LED – nová generace v osvětlování

Ing. Luboš Kruliš, OSRAM spol. s r. o.

Úvod

První komerční LED od General Electric (pouze v červené barvě světla s relativně malou intenzitou) pro signalizační a zobrazovací účely byly vyrobeny již v roce 1962. Pokrok v tomto oboru byl zpočátku velmi pomalý. Až v roce 1972 byla vyrobena první červená radiální LED (v této oblasti byla aktivní divize Siemens Semiconductor, předchůdce Osram Opto Semiconductor).

Koncem 80. a začátkem 90. let dvacátého století se výzkum zaměřil na řešení tří hlavních problémů LED, tj. zvýšení světelného toku červené, vývoj zelené, žluté, modré a bílé LED a podstatné zvýšení jejich účinnosti.

V 90. letech se objevily první aplikace LED v automobilech. Nejdříve koncern Volkswagen a poté celý německý automobilový průmysl začaly používat LED. Koncem 90. let našly LED uplatnění ve třetím brzdovém světle, začátkem nového tisíciletí už bylo LED vybaveno celé zadní svítidlo.

Obr. 1. Ostar, kompaktní výkonný světelný zdroj LED

V současnosti jsou LED využívány stále častěji. V automobilu je to více než 300 LED (např. osvětlení přístrojové desky, v autorádiu, CD-ROM, navigačních systémech, displejích a ovládacích prvcích), v mobilním telefonu dvanáct LED pro osvětlení klávesnice a displeje, přes 100 tisíc LED ve velkoformátových displejích, instalovaných např. na sportovištích.

V nejbližší budoucnosti je očekáváno další výrazné rozšiřování používání LED a organických LED. Diody LED místo konvenčních světelných zdrojů především v předních světlometech automobilů, miniprojektory vybavené LED pro mobilní telefony mohou nahradit konvenční datové projektory při menších jednáních, jasné a rovnoměrné prosvětlení plochých zobrazovacích jednotek pomocí LED zaručí velmi dobré podání barev, organické LED v displejích mobilních telefonů zajistí více jasných barevných odstínů, lepší čitelnost a velmi ostrý obraz, lineární zářivky v kombinaci s LED umožní použití nových barevných odstínů, které se uplatní při individuálním „náladovém„ osvětlování k navození relaxace, které může být měněno a přizpůsobováno různým situacím).

Ve vzdálenější budoucnosti by se LED mohly stát standardním světelným zdrojem – standardní účinnost a spolehlivost LED bude dostupná pro každého, jejich použití při projekci poskytne ostré zobrazení a čisté barvy, organické LED (dále OLED) budou integrovány do flexibilních materiálů, mohou být využívány na zdech jako tapety a budou použity k osvětlení interiérů nebo jako dekorativní displeje.

Vlastnosti a výhody LED

• téměř monochromatický světelný zdroj, přímá produkce barevného světla bez použití filtrů způsobujících ztráty světelného toku,
• podstatně menší než konvenční světelné zdroje (např. Smart LED je menší než 0,1 mm),
• větší počet možných typů,
• dlouhý život až 100 tisíc hodin při dodržení provozních podmínek,
• nízká spotřeba energie,
• vysoká účinnost,
• nízké tepelné ztráty,
• definovaný úhel světelného svazku,
• pokrytí celého barevného spektra,
• plynule nastavitelné stmívání,
• napájení bezpečným napětím (SELV),
• vysoká odolnost proti otřesům a vibracím,

Použití LED ve všeobecném osvětlování

• Momentálně ještě příliš drahé pro hromadné zařazení v aplikacích všeobecného osvětlování. Srovnatelný světelný tok bílé LED je více než 50krát dražší než u lineární zářivky. To vyplývá z porovnání technických parametrů těchto dvou zdrojů: Cena lineární zářivky, např. Lumilux 36 W, pro komerčního uživatele je asi 55 Kč a poskytne 3 350 lm. LED Dragon 2 W má světelný tok 40 lm za cenu asi 90 Kč.

• Cena klasické žárovky 60 W při účinnosti 12 lm/W je asi 11 Kč, tato žárovka poskytne 720 lm. K získání stejného světelného toku pomocí bílé LED je zapotřebí osmnáct výkonných LED Dragon 2 W, 40 lm, které stojí asi 1 620 Kč. Pro další ekonomické úvahy by bylo nutné vzít v úvahu doby života porovnávaných zdrojů: klasická žárovka – 1 000 hodin a LED Dragon – 50 tisíc hodin.

Měrný výkon LED

Do současné doby se měrný výkon LED zdvojnásoboval každé dva roky. Velikost světelného toku závisí na barvě, provedení a teplotě, měrný výkon klesá se vzrůstající teplotou. LED v sériové produkci běžně dosahují více než 30 lm/W pro červenou barvu a typicky 25 lm/W pro žlutou LED jako standard, v laboratorních podmínkách bylo předvedeno, že hodnoty přesahující 100 lm/W jsou možné; to odpovídá měrnému výkonu lineárních zářivek, bílá výkonná LED využívající vhodný luminofor běžně dosahuje 30 lm/W a špičková hodnota dosažená v laboratoři je 50 lm/W.

Obr. 2. Ostar, výkonná LED od Osram Opto Semiconductors se svým světelným tokem větším než 120 lm ustanovila nový rekord pro jas; tento světelný zdroj RGB o rozměrech 3 × 1 cm poskytuje převratné možnosti v projekci a v osvětlování

Měrný výkon RGB MultiLED, která poskytuje největší jas této generace čipů, je 43 lm/W u červené, 36 lm/W u zelené a 11 lm/W u modré barvy. Pro porovnání má kompaktní zářivka Osram Dulux EL Longlife 11 W měrný výkon 60 lm/W a halogenidová výbojka HCI-T 70W/WDL 94 lm/W. Barevné LED překonávají klasické žárovky, jejichž měrný výkon je od 9 do 14 lm/W. Lze předpokládat, že během tří až pěti let LED dosáhnou účinnosti kompaktních zářivek.

Bílá LED

Ještě před několika lety byla jediná možnost, jak získat bílé světlo – míšení světla modré, zelené a červené LED. Na konci roku 1996 vývojáři ve Fraunhoferově institutu ve Freiburgu společně s Osramem úspěšně ukončili vývoj pravé bílé LED. Kombinovali modré světlo emitované vlastní LED a světlo luminoforu (část modrého světla je luminoforem transformována na žluté), smíšením těchto dvou barev vzniká bílá (existuje i další způsob generování bílého světla, a to pomocí UV diody, jejíž záření je transformováno do viditelné oblasti spektra pomocí vhodného luminoforu – obdoba zářivek – pozn. red.). Osram Opto Semiconductor dnes hromadně vyrábí bílé LED s luminoforem, který je přímo na čipu emitujícím modré světlo nebo je rozpuštěn v epoxidovém pouzdru. Během jednoho roku se očekává, že měrný výkon bílé LED dosáhne 50 lm/W, za dva až tři roky 70 až 80 lm/W. Osram Opto Semiconductors nyní nabízí Golden Dragon LED v teple bílé barvě. Tyto LED kombinují již známé výhody, jako je dlouhý život, malé rozměry a robustní (odolné proti mechanickým vlivům) provedení, s příjemným teple bílým světlem. Mohou být použity kdekoliv, kde je třeba vytvořit příjemnou světelnou atmosféru.

Organické LED

1. Design a funkce
Zkratka OLED znamená organická LED. Na rozdíl od tradičních anorganických LED na bázi komplexní krystalické struktury OLED používají ke generování světla organický materiál. Jsou tvořeny substrátem, transparentní elektrodou, jednou nebo více organickými vrstvami, opačnou elektrodou a pouzdrem k zabránění oxidace. Osram Opto Semiconductors využívá polymery, světlo je generováno na bázi fluorescence, pozitivní a negativní nosiče náboje jsou injektovány na příslušné elektrody a uvolňují světlo rekombinací v emisní vrstvě.

Obr. 3. Bílá v jiném odstínu (Golden Dragon v barevném odstínu teple bílá)

Tloušťka OLED je pouze několik tisícin milimetru. Poskytují brilantní světlo, jež je využíváno pro extrémně ploché a extrémně jasné displeje se širokým pozorovacím úhlem. Struktura displejů OLED je jednoduchá, s jednou nebo více organickými vrstvami mezi dvěma elektrodami, po přiložení stejnosměrného napětí 3 až 10 V se rozzáří. Není zde zapotřebí zpětné prosvěcování jako u displejů LCD; proto je možné vyrábět výkonnější displeje s větším jasem. Hmotnost displejů OLED je pouze poloviční oproti hmotnosti displejů LCD stejné velikosti.

2. Výhody použití pro počítačové a televizní displeje

• extrémně ploché displeje s velkým jasem a kontrastem (100 : 1) a širokým úhlem pozorování (160°),

• široký rozsah provozní teploty od – 30 do + 70 °C,

• velká rychlost odezvy, určeno pro videoprojekci,

• na rozdíl od displejů LCD displeje na bázi OLED nepotřebují podsvěcování,

• displeje OLED mají vyšší energetickou účinnost a jejich tloušťka je menší; to je podstatná výhoda pro použití v mobilních telefonech a v interiérech automobilů.

Rozdíly mezi OLED a LED

Grafika, obrázky a písmo jsou OLED zobrazovány s velmi velkou ostrostí, a to i při nízkých teplotách. Zatímco LED jsou vyráběny na pevných podložkách, krystalické mřížky zajišťují správné uspořádání polovodičových atomů, OLED není nutné vyrábět na pevných podložkách, potřebné uspořádání zajišťují organické molekuly. Displeje OLED se vyrábějí v požadované velikosti a zapouzdřené. LED je bodový světelný zdroj, jenž je vhodný zejména pro signalizaci, efektové osvětlování a pro mnoho dalších aplikací, v osvětlování se LED a OLED spíše doplňují, než aby si konkurovaly.

Závěr

Vše nasvědčuje tomu, že se LED budou stále více úspěšně prosazovat v nejběžnějších aplikacích všeobecného osvětlování. Rychlost pokračujícího nástupu bude záviset na zvyšování měrného výkonu a snižování výrobních nákladů.