Понимание эволюции и применения светоизлучающих диодов (LED)

DOI:

Эволюция светоизлучающих диодов (LED) является свидетельством изобретательности человека в использовании возможностей физики полупроводников. С момента своего зарождения и до сегодняшнего дня светодиоды не только освещают наш мир, но и освещают путь к устойчивым, энергоэффективным технологиям.

Исторический путь светодиодов берет свое начало от пионерских работ в области полупроводниковых материалов и электролюминесценции [1-3]. Хотя концепция появилась ещё в начале XX века, практическое применение началось только в 1960-х годах, ознаменовав наступление эпохи преобразований в технологии освещения. Этот переломный момент положил начало траектории развития, характеризующейся

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2023; 3(4) беспрецедентными достижениями в эффективности, цветовом диапазоне и долговечности.

Значение светодиодов в современных технологиях невозможно переоценить. Их появление ознаменовало наступление новой эры освещения, характеризующейся удивительной энергоэффективностью и долговечностью, превосходящей ограничения традиционных ламп накаливания и люминесцентных светильников. Их минимальное энергопотребление в сочетании с длительным сроком службы не только произвело революцию в освещении, но и стало решением для глобальных инициатив по энергосбережению и экологической устойчивости.

Помимо освещения, универсальность светодиодов привела к их интеграции в различные отрасли, от электроники до здравоохранения и от автомобилестроения до городской инфраструктуры. Их способность излучать свет в широком спектре открыла множество областей применения, позволяя внедрять инновации в дисплеи, вывески, системы связи и даже в сельскохозяйственную практику благодаря специализированному садоводческому освещению.

Цель данного исследования - глубже погрузиться в многогранную сферу светодиодов, изучить их историческую эволюцию, неотъемлемые свойства и далеко идущие последствия для современного общества. Изучая основополагающие аспекты светодиодной технологии, это исследование стремится прояснить факторы, определяющие их эффективность, влияние на окружающую среду их широкого распространения, и разнообразные приложения, которые продолжают переопределять отрасли.

Задачи исследования заключаются в следующем.

• 1.    Проанализировать историческую эволюцию и историческую траекторию развития светодиодов, выявить основные вехи и прорывы.

• 2.    Выполнить оценку энергоэффективности, то есть оценить потенциал энергосбережения и влияние на окружающую среду процесса внедрения светодиодных технологий по сравнению с традиционными источниками освещения.

• 3.    Исследовать универсальные области применения, в частности, исследовать расширяющиеся области применения светодиодов в различных отраслях промышленности и их потенциал для будущих инноваций.

• 4.    Понять фундаментальные свойства светодиодов, включая эффективность, цветовой диапазон и долговечность, способствующие всестороннему пониманию их работы.

Таким образом, данное исследование стремится отразить многогранную природу светодиодов, описав их исторический путь, экологические последствия и разнообразные области применения, тем самым внося вклад в коллективные знания и способствуя прогрессу в этой динамичной области новых технологий.

ИСТОРИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ РАЗВИТИЯ СВЕТОДИОДОВ

Ранние открытия и основы (1900-е - 1950-е гг.)

Открытие электролюминесценции (1907). Британский экспериментатор Х. Дж. Раунд наблюдал электролюминесценцию, экспериментируя с кристаллом карбида кремния и детектором из кошачьего уса [1].

Инфракрасная эмиссия (1950-е годы). Олег Лосев, российский ученый, независимо сообщил о явлении электролюминесценции в полупроводниковых материалах, продемонстрировав инфракрасную эмиссию в кристаллах арсенида галлия (GaAs) [1].

Изобретение первого видимого светодиода (1960-е - 1970-е годы)

Разработка светодиодов на основе арсенида галлия (1962). Ник Холоньяк-младший, работая в компании General Electric, изобрел первый практический светодиод видимого спектра, использующий фосфид арсенида галлия (GaAsP) для излучения красного света [1].

Введение других цветов (1970-е годы). Ученые расширили цветовые возможности светодиодов, введя зеленый (GaP) и желтый (GaAsP) светодиоды, что расширило их потенциальное применение [1].

Повышение эффективности и диверсификация (1980-е - 1990-е годы)

Голубые светодиоды (1990-е гг.). Прорывное изобретение Исаму Акасаки, Хироси Амано и Шуджи Накамура голубых светодиодов с использованием нитрида

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2023; 3(4) галлия (GaN) завершило спектр RGB, позволив создавать белый свет за счет смешивания цветов [1].

Белые светодиоды и смешивание люминофоров (1990-е годы). Разработка белых светодиодов с помощью методов смешивания люминофоров произвела революцию в освещении, позволив создать энергоэффективные альтернативы традиционным лампам накаливания и флуоресцентным лампам [1].

Достижения в области материалов и применения (2000-е гг. - настоящее время)

OLEDs and Display Technologie. Появление органических светоизлучающих диодов (OLEDs) позволило создать гибкие дисплеи с высоким разрешением и повышенной энергоэффективностью, что привело к инновациям в смартфонах, телевизорах и осветительных панелях [2].

Квантово-точечные светодиоды (QLEDs): квантово-точечные светодиоды, использующие полупроводниковые нанокристаллы, обеспечивают повышенную чистоту цвета, эффективность и потенциал для применения в высококачественных дисплеях и световых решениях.

Текущие инновации и перспективы

Миниатюризация и интеграция. Продолжающиеся усилия по миниатюризации, повышению эффективности и интеграции в различные приложения, включая автомобильное освещение, садоводческое освещение и медицинские приборы, продолжают расширять сферу применения светодиодных технологий.

Новые технологии. Исследования новых материалов, таких как перовскиты, и достижения в области нанотехнологий обещают дальнейшее повышение эффективности, цветового диапазона и экономичности, предвещая многообещающее будущее для светодиодной технологии.

ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ: СВЕТОДИОДЫ В СРАВНЕНИИ С ТРАДИЦИОННЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

Энергопотребление

Светодиоды: светодиоды отличаются высокой энергоэффективностью, обычно потребляя значительно меньше энергии, чем традиционные источники освещения. Они преобразуют бόльший процент энергии в свет, что приводит к снижению потерь энергии за счет рассеивания тепла. В среднем светодиоды потребляют на 75-80 % меньше энергии, чем лампы накаливания, и на 20-30 % меньше, чем компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), при этом обеспечивая эквивалентный или лучший световой поток.

Традиционное освещение: лампы накаливания и КЛЛ менее эффективны, так как значительная часть потребляемой энергии преобразуется в тепло, а не в свет. Лампы накаливания особенно неэффективны, поскольку около 90 % энергии излучается в виде тепла, а не видимого света [3].

Сравнение эффективности

Светодиоды: эффективность светодиодов измеряется в люменах на ватт (лм/Вт), что указывает на количество света, излучаемого на единицу потребляемой электроэнергии. Высококачественные светодиоды могут иметь эффективность 100 лм/Вт и выше, что свидетельствует об их превосходной эффективности.

Традиционное освещение: лампы накаливания имеют низкую эффективность, обычно в пределах 10-17 лм/Вт, в то время как лампы КЛЛ имеют более высокую эффективность - около 50-70 лм/Вт. Однако и те, и другие уступают по эффективности светодиодам [4].

Воздействие на окружающую среду

Для светодиодов можно отметить, что внедрение светодиодов вносит значительный вклад в энергосбережение и сокращение воздействия на окружающую среду. Снижение энергопотребления приводит к уменьшению выбросов парниковых газов, связанных с выработкой электроэнергии, что смягчает такие экологические последствия, как загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа.

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2023; 3(4)

Касаясь, традиционного освещения, следует отметить, что лампы накаливания из-за высокого энергопотребления и короткого срока службы вносят больший вклад в ухудшение состояния окружающей среды. Несмотря на относительно более высокую эффективность по сравнению с лампами накаливания, лампы КЛЛ содержат следовые количества ртути, что представляет опасность для окружающей среды при неправильной утилизации.

Резюме оценки

• 1.    Потенциал энергосбережения. Внедрение светодиодных технологий обеспечивает значительный потенциал энергосбережения, потенциально снижая потребление электроэнергии на освещение на 75-80% по сравнению с лампами накаливания и на 20-30% по сравнению с КЛЛ.

• 2.    Влияние на окружающую среду: внедрение светодиодов значительно сокращает выбросы парниковых газов и загрязнение окружающей среды, связанные с производством электроэнергии, внося положительный вклад в усилия по обеспечению устойчивого развития по сравнению с традиционными источниками освещения.

РАСШИРЯЮЩЕЕСЯ ПРИМЕНЕНИЕ СВЕТОДИОДОВ В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Освещение и светотехника

Общее освещение. Светодиоды широко используются в жилом, коммерческом и наружном освещении благодаря их энергоэффективности, долговечности и способности создавать различные цветовые температуры.

Архитектурное освещение. Светодиоды позволяют создавать динамичные и настраиваемые световые решения в архитектурных пространствах, обеспечивая акцентное освещение, изменение цвета и креативные инсталляции.

Дисплеи и визуальная коммуникация

Электронные дисплеи. Светодиодные дисплеи, включая светодиодные телевизоры, мониторы и цифровые вывески, обеспечивают высокую яркость, четкость и универсальность, революционизируя визуальную коммуникацию.

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2023; 3(4)

OLED-дисплеи. Это органические светодиодные дисплеи обеспечивают гибкость, тонкость и улучшенное качество изображения, прокладывая путь для изогнутых экранов, гибких дисплеев и носимых технологий.

Автомобильная промышленность

Автомобильные фары и задние фонари. Светодиоды стали стандартом в автомобильном освещении благодаря своей яркости, долговечности и гибкости дизайна, повышая безопасность и эстетику [5].

Внутреннее освещение автомобилей. Светодиодная технология обеспечивает внешнее освещение, панели приборов и акцентное освещение внутри транспортных средств, повышая удобство использования и энергоэффективность.

Здравоохранение и биотехнологии

Медицинские приборы. Светодиоды используются в медицинском оборудовании для фототерапии, хирургического освещения и диагностики благодаря точному регулированию длины волны и низкому тепловыделению [6].

Биотехнология. Светодиодная технология помогает в исследованиях и разработках, облегчая эксперименты в оптогенетике, флуоресцентной микроскопии и секвенировании ДНК.

Садоводство и сельское хозяйство

Специальные агротехнологические светильники нашли широкое применение для выращивания сельхозпродукции. Светодиоды обеспечивают индивидуальные решения для освещения помещений, вертикального земледелия и выращивания в теплицах, оптимизируя рост растений за счет регулировки спектра и интенсивности света.

Связь и зондирование

Технология Li-Fi. Светодиоды используются для передачи данных по Li-Fi, обеспечивая высокоскоростную беспроводную связь посредством модулированных световых волн [7].

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2023; 3(4)

Датчики и извещатели. Для этих целей светодиоды, интегрированные с датчиками, находят применение в мониторинге окружающей среды, обнаружении движения и интеллектуальных устройствах для различных отраслей промышленности.

ПОТЕНЦИАЛ ДЛЯ БУДУЩИХ ИННОВАЦИЙ

Усовершенствованное управление освещением

Развитие интеллектуальных систем освещения. Современная интеграция с IoT позволяет осуществлять интеллектуальное управление освещением, обеспечивая персонализированное освещение, оптимизацию энергопотребления и удаленное управление.

Приложения для здоровья и оздоровления

Данное приложение включает освещение, ориентированное на человека. То есть, светодиоды могут быть адаптированы для имитации естественного дневного света, влияя на циркадные ритмы человека, настроение и продуктивность.

Новые технологии

Микро-светодиоды. Достижения в технологии микро-светодиодов способствуют миниатюризации, появлению дисплеев с высоким разрешением и новых приложений в дополненной реальности (AR), а также в виртуальной реальности (VR).

Устойчивые решения

Сбор и накопление энергии. Светодиоды, интегрированные с технологиями сбора энергии, могут проложить путь к решениям для освещения с автономным питанием в отдаленных районах или вне сети.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТОДИОДОВ

Эффективность

Эффективность преобразования энергии. Светодиоды высокоэффективны при преобразовании электрической энергии в видимый свет. Их эффективность измеряется

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2023; 3(4) отношением излучаемого светового потока (люмен) к потребляемой электрической мощности (ваттам), часто выражаемым в люменах на ватт (лм/Вт). Высококачественные светодиоды могут достигать эффективности 100 лм/Вт и более [8].

Рассеивание тепла. Светодиоды выделяют минимальное количество тепла по сравнению с традиционными источниками освещения. Их способность преобразовывать более высокий процент энергии в свет, а не в тепло, способствует их энергоэффективности и долговечности.

Цветовая гамма и спектральные характеристики

Цветовое излучение. Светодиоды предлагают разнообразную цветовую гамму за счет различных материалов и добавок, используемых в их конструкции. Это позволяет производить светодиоды, излучающие различные цвета в видимом спектре, включая красный, зеленый, синий и их комбинации, облегчая создание белого света [4].

Индекс цветопередачи (CRI). Индекс CRI измеряет способность источника света точно передавать цвета по сравнению с естественным освещением. Высококачественные светодиоды часто имеют высокий коэффициент цветопередачи, обеспечивающий лучшую цветопередачу и четкость изображения.

Прочность и долговечность

Срок службы. Светодиоды обладают увеличенным сроком службы по сравнению с традиционными источниками освещения. Их долговечность обеспечивает непрерывную работу в течение десятков тысяч часов, снижая затраты на техническое обслуживание и частоту замен [8].

Факторы окружающей среды. Светодиоды менее чувствительны к таким факторам окружающей среды, как вибрация и колебания температуры, по сравнению с лампами накаливания или люминесцентными лампами, что способствует их долговечности в различных условиях [9].

Эксплуатация и технология

Электролюминесценция. Светодиоды работают по принципу электролюминесценции, при котором движение электронов через полупроводниковый переход генерирует фотоны, приводящие к излучению света.

Материалы. Для изготовления используются различные полупроводниковые материалы (такие как нитрид галлия, арсенид галлия и нитрид индия-галлия), а легирующие добавки определяют цвет и эффективность излучения светодиодов.

Дизайн и структура

Светодиодные компоненты. Светодиоды обычно состоят из полупроводникового чипа, размещенного на теплопроводящей подложке, заключенного в линзу для управления направленностью света [9].

Схемы драйвера. Правильные схемы драйвера имеют решающее значение для поддержания эффективности светодиода и регулирования подачи питания, обеспечивая стабильную и оптимальную работу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование светоизлучающих диодов (LED) охватывает не только эволюцию технологии освещения, но и открывает путь к инновациям с далеко идущими последствиями для различных отраслей промышленности. От своего появления до широкой интеграции в современные приложения светодиоды изменили процесс освещения, коммуникации и многое другое. Историческая траектория светодиодов, отмеченная ключевыми вехами и прорывами, демонстрирует неустанное стремление к эффективности, расширению цветовой гаммы и долговечности. Путь от первого видимого светодиода до появления OLED и QLED подчеркивает постоянное инновационное развитие.

Представленная в работе оценка показывает беспрецедентную эффективность светодиодов, обеспечивающих существенную экономию энергии и экологические преимущества по сравнению с традиционными источниками освещения. Их разнообразная цветовая гамма, высокая эффективность и длительный срок службы делают их незаменимыми в различных областях применения: от освещения и дисплеев до здравоохранения и сельского хозяйства. Заглядывая в будущее, можно сказать, что будущее светодиодов сулит дальнейшие инновации. Передовые системы управления освещением, приложения, ориентированные на человека, и новые технологии, такие как микро-светодиоды, указывают на фазу преобразований, в первую очередь, в решениях для освещения и дисплеев. Потенциал для сбора энергии и устойчивых решений

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2023; 3(4) указывает на путь к экологически чистым альтернативам освещения с автономным питанием. Универсальное применение светодиодов в различных отраслях промышленности - в архитектуре, автомобилестроении, здравоохранении, связи и за ее пределами - подчеркивает их адаптивность и преобразующее воздействие. Их фундаментальные свойства, включая эффективность, цветовую гамму и долговечность, открывают путь для постоянного совершенствования и новых применений.

В заключение следует отметить, что изучение светодиодов не только проясняет их внутренние свойства и принципы работы, но и является маяком инноваций, стимулирующих устойчивые, эффективные и универсальные решения. Поскольку исследования и разработки продолжают стимулировать эволюцию светодиодных технологий, их повсеместное влияние во всех отраслях промышленности и потенциал для дальнейших инноваций остаются ключевыми в формировании более экологичного и энергоэффективного будущего.