04.08.2008

Către LED-uri mai ieftine

Cercetătorii de la Universitatea Purdue au reuşit să depăşească o barieră majoră în reducerea costului diodelor luminescente, obţinând diode luminescente eficiente pe straturi de siliciu.


Categorie: Tehnologie
Autor: Cristian Presură



Prin calităţile lor, diodele luminescente reprezintă viitorul iluminatului, lucru recunoscut nu numai de cercetătorii din universităţi, cât şi de cei din companii. Diodele luminescente mai sunt denumite şi LED-uri, de la prescurtarea cuvântului englez "light-emitting diode" (ce înseamnă "dioda emiţătoare de lumină"). LED-urile sunt de aproape patru ori mai eficiente decât becurile cu incandescenţă, şi vin în diverse culori. Cu toate că eficienţa lor este încă mai scăzută decât cea a becurilor fluorescente, ele nu conţin mercur ca acestea din urma. În plus, LED-urile mult mai rezistente la şocuri mecanice sau variaţii termice, având o durată de viaţă de aproape 15 ani.

Cu toate acestea, momentan LED-urile sunt de cel puţin 20 de ori mai scumpe decât becurile obişnuite, ajungând la câţiva euro numai pentru o putere de 1 Watt. De aceea aplicaţiile lor se reduc încă la indicatoare luminoase, sau diverse forme de lanterne. LED-urile nu au intrat încă în competiţia becurilor ce ne luminează casa, deşi pot fi tot atât de luminoase ca acestea.

În parte, preţul ridicat se datorează faptului că LED-urile sunt create de obicei pe un strat costisitor de safir. Ori aceasta este tocmai bariera de cost care a fost depăşită de cercetătorii de la Universitatea Purdue. Aceştia au reuşit să dezvolte LED-uri pe straturi mult mai ieftine de siliciu, folosite pe scară largă în industria circuitelor integrate, ne anunţă portalul www.physorg.com.

Materialul din LED-urile albastre şi verzi care generează lumină la trecerea curentului electric este nitritul de galiu ("gallium nitride"), acelaşi material care generează lumina şi în cazul laserilor pentru noile generaţii de DVD-uri (HD-DVD sau BD). Pentru a colecta cât mai multă lumină, între nitritul de galiu (materialul de generează lumină) şi substratul de safir se adaugă de obicei un strat reflector adiţional, ce reflectă înapoi lumina generată din întâmplare către substrat, pentru a mări eficienţa LED-ului.

Pentru a construi un LED pe un strat de siliciu, şi nu de safir, oamenii de ştiinţă de la Universitatea Purdue au trebuit să găsească o structură potrivită pentru stratul reflector, care să asigure nu numai adeziunea, dar şi potrivirea perfectă a reţelelor formate de atomii materialelor prezente, în aşa fel încât să se păstreze structură cristalină a nitritului de galiu (materialul luminos). Ei au realizat de aceea stratul metalic reflector din nitrit de zirconiu, şi au mai adăugat un strat suplimentar între acesta şi cel de siliciu, pentru a evita o posibilă reacţie chimică nedorită între acestea. În final, structura straturilor de materiale a devenit un fel de sandwich bine ajustat, obţinut printr-o combinaţie de tehnici, printre care şi cea de creştere epitaxială, la temperaturi ce depăşesc 1000 de grade Celsius.

Desigur, folosirea pe scară industrială a noului proces de fabricaţie poate reduce costul LED-urilor. În plus, se ştie că siliciul este un bun conducător termic, ceea ce va mări şi mai mult timpul de viaţă al LED-urilor. Rămâne însă de văzut cât de mare va fi scăderea preţului LED-urilor odată ce noua metodă va fi implementată. În plus, aceasta nu este încă definitivată, existând probleme la răcirea LED-ului de la cele 1000 de grade Celsius la care a fost construit. Aici, datorită diferenţelor dintre coeficientul de expansiune termică a nitritului de galiu şi siliciu, structura fragilă se poate sparge în cursul răcirii.[www.stiinta.info]

[www.stiinta.info]

Comentarii

Adauga un comentariu

Adauga un comentariu

This is a captcha-picture. It is used to prevent mass-access by robots. (see: www.captcha.net)
Introdu codul:
Numele dumneavoastra:
Comentariu. Atentie, salveaza textul inainte de a-l trimite, ca o precautiune... Poti selecta tot comentariul cu CTRL-A si copia cu CTRL-C:
 
  • September 4, 2008, 4:20 am - cristi

    mda, pe web nu e tot articolul... pentru cei interesati, il pot trimite pe e-mail, are poze frumoase! scrieti la cristi@stiinta.info


  • September 4, 2008, 4:12 am - cristi

    daa, frumoase detalii tehnice. Am gasit aici un articol interesant, unde cifrele vehiculate in comentarii sunt confirmate, si unde puteti afla mai mult ce fac inginerii sa compenseze diferentele in productie:
    http://www.ledsmagazine.com/features/4/4/4


  • August 13, 2008, 5:35 pm - Mumulea

    Cred ca am facut o greseala cu exemplificarea acelor 470-472nm, din momment ce firul discutiei se referea implicit la led-uri albe. Exemplul ales arbitrar era pentru cele monocolore, albastre, si se refera la lungime de unda dominanta, nu la intreg spectrul emis, care intr-adevar atinge 50nm, dar este insesizabil ochiului.

    Cele mai comercializate culori, cele fundamentale, rosu, verde, albastru, potrivite pentru sinteza de imagini color sau obtinerea prin aditie a oricarei alte culori, se produc pentru spectrul dominant de 465-475nm, 520-530nm, respectiv 620-640nm.

    In cazul celor albe, acestea, acestea in esenta sunt tot leduri albastre, dar acoperite cu un luminofor de fosfor ce emite dominant galben la dezexcitare. Spectrul albastru emis este foarte strans, la fel ca un led monocolor, dar cel galben, este foarte larg, acoperind la extreme chiar si rosul, dar mai putint (asemeni clopotului gaussian, dar nesimetric). De aceea iluminatul alb cu led-uri face obiectele rosii nu prea vii (dar e corectabil, cu led-uri rosii suplimentare). Din grosimea acoperirii si natura luminoforului, se poate schimba proportia albastru-galben, rezultand diverse tonuri de alb. Si aici procesul are o inerenta dispersie, asa ca led-urile albe se sorteaza dupa natura albului rezultat (prin coordonatele X-Y din diagrama CIE a culorilor). Probabil ca doar temepratura de culoare 3000-6500K nu este un criteriu suficient, nu stiu, dar am observat ca niciun producator nu le sorteaza dupa asta in vederea livrarii.


  • August 13, 2008, 4:19 pm - cristi

    Da, bine de stiut! Observatii pertinente... Numai cu largimea benzii de lumina nu ma prea impac, credeam ca e in jur de 50nm, dar probabil si aici sunt variatii... cat de livrarea la chinezi, imi aduc aminte de o poveste interesanta, povestita de cei de la ASML. Cica ar fi instalat odata o masina de-a lor de litografiat la o companie nou chinezeasca. Masina e complexa, dupa cum probabil stii, iar chinezii chiar nu aveau specialisti, desi o cumparasera, asa ca statea nefolosita pana la noi ordine... In cazul asta, probabil ca producerea LED-urilor pe scara larga in China o sa apara curand, numai sa invete aia care sunt butoanele... Nu stiu unde le face Lumileds...


  • August 13, 2008, 4:02 pm - Mumulea

    In procesul de fabricatie al chipurilor exista dispersii semnificative chiar pe acelasi wafer, iar din acesta cauza, chipurile se sorteaza inca de la producatorul lor in bin-uri/clase de eficienta luminoasa si lungime de unda dominanta. De regula o clasa acopera o plaja de 10-20lm/w in materie de eficienta, respectiv 2-5 nanometri in materie de lungime de unda dominanta. Din aceasta pricina ai sa vezi acelasi led dat in catalog in varianta de 20-30lm/w, 30-40lm/w, 470-472nm ...etc.

    Chipurile foarte reusite sunt de regula pastrate de producator pentru propria linie de incapsulare sau livrate pertenerilor privilegiati, iar produsele , sa le zicem declasate, se livreaza puzderiei de incapsulatori asiatici pentru piata de larg consum la preturi diferite in functie de clasa, deci e foarte posibil sa gasesti Lumiled-uri falsificate (dar cu chip Lumiled chiar) la preturi, evident, foarte bune.

    Apropos de nitrat/nitrit, cred ca "nitrura" este termenul corect. InGaN este o nitrura de indiu galiu tot asa cum CaC2 (carbid) este o carbura de calciu.

    Nitrura (rom.) = nitriDe (eng.) = x-N
    Nitrit (rom.) = nitriTe (eng.) = x-NO2
    Nitrat (rom.) = nitrate (eng.) = x-NO3


  • August 13, 2008, 6:43 am - cristi

    Nu stiam de cei de la Cree Inc, se prea poate ca sa fi atins 130 lumne/watt... In cazul asta sunt intr-adevar mai eficiente decat fluorescentele. Eu personal sunt mai familiar cu Lumiled-urile, care merge pana la 80 lumen/watt, desi in practica au intre 20 si 40 lumen/watt...


  • August 12, 2008, 6:11 pm - Mumulea

    Articol din iunie 2006:

    "Cree Inc. anunta obtinerea de led-uri albe cu eficienta de 131 lumeni/watt, iar seria comerciala XL7090 poate fi livrata si in varianta de 86 lm/w.

    In martie, acealsi an, Nichia Corp. dezvoltase deja led alb cu eficienta de 100 lm/w"

    Deci eficienta led-urilor este deja aproape dubla fata de a tuburilor fluorescente (65 lm/w tipic). Singura lor problema este evacuarea caldurii. Racirea lor insuficienta rezulta in durata normata de viata de 50-100.000 ore redusa la sub 5%, sau pana chiar si la o ora, in cazul unei instalari total improprii.

    Din fericire, cresterea sustinuta a eficientei inregistrata in ultimii ani implica si o scadere a caldurii generate, deci viitorul suna bine. Inca mai este loc de imbunatatire, deoarece se pare ca eficienta conversiei este foarte buna, dar problemele sunt la extractia luminii din cristal (are un indice de refractie mai mare decat exteriorul, iar lumina ramane prizoniera in cristal la fel ca intr-o fibra optica, si evadeza doar cand nu se mai indeplinesc conditiile de reflexie totala, timp in care o parte semnificativa a fost deja absorbita de acelasi cristal si transformata in caldura - deocamdata solutia consta in taierea cristalului in forme ciudate, in niciun caz paralelipipedice)


  • August 6, 2008, 1:19 am - cristi

    Iulian, am schimbat cu sugestia ta, desi google nu mi-a spus cum s-ar zice corect "gallium nitride" in romaneste...


  • August 5, 2008, 10:54 pm - Iulian

    Cristi, cred ca nitride ar fi nitrit si nu nitrat/azotat. Azotatul se traduce nitrate in engleza.


  • August 5, 2008, 1:38 pm - nightwolf

    Interesante LED-urile pe baza de siliciu din punct de vedere economic, sper ca macar la masina o sa am faruri cu LED-uri daca se preconizeaza o scadere de preturi.