Světlo z krystalu
3. 3. 2010
Budoucnosti nových způsobů osvětlení je už tady! LED - Light Emitting Diodes, světlo emitující diody. Vytvářejí tolik světla, jako tradiční žhavené žárovky, ale s desetkrát větší účinností. Co je však LED? A jak funguje? Michael ukáže, jak uvolnění světla z kousku krystalu vedlo k vývoji LED.
Filip: Světlo nás odjakživa fascinuje.
Michael: Občas nás hřeje, vždy nám svítí. Jeho záře okamžitě přitáhne náš pohled.
Filip: Světlo zaujme naši pozornost. Dokáže i zhypnotizovat.
Michael: A získat světlo dnes? Není nic snadnějšího. Třeba díky tomuhle.
LED – light emitting diode.
Světlo vyzařující (světelná) dioda.
Filip: LED používáme mnoha způsoby. Od jednoduchých kontrolek napojení na zdroj energie, přes LED, které u moderních aut tvoří světla obrysová, anebo brzdová.
Filip: … až po tyto obrovské informační panely. Jejich výrobci totiž využívají skvělých vlastností LED.
Michael: LED totiž mají jen zlomek spotřeby klasických žárovek.
Filip: Jen deset a méně procent.
Michael: A navíc mají mnohokrát delší životnost.
Filip: Až padesátkrát!
Michael: Takové obrazové panely se u nás, tedy u vás, myslím v České republice, vyrábějí a dokonce je zde vlastní vývoj a know-how.
Tereza: Jedna z našich firem, které vyrábějí informační světelné panely, sídlí v pražských Čakovicích. I ty největší světelné panely jsou sestaveny z malých základních prvků – čtverců nebo obdélníků o rozměrech jen několika desítek centimetrů.
Filip: Na moderním robotu se technologií povrchové montáže osazují elektronickými prvky desky tištěných spojů. Ty najdete na zadní straně panelů a právě díky nim se mohou na panelech objevovat nejen texty ale i obrazy videosignálu.
Tereza: Všechno začíná na pracovišti konstrukce a vývoje. Nové typy LED diod umožňují zmenšit rozměry základních prvků a současně zvětšit rozlišovací schopnost panelů.
Filip: Patříte mezi ty, které přitahuje technologie zobrazování? Pak jistě stejně jako já cítíte potřebu nahradit papírovou současnost elektronickým zítřkem.
Michael: K tomu potřebujeme dobré nápady, dostatek znalostí, nadšení a energii a odvahu pouštět se do nových věcí. Přesně to, co máte vy.
Michael: The first person to ever, ever, ever report the phenomenon of a light emitting diode, was actually at the time researching into radio technology.
První, kdo opravdu poprvé podal zprávu o světlo vyzařující diodě,v té době skutečně bádal v radiotechnice.
Filip: Jmenoval se Henry Round a pátral po nových rozhlasových přijímačích.
Michael: Používal zařízení zvané detektor kočičích fousků, …
Filip: … který, neboj se, neobsahoval žádnou část tvého těla, ani jediný tvůj fousek.
Michael: Round used his Cat´s Whiskers detector to investigate the surface of a silicon carbide crystal.
Round použil svůj detektor kočičích fousků k tomu, aby prozkoumal povrch krystalu karbidu křemíku.
Při jednom pokusu si všiml, že když krystalem nechal procházet elektrický proud, stalo se něco podivného.
Filip: Část krystalu najednou začala vydávat světlo. Zářila nažloutlou barvou.
Michael: Bylo to poprvé, kdy člověk pozoroval světelnou diodu.
Tereza: Pokus Henryho Rounda tak zapůsobil na oba naše experimentátory, že se rozhodli jej zopakovat. Na podmanivý krystalický kus karbidu křemíku napojují sadu baterií o celkovém napětí asi 22 Voltů.
Filip: Michael hrotem obyčejné jehly opatrně projíždí po povrchu karbidu. A je to tady. Na některých krystalech se objevuje slabé nažloutlé světélko. Přírodní světelná dioda.
Michael: However, it wasn’t until 1962, that a visible light emitting diode was made practical by Nick Holonyak, working at General Electric.
Ovšem skutečnou diodu, vyzařující viditelné světlo, vyrobil až roku 1962 Nick Holonyak, pracující pro General Electric.
Filip: … tedy stejnou společnost, která před mnoha desetiletími vyvinula obyčejnou žárovku. Tady vidíte, jak se v praxi vyplatí investovat do vědy a výzkumu.
Michael: Technologie, kterou Holonyak přinesl světu, se pozoruhodně podobá našemu experimentu s krystalem.
Tereza: Tak vypadá světlo vyzařující neboli elektroluminiscenční dioda zblízka. Dvojici základních monokrystalů překrývají většinou kulové vrchlíky z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Ty mají požadované optické vlastnosti – rozptylnou nebo bodovou charakteristiku s různým úhlem vyzařování.
Michael: Tento polovodičový materiál je dopován nečistotami a vzniká tzv. p-n přechod.
Filip: Jednoduše řečeno, vrstva „p“ má ve své atomové struktuře elektronové díry.
Michael: Zatímco vrstva „n“ má přebytek elektronů.
Filip: Proud tak snadno protéká z vrstvy „p“ do vrstvy „n“ ale pozor. Ne opačným směrem.
Tereza: Když se elektron setká s dírou, klesá na nižší energetickou hladinu a přitom vyzáří energii v podobě světelného fotonu. Barva světla závisí na rozdílu jeho energetických hladin.
Michael: So different semiconducting materials in the LED create different colors of light. So for example by mixing Aluminum gallium arsenide with Gallium arsenide phosphide along with Aluminum gallium indium phosphide and Gallium III phosphide we get a red light.
Různé polovodičové materiály tedy v LED vytvářejí rozdílné barvy světla. Tak například když smícháme arsenid hliníku a galia s fosfidem galia a arsenu, fosfidem hliníku, galia a india a také fosfidem galia III, získáme červenou barvu.
Michael: And Gallium III nitride along with Gallium III phosphide with a little bit of Aluminum gallium indium phosphide and Aluminum gallium phosphide gives a green light.
Nitrid galia III spolu s fosfidem galia III, spolu s troškou fosfidu hliníku, galia a india a také fosfidem hliníku a galia dává zelenou barvu.
Filip: Nemusíte se bát. Jemu se to občas stává, když se nechá unést tou svou chemií.
Michael: … we get a blue colour.
… získáme modrou barvu.
Tereza: Vyrobit z LED obří barevnou obrazovku jistě hned tak někdo z vás nedokáže. Ale tyto světelné objekty, které Michael s Filipem sestavili, jsou docela jednoduché.
Filip: Na dno kornoutu z průhledné fólie umístíme LED diodu, zalijeme epoxidovou pryskyřicí a necháme ztvrdnout. Nepatrné bublinky v pryskyřici rozptylují světlo LED a ve tmě působí zajímavým efektem.
Tereza: Objekt číslo dvě: do otvorů ve dřevěné podložce umístíme a propojíme různobarevné LED a nad ně postavíme průhledné nebo lépe jen průsvitné předměty.
Tereza: Jednoduché a působivé.
Filip: A ještě jedno chemické zákoutí. Do zkumavky jsme nalili epoxidovou pryskyřici a v ní nechali zatvrdnout trojici LED. Mohou být i různé barvy. Zdroj pro noční orientační osvětlení je hotov.
Tereza: Současná elektronika nabízí mnoho typů světelných diod pro různé podmínky a použití. Jedním ze zajímavých trendů jsou nové světelné zdroje, které vynikají mimořádně nízkou spotřebou elektrické energie.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough