Výzkumníci japonské společnosti Nichia, sídlící na ostrově Šikoku, ve městě Tokušima se snaží o další zefektivnění běžného osvětlení a hledají způsoby, jak vylepšit LED diodu (Light Emitting Diode), která by mohla nahradit libovolnou interiérovou, nebo exteriérovou klasickou žárovku, donedávna běžně používanou téměř všude. Přitom by ale ještě lépe vytvářela vjem bílého denního světla a samozřejmě při nesrovnatelně menší elektrické spotřebě. Zdá se, že jsou blízko cíle a u jednoho typu LEDky vyzařující bílé světlo dosáhli zajímavých parametrů: při intensitě proudu 1 A naměřili světelný tok 1913 lumenů a světelnou efektivitu 135 lumenů na watt. Kromě běžně používaných žárovek nová LEDka bude prý vhodná i do reflektorů aut a prosvícení LCD displejů.
Tým vedený Yukiem Narukawou výsledky práce publikoval v nejnovějším vydání odborného časopisu Journal of Physics D: Applied Physics. V článku vědci představili tři druhy vysoce výkonných diod. Při jejich vývoji se zaměřili na dvě kritéria – na světelný tok, který je fotometrickou veličinou udávanou v jednotkách lumen (lm) a jenž je vázán na citlivost oka na různé vlnové délky. Druhým kritériem byla světelná účinnost záření, která jako poměr světelného toku a zářivého toku (množství energie za sekundu) přes stejnou plochu se měří v lumenech na jednotku elektrického výkonu - watt (lm/W).
Několik údajů z historie různých typů světelných zdrojů prozrazuje, jak v porovnání s těmi nejrozšířenějšími osvětlovacími zdroji je vývoj LEDek rychlý. Klasická žárovka se žhaveným vláknem byla vyvinuta v roce 1879 a měla světelnou účinnost 1,5 lm/W. Trvalo dlouhých 130 let, než její hodnota dosáhla 16 lm/W. Fluorescenční zářivky se objevili v roce 1938 a v průběhu dalších 60 let jim stoupla světelná účinnost z 50 na 100 lm/W. Pokrok u LED-diod emitujících bílé světlo byl vůči tomu doslova raketový: od uvedení na trh v roce 1996 do současnosti se jejich světelná účinnost zvýšila z 5 lm/W na současných 150 lm/W. A stále zůstává velký prostor pro zdokonalování, protože teoretický limit LEDek se nachází v rozmezí hodnot 260 až 300 lm/W.
A do těchto limitních hranic posunuli koumáci z japonské Nichie své nové typy „bílých“ LEDek. První z nich, s výkonem 47,1 miliwattů poskytovala při elektrickém proudu s intenzitou 20 mA světelnou účinnost 249 lm/W a světelný tok 14,4 lm. Vědci ji použili jako základní budící zdroj pro další dva typy – jeden s výkonem 47,1 mW, který při 350 miliampérech měl světelnou účinnost 183 lm/W a světelný tok 203 lm. Další, tedy třetí typ bílé LEDky (zmíněné v úvodu) vznikl sériovým propojením čtyř modrých diod prvního typu, čímž se vytvořil zdroj, u kterého při proudu 1 A Japonci naměřili světelný tok 1913 lm a světelnou účinnost 135 lumenů na každý watt elektrického výkonu. To je v obou parametrech více, než dosahuje 20 wattová fluorescenční zářivka
Všechny tři nové typy bílých LED-diod mají modrý safírový podklad potažený žlutou luminiscenční látkou ((Y1−aGda)3(Al1−bGab)5O12, Ce3+ = zkratka YAG) pro dosažení širšího emisního spektra. Když se modré záření zkombinuje se žlutou fluorescencí, LEDka produkuje bílé světlo. Bylo ale nutné se vypořádat s problémem nízké úrovně záření v červené části spektra, proto pro lepší barevnou vyváženost světla vědci přimíchali ještě něco červeného luminiscenčního materiálu (SrCaSiN:Eu). Tímto způsobem se dá regulovat odstín a nový nadějný zdroj je tak současnou jedničkou v reprodukci běžného denního bílého světla s barevnou teplotou 6 500 K.
Optimalizace si vyžádala i další inovativní řešení. Pro snížení absorpce světla vědci použili jako elektrodu transparentní tenkou vrstvu ze slitiny oxidů india a cínu (ITO – viz obrázek) a modrou safírovou podložku tvarovali tak, aby světlo rozptylovala a tím zvyšovala účinnost vyzařování celé diody. Tým z Nichie také o něco snížil pracovní provozní napětí z 3,08 na 2,80 V.
S těmito inovacemi jsou nové LEDky důkazem, že polovodičové diodové světelné zdroje mohou nahradit širokou škálu současných, méně efektivních typů osvětlení. Brzké komerční využití trpí klasickým počátečním syndromem – vysokou cenou. Bezpočet příkladů elektronických novinek ale skýtají naději, že jde o problém dočasný.
Pro porovnání teplotní účinnosti různých zdrojů:
Běžné žárovky: 40 W asi 12,6 lm/W; 60 W asi 14,5 lm/W; 100 W asi 17,5 lm/W
Křemenné halogenky 24 lm/W
Vysoce teplotní žárovky 35 lm/W
Fluorescenční zářivky: 4 W asi 16 lm/W; 13 W asi 60 lm/W; 32 W asi 100 lm/W
Další informace a ne zcela aktualizované porovnání zde.
Zdroj: volně přístupný článek v Journal of Physics D: Applied Physics
Diskuze:
