Doba LEDová

Úžas, obdiv a okouzlení novou technikou se už v 21. století příliš nevyskytuje. Novinky se hrnou stále rychlejším tempem. Ze všech stran nás obklopují různé „chytré mašinky“, útočí na naši pozornost a kradou nám čas. Proto k nim mnohdy zaujímáme skepticky opatrný až obranný postoj. Často už ani nevnímáme, jaké novinky se zase objevily. Zásadních trendů si ale nemůžeme nevšimnout. Snad každý například pocítil, že v posledním desetiletí došlo k zásadní změně telefonie a ta spolu s dostupností internetu rozvrátila staré formy komunikace. Kdy naposledy jste dostali nebo poslali dlouhý ručně psaný dopis?

Podobně zásadní změna se vloudila i do techniky osvětlování. Ano, většinu lidí v této souvislosti napadne, jak nám ti zlovolní úředníci z Bruselu postupně zakazují staré dobré žárovky a místo toho nám vnucují drahé úsporky, co většinou nevydrží po deklarovanou dobu životnosti… a teď si vymysleli ty ještě mnohem dražší LED žárovky. Jistěže zákazy (byť se třeba označují jako „směrnice“) nenavozují dobrý vztah k novému svítidlu. Můžeme proti tomu bojovat, nakoupit zásoby žárovek na celý život nebo označit žárovky jako „tepelný zdroj“ a dovézt je z Číny... Můžeme s tím nesouhlasit, brblat a trucovat... ale to je tak všechno, co s tím můžeme dělat. Revoluce v osvětlování je tu!

Princip LED svítidel

Svítivá dioda neboli LEDka (zkratka z anglického označení Light-Emitting Diode) je malinká polovodičová součástka obvykle s plochou maximálně pár milimetrů čtverečních (a klasicky zalitá v plastovém pouzdře se dvěma „nožičkami“). Nebudeme se zde podrobně zabývat jejími fyzikálními principy (jejich vysvětlení lze nalézt i ve středoškolských učebnicích fyziky). Pro další čtení postačí vědět, že polovodičová dioda – i ta svítivá – je založena na „spojení“ dvou typů polovodičů, z nichž jeden má přebytek kladných a druhý záporných nábojů, které se získají zavedením vhodných příměsí do polovodičového krystalu. Tomu se říká polovodič p-typu a n-typu a jejich spojení vytváří p-n přechod. Připojením stejnosměrného proudu na součástku dochází v oblasti přechodu k „zářivé rekombinaci“ kladných a záporných nábojů a vznikají fotony světla. Tomuto jevu se říká injekční elektroluminiscence a barva vyzářeného světla je dána složením použitého polovodiče (tím, jakou má šířku tzv. pásu zakázaných energií) a je poměrně „monochromatická“.

Pokud chceme získat z LEDek bílé světlo se širokým spektrem vhodným k běžnému osvětlování, máme v zásadě dvě možnosti:

1. Seskupíme dohromady LEDky různých barev (nejčastěji červenou, zelenou a modrou – RGB – red, green, blue) nebo

2. přeměníme část fotonů z modré diody na fotony delších vlnových délek (žluté, oranžové nebo červené) pomocí luminoforů, a tím pokryjeme dostatečnou část viditelného spektra. Tato druhá možnost tedy využívá jev fotoluminiscence (luminiscence vyvolaná pohlcením světla) podobně jako v zářivkách, kde se přeměňuje ultrafialové a modré světlo z výboje v parách rtuti luminiscencí luminoforu naneseného na vnitřní straně baňky.

Zkrátka LEDky jsou založeny na jevech elektroluminiscence a fotoluminiscence. Připomeňme, že luminiscence (ve starší české literatuře označovaná jako „světélkování“) se definuje jako „nerovnovážné záření, vysílané tělesem navíc oproti rovnovážnému tepelnému záření (popsanému Planckovým zákonem)“.¹⁾ Z toho jasně plyne, že podmínkou luminiscence je uvedení látky do nerovnovážného stavu - vybuzení (excitace), které může mít různý původ: elektrický proud (elektroluminiscence), chemické reakce (chemiluminiscence a bioluminiscence), pohlcení světla (fotoluminiscence), tření (triboluminiscence), zvukové vlnění (sonoluminiscence) atd. Luminiscenci se také říká studené světlo, aby se zdůraznila zásadní odlišnost od záření tepelného, na kterém je založena žárovka – elektrickým proudem rozžhavený drátek (obvykle wolframový) skrytý v baňce s vakuem či inertním plynem o nízkém tlaku, zabraňujícím shoření vlákna i přílišnému zahřátí baňky.

Stručná historie svítivých diod

Celá historie elektrického osvětlení (podobně jako u jiných oborů techniky) je fascinujícím příběhem vědeckého, technického a podnikatelského úsilí. Ponechme stranou již vícekrát popsané příběhy obloukovky, žárovky, zářivky – Edisona, Křižíka, Jabločkova a dalších – a soustřeďme se pouze na lumidky (viz text v rámečku).

Vznik prvních svítivých diod je spojen s obrovským rozvojem polovodičového výzkumu v padesátých letech 20. století po objevu tranzistoru (1947) a poněkud překvapivě také s vynálezem laseru.²⁾ Prvními podrobně zkoumanými polovodiči byly germanium a křemík, z nichž byly vyráběny první součástky – tranzistory a diody. Hledaly se však i jiné polovodičové materiály, které by lépe vyhovovaly pro určité aplikace, a mezi nimi byl asi nejvýznamnější arsenid gallitý (GaAs). Ke vzniku prvních LEDek pak pomohla i náhoda, která ovšem přeje připraveným. Těmi byli Robert H. Rediker a kolegové v Lincolnově laboratoři na MIT (Massachusetts Institute of Technology), kteří začali zkoumat GaAs s cílem vyrobit diody s velmi rychlým spínáním, což se posléze podařilo. Nicméně pro pochopení jistých rozdílů mezi vyrobenými diodami se vědci rozhodli využít měření elektroluminiscence.

Rediker popsal tento klíčový bod takto (volný překlad podle³⁾): „Rozhodl jsem se, že bychom měli diagnostikovat naše dva typy GaAs diod pomocí luminiscence při teplotě 77 K [teplota kapalného dusíku]. [...] Našli jsme kolegu, který měl spektrometr, a když jsme pak měřili luminiscenci [...], výstup z detektoru zcela zahltil zapisovač. Rozsah zapisovače musel být zvýšen nejméně o tři řády a štěrbiny spektrometru zavřeny téměř na nulu, aby se signál zobrazil. Tak jsme objevili vysoce účinnou elektroluminiscenci [...] a uvědomili jsme si, že by mělo být možné na tomto základě udělat laser... Práce pak byla prezentována na Solid-State Device Research Conference v červnu 1962 [...], odkud i další badatelé odjeli s přesvědčením, že polovodičový laser z GaAs je možný. Tak byl odstartován laserový závod, ovšem my jsme o tom nevěděli, a tak jsme nepostupovali tak rychle, jak by bylo bývalo možné.“

Zde se nám tedy objevuje avizovaný laser. V té době byly lasery obrovským hitem – první laser (z krystalu rubínu Al₂O₃ : Cr³⁺, buzený bleskovou výbojkou) byl sestrojen v roce 1960 Theodorem H. Maimanem v Hughesových výzkumných laboratořích. Jakmile se tedy objevila naděje na výrobu nového typu laseru z polovodiče, rozběhl se „tajný“ závod, kdo to dokáže jako první.

A závod to byl opravdu rychlý – ještě během listopadu a prosince 1962 publikovaly čtyři nezávislé skupiny − dvě z General Electric (GE), po jedné z MIT a z International Business Machines (IBM) − články o svých polovodičových laserech! První z nich sice nebyly příliš praktické (pracovaly pouze za kryogenních teplot – v kapalném dusíku), ale ukazovaly cestu k miniaturním laserovým zdrojům, nesrovnatelně menším a praktičtějším, než byly tehdy převládající plynové lasery (s trubicemi o délce desítek cm až jednotek metrů). V dalších letech šel pokrok polovodičových laserů ruku v ruce s rychlým pokrokem polovodičových technologií.