Prvního dubna tohoto roku přišel svět o jednoho z významných vědců a vynálezců. Ve věku 92 let zemřel Isamu Akasaki. Objev, na kterém se podílel, umožnil nástup nových ekologických zdrojů světla.
Japonský fyzik a profesor Nagojské univerzity Isamu Akasaki (1929 – 2021) stál od 80. let minulého století u série výzkumů, které vedly k vývoji modře svítící LED diody. V roce 2014 za tento objev obdržel společně s kolegy Hiroši Amanou (* 1960) a Šúdži Nakamurou (* 1954) Nobelovu cenu za fyziku. Jejich společný vynález, v kombinaci s již dříve vyvinutou technologií zelených a červených LED, umožnil vytvořit bílé světlo LED a v současnosti hraje důležitou roli zejména v oblasti náhrady běžných „Edisonových“ žárovek úspornými zdroji světla.
Neřešitelný problém
Základním materiálem pro výrobu modře svítivých diod LED (z anglického Light-Emitting Diode) je nitrid gallia (GaN), což je krystalický polovodičový materiál. Krystalická struktura GaN byla popsána už roku 1937. Počátkem 70. let 20. století se z ní začaly vyrábět LED nejprve červené, později žluté a zelené. Vývoj modrých LED však provázely komplikace. Pro dosažení dostatečně intenzivního a účinného modrého světla je totiž zapotřebí vysoce kvalitní vrstvy nitridu galia. Výroba takové vrstvy je však dodnes velice komplikovaná.
Isamu Akasaki se během dvou desítek let věnoval zdolávání právě tohoto technologického problému, který mnozí jeho kolegové považovali za neřešitelný. Z různých pramenů se lze dočíst, že právě Akasaki dokázal po celou dobu výzkumu shánět peníze na zdánlivě beznadějný výzkum. Sice prý sám nevyřešil všechny problémy, ale publikace jeho týmu, kde byl i kolega z Nagojské univerzity Hiroši Amano, pomohly připravit cestu dalšímu nositeli Nobelovy ceny, profesoru Kalifornské univerzity v Santa Barbaře Šúdži Nakamurovi. Ten nakonec v roce 1993 světu představil zářivě jasnou modrou diodu a o dva roky později také polovodičový laser. Základem byl složitý polovodičový „sendvič“ GaN obohacený o stopové množství india a hliníku.
Od modré k bílé LED
K emisi světla u LED dochází při zapojení P-N přechodu diody v propustném směru proudu, kdy volné elektrony přecházejí z části polovodičové struktury typu N do části typu P. Excitovaný volný elektron z části N zapadne do orbity atomu v polovodiči typu P, čímž se dostane na nižší energetickou hladinu a přebytečná energie se vyzáří ven z materiálu v podobě vlnění. Při vhodné volbě příměsí v polovodičovém materiálu je přebytečná energie vyzářena ve viditelném spektru jako nekoherentní světlo s úzkým vlnovým rozsahem.
Z principu funkce LED vyplývá, že nelze přímo emitovat bílé světlo.
Starší bíle zářící diody většinou využívají aditivní mísení tří
barev. Ty novější, bílé průhledné LED, emitují modré světlo, jehož
část je přímo na polovodiči luminoforem transformována na žluté světlo, a díky mísení těchto barev pak vzniká bílá. Jiné typy bílých LED
emitují ultrafialové záření, které je přímo na čipu luminoforem
transformováno na bílé světlo.
Světelnou LED diodu tvoří polovodič (čip) umístěný na kovovém držáku s přívody. Ten bývá překryt kulovým vrchlíkem z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Oproti jiným „klasickým“ elektrickým zdrojům světla (žárovka, výbojka apod.) mají LED výhodu, že pracují s poměrně malými hodnotami proudu a napětí.
Výsledky práce Isamu Akasakiho a jeho kolegů dnes využívá většina z nás v běžném každodenním životě. Úspěšné dokončení vývoje modré LED, a hlavně následné umožnění průmyslové výroby prvku s bílým světlem vedlo postupně ke snížení cen zdrojů světla. Dnes je významnou aplikací bílých LED nejen náhrada klasických žárovek, ale setkáme se s nimi též jako s různými světelnými zdroji v podobě podsvícení LCD zobrazovačů monitorů a televizních přijímačů.
Náhrada klasické žárovky za LED ovšem vyžaduje trochu jiný přístup. Jako všechny polovodičové součástky potřebují i LED chladit, aby teplota p-n přechodu nepřekročila zhruba 100 °C. Životnost čipů je velmi dlouhá (pokud mají zajištěno dostatečné chlazení), udává se až 100 000 hodin. Výrobci LED žárovek potom udávají životnost nejméně šest let nepřetržitého svícení.
Aktuálně je poměrně velké úsilí věnováno vývoji LED s vysokou intenzitou záření pro použití v dálkových světlometech automobilů. Na tom se podílejí i některá česká výzkumná pracoviště. A tak i do budoucna bude nepochybně zajímavé sledovat, kde všude ještě nalezne uplatnění vynález modré LEDky.
Zdroje:
Japanese Scientist Isamu Akasaki Helped Create LED Technology - WSJ. The Wall Street Journal - Breaking News, Business, Financial & Economic News, World News and Video [online]. Copyright ©2021 [cit. 23.04.2021]. Dostupné z: https://www.wsj.com/articles/japanese-scientist-isamu-akasaki-helped-create-led-technology-11617890401
LED diody: Nobelova cena a problémy s modrou barvou – Nazeleno.cz. Nazeleno.cz – Chytrá řešení pro každého [online]. Copyright © 2018 [cit. 23.04.2021]. Dostupné z: https://www.nazeleno.cz/led-diody-nobelova-cena-a-problemy-s-modrou-barvou.aspx
Příběh modré LEDky. Fyzikální ústav AV ČR. Copyright © 1998 [cit. 23.04.2021]. Dostupné z: https://www.fzu.cz/aktuality/pribeh-modre-ledky