Siirry pääsisältöön

Leditekniikan nopea kehitys hämmentää tutkijoitakin

Teksti: Sami Suihkonen, MIDE HighLight -projekti
Alkuperäinen artikkeli on julkaistu Sähköala-lehden numerossa 9/2011.

LED-tekniikka on nykyisin kasvavan kiinnostuksen kohteena ja siihen liittyy suuria odotuksia etenkin valaistuskäytössä. Vaikka ledien tekninen kehitys on ollut viime vuosina nopeaa, se ei osoita hiipumisen merkkejä.

Keksintönä LED on jo vanha. Ensimmäiset punaiset puolijohde-ledit valmistettiin laboratoriossa jo 1960-luvun alussa ja yleistyivät merkkivaloina muun muassa taskulaskimissa 70-luvulla. Punaisten puolijohde-ledien materiaalina käytettiin aluksi galliumarsenidin ja -fosfidin seosta. Näistä materiaaleista on mahdollista valmistaa komponentteja näkyvän punaisen valon sekä infrapunan alueelle. Myöhemmin galliumarsenidia alettiin seostaa indiumilla ja alumiinilla, jolloin ledien aallonpituutta pystyttiin lyhentämään näkyvän valon keltaiselle ja vihreälle alueelle.

Käytettävissä olevien materiaalien puute rajoitti pitkään ledien aallonpituutta. Läpimurto tapahtui vuonna 1993, jolloin Shuji Nakamura valmisti ensimmäisen galliumnitridipohjaisen sinisen ledin. Sininen led täydensi ledien väriskaalaa kattamaan koko näkyvän valon spektrin, sekä mahdollisti fosforipohjaiset valkoisen valon ledit. Galliumnitridipohjaisten ledien kaupallistaminen tapahtui nopeaan tahtiin 90-luvulla ja vuosituhannen vaihteessa ne löysivät tiensä jopa avaimenperiin. Punaisten ledien tehokkuus on viisinkertaistunut aina kymmenen vuoden välein 60-luvulta asti. Sama kehitys on nyt käynnissä valkoisen valon ledeillä.

Orgaanisten ledien käyttö vielä ongelmallista

Myös orgaanisille ledeille (OLED) on asetettu suuria odotuksia. Nykyisin OLED-paneeleja käytetään muun muassa näyttöjen taustavalaistuksessa. Valaistuskäytössä OLEDit mahdollistaisivat laajat tasaisesti valaisevat pinnat, joiden värilämpötilaa olisi mahdollista säätää portaattomasti.

OLEDit eroavat puolijohde-ledeistä valmistusmateriaalinsa osalta. Kun puolijohdeledi koostuu kiteisestä puolijohdemateriaalista, OLED rakentuu kahdesta elektrodikerroksesta, sekä niiden välisestä orgaanisesta polymeerikalvosta.

Tämä kerrosrakenne on valmistettu joko lasi- tai muovilevyn päälle. Orgaanisten polymeerien rajallinen elinikä, heikko valontuotto ja korkea hinta ovat kuitenkin ongelmia jotka nykyisin estävät OLEDien kaupallisen käytön yleisvalaistuksessa.

Energiatehokkuus paranee ledeissä

Kun verrataan eri valonlähteiden energiatehokkuuden historiallista muutosta, valkoisen valon ledin erittäin nopea kehitys erottuu selvästi. Ledien energiatehokkuus on ollut jo pitkään hehkulamppuja parempi. Arvioiden mukaan valkoisen valon ledien energiatehokkuuden teoreettinen maksimi on luokkaa 300 lm/W, joka on noin kolminkertainen verrattuna loisteputkiin.

Nykyiset markkinoilla olevat parhaat valkoisen valon ledit pääsevät noin 150 lm/W energiatehokkuuteen. Merkittävin teho-ledien hyötysuhdetta rajoittava tekijä ovat ongelmat lämmönhallinnassa. Lisäksi lämpimän valkoisen valon ledien energiatehokkuus on oleellisesti alhaisempi kuin kylmän valkoisten. Tämä johtuu lämpimän punaisen fosforikerroksen alhaisemmasta hyötysuhteesta.

Valaistuskäytössä ledien todellinen energiatehokkuus jää useita kymmeniä prosentteja komponenttien nimellisarvoja alhaisemmaksi johtuen virtalähteen ja optiikan aiheuttamista lisähäviöistä. Nykyisin suurimmat ongelmat ledien valaistuskäytössä ovat komponenttien korkea hinta, valkoisen valon laatu sekä rajallinen valoteho. Lisäksi ylisuuret odotukset ja lupaukset voivat pilata led-tekniikan mainetta.

Etenkin edullisimpien LED-valaisimien ominaisuudet eivät aina täysin vastaa niille asetettuja laatuvaatimuksia. Tämä yhdessä led-tekniikan suuren kiinnostuksen kanssa voi aiheuttaa karvaita pettymyksiä loppukäyttäjissä. Markkinoilla olevien ledien ja LED-valaisimien ominaisuudet paranevat kuitenkin jatkuvasti samalla, kun niiden hinta laskee.

Ensimmäisen punaisen ledin kehittänyt tutkija Nick Holonyak visioi jo vuonna 1962 tulevaisuuden valonlähteen olevan särkymätön kynän kärjen kokoinen siru, joka on 10-kertaa tehokkaampi kuin hehkulamppu. Tämä ennustus on nyt lähes 50 vuotta myöhemmin käymässä toteen.