Šviestukai: nuo metalinių kačių ūsų iki švaraus vandens (Video)
(22)
Šviesos diodai (dar vadinami kietojo kūno šviesos šaltiniais, šviestukais ir LED) – vienas spalvingiausių technologijos progreso indikatorių. Dar neseniai buvę retenybe, pastaraisiais dešimtmečiais kieto kūno šviesos šaltiniai lėtai, bet užtikrintai plečia savo arealą, nuo mobiliųjų telefonų ekranų ir šviesoforų žygiuodami kaitrinių lempučių teritorijos link. Taigi, kaip šviestukai veikia ir iš kur jie atsirado?
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Kietakūnio apšvietimo istorija prasidėjo dar 1907 metais, kai britas H. J. Round bandė patobulinti silicio karbido pagrindu veikiantį radijo bangų detektorių. Prietaiso konstrukcija buvo labai paprasta: puslaidininkinio kristalo gabalas tvirtai prisukamas prie vieno metalinio kontakto, o iš kitos pusės prie to paties kristalo švelniai priglaudžiama vielutė (dar vadinama „katės ūsu“, angliškai visas prietaisas – „cat's-whisker detector“). Tarp vielutės ir kontakto sudaroma įtampa (prijungiama baterija). Ten, kur prisiglaudžia vielutė, susidaro kontaktas, praleidžiantis srovę tik viena kryptimi. Šie eksperimentai ko gero mums būtų visiškai neįdomūs, jei ne keistas reiškinys – „ūso“ lietimosi vietoje kristalas sušvinta (1 pav.). Deja, didelio susidomėjimo ar pritaikymo artimiausiais dešimtmečiais nesurado nei H. J. Round‘o atradimas, nei panašus vienišo rusų eksperimentatoriaus O.V. Losev‘o pastebėjimas.
Iš kur atsirado žaliasis švytėjimas? Norėdami atsakyti į šį klausimą, turime išsiaiškinti kelis dalykus. Visų pirma išsiaiškinsime, kas per daiktas yra elektroninė skylė. Paprastai tariant, taip vadinamas elektrono nebuvimas ten, kur jis galėtų būti. Toks apibrėžimas nelabai aiškus ir nelabai griežtas, todėl pabandykime panagrinėti pavyzdį. Įsivaizduokime, kad turime ličio atomą. Normaliomis sąlygomis aplink branduolį „skrieja“ 3 elektronai, o visas atomas yra neutralus. Tačiau jį jonizavus, turime Li+ joną. Į jonizaciją galima žvelgti dvejopai: kaip į elektrono praradimą (toks ir yra tikrasis fizikinis mechanizmas) arba kaip į naujos dalelės (elektroninės skylės), kuri turi teigiamą krūvį, prisijungimą. Matematiškai šie du aprašymai ekvivalentūs.
Pasirodo, toks juokingas matematinis aprašymas kietojo kūno teorijoje labai praverčia. Pažvelgę į šviesos diodo vidų dabartinio mokslininko akimis, pamatytume, kad jis sudarytas iš trijų svarbių sričių: n-tipo, p-tipo ir jų sandūros. N-tipo srityje yra laisvų elektronų, mūsų atveju tai „ūsas“ – metalinė vielutė. P-tipo srityje yra skylių, mūsų atveju tai kristalas. Na, o sandūra yra ta vieta, kur vyksta šviesos generavimo magija (2 pav.).
Tačiau mes vis dar nepasiruošę suprasti, kaip ta magija vyksta: turime susipažinti su juostine kieto kūno teorija. Skamba bauginančiai, bet šios teorijos esmę vienas paprastas teiginys: iš atomų sukūrus kristalą, elektronai pasiskirsto į dvi energijos juostas – valentinę ir laidumo. Tarp šių juostų susidaro tarpas, draustinė juosta, kurioje elektronams būti draudžiama. Galų gale, tarp valentinės ir laidumo juostų yra vienas svarbus skirtumas – elektronai laisvai juda tik laidumo juostoje. Kadangi skylės yra kas tik nori, tik ne elektronai, jos elgiasi atvirkščiai: laisvai juda valentinėje juostoje, tuo tarpu laidumo juostoje tampa suparalyžuotos.
Jei nepraradote kantrybės iki šios vietos, beliko tik džiaugsmas! Džiaugsmas atrodo taip: iš n-tipo pusės laidumo juosta atslenka elektronas (raudonas skritulys), iš p-tipo pusės – skylė (juodas apskritimas). Jie akimirksniui susitinka sandūroje ir... susinaikina išspinduliuodami šviesą! Tokie elektronų ir skylių srautai, dėl prijungtos baterijos keliaujantys juostų konvejeriais, kaip tik ir užtikrina šviesos diodo veikimą.
Grįžtant prie istorijos verta pažymėti, kad kelis dešimtmečius ką tik išnagrinėtu šviesos išgavimo būdu nesidomėjo beveik niekas. Šviesos diodai populiarumą ėmė atgauti šeštajame dešimtmetyje JAV. 1955 m. R. Braunstein‘as publikavo straipsnį, kuriame teigė, kad puslaidininkiniai diodai (į dėžutę įdėta „katės ūsų“ prietaiso versija) skleidžia infraraudonąją šviesą. Dar daugiau, švietė visi diodai, nesvarbu iš kokios medžiagos ar kokioje temperatūroje buvo atliktas matavimas. Be to, mokslininkas pastebėjo, kad šviesos bangos ilgis (spalva) yra susijusi su jau aptarta medžiagos charakteristika – draustinės juostos pločiu. Kadangi švietė net ir šalti bandiniai, padaryta išvada, kad reiškinys visiškai naujas ir iš esmės skiriasi nuo kaitrinės lemputės veikimo principo.
Ant šviečiančių puslaidininkių mokslo „bangos“ užšoko nemažai Braunstein‘o kolegų, o jau 1962 m. amerikiečiui N. Holonyak‘ui pavyko sukurti pirmąjį regimosios (raudonos) šviesos diodą. Greitai atsirado ir kitų spalvų šviestukai – oranžinis ir geltonas, tačiau pasirodė, kad stumti spalvų frontą į mėlynąją pusę nėra lengva. Mokslininkams pavyko padidinti šviesos diodų efektyvumą ir skaistį (šviesumą), bet dar gerą penkmetį jie išliko beprotiškai brangūs. Įvertinant infliaciją, 1968 metais vienas šviestukas kainavo apie 3 tūkstančius litų.
Pradėjus masinę gamybą, naujoji „lempa“ gerokai atpigo, tad ja susidomėjo pramonininkai. Visų pirma, šviestukai pasirodė skaičiuotuvuose, kurių apšvietimui kaitrinės lemputės buvo paprasčiausiai per didelės. Deja, iki pat 1995 metų nesisekė pagaminti mėlyno (ar juolab balto) šviesos diodo, o šviesumas neprilygo kitiems šviesos šaltiniams. Dėl šių priežasčių ilgą laiką vienintelis namų apyvokos prietaisas, turintis šviestuką (infraraudonąjį!), buvo nuotolinis TV valdymo pultelis.
Nuo mėlynojo LED atsiradimo praėjus vos daugiau nei 10 metų, šviestukų galima aptikti ko ne kiekviename elektriniame prietaise. Smulkiems indikatoriams jokios kitos technologijos seniai nebenaudojamos. Šviesos diodai apšviečia kompiuterių, TV ir telefonų ekranus, spindi iš naujų šviesoforų bei švieslenčių. Kai kurie miestai jais apšviečia gatves, o drąsesni architektai siūlo įvairių spalvų diodais pagyvinti pastatų fasadus (3 pav.). Tad gal įmanoma į LED išmainyti ir likusias kaitrines lempas?
Iš pažiūros atrodo, kad idėja visai nebloga – šviestukų efektyvumas jau dabar siekia bent dešimt procentų, palyginus su kaitrinių lempučių siūlomais trimis. Be to, nėra jokių fizikinių priežasčių (priešingai nei kaitrinių ar fluorescencinių šviesos šaltinių atveju), kodėl efektyvumas negalėtų siekti 100%. Aišku, prekyboje panašaus šviesos diodo nematysime dar ilgai, bet 50% našumas žadamas artimiausiais metais. Šviestukai maži, mechaniškai atsparūs, o jų šviesą galima moduliuoti (įjunginėti ir išjunginėti) labai dideliu dažniu. Šviesos diodai ilgai tarnauja – praktiškai niekada neperdega.
Iš kitos pusės, dabartinis šviesos diodų lempų efektyvumas yra mažesnis nei fluorescencinių lempų. Didinant LED išskiriamą galią, atsiranda aušinimo problema. Norint ją išspręsti, tenka pasitelkti radiatorius, o kartais net ir ventiliatorius. Be to, šviestukinės lempos išlieka daug kartų brangesnės nei bet koks kitoks apšvietimo būdas.
Net jei manysime, kad šviestukai nėra universalus klasikinių lempučių pakaitalas, galima surasti nišų, kuriose kaitrinės lempos naudojamos tik iš bėdos. Pavyzdžiui, Lietuvos kariuomenė turi vandens valymo įrenginių, kurie iš esmės yra sunkvežimio dydžio dėžės, prikimštos mechaninių filtrų ir kaitrinių gyvsidabrio lempų. Gyvsidabrio lempos skleidžia ultravioletinius (UV) spindulius, kurie žudo bakterijas, todėl taip apdorotą vandenį gerti saugu. Jei turėtume UV šviestukų, užtektų iš vandens pašalinti stambesnes šiukšles, o dezinfekciją atliktų puodeliuose esantys šviestukai. Tokiu atveju būtų galima gerokai sumažinti valymo įrenginio gabaritus ir energijos sąnaudas.
Ultravioletinius šviestukus būtų galima panaudoti ir plačiau: medicinoje (odos ligų gydymui), teismo ir muitinių darbe (UV spektroskopija leidžia aptikti ir atpažinti skysčiuose ištirpusias organines medžiagas), banknotų tikrinimui, elektronikos plokščių pramonėje, nors jau minėtas bakterijų žudymas (skysčiuose, ore ir ant įvairių paviršių) turbūt yra perspektyviausia sritis. Vienintelė problema – UV šviestukus pagaminti yra sunku.
Kalbant tiksliau, UV šviestukus pagaminti yra taip sunku, kad tai tapo ištisa mokslo šaka. Net ir paprastus diodus kepti nėra paprasta: gamyba vyksta „švariuose kambariuose“, iš kurių oro pašalinamos dulkės, pasitelkiamos egzotiškos kristalų auginimo technologijos, o gaminių testavimui panaudojamas ištisas medžiagotyros įrankių arsenalas nuo neutronų sklaidos eksperimentų iki triukšmų matavimų. Tačiau pagaminti labai trumpo bangos ilgio UV šviestukų be slaptų triukų vis vien nepavyksta.
Nuo pirmojo šviesos blyksnio prieš daugiau nei šimtą metą iki šių dienų daug kas pasikeitė. Visų pirma, pavyko suprasti, dėl kokių procesų puslaidininkiai šviečia. Technologams pavyko tuos procesus kontroliuoti – turime įvairių spalvų šviestukų, ir dauguma iš jų net ir dabar pakankamai pigūs. Praktiškai aišku, kas vyks toliau: šviestukų efektyvumas augs, o įvairovė plėsis. Lieka vienintelis klausimas – kada šviesos diodai taps tokie geri, kad jais norėtume pakeisti kiekvieną kaitrinę lemputę?
Daugiau apie apšvietimo prietaisų istoriją ir naujausias tendencijas galite išgirsti šiame profesoriaus Artūro Žukausko „TEDxVilnius 2010" pranešime.