (nebo prostorov´ ym u ´hlem ve sr, pokud m´ame osvˇetlen´ı pro vzd´ alenost 1 m, a jeˇstˇe pˇresnˇejˇs´ı v´ ysledek dostaneme, kdyˇz promˇeˇr´ıme cel´e prostorov´e rozloˇzen´ı osvˇetlen´ı a zintegrujeme pˇres celou plochu). Autor zjistil typick´e hodnoty svˇeteln´e u ´ˇcinnosti 11 lm/W pro matnou ˇz´arovku o pˇr´ıkonu 60,5 W a 71 lm/W pro srovnatelnou lumidku ve tvaru matn´e ˇz´arovky o pˇr´ıkonu 7,6 W. Nejlepˇs´ı mˇeˇren´ a lumidka mˇela 123 lm/W. Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
97
Obr. 6. Zaˇr´ızen´ı pro radiometrickou a fotometrickou charakterizaci svˇeteln´ ych zdroj˚ u v laˇ zi u Prahy: (a) integraˇcn´ı koule o pr˚ boratoˇri firmy Tesla Lighting v Reˇ umˇeru 2 m v pootevˇren´e konfiguraci, (b) goniometr pro studium prostorov´eho rozloˇzen´ı svˇetla (foto: Jan Valenta, 2015).
V technick´e praxi se celkov´ y svˇeteln´ y tok ze zdroj˚ u mˇeˇr´ı pomoc´ı integraˇcn´ı koule, coˇz je kulov´ a dutina s vysoce odraziv´ ym b´ıl´ ym povrchem, kter´a by mˇela b´ yt nˇekolikr´at vˇetˇs´ı (typicky desetkr´ at) neˇz mˇeˇren´ y zdroj. Svˇetlo ze zdroje se rovnomˇernˇe rozpt´ yl´ı bez ohledu na smˇer vyzaˇrov´ an´ı a pak vystupuje mal´ ym otvorem do detekˇcn´ı ˇc´asti. Pomoc´ı kalibrace cel´eho zaˇr´ızen´ı mˇeˇren´ım standardn´ıch lamp pak lze mˇeˇren´ı pˇrepoˇc´ıtat na radiometrick´e ˇci fotometrick´e veliˇciny. Prostorov´e rozloˇzen´ı emise se mˇeˇr´ı pomoc´ı goniometru, kter´ y ot´ aˇc´ı zdroj v r˚ uzn´ ych os´ach a emisi v jist´em smˇeru mˇeˇr´ı pevn´ y detektor (obr. 6). Takov´e modern´ı zaˇr´ızen´ı pro testov´an´ı svˇeteln´ ych zdroj˚ u bylo ned´avno ˇ zi u Prahy za spozˇr´ızeno firmou Tesla Lighting (n´astupcem Tesly Holeˇsovice) v Reˇ lufinancov´ an´ı EU fondy (http://www.tesla-lighting.cz/sluzby/fotometricka -laborator-tesla/). Radiometrick´e zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı mal´ ych zdroj˚ u (jednotliv´ ych LED) existuje tak´e v naˇs´ı laboratoˇri na Matematicko-fyzik´aln´ı fakultˇe UK v Praze. Vedle ceny a u ´ˇcinnosti lumidek je d˚ uleˇzit´ ym faktorem jeˇstˇe ˇzivotnost. V tomto ohledu maj´ı uˇzivatel´e ˇspatn´e zkuˇsenosti s kompaktn´ımi z´aˇrivkami (tzv. u ´sporkami), kter´e obvykle nevydrˇzely deklarovanou ˇzivotnost kolem 10 000 hodin (a to nejen v d˚ usledku ˇcastˇejˇs´ıho zap´ın´ an´ı a vyp´ın´an´ı). U lumidek byla provedena ˇrada studi´ı, kter´e uv´ ad´ı obdivuhodnou ˇzivotnost kolem 50 000 hodin. Je zaj´ımav´e pod´ıvat se na d˚ uvody selh´ an´ı lumidek podle studie americk´eho ministerstva energetiky (obr. 7) — pˇrev´aˇzn´a ˇc´ ast defekt˚ u souvis´ı s integrovan´ ym nap´ajec´ım zdrojem a ˇr´ıd´ıc´ı elektronikou. Vlastn´ı LED ˇcipy pˇri spr´ avn´em nap´ ajen´ı jsou t´emˇeˇr nesmrteln´e“. Z toho jasnˇe plyne do” poruˇcen´ı: pouˇz´ıvat LED svˇetla s vnˇejˇs´ım zdrojem, kter´ y v pˇr´ıpadˇe poruchy lze vymˇenit samostatnˇe. 98
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
Obr. 7. (a) Pravdˇepodobnost poruchy lumidky jako funkce provozn´ı doby, stˇredn´ı doba funkˇcnosti je 50 tis´ıc hodin. (Podle studi´ı U.S. Department of Energy proveden´ ych na velk´em souboru prod´ avan´ ych lumidek.) (b) Rozdˇelen´ı pˇr´ıˇcin selh´ an´ı jednoho typu venkovn´ı lumidky (celkem mˇeˇreno 5 400 lamp, celkov´ a doba provozu 34 Mhodin, selhalo 29 lamp); t´emˇeˇr 60% poruch zp˚ usobil nap´ ajec´ı ˇci ˇr´ıd´ıc´ı obvod, vlastn´ı LED pouze 10% (pramen: U.S. DOE).
Nakonec by autor r´ ad reagoval na r˚ uzn´e st´ıˇznosti a f´amy ohlednˇe zdravotn´ı z´avadnosti lumidek. Lid´e si ˇcasto stˇeˇzuj´ı, ˇze jejich svˇetlo je pˇr´ıliˇs studen´e“ 3 . To byla ” pravda u prvn´ıch b´ıl´ ych LED, ale dnes je moˇzn´e si vybrat lumidky r˚ uzn´e barevn´e teploty; ty teple b´ıl´e“ mohou m´ıt barevnou teplotu kolem 3 000 K podobnˇe jako ” ˇz´ arovky. V z´ asadˇe lze konstatovat, ˇze na z´akladˇe LED lze postavit lampy libovoln´e barvy, ovˇsem nˇekter´e z nich budou m´ıt relativnˇe niˇzˇs´ı u ´ˇcinnost a tak´e mohou b´ yt velmi drah´e. Napˇr´ıklad se zaˇc´ınaj´ı vyr´abˇet sol´arn´ı simul´atory z LED. To jsou lampy, kter´e maj´ı velmi pˇresnˇe napodobovat pr˚ ubˇeh sluneˇcn´ıho spektra a pouˇz´ıvaj´ı se pro testov´ an´ı nejen sol´ arn´ıch ˇcl´ ank˚ u, ale i mnoha dalˇs´ıch v´ yrobk˚ u. Dosud byly zaloˇzeny pˇrev´ aˇznˇe na xenonov´ ych v´ ybojk´ ach ve spojen´ı s filtry, ale LED dok´aˇzou poskytnout lepˇs´ı spektrum. Jin´ y pˇr´ıklad je z oblasti p´eˇce o historick´e artefakty: Evropsk´ y projekt LED4art se u ´spˇeˇsnˇe zab´ yval n´ avrhem a realizac´ı osvˇetlen´ı Michelangelov´ ych fresek v Sixtinsk´e kapli, kter´e mˇelo za c´ıl dos´ahnout co nejlepˇs´ıho barevn´eho vjemu pˇri minimalizaci spektr´ aln´ıch sloˇzek zp˚ usobuj´ıc´ıch degradaci pigment˚ u. N´amitka o zdravotn´ı z´ avadnosti je pak u ´plnˇe lich´ a. Lumidky na rozd´ıl od z´aˇrivek ˇci ˇz´arovek nevys´ılaj´ı prakticky ˇz´ adn´e neviditeln´e z´ aˇren´ı (UV nebo IR) a nepˇr´ıznivˇe tak m˚ uˇze p˚ usobit jen pˇrebytek modr´e sloˇzky (s moˇzn´ ym u ´ˇcinkem na cirkadi´ann´ı rytmus, jak bylo uvedeno v´ yˇse) — to lze ovˇsem napravit spr´avnou volbou barevn´e teploty lumidky pˇri n´akupu. Druh´ y faktor, kter´ y m˚ uˇze p˚ usobit nepˇr´ıznivˇe je mihot´ an´ı, poblik´av´an´ı (anglicky flicker). To je ovˇsem zp˚ usobeno pouˇzit´ım nedokonale usmˇerˇ nuj´ıc´ıho zdroje a skuteˇcnˇe je mˇeˇriteln´e u kompaktn´ıch“ lumidek, kter´e maj´ı integrovan´ y sp´ınan´ y zdroj napˇet´ı. ” 3 Je tˇ reba zd˚ uraznit rozd´ıl pojm˚ u tepl´ aˇ ci studen´ a barva (ve v´ ytvarn´ em umˇ en´ı) a vztahu teploty k barvˇ e spektra tepeln´ eho zdroje. Prvn´ı pojmy se vztahuj´ı k tepeln´ emu pocitu“ vyvolan´ emu urˇ cit´ ymi ” barvami — ˇ zlut´ e, oranˇ zov´ e odst´ıny p˚ usob´ı teple (pˇripom´ınaj´ı barvu ohnˇ eˇ ci vyprahl´ e krajiny), kdeˇ zto modr´ e a zelen´ e odst´ıny p˚ usob´ı chladnˇ e (pˇripom´ınaj´ı vodu, sn´ıh, kov odr´ aˇ zej´ıc´ı modrou oblohu atd.). Naproti tomu spektrum vyzaˇrovan´ e tepeln´ ym zdrojem se s rostouc´ı teplotou posouv´ azˇ cerven´ e oblasti do modr´ e. Pojem barevn´ a teplota se vztahuje k popisu svˇ eteln´ ych zdroj˚ u se spektrem podobn´ ym tepeln´ emu vyzaˇrov´ an´ı dokonale ˇ cern´ eho tˇ elesa o t´ eto teplotˇ e.
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
99
Podle mˇeˇren´ı autora je toto blik´ an´ı u lumidek obecnˇe mnohem menˇs´ı neˇz u z´aˇrivek a je podobn´e ˇz´ arovk´ am. U kvalitn´ıch vnˇejˇs´ıch zdroj˚ u, tˇreba pro LED p´asky, je mihot´an´ı t´emˇeˇr nulov´e. 5. Souˇ casn´ y a budouc´ı v´ yvoj elektroluminiscenˇ cn´ıch svˇ eteln´ ych zdroj˚ u — st´ ale je co zlepˇ sovat Nakonec se jeˇstˇe pod´ıvejme, jak´a jsou hlavn´ı t´emata souˇcasn´eho v´ yzkumu a v´ yvoje u ´ˇcinn´ ych LED a osvˇetlovac´ıch zdroj˚ u. ˇ ast v´ C´ yzkumu se zamˇeˇruje na dalˇs´ı rozˇsiˇrov´an´ı dostupn´ ych vlnov´ ych d´elek a zv´ yˇsen´ı u ´ˇcinnosti. Uˇz nyn´ı lze koupit LED s vlnov´ ymi d´elkami od UV-C oblasti (od 240 nm) po infraˇcervenou (obr. 8a), ale nˇekter´e z nich trp´ı kr´atkou ˇzivotnost´ı (UV oblast) nebo n´ızkou u ´ˇcinnost´ı — zde se pozornost soustˇred´ı na zelen´ y probl´em“ (obr. 8b) [5]. ” Ano, je to tak, s v´ yrobou velmi u ´ˇcinn´ ych zelen´ ych diod a tedy i laserov´ ych diod je probl´em — maxim´ aln´ı u ´ˇcinnost LED kolem 555 nm je asi desetkr´at niˇzˇs´ı neˇz pro modr´e
Obr. 8. Dostupnost LED r˚ uzn´ ych vlnov´ ych d´elek: (a) Spektra nˇekter´ ych diod ze souboru, kter´ y se pouˇz´ıv´ a v laboratoˇri autora jako bud´ıc´ı zdroje ve spektroskopii (napˇr. mˇeˇren´ı kvantov´ ych v´ ytˇeˇzk˚ u fotoluminiscence). (b) Maxim´ aln´ı vnˇejˇs´ı kvantov´e u ´ˇcinnosti souˇcasn´ ych LED vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch kvantov´e j´ amy. V´ yrazn´e minimum (pokles asi o ˇra ´d) leˇz´ı, bohuˇzel, ve ˇzlutozelen´e oblasti spektra, kde je maxim´ aln´ı citlivosti lidsk´eho oka — ta je zde reprezentov´ ana kˇrivkou svˇeteln´e u ´ˇcinnosti z´ aˇren´ı (ˇsed´ a plocha a prav´ a osa) (upraveno podle [5]).
100
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
a ˇcerven´e LED. A pˇritom jde pr´ avˇe o oblast, kde je nejvyˇsˇs´ı citlivost oka — maxim´aln´ı svˇeteln´ au ´ˇcinnost z´ aˇren´ı. Pˇr´ıˇcinou zelen´eho probl´emu je elektrick´a polarizace krystal˚ u. LED s vysokou u ´ˇcinnost´ı jsou totiˇz zaloˇzeny na heterostruktur´ach s velmi tenk´ ymi vrstvami — kvantov´ ymi j´ amami (viz 1. d´ıl tohoto ˇcl´anku). Bohuˇzel, pˇri bˇeˇzn´e orientaci krystal˚ u GaN jsou hrany vrstev tvoˇreny pˇrev´aˇznˇe jedn´ım z prvk˚ u Ga nebo N a vznik´a tak elektrick´ a polarizace ˇcili piezoelektrick´e efekty. To vede k tomu, ˇze elektrony a d´ıry nejsou lokalizov´ any ve stejn´em m´ıstˇe kvantov´e j´amy a jejich z´aˇriv´a rekombinace tak m´ a niˇzˇs´ı u ´ˇcinnost, coˇz se projevuje v´ıce u ˇsirˇs´ıch kvantov´ ych jam, kter´e jsou tˇreba pro ˇ sen´ım zelenou emisi, a tak´e s rostouc´ı tlouˇst’kou kles´a kvalita deponovan´ ych vrstev. Reˇ je r˚ ust struktur v jin´e krystalografick´e orientaci, tzv. nepol´arn´ı ˇci semipol´arn´ı, ale dosaˇzen´ı kvalitn´ıch krystal˚ u je pak jeˇstˇe obt´ıˇznˇejˇs´ı neˇz bylo u pol´arn´ı orientace GaN [3]. St´ ale se tak´e hled´ a optim´ aln´ı ˇreˇsen´ı ot´azky nejvhodnˇejˇs´ıho substr´atu pro depozici vrstev zaloˇzen´ ych na GaN (InGaN, AlGaN atd.). Nejdokonalejˇs´ı vrstvy vznikaj´ı pˇri homoepitaxi — tedy depozici na GaN podloˇzky. Zat´ım je vˇsak velmi obt´ıˇzn´e a drah´e vyrobit GaN krystaly velk´ ych rozmˇer˚ u — v´ yvoj ale jde kupˇredu a investuj´ı se do nˇej ˇ Nakamura s kolegy z univerzity v Santa Barbaˇre zaloˇzil velk´e prostˇredky (napˇr. S. firmu Soraa pro v´ yvoj technologie GaN-on-GaN“). V´ yhody a nev´ yhody r˚ uzn´ ych ” substr´ at˚ u jsou shrnuty v n´ asleduj´ıc´ı tabulce. Vypl´ yv´a z n´ı, ˇze pro r˚ uzn´e souˇc´astky (LED r˚ uzn´e kvality, laserov´e diody) budou preferov´any r˚ uzn´e typy substr´at˚ u (vyˇsˇs´ı kvalita je v´ yraznˇe draˇzˇs´ı). kˇ rem´ık Si
karbid kˇ rem´ıku SiC
saf´ır Al2 O3
GaN
Semi-pol´ arn´ı a nepol´ arn´ı GaN
> 200
150
150
50
< 50
relativn´ı cena za jednotku plochy
1
3
1,5
50
50
propustnost pro viditeln´e svˇetlo
ne
ano
ano
ano
ano
pod´ıl mˇr´ıˇzkov´e konstanty ku GaN (0,319 nm)
1,2
0,97
0,86
1
1
ne
ne
ne
ne
ano
Max. pr˚ umˇer substr´ atu (mm)
zlepˇsen´ı lokalizace elektron˚ u a dˇer (sn´ıˇzen´ı droop)
Tab. 1. Porovn´ an´ı moˇzn´ ych substr´ at˚ u pro v´ yrobu LED zaloˇzen´ ych na GaN (podle materi´ al˚ u LED Magazine). Nejhorˇs´ı hodnoty jsou oznaˇceny ˇsedˇe.
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
101
Obr. 9. Laserov´ a d´ alkov´ a svˇetla automobilu: Trojice modr´ ych diodov´ ych laser˚ u excituje mal´ y bod na destiˇcce s luminoforem. Vyz´ aˇren´e b´ıl´e“ svˇetlo je soustˇredˇeno parabolou do velmi ” kolimovan´eho svazku. (Rekonstruov´ ano podle materi´ al˚ u firmy BMW.)
V´ yznamn´ ym faktorem urˇcuj´ıc´ım u ´ˇcinnost LED je efektivita extrakce svˇetla ze souˇc´ astky. Pˇri vysok´em indexu lomu pouˇzit´ ych polovodiˇc˚ u je zˇrejm´e, ˇze velk´a ˇc´ast ˇ sen´ım je napˇr. vylept´an´ı jehlanovit´e“ strukEL foton˚ u se na rozhran´ı odraz´ı zpˇet. Reˇ ” tury na povrchu souˇc´ astky nebo vyuˇzit´ı fotonick´ ych ˇci plazmonick´ ych struktur pro nasmˇerov´ an´ı“ foton˚ u vhodn´ ym smˇerem. Navrhnout takov´e u ´ˇcinn´e struktury pomoc´ı ” numerick´ ych simulac´ı uˇz nen´ı velk´ y probl´em, ale hlavn´ı ot´azkou z˚ ust´av´a, jak takov´e struktury vyrobit levnˇe. Nakonec zm´ın´ıme zaj´ımavou ot´azku vyuˇzit´ı laserov´ ych diod pro osvˇetlovac´ı u ´ˇcely. Zn´ı to jako ˇs´ılen´ y n´ apad — lasery pˇrece mohou b´ yt nebezpeˇcn´e, jelikoˇz vytv´aˇr´ı u ´zk´ y paprsek a mohou se po odrazu do oka koncentrovat na malou plochu s´ıtnice a zp˚ usobit jej´ı nen´ avratn´e poˇskozen´ı. O to v´ıce mohly v ned´avn´e dobˇe pˇrekvapit ˇcl´anky hl´asaj´ıc´ı, ˇze pˇredn´ı automobilov´e firmy montuj´ı do sv´ ych luxusn´ıch model˚ u laserov´e svˇetlomety, kter´e dosv´ıt´ı v´ıce neˇz dvakr´ at tak daleko jako dneˇsn´ı d´alkov´a svˇetla. Ve skuteˇcnosti z takov´ ych reflektor˚ u ˇz´ adn´ y laserov´ y paprsek ven nevych´az´ı. Jde v z´asadˇe o speci´aln´ı lumidku, jeˇz je tvoˇrena destiˇckou luminoforu, kter´ y je excitov´an nˇekolika modr´ ymi laserov´ ymi diodami. Jejich paprsky se daj´ı dobˇre soustˇredit do mal´eho bodu, kter´ y ˇ ım je sv´ıt´ıc´ı bod menˇs´ı, t´ım l´epe se d´a optickou pak sv´ıt´ı jasn´ ym b´ıl´ ym svˇetlem. C´ soustavou (v z´ asadˇe parabolick´ ym zrcadlem) soustˇredit do rovnobˇeˇzn´eho svˇeteln´eho svazku (obr. 9). Podobn´ y princip se pouˇz´ıv´a i v modern´ıch lamp´ach pro projektory do kinos´ al˚ u. Nejvˇetˇs´ım u ´skal´ım tˇechto laserov´ ych lumidek je nejsp´ıˇs v´ yroba luminoforov´e destiˇcky, kter´ a bude dostateˇcnˇe stabiln´ı i pˇri tak siln´e excitaci (bˇeˇznˇe se uv´ad´ı, ˇze luminofory v lumidk´ ach degraduj´ı pˇri teplot´ach nad 80 ◦ C). Pravdˇepodobnˇe se vyuˇz´ıv´a speci´ aln´ıch luminofor˚ u a siln´eho proudˇen´ı vzduchu na chlazen´ı t´eto destiˇcky. V´ yvoj tak po pades´ ati letech dospˇel k naplnˇen´ı pˇredpovˇedi citovan´e v prvn´ım d´ıle ˇcl´anku, kde jsme pˇri popisu historie vzniku sv´ıtiv´ ych diod jako vedlejˇs´ıho produktu“ v´ yvoje ” polovodiˇcov´ ych injekˇcn´ıch laser˚ u citovali ˇcl´anek z roku 1963: Nejnovˇejˇs´ı vzruˇsuj´ıc´ı ” vyn´ alez laseru ve firmˇe General Electric m˚ uˇze jednou poslat elektrickou ˇz´arovku do v´ ysluˇzby. Zat´ımco z´ aˇren´ı pˇredchoz´ıch [polovodiˇcov´ ych] laser˚ u bylo neviditeln´e, tento vyzaˇruje v ˇcerven´e oblasti spektra. V´ yzkum pokraˇcuje a inˇzen´ yˇri z GE doufaj´ı v sestrojen´ı laseru, kter´ y bude pˇremˇen ˇovat bˇeˇzn´ y elektrick´ y proud na b´ıl´e svˇetlo s velkou u ´ˇcinnost´ı.“ 102
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
Obr. 10. Svˇetov´ y trh s osvˇetlen´ım (podle materi´ al˚ u LED Magazine): (a) Rozdˇelen´ı trhu s lumidkami podle aplikac´ı a jeho zmˇena mezi l´ety 2013 a 2014. (b) Pˇredpovˇed’ v´ yvoje trhu s osvˇetlovac´ı technikou (pokles po roce 2018 je d˚ usledkem delˇs´ı ˇzivotnosti lumidek) a (c) celkov´eho poˇctu instalovan´ ych svˇeteln´ ych zdroj˚ u podle typu.
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
103
6. Z´ avˇ er V t´eto druh´e ˇc´ asti ˇcl´ anku inspirovan´eho udˇelen´ım Nobelovy ceny za fyziku v roce 2014 za v´ yvoj modr´e LED jsme si uk´azali, jak´ y v´ yznam tyto souˇc´astky maj´ı pro z´asadn´ı obmˇenu osvˇetlovac´ı techniky a t´ım pro zvyˇsov´an´ı kvality ˇzivota. Zat´ımco v chud´ ych oblastech svˇeta pom´ ahaj´ı sv´ıtit v´ıce“, v bohat´e ˇc´asti svˇeta sv´ıtit m´enˇe“ — pˇresnˇeji ” ” ˇreˇceno u ´ˇcelnˇeji a kvalitnˇeji ve smyslu spektr´aln´ıho sloˇzen´ı, rozm´ıstˇen´ı, nasmˇerov´an´ı a d˚ umysln´eho sp´ın´ an´ı svˇeteln´ ych zdroj˚ u. Pˇri deklarovan´e ˇspiˇckov´e svˇeteln´e u ´ˇcinnosti lumidek nad 300 lm/W uˇz je prakticky dosaˇzena hranice fyzik´aln´ıch moˇznost´ı. Nyn´ı mus´ı pokraˇcovat sniˇzov´ an´ı v´ yrobn´ıch cen, hled´an´ı nov´ ych princip˚ u n´avrhu inteligentn´ıho osvˇetlen´ı a jeho postupn´e pronik´an´ı do vˇsech oblast´ı osvˇetlovac´ı techniky. Kvalifikovan´ a pˇredpovˇed’ budouc´ıho v´ yvoje je uvedena na z´avˇereˇcn´em obr´azku (obr. 10).
Literatura [1] Berson, D. M., a kol.: Science 295 (2002), 1070. [2] Hattar, S., a kol.: Science 295 (2002), 1065. ˇ ˇcas. fyz. (1) (2015), 53–54. ´ , A.: Cs. [3] Hospodkova ˇa ´ k, J.: Od uhl´ıkov´e ˇza [4] Huben ´rovky k modern´ım zdroj˚ um svˇetla. PMFA 55 (2010), 111– 124. [5] Nakamura, S.: MRS Bulletin 34 (2009), 101. ´ tek, K., Neumanova ´ , M.: Elektroluminiscence — svˇetlo budoucnosti. Nakladatelstv´ı [6] Pa ˇ CSAV, Praha, 1965. [7] Pelant, I., Valenta, J.: Luminiscenˇcn´ı spektroskopie II. Academia, Praha, 2010. [8] Pelant, I., Valenta, J.: Luminiscence doma, v pˇr´ırodˇe a v laboratoˇri. Academia, Praha, 2014, kapitola 6. ¨ der, G.: Technick´ [9] Schro a optika. SNTL, Praha, 1981. [10] Shubert, E. F.: Light-emitting diodes. 2nd edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2006. [11] Valenta, J.: Integrovan´ y obvod — z´ akladn´ı k´ amen informaˇcn´ı revoluce. Vesm´ır (1) (2001), 24–31. [12] Valenta, J.: Modr´ a je dobr´ a, d´ıl 1. Stolet´ a cesta sv´ıtiv´ ych diod od kuriozity k Nobelovˇe cenˇe. PMFA 60 (2015), 3–18. [13] Valenta, J., Pelant, I.: Doba LEDov´ a. Vesm´ır 92 (11) (2013), 612. ˇ [14] Vyˇ s´ın, L., Juha, L.: Cs. ˇcas. fyz. 60 (2010), 316–319. [15] Na ofici´ aln´ı str´ ance www.nobelprize.org najde ˇcten´ aˇr mnoho dokument˚ u o Nobelov´ ych cen´ ach a laure´ atech.
104
Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, roˇcn´ık 60 (2015), ˇc. 2
