Lysdiodene overtar

Mange tror fremtidens lyskilde er LED, eller Lys Emitterende (utstrålende) Dioder.

Prototyper på slike med hvitt lys har demonstrert et lysutbytte på hele 100 lm/W, men det er neppe noen endestasjon.

Forskerne i Philips tror vi vil se hvitt lys fra lysdioder med 150 lm/W i løpet av de neste ti årene, men sannsynligvis vil slike tall bety et kjølig, blålig lys. Dagens lysdioder med varmt hvitt lys ligger på mellom 25 og 30 lm/W.

Halvleder. En lysdiode er, som det fremgår av navnet en variant av en diode, med den forskjell at den sender ut lys. En diode er en slags strømsluse for strøm som bare leder strøm den ene veien. Den er et stykke halvledermateriale som er dopet med urenheter for å skape det som kalles en P-N forbindelse, der P-siden er anoden (pluss-siden) og N-siden er katoden (negativ-siden). Strøm flyter lett fra P til N, men ikke den andre veien.

Ladningsbærerne i en diode er elektroner og hull. Hullene beskriver ledige plasser for elektroner i elektronskallene i et P-dopet materiale, mens i det N-dopede materialet er det overskudd av elektroner.

Normalt vil elektronene i N-materialet fylle hullene i P-materialet rundt sonen der de møtes i dioden og skaper et isolasjonslag. Hvis det går en strøm der den negative siden kobles til N-siden, flyter strømmen gjennom dioden fordi isolasjonslaget fjernes.

De frie elektronene på N-siden frastøtes av den negative elektroden, mens de positive hullene på P-siden beveger seg andre veien. Hvis polariteten byttes opp, stopper strømmen fordi isolasjonssonen forsterkes enda mer.

Bli lys: De som husker fysikken fra skolen, vet at elektroner beveger seg rundt kjernen i atomet i ulike skall. Jo lenger ut fra kjernen, desto høyere energi har elektronene der de surrer rundt som planeter rundt sola. Når et elektron hopper til et lavere skall, frigjøres denne energien i form av et foton, altså lys. Og det er jo akkurat det som skjer når det går strøm i en diode. Frie elektroner faller inn i ledige hull i elektronskall, og fotoner frigjøres.

Alle halvlederdioder er egentlig lysdioder, men i vanlige dioder er ikke lyset synlig. For det første lyser de i det infrarøde området, og for det andre slipper ikke materialene gjennom lyset.

Ved å tilpasse materialvalget i lysdioden kan energifallet til elektronene reguleres, og det bestemmer frekvensen på fotonene og derfor fargen på lyset. Jo høyere energifall, desto høyere frekvens på lyset. Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) er veldig vanlig og brukes i røde og infrarøde områder.

En lang rekke materialer brukes for å få frem ulike frekvense. Avansert materialteknologi driver dette feltet fremover. Til og med diamant brukes for å få frem ultrafiolette lysdioder.



Hvitt lys

Det finnes ingen LED-lamper som sender ut hvitt lys. Før fantes det heller ikke blå lysdioder, bare grønne gule og røde. Det blå ble løsningen for hvitt lys. Den blå lysdioden dekkes med et fosforbelegg som absorberer en del av det blå lyset og fluoriserer med et bredt spektrum fra midten av det grønne til midten av det røde i spekteret for synlig lys.

Sammen med det blå lyset får vi da et hvitt lys. Dette er det samme trikset som brukes i lysstoffrør og i plasmaskjermer, men der er det et mer lavfrekvent ultrafiolett lys som får fosforet til å fluorisere.

Det finnes flere teknikker for å lage hvitt lys. En ny lovende metode utviklet ved Vanderbilt Universitetet i Nashville lager et varmt gulhvitt lys svært likt glødelamper.





Robust

En av de store fordelene med lysdioden er at den er solid. Den er ikke knuselig som glødelamper og lysstoffrør. Den tåler hardhendt behandling fordi det ikke er noen glødetråd som kan gå i stykker. Glødelamper har en levetid på rundt 2500 timer, og lysstoffrør holder fem til seks ganger så lenge, dog med synkende lysutbytte.

Det er barnemat mot hva lysdioder klarer. I dag klarer de fint 25.000 timer, enkelte holder opptil 100.000 timer. Disse tallene forbedres hvert år. Lysdiodene går ikke i stykker. Det som begrenser levetiden er fall i lysutbytte. Fremtidens belysningskilder kan bli en del av det faste elektriske opplegget i huset som aldri trenger pærebytte.

Størrelsen vil også gjøre slike lyskilder vesentlig mer fleksible. Kalde, intense og små lyskilder gir designerne nye muligheter.



Fargeskjermer

Blå lysdioder har også hatt en annen anvendelse. Såkalte organiske lysdioder brukes nå for å bygge fargeskjermer og er spådd en stor fremtid. I stedet for fargefiltre som i LCD-skjermer eller fosforpunkter som i plasmaskjermer eller katodestrålerør, brukes tett i tett med små organiske lysdioder i rødt, grønt og blått.

Slike OLED-skjermer som har dukket opp i noen digitalkameraer og lomme-TV-er er skarpere og bruker mindre strøm enn noen av de konkurrerende teknologiene, men produksjonen er helt i startfasen.

I den andre enden av størrelsesskalaen på gigantskjermer som ofte brukes på sportsstevner og konserter utendørs, finner vi også LED, men ikke O-varianten. Her har fargede lysdioder erstattet små lyspærer og gitt en enorm forbedring i både pålitelighet, strømforbruk og lysstyrke.



Lysende historie

Det er ingen tvil om at Thomas Alva Edison gjorde menneskeheten en stor tjeneste da han gav oss lyspæra i 1879. Men å bruke et hvitglødende metall (eller karbon, som de første lampene var laget av) for å produsere elektromagnetisk stråling i det synlige området er en svært lite effektiv måte å skape lys på.

Når elektroner bremses opp i glødetråden på denne måten, stimuleres (eksiteres) elektronene til å hoppe til et høyere elektronskall. Når de faller tilbake, slippes det fri et lysfoton, men det aller meste av energien blir til varme.

I tillegg blir levetiden på lampene kort. Jo bedre virkningsgrad, desto oftere må pærene skiftes på grunn av den høyere temperaturen i glødetråden. Bare rundt to prosent blir til lys.

Litt bedre er det for halogenvarianten som kryper opp i over 3,5 prosent, eller for å bruke den lm/w – lumen pr. watt, fra under 15 til over 25. Lumen er betegnelsen på lysmengden som produseres.

Lysstoffrøret som kom på markedet i 1938, har vesentlig bedre virkningsgrad og kommer opp i rundt 60 lm/w, men må også skiftes ut med regelmessige mellomrom.

I 1956 ble lysdioden funnet opp, men først på 70-tallet begynte man å anvende dem industrielt.