50. výročí LED
-- Ing. Vladimir Dvořaček, mistopředseda ČNK CIE --
Žádný elektrický světelný zdroje nezaznamenal za dobu své existence tak bouřlivý rozvoj jako světelné diody, přitom první diody použitelné v praxi se objevily teprve v roce 1962. Toto datum je ve velké části odborné literatury považováno za datum „narození“ světelných diod. V loňském roce si tak odborná veřejnost mohla připomenout 50. výročí objevu první světelné diody vyzařující viditelné světlo. Autorem tohoto vynálezu je dnes již 84letý vědec Dr. Nick Holonyak, Jr. (obr. 1), pracující ve společnosti GE. Princip světelných diod byl však objeven podstatně dříve. Již v roce 1907 britský vědec H. J. Round pozoroval elektroluminiscenci polovodičů a v roce 1927 publikoval na stejné téma podstatně fundovanější článek i ruský vědec O. V. Losev.
Znovu se opakuje historie běžných žárovek, kde za vynálezce žárovky je právem považován T. A. Edison, protože vytvořil a zavedl do sériové výroby skutečně použitelnou žárovku, ačkoliv i před ním již několik vynálezců předvedlo své vzorky teplotního světelného zdroje. Ty se však nedokázaly v širším měřítku prosadit, a staly se proto pouze zajímavými exponáty v technických muzeích.
Obr. 1. Dr. Nick Holonyak, Jr. (sedící), se svými spolupracovníky v laboratořích GE
H. J. Round svou první – byť velmi krátkou – zprávu o pozorováních jevu elektroluminiscence publikoval již v roce 1907 ve formě dopisu do časopisu Electrical World. Tento inženýr radiotechniky (mimo jiné byl i osobním asistentem dalšího velikána radiotechniky, G. Marconiho, a zabýval se konstrukcí polovodičových zesilovačů, oscilátorů a radiopřijímačů mnohem dříve, než se objevily první tranzistory) během své celoživotní vědecké kariéry přihlásil 117 patentů. Ve svých experimentech přikládal napětí napětí 10 V mezi dva body krystalu karbidu křemíku (SiC) a u několika málo vzorků ze zkoumaného souboru pozoroval vznik nažloutlého světla. Zvýšením napětí až na 110 V se počet svítících vzorků zvětšoval. U některých vzorků svítily pouze jejich hrany, u jiných se namísto očekávané žluté barvy objevovala barva zelená, oranžová nebo modrá. Ve svých pozdějších pokusech zkoumal další materiály a u některých z nich rovněž pozoroval, že při průchodu proudu vydávají světlo. Vzhledem k tomu, že v té době byly vlastnosti materiálů prozkoumány jen velmi málo, nebyl jev emise světla dostatečně pochopitelný. Proto jej nazval „podivným jevem“. Od té doby až do poloviny 20. let minulého století se o elektroluminiscenci neobjevila žádná zmínka.
Teprve O. V. Losev (obr. 2) se dané problematice věnoval podstatně hlouběji, jeho práce v oblasti elektroluminiscence jsou známy již od druhé poloviny 20. Let minulého století. V období 1924 až 1941 publikoval množství článků (např. v časopise Philosophical Magazine) podrobně popisujících funkci zařízení emitujících světlo na bázi elektroluminiscence. Po určitou dobu se pro jev elektroluminiscence používal dokonce název Losevovo světlo. Losev je považován za průkopníka na poli elektroluminiscence, není však jednotný názor na to, zda může být považován za vynálezce světelných diod. Byl však prvním, kdo pochopil ohromný potenciál takových světelných zdrojů a poukázal na jejich vysoký jas a velkou rychlost odezvy [1]. Není bez zajímavosti, že jeho poslední prací byl přístroj na detekci kovových předmětů u osob zraněných během válečné blokády v Leningradě.
Obr. 2. Oleg Vladimirovič Losev
Další rozvoj světelných diod souvisí s výzkumem nových materiálů vhodných k použití na jejich výrobu. Avšak v období před rokem 1962 jich bylo velmi málo, v roce 1936 byl publikován článek o sirníku zinečnatém (ZnS) a teprve v roce 1956 se objevil další materiál: arzenid galia (GaAs), z něhož vycházel i N. Holonyak, Jr., jemuž je tedy připisováno prvenství při vytvoření první světelné diody vydávající záření ve viditelné oblasti spektra [2]. Když se v roce 1957 připojil k výzkumnému týmu GE, v laboratořích již probíhal výzkum možného použití polovodičů a vědci zde vyvíjeli předchůdce moderních diod – tyristory a usměrňovače. V soutěživém prostředí firmy, v níž byl postaven laser vyzařující v infračervené oblasti spektra, vytvořil novou příměs, která posunula záření do jeho červené části. V rozhovoru pro GE Lighting, který poskytl ve své laboratoři na University of Illinois at Urbana-Champaign, vzpomíná N. Holonyak: „Když oni dokážou postavit laser, pak já dokážu vyvinout ještě lepší laser, protože jsem vytvořil příměs, která posunuje záření do červené oblasti viditelného spektra. Přesně uvidím, co se děje, zatímco oni budou pořád trčet v infračerveném spektru.“ Zatímco jiný vědec – Dr. Robert N. Hall – pracoval na infračerveném polovodičovém laseru využívajícím GaAs, Holonyak usiloval o viditelné záření za použití GaAsP (fosforarzenid galia). Dne 9. Října 1962 se Holonyak před zraky svých kolegů stal prvním člověkem, který kdy použil polovodičový laser se zářením ve viditelné oblasti. V rozhovoru pro GE N. Holonyak vzpomíná na svůj pocit, že se mu povedlo něco opravdu velkého, když se jeho „kouzelná dioda“ poprvé rozsvítila: „Vím, že jsem na samotném začátku, ale taky vím, že tenhle úspěch má obrovský potenciál. Není pochyb o tom, že možnosti téhle maličké věci dalece přesahují to, co právě vidíme.“ Dnes je již známo, že Holonyak se ve své předpovědi nemýlil, ale asi netušil, že skutečnost překoná i ty jeho nejsmělejší představy.
Bylo by však velmi nespravedlivé nevzpomenout stovky pro nás anonymních pracovníků z nejrůznějších vědeckých, univerzitních a průmyslových institucí z mnoha zemí světa, kteří mají významné zásluhy na současných parametrech světelných zdrojů sestavených ze světelných diod. Široký sortiment barevných diod a jeho doplnění o modré diody umožnily vyvinout i světelné diody s bílou barvou světla. Muselo být provedeno ohromné množství prací v oblasti výzkumu nových, velmi čistých materiálů, v oblasti technologie výroby vlastních čipů a konstrukce velmi nákladných technologických zařízení. Teprve zavedení ekonomicky rentabilní hromadné výroby kvalitních čipů, což zvládá v současné době pouze několik málo světových firem, dovolilo dalším výrobcům sestavovat tyto základní stavební prvky do nejrozmanitějších druhů světelných zdrojů, resp. svítidel, kde lze s podstatně nižšími náklady uplatnit kromě technické zdatnosti i vlastní invenci a předkládat světelným technikům vysoce účinné, energeticky úsporné a pro uživatele osvětlení příjemné výrobky. Díky všem těmto skutečnostem se oblast použití LED zdrojů rozšířila od pouhých miniaturních signálních světelných zdrojů do velké řady dalších, dříve nepředstavitelných aplikačních oblastí včetně průmyslových hal a uličního osvětlení. Od uvedení prvních diod LED na trh jsou soustavně vyvíjeny nové základní materiály a zdokonalovány technologické procesy vedoucí k postupnému rozšíření sortimentu o další barvy vyzařovaného světla, ke zvýšení účinnosti a prodloužení života a růstu stability světelných parametrů během svícení. Moderní materiály se skládají z velmi složitých kombinací epitaxně vypěstovaných vrstev. Jsou vytvořeny na bázi arzenidů a fosfidů india, galia a hliníku (např. GaAs, AlGaAs, GaP, GaAsP, AlGaInP) u červených, oranžových a žlutých diod, resp. materiálů na bázi nitridů a selenidů zinku, india a galia (např. GaN, ZnSe, InGaN) u zelených, modrých a fialových diod LED. Světelné diody zaznamenávají podobně rychlé zlepšování svých vlastností (obr. 3) [3] a snižování ceny jako svého času mikroprocesory. Vzhledem ke zcela jinému principu generování světla a zcela odlišné technologii jsou diody LED, na rozdíl od ostatních světelných zdrojů, vyráběny ve firmách produkujících polovodičové čipy. Hlavním limitujícím faktorem dosažení příznivého poměru světla k ceně je v současné době cena krystalu základního polovodiče. Další rozvoj této skupiny světelných zdrojů závisí na výši investic do rozvoje polovodičové techniky. Teoretické možnosti zvyšování účinnosti přeměny elektrické energie na světelnou předurčují světelným diodám stále významnější místo mezi základními skupinami světelných zdrojů a již dnes lze konstatovat, že nahradily nebo v nejbližší budoucnosti úplně nahradí mnohé z nich (např. žárovky na malé napětí, celoskleněné žárovky, doutnavky, část sortimentu běžných a halogenových žárovek, svíticích trubic, kompaktních zářivek i nízkowattových vysokotlakých výbojek), zejména v nových světelných přístrojích a zařízeních.
Obr. 3. Zvyšování měrného výkonu světelných diod v období 1965 až 2010
Z mnohých výhod současných diod LED připomeňme ty nejvýznamnější: díky svým geometrickým parametrům umožňují vytvářet velké množství světelných přístrojů a svítidel nejrůznějších tvarů, výkonů a rozměrů, jejich elektrické a světelné parametry jako vysoká účinnost přeměny elektrické energie na světelnou (reálné LED zdroje dosahují až 160 lm/W, přitom nejlepší čipy, které jsou základní stavební jednotkou těchto světelných zdrojů, již překonaly hranici 200 lm/W), bezpečné napájecí napětí, možnost sestavování diod do větších celků, snadná regulace a ovládání osvětlení, plná stmívatelnost beze změny barvy světla, možnost napájet solárními články, libovolná poloha svícení a vysoký jas dovolují významně rozšiřovat oblasti použití, podobně jako jejich výjimečné kolorimetrické parametry (téměř monochromatické světlo nejrůznějších barev). Vysoká spolehlivost, mimořádně dlouhý život (desítky tisíc hodin u špičkových výrobců) a mechanická odolnost snižují provozní náklady osvětlovací soustavy. Rovněž jsou příznivá i ekologická hlediska (LED zdroje neobsahují rtuť, negativně neovlivňují životní prostředí, značná část použitých materiálů je recyklovatelná). Na rozdíl např. od teplotních světelných zdrojů lze ještě očekávat další růst jejich účinnosti. Již v současné době jsou světelné diody špičkových výrobců na úrovni dosud nejúčinnějších světelných zdrojů – nízkotlakých sodíkových výbojek, ale při nesrovnatelně lepších světelnětechnických a kolorimetrických parametrech.
Literatura:
[1] NOVIKOV, M. A.: O. V. Losev – pioner poluprovodnikovoj elektroniki. Fizika tvjordogo tela, Vol. 46, No. 1, 2004.
[2] SCHUBERT, E. F.: Light-Emitting Diodes. Cambridge 2003.
[3] HABEL, J. – DVOŘÁČEK, K. – DVOŘÁČEK, V. – ŽÁK, P.: Světlo a osvětlování. FCC Public, Praha, 2013.
Obr. 1. Dr. Nick Holonyak, Jr. (sedící), se svými spolupracovníky v laboratořích GE
Obr. 2. Oleg Vladimirovič Losev
Obr. 3. Zvyšování měrného výkonu světelných diod v období 1965 až 2010