یکی از انقلابیترین فنآوریهای قرن بیست و یکم، دیودهای{1}}تابش نور (LED) در حال تغییر نحوه برقراری ارتباط، نورپردازی خانههایمان و تعامل با دنیای خارج است. این داستانی است از پشتکار، خلاقیت و اکتشافات-شکنی که آنها را از پدیده های علمی مبهم به راه حل های نورپردازی پرکاربرد سوق داد. این مقاله نمودار توسعهال ای دی هادر طول زمان، با تاکید بر نوآوری هایی که استفاده فعلی آنها را ممکن ساخته است.
1. یافته های اولیه: ریشه های الکترولومینسانس (1907-1960)
پدیده الکترولومینسانس یا آزاد شدن نور از یک ماده هنگام عبور جریان الکتریکی از آن، اساس فناوری LED است. هنری جوزف راند، محقق بریتانیایی، اولین مشاهده این مفهوم را در سال 1907 انجام داد، زمانی که دریافت که یک کریستال کاربید سیلیکون (SiC) هنگام اعمال ولتاژ، درخشش ضعیفی از خود می دهد. با وجود ناخواسته بودن و درک ضعیف، یافته راند اولین الکترولومینسانس بود که مستند شد.
اولگ لوسف، مخترع روسی، بر اساس کارهای راند در دهه 1920 ساخته شد. لوسف در حین تحقیق در مورد کریستالهای کاربید سیلیکون و اکسید روی، مقالههای عمیق-در مورد "رلههای نور" نوشت. او همچنین پیشنهاد کرد که الکترولومینسانس ممکن است به عنوان پایه ای برای منابع نور مفید عمل کند. اما به دلیل محدودیتهای فنی آن زمان، مطالعه او عمدتاً نادیده گرفته شد و مشارکتهای او تا دههها بعد به یاد نیامد.
در دهههای 1950 و 1960، عصر معاصر LED آغاز شد، زیرا با پیشرفتهای علم نیمهرسانا، امکانات جدیدی امکانپذیر شد. موادی مانند آرسنید گالیم (GaAs) و فسفید گالیم (GaP) توسط محققان RCA، جنرال الکتریک و IBM مورد بررسی قرار گرفتند. یک LED مادون قرمز در سال 1961 توسط رابرت بیارد و گری پیتمن اختراع شد، اما این کشف مهم توسط دانشمند جنرال الکتریک، نیک هولونیاک جونیور انجام شد. هولونیاک که به عنوان «پدر LED» شناخته میشود، پیشبینی آیندهنگر- را انجام داد که الایدیها در نهایت جایگزین لامپهای رشتهای خواهند شد.
2. انقلاب رنگی (1970-1980): گسترش طیف
نور قرمز با شدت کم- تولید شده توسط LED های اولیه فقط برای چراغ های نشانگر مورد استفاده در ساعت ها، ماشین حساب ها و سایر وسایل مناسب بود. در دهه 1970، میل به رنگ های جدید و افزایش کارایی، تحقیقات را هدایت می کرد.
ال ای دی های سبز و زرد: در اوایل دهه 1970، مخترعان ال ای دی های سبز و زرد را با دوپینگ فسفید گالیوم با نیتروژن ایجاد کردند. اینها رشد کردند و شامل نشانگرهای داشبورد برای اتومبیل ها و چراغ های راهنمایی شدند.
LEDهایی که آبی هستند: جام مقدس به دلیل چالش ایجاد{0}}بلورهای نیترید گالیوم (GaN) با کیفیت بالا، نور آبی گریزان باقی مانده است. رشد به دلیل دمای ذوب بالای GaN و عدم تطابق شبکه با بسترها دشوار بود. محققانی مانند ایسامو آکاساکی و هیروشی آمانو در ژاپن با استفاده از رسوب دهی بخار شیمیایی متالارگانیک (MOCVD) در اواخر دهه 1980 در توسعه GaN بر روی بسترهای یاقوت کبود ادامه دادند و پیشرفت چشمگیری داشتند.
اولین LED آبی با روشنایی بالا در سال 1993 توسط Shuji Nakamura از Nichia Corporation ایجاد شد و آخرین پیشرفت قابل توجه را نشان داد. این میدان با اختراع ناکامورا، که از نیترید گالیوم ایندیم (InGaN) برای لایه فعال استفاده کرد، دگرگون شد. علاوه بر تکمیل سه گانه رنگی RGB، LED های آبی با اعمال پوشش فسفر، LED های سفید را ممکن کردند (در ادامه در این مورد بیشتر توضیح خواهیم داد). شهرت LED آبی به عنوان یک اختراع در حال تغییر{5} زمانی که آکاساکی، آمانو و ناکامورا به خاطر تلاشهایشان جایزه نوبل فیزیک 2014 را دریافت کردند، تثبیت شد.
3. روشنایی جهان: پیشرفت LED سفید (دهه 1990 تا 2000)
روشنایی عمومی نیاز به نور سفید دارد. قبل از الایدیها، ترکیب الایدیهای قرمز، سبز و آبی برای ایجاد نور سفید روشی دشوار و بیاثر بود. معرفی LED های آبی راه حل ساده تری را ارائه کرد: استفاده از فسفر زرد (مانند گارنت آلومینیوم ایتریم آلومینیمی با سریم-یا YAG:Ce) روی یک LED آبی. هنگامی که فسفر توسط نور آبی برانگیخته می شود، طیف وسیعی از نور آزاد می کند که با هر نور آبی باقیمانده ترکیب می شود و رنگ سفید ایجاد می کند.
در اواخر دهه 1990، این تکنیک-که به عنوان ال ای دی سفید تبدیل شده با فسفر{2} یا رایانه شخصی{3}}LED- شناخته می شود، از نظر اقتصادی امکان پذیر شد. در دهه 2000، ال ای دی های سفید با کارایی بالاتر از لامپ های رشته ای و فلورسنت در حال تولید انبوه-در شرکت هایی مانند کری، فیلیپس و اوسرام بودند.
نقاط عطف مهم عبارتند از:
کارایی نورانی: تا سال 2010، راندمان از 5 lm/W (قرمز) افزایش یافته است.ال ای دی هااز دهه 1960) تا بیش از 150 لیتر بر وات.
کاهش هزینه: بین سالهای 2000 و 2015، روشهای تولید بهبود یافته (مانند تولید ویفر{2}}در مقیاس) قیمتها را تا 90% کاهش داد.
پذیرش در روشنایی: برای صرفه جویی در انرژی، دولت ها در سراسر جهان استفاده از LED را تشویق کردند. به عنوان مثال، جایزه L 2008 از سوی وزارت انرژی ایالات متحده، پذیرش چراغ های LED را به عنوان جایگزینی برای چراغ های رشته ای 60 واتی تسریع کرد.
4. فراتر از روشنایی: فناوری هوشمند و تنوع (دهه 2010–اکنون)
امروزه از ال ای دی ها برای چیزی فراتر از نورپردازی استفاده می شود. کاربردهای متعددی با پیشرفت در علم مواد و کوچک سازی امکان پذیر شده است.
الف فناوری بصری و نمایشگر
ال ای دی های ارگانیک یا OLED صفحه نمایش های انعطاف پذیر و بسیار نازکی هستند که در گوشی های هوشمند (مانند پنل های AMOLED سامسونگ) دیده می شوند.
میکرو-LED: پیکسلهای خود-برای هدستهای AR/VR و تلویزیونهای{2}}با وضوح بالا.
Li-Fi: مدولاسیون نور با استفاده از LED برای انتقال دادهها به صورت بیسیم.
ب نورپردازی متمرکز بر انسان
این روزها، LED های قابل تنظیم دمای رنگ را تغییر می دهند تا چرخه های نور طبیعی خورشید را تکرار کنند و کیفیت خواب و بهره وری را بهبود بخشند. "نور شبانه روزی" در مدارس و بیمارستان ها برای کنترل سطح ملاتونین استفاده می شود.
ج کشاورزی و باغداری
چراغ های رشد LED از طول موج های خاصی (مثلاً قرمز و آبی برای فتوسنتز) برای به حداکثر رساندن رشد گیاه استفاده می کنند. ال ای دی برای تولید محصول در تمام سال مزارع عمودی ضروری است.
د حمل و نقل و اتومبیل
به دلیل استحکام و سازگاری در طراحی، LED ها استاندارد صنعتی برای روشنایی خودرو هستند. LEDها در خودروهای برقی فعلی برای هر چیزی از چراغهای جلو گرفته تا نشانگر وضعیت باتری استفاده میشوند و چراغهای روشنایی روز LED آئودی در سال 2004 روندی را آغاز کردند.
5. نوآوری ها و مشکلات
ال ای دی ها علیرغم موفقیت خود همچنان با موانع روبرو هستند:
الف بازده افتادگی
بازده LED در جریان های بالا به دلیل گرما و نشت الکترون کاهش می یابد. زیرلایههای GaN-روی-GaN و طراحی چاههای کوانتومی دو راه برای کاهش عیوب هستند.
ب مسائل زیست محیطی
فلزات سنگین و عناصر خاکی{0} کمیاب، مانند یوروپیوم در فسفر، در ال ای دی یافت می شوند. نگرانیها در مورد زبالههای الکترونیکی به دلیل شکاف موجود در تأسیسات بازیافت افزایش مییابد.
ج کیفیت رنگ
رندر رنگ سفید اولیهال ای دی ها was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. آینده LED ها
فناوری های جدید پتانسیل پیشرفت LED ها را دارند:
ال ای دی های پروسکایت:-هزینه پایین، بسیار رنگی-مواد خالص.
UV{0}} LED های C: برای تصفیه و استریل کردن آب.
یکپارچه سازی LiDAR: نقشه برداری سه بعدی با استفاده از ال ای دی در{1}خودروهای خودران.
توسعه LED ها، از کریستال روشنایی هنری راند تا LED آبی شوجی ناکامورا، گواه نبوغ انسانی و همکاری متقابل-انضباطی است. اکنون بیش از نیمی از روشنایی در جهان از LED استفاده میشود که انتشار کربن را کاهش میدهد و میلیاردها دلار در هزینههای انرژی صرفهجویی میکند.ال ای دی هاهمچنان که تحقیقات در زمینه روشنایی هوشمندتر، سبزتر و سازگارتر ادامه دارد و نشان می دهد که حتی کوچکترین دیود نیز می تواند سیاره را روشن کند، به رهبری انقلاب تکنولوژیک ادامه خواهد داد.
