Veijo Hänninen

Edullisempia teholedejä

Valaistusledien tuotannon kustannuksia pyritään alentamaan suurempiin kiekkokokoihin siirtymällä. Teholedit ovat kalliita valmistaa koska valtaosa tuotannosta perustuu alustana käytettäviin 2- tai 4-tuumaisiin safiiri- tai piikarbidikiekkoihin.

Nykyään alustakiekkona voidaan käyttää myös piikiekkoa. Esimerkiksi Plessey Semiconductorsin prosessitekniikkaa perustuu kuuden tuuman piikiekkojen GaN-on-silicon -tekniikkaan, jota sille tuottaa Cambridgen yliopiston tutkimuksista syntynyt CamGaN-yhtiö.

Plesseyn ja sen omistaman CamGaN-yhtiön tekniikassa käytetään myös ohuempia 2,5 mikronin GaN-kerroksia kun muissa vastaavissa tekniikoissa käytetään 6-8 mikronin kerroksia.

Vaikka markkinoilla on useita GaN:ta piillä hyödyntäviä valmistajia niin CamGaN-yhtiön saavuttama ohuus vähentää valmistuksessa käytettyä aikaa ja pieni hävikki pitää kustannukset kilpailijoihin nähden kurissa.

Hallitut viat hillitsevät satunnaisia vikoja

Tehokkaissa valodiodeissa fotonit syntyvät p- ja n-materiaalien välissä olevissa ohutkalvoista muodostuvan aktiivikerroksen kvanttikaivoissa.

Ne on yleensä valmistettu gallium-nitridistä (GaN), joka on kasvatettu safiiri- tai piikarbidialustalle. Kidemateriaalin hilarakenne ei käy yksiin alustamateriaalien kanssa mikä aiheuttaa säröjä tai välissä tarvitaan hyötysuhdetta heikentävä välikerros.

North Carolina State Universityn tutkijat ovat kehittäneet tekniikan, joka vähentää galliumnitridi (GaN) -kalvoissa esiintyviä virheitä.

Uusi tekniikka vähentää virheiden määrää merkittävästi ja parantaa siten valoa säteilevän materiaalin laatua. Tämä kasvattaa tietyllä virralla tuotetun valon määrää kaksinkertaiseksi.

Kalvoissa esiintyvät virheet ovat vähäisiä kiderakenteen dislokaatioita. Ne kulkevat läpi materiaalin kunnes saavuttavat pinnan. Sijoittamalla kalvoon onteloita, tutkijat tavallaan sijoittivat "pinnan" keskelle materiaalia, jolloin tämä estää vikakohtaa kulkemasta koko kalvon läpi.

Tämä tekniikka lisäisi jonkun askeleen ledin valmistusprosessiin mutta se johtaisi nykyistä laadukkaampiin ja tehokkaampiin ledeihin.

Ledin kvanttisiru kuparille

Kiinalaiset tutkijat ovat onnistuneet siirtämään piikerrokselle kasvatettuja galliumnitridi (GaN) valodiodeja kuparipinnalle.

Kuparialustan päällä GaN-kiteet vapautuvat joistakin sisäisistä jännityksistä joita niihin alun perin tehtäessä syntyy. Tämä vapauttaminen auttoi minimoimaan niitä kvanttitason vaikutuksia, jotka yleensä vähentävät ledien tehokkuutta.

Kuparialustalle siirretyn ledin valoteho parani 122 prosenttia. Ledin tuottamisen siirtäminen ei tuottanut mitään selvää heikkenemistä kiteen valoa lähettävällä kvanttikaivoalueella.

Tehokkuuden paraneminen johtuu muun muassa absorbtiokykyisen alustan poistamisesta, heijastimen lisäämisestä ledirakenteen ja kuparin välille sekä elektrodin varjostuksen poistumisesta.

Orgaanisten ledien värit ja tehokkuus paranevat

Myös orgaaniset ledit (OLED) ovat yksi vaihtoehto tulevaisuuden valaistustarkoituksiin.

OLED-tekniikkaa käytetään jo paljon pienten laitteiden näytöissä. Mutta kun tavoitteena on suurialainen orgaaninen ledinäyttö tai valaistuskalvo ongelmaksi muodostuu pintojen epätasainen valontuotto, mikä johtuu virtojen epätasaisesta jakautumisesta.

Myös orgaanisissa puolijohteissa sähkönjohtavuus kasvaa lämpötilan kasvaessa. Epäorgaanisilla komponenteilla ongelma hoidetaan termistorivaikutuksilla mutta orgaaniset komponentit lämpenevät hallitsemattomammin.

TU Dresdenin (Dresden University of Technology) fyysikot ja WIAS:in matemaatikot ovat tehneet yhteistyötä analysoidakseen orgaanisten lämpövaikutuksien perusteita.

Tutkijat onnistuvat laajentamaan käsitystään orgaanista puolijohteista ja voivat jatkossa vähentää niissä esiintyviä lämmöntuoton epätasaisuuksien häiritseviä vaikutuksia. Täten voivat pinta-alaltaan suuret valaistuskalvot voisivat tulevaisuudessa emittoida valoa tasaisemmin.

Toinen orgaanisten valaistusledien ongelma on, että niiden tuottaman valon väriä ei ole voitu suunnitella tarkasti. Valkoiset OLEDit koostuvat päällekkäisistä, erittäin ohuista kerroksista, joista kukin lähettää oman väristä valoa.

Eindhovenin ja Dresdenin teknillisten yliopistojen, Philips Researchin ja eräiden muiden laitosten tutkijat ovat nyt yhdessä kehittäneet menetelmän, joka mahdollistaa OLEDien tuottaman valon värin suunnittelun erittäin tarkasti.

Menetelmä mahdollistaa valmistajien tehostaa merkittävästi OLEDien suunnittelua ja sitä kautta keventää kustannuksia. Samalla niiden energiatehokkuutta ja käyttöikää voidaan lisätä. Tutkijat odottavat, että tehokkuutta voidaan lisätä jopa kolminkertaiseksi.

Valkoisia ledejä suoraan paperille

Linköpingin yliopiston Physical Electronics ja Nanotechnology -ryhmässä toiminut Gul Amin, osoitti kesällä 2012 väitöstyössään, miten voi tuottaa valkoisen ledin sinkkioksidista ja johtavista polymeereistä suoraan paperille.

Edullisesti ja ympäristöystävällisesti tuotetut sinkkioksidin yksiulotteiset nanorakenteet sopivat hyvin valkoisten ledien valmistuksen. Niiden suuri kaistaero (3,37eV) ja helposti liikkuvat elektronit tuottavat suhteellisen suuria energiamääriä kun ne palautuvat takaisin ytimeen, jolloin emittoituu täydellisen valkoista valoa.

Paperille tuotettujen valkoisten ledien aktiiviset komponentit ovat sinkkioksidin nanokuituja ohuella johtavalla (polydiethylflourene) PFO-kerroksella. Sitä ennen paperi on päällystetty ohuella, vettä hylkivällä, suojaavalla ja tasoittavalla hartsikerroksella.

Valokomponentteja painokoneesta

Uumajan yliopiston tutkijat onnistuivat puolestaan tuottamaan orgaanisen valoa emittoivan sähkökemiallisen kennon (LEC) käyttäen rullalta-rullalle -painatusprosessia.

Elektroluminenssiin perustuvia LEC-valokomponentteja voidaan siten tuottaa edullisesti ja suurina erittäin ohuena valoa emittoivana rakenteina infonäyttöihin ja kenties joskus myös valaistussovelluksiin.

Tuotetussa LEC-rakenteessa olevien kerroksien todettiin olevan erittäin epätasaisia ja paksuuksien sekä aktiivisessa kerroksessa että anodissa olevan noin yhden mikrometrin luokkaa.

Kuitenkaan LEC:in itseseostuvasta toiminnasta johtuen emittoituva valo ei kärsi karkeista rajapinnoista. Tällaiset ominaisuudet ovat ihanteellisia rullalta-rullalle -prosesseihin mikä keventää valmistuskustannuksia merkittävästi.

Kiiltomadoista ja tulikärpäsistä mallia ledeille

Tulikärpästen ja kiitomatojen öinen tuike on inspiroinut useitakin tutkijaryhmiä muokkaamaan lediä niin, että se on puolitoista kertaa niin tehokas kuin alkuperäinen.

Tutkijat ovat löytäneet näiden ötököiden valoa läpäisevistä pintasuomuista yllättäviä rakenteita. Valo kulkee sarveissuomuissa hitaammin kuin ilmassa, jolloin osa valosta heijastuu takaisin. Kuitenkin sarveiskerroksen pintarakenne auttaa minimoimaan sisäisiä heijastuksia.

Tutkijat havaitsivat pintasuomuissa paitsi nanomittakaavan mutta myös suuremman skaalan rakenteita. Alkuun tutkijat arvelivat, että pienemmän nanomittakaavan rakenteet olisivat tärkeimmät, mutta yllättäen tehokkain keino parantaa valonantotehokkuutta olikin isomman mittakaavan rakenne.

Ledeissä kohdataan samoja sisäisen heijastuksen ongelmia ja tutkijat arvelivat prismamaisen pinnoitteen voivan tehdä ledeistä kirkkaampia. Toisen tutkimusryhmän työssä kehitettiin sitten laserkuvioiva menetelmä, jolla standardin lediin luodaan edellisen tutkimuksen innoittama pintakerros.

Mihin häviää osa valontuotosta

Eräänä tehokkaiden valaistusledien tutkimustason ongelmana on ollut, että toimintavirtojen kasvaessa kaikki elektroni-aukkoparit eivät tuota fotoneja.

Vielä jokin aika sitten tutkijat kiistelevät johtuuko tämä Augerin rekombinaatio -ilmiöstä vai siitä, että elektronit eivät suurilla virroilla löydä aukkoparia koska ne ajautuvat pois aktiiviselta alueelta.

Nyt Kalifornian yliopiston (UCSB) ja ranskalaisen Ecole Polytechniquen tutkijat ovat vahvistaneet syyksi Augerin-ilmiön, jossa osa virittyneistä elektroneista tuottaa vain lämpöä valon sijaan.

Vahingoittaako ledivalo taidetta

Viime aikojen huhut ledivalojen vahingoittavista vaikutuksista van Gogh -museon mestariteoksiin olivat virheellisiä, kertoo Led Magazine -lehti.

Taiteilijoiden aikoinaan käyttämien värimateriaalien muuttumista tutkittiin tehokkailla Xenon-lampuilla ja niihin liitetyillä erilaisilla värisuodattimilla. Intensiteetit olivat kuitenkin tuhatkertaisia kuin millään tavanomaisella valaistuksella.

Tutkimus kyllä osoitti että vaikutukset olivat haitallisimmat keltaisella värillä mutta se ei suoranaisesti johdu ledivalaistuksesta vaikka sellaista mielellään käytetään vähäisen lämmöntuoton vuoksi lähellä taideteosta.

Käytännön saavutuksia

Philips on tuottanut uuden innovaation led-valaistukseen, luomalla maailman energiatehokkaimman led-lampun, joka sopii yleisiin valaistustarpeisiin.

Philipsin tutkijat ovat kehittäneet loisteputket korvaavan TLED-prototyypin, joka tuottaa ennätysmäisen 200 lumenia per watti korkealaatuista valkoista valoa. Näin ollen se on kaksi kertaa tehokkaampi kuin perinteiset loisteputket 100 lumenia per watti arvoillaan.

Markkinoille tuote on tarkoitus saada vuonna 2015 sovellettavaksi toimisto- ja teollisuussovelluksiin ennen kuin tarjotaan kotikäyttöön.

Kyse on ensimmäisestä TLED-tyypistä joka saavuttaa 200 lumenin rajan tinkimättä valon laadusta. Värilämpötila on 3000-4000 Kelviniä ja väri-indeksi yli 80.

Sinänsä yksittäisissä ledeissä esimerkiksi Cree on saavuttanut lumentason 276 per watti tutkimuslabrassaan. Värilämpötila oli 4400 Kelviniä.

Yksittäisistä ledeistä tehdyt loisteputket korvaavat lediputket ovat myös ylittäneet yli 100 lumenin tason. Mm kotimainen Valtavalo 119 lumenia per watti.

Huhtikuu 2013