LED технологийн цаадах шинжлэх ухаан: LED хэрхэн ажилладаг вэ?

[Танилцуулга]

Орчин үеийн ертөнцөд LED технологи нь хаа сайгүй байдаг. Энэ нь бидний гэр, машин, гудамж, тэр ч байтугай электрон төхөөрөмжүүдийг гэрэлтүүлдэг. Гэхдээ уламжлалт гэрэлтүүлгийн эх үүсвэртэй харьцуулахад LED нь юугаараа ийм үр ашигтай, удаан эдэлгээтэй байдаг талаар та бодож байсан уу? Хариулт нь эдгээр өчүүхэн атлаа хүчирхэг гэрлийн эх үүсвэрүүдийн цаана байгаа гайхалтай шинжлэх ухаанд оршдог. LED хэрхэн ажилладаг, яагаад гэрэлтүүлгийн салбарт хувьсгал хийснийг олж мэдэхийн тулд энэ нийтлэлийг уншина уу.

LED технологийн үндэс

Гэрэл ялгаруулагч диодууд нь ихэвчлэн LED гэж нэрлэгддэг бөгөөд цахилгаан гүйдэл дамжин өнгөрөх үед гэрэл үүсгэдэг хагас дамжуулагч төхөөрөмж юм. Судасыг халаах замаар гэрэл үүсгэдэг уламжлалт улайсгасан чийдэнгээс ялгаатай нь LED нь хагас дамжуулагч материалын нүхтэй электронууд дахин нэгдэх үед фотон ялгаруулдаг электролюминесценцээр дамжуулан гэрэл үүсгэдэг. Энэхүү үндсэн ялгаа нь LED-ийн өндөр үр ашиг, бат бөх чанарыг өгдөг зүйл юм.

LED нь хагас дамжуулагч материалын хоёр давхаргаас бүрддэг - p ба n төрлийн. p төрлийн давхаргад эерэг цэнэг зөөгч (нүх), харин n төрлийн давхарга нь сөрөг цэнэг зөөгч (электрон) агуулдаг. Хүчдэл өгөх үед n төрлийн давхаргын электронууд p төрлийн давхарга руу шилжиж, нүхнүүдтэй дахин нэгддэг. Энэхүү рекомбинац нь бидний харж буй гэрэл болох фотон хэлбэрээр энерги ялгаруулдаг.

LED-ийн үр ашиг нь бараг бүх цахилгаан энергийг гэрэл болгон хувиргах чадвараас үүдэлтэй бөгөөд хамгийн бага энергийг дулаан болгон үрдэг. Энэ нь эрчим хүчний ихээхэн хэсэг нь дулаан болж алдагддаг улайсдаг чийдэнгээс ихээхэн давуу тал юм. Цаашилбал, улайсдаг чийдэнгийн 1000 цагийн ашиглалтын хугацаатай харьцуулахад LED нь илүү урт буюу 25,000-50,000 цагаас илүү байдаг.

LED дахь хагас дамжуулагчийн үүрэг

LED технологийн гол цөм нь галли, хүнцэл, фосфор зэрэг элементүүдээс бүрддэг хагас дамжуулагч материал юм. Эдгээр материалыг стратегийн хувьд сонгож, LED-ийн хүссэн өнгө, үр ашгийг бий болгохын тулд удирддаг.

Хагас дамжуулагч материал нь хольцтой хольцтой үед цахилгааны өвөрмөц шинж чанарыг харуулдаг. LED-ийн хувьд энэхүү допингийн процессыг өмнө дурдсан p-type болон n-type давхаргыг бий болгоход ашигладаг. Хагас дамжуулагч материалын сонголт ба допингийн элементүүд нь LED-ийн долгионы урт, улмаар түүний өнгийг тодорхойлдог. Жишээлбэл, галлийн нитридын (GaN) хослол нь цэнхэр эсвэл ногоон LED үүсгэж чаддаг бол галлийн арсенид (GaAs) нь улаан LED-д ашиглагддаг.

LED дахь хагас дамжуулагч материалын нэг чухал тал бол зурвасын энерги буюу валентын зурвас ба дамжуулалтын зурвасын хоорондох энергийн ялгаа юм. Хамгаалалтын энерги нь ялгарах гэрлийн өнгийг тодорхойлдог. Жижиг зурвас нь урт долгионы урт (улаан гэрэл) үүсгэдэг бол том зурвас нь богино долгионы урт (цэнхэр эсвэл хэт ягаан туяа) үүсгэдэг. Материалын сонголт, допинг ашиглан туузан дамжуулалтын энергийг нарийн хянаснаар үйлдвэрлэгчид янз бүрийн өнгөт LED, тэр ч байтугай цагаан гэрлийг үйлдвэрлэх боломжтой.

LED-ийн үр ашиг, гүйцэтгэл нь хагас дамжуулагч материалын чанараас ихээхэн хамаардаг. Хамгийн бага согогтой өндөр цэвэршилттэй материалууд нь электрон нүхний илүү сайн рекомбинацийг бий болгож, илүү тод, үр ашигтай гэрлийн гаралтыг бий болгодог. Хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлийн технологийн дэвшил нь LED-ийн гүйцэтгэл, боломжийн үнэ цэнийг сайжруулж, өргөн хүрээний хэрэглээнд ашиглах боломжтой болгож байна.

LED хэрхэн өөр өөр өнгө үүсгэдэг

LED-ийн хамгийн гайхамшигтай шинж чанаруудын нэг бол өргөн хүрээний өнгө гаргах чадвар юм. Энэ чадвар нь ашигласан хагас дамжуулагч материалын шинж чанар, тэдгээрийг үйлдвэрлэхэд ашигласан тодорхой процессоос үүсдэг.

Өмнө дурьдсанчлан, хагас дамжуулагч материалын зурвасын энерги нь ялгарах гэрлийн өнгийг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Төрөл бүрийн хагас дамжуулагч нэгдлүүд болон допингийн элементүүдийг сонгосноор үйлдвэрлэгчид харагдахуйц спектрийн дагуу янз бүрийн долгионы урттай гэрлийг ялгаруулдаг LED бүтээж чадна. Жишээ нь:

- Улаан LED: Галлийн арсенид (GaAs) эсвэл хөнгөн цагаан галлийн арсенид (AlGaAs) зэрэг материалаар хийгдсэн.

- Ногоон LED: Ихэвчлэн индий галлийн нитрид (InGaN) эсвэл галлийн фосфид (GaP) ашигладаг.

- Цэнхэр LED: Ихэнхдээ галлийн нитрид (GaN) эсвэл индий галлийн нитрид (InGaN) -аар бүтээгддэг.

Нэг өнгийн LED-ээс гадна цагаан өнгийн LED нь янз бүрийн арга замаар бий болдог. Нэг түгээмэл арга бол фосфорын материалаар бүрсэн цэнхэр LED ашиглах явдал юм. LED-ээс ялгарах цэнхэр гэрэл нь фосфорыг өдөөж, шар гэрлийг ялгаруулдаг. Цэнхэр, шар өнгийн гэрлийн хослол нь цагаан гэрлийг мэдрэхэд хүргэдэг. Өөр нэг арга бол улаан, ногоон, цэнхэр (RGB) LED-ийг нэг багцад нэгтгэж, өөр өөр температур, өнгөний цагаан гэрлийг бий болгохын тулд өнгө бүрийг нарийн хянах боломжийг олгодог.

Түүнчлэн квант цэгийн технологийн сүүлийн үеийн дэвшил нь LED-ийн өнгөний чадварыг улам өргөжүүлсэн. Квантын цэгүүд нь гэрлийн эх үүсвэрээр өдөөгдсөн үед тодорхой долгионы урттай гэрлийг ялгаруулж чаддаг нано хэмжээний хагас дамжуулагч хэсгүүд юм. Квантын цэгүүдийг LED-д нэгтгэснээр үйлдвэрлэгчид илүү өндөр өнгөний нарийвчлал, үр ашигтай байдлыг бий болгож, LED-ийг дэлгэцийн дэлгэц, гэрэлтүүлэг зэрэг хэрэглээнд илүү уян хатан болгодог.

LED гэрэлтүүлгийн давуу тал

LED гэрэлтүүлэг нь уламжлалт гэрэлтүүлгийн технологитой харьцуулахад олон давуу талтай тул өргөн тархсан болсон. Эдгээр давуу талууд нь эрчим хүчний хэмнэлт, урт наслалт, байгаль орчинд үзүүлэх нөлөө, олон талт байдлыг хамардаг.

Эрчим хүчний хэмнэлт: LED нь эрчим хүчний онцгой хэмнэлтээрээ алдартай. Тэд улайсдаг чийдэнтэй харьцуулахад цахилгаан эрчим хүчний ихээхэн хувийг гэрэл болгон хувиргадаг бөгөөд энэ нь эрчим хүчний ихээхэн хэсгийг дулаан болгон үрдэг. Энэ үр ашиг нь эрчим хүчний хэрэглээг бууруулж, хэрэглэгчдийн цахилгааны төлбөрийг бууруулдаг. Жишээлбэл, LED чийдэн нь улайсдаг чийдэнтэй ижил хэмжээний гэрлийг бий болгож, эрчим хүчний багахан хэсгийг ашиглаж болно.

Урт наслалт: LED-ийн ашиглалтын хугацааг уртасгах нь бас нэг онцлог шинж чанар юм. Улайсдаг чийдэн нь ихэвчлэн 1000 цаг, авсаархан флюресцент чийдэн (CFL) 8000 цаг орчим ажилладаг бол LED нь 25,000-аас 50,000 цаг ба түүнээс дээш хугацаанд ажиллах боломжтой. Энэхүү урт наслалт нь чийдэнг солих давтамжийг бууруулж, LED нь урт хугацаанд зардал багатай гэрэлтүүлгийн шийдэл болгодог.

Байгаль орчинд үзүүлэх нөлөө: LED нь хэд хэдэн шалтгааны улмаас байгаль орчинд ээлтэй байдаг. Нэгдүгээрт, тэдгээр нь CFL-д байдаг мөнгөн ус шиг аюултай бодис агуулаагүй болно. Хоёрдугаарт, тэдний эрчим хүчний хэмнэлт нь хүлэмжийн хийн ялгаруулалтыг бууруулж, нүүрстөрөгчийн ул мөр, байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөллийг бууруулахад хувь нэмэр оруулдаг. Гуравдугаарт, LED-ийн урт наслалт нь хаягдсан чийдэнг цөөлж, электрон хог хаягдлыг бууруулдаг.

Олон талт байдал: LED нь маш уян хатан бөгөөд орон сууцны болон худалдааны гэрэлтүүлгээс автомашин, үйлдвэр, гаднах гэрэлтүүлэг хүртэл өргөн хүрээний хэрэглээнд ашиглаж болно. Тэдгээр нь янз бүрийн хэлбэр, хэмжээ, өнгөөр ​​ирдэг бөгөөд янз бүрийн хэрэгцээг хангадаг. Цаашилбал, LED нь дулаацах хугацаа шаарддаг бусад гэрэлтүүлгийн технологиос ялгаатай нь хялбархан бүдгэрч, агшин зуурын гэрэлтүүлгийг санал болгодог.

Бат бөх чанар: LED нь утас, шил гэх мэт эмзэг бүрэлдэхүүн хэсэггүй хатуу төлөвт гэрэлтүүлгийн төхөөрөмж юм. Энэхүү бат бөх чанар нь тэднийг цочрол, чичиргээ, гадны нөлөөнд илүү тэсвэртэй болгож, хатуу ширүүн орчин, гадаа ашиглахад тохиромжтой.

Хянах чадвар: LED гэрэлтүүлгийг бүдгэрүүлэх, өнгө тохируулах, ухаалаг гэрэлтүүлгийн систем гэх мэт дэвшилтэт технологиудыг ашиглан хялбархан удирдаж болно. Энэхүү хяналтын түвшин нь хэрэглэгчдэд гэрэлтүүлгийг өөрсдийн шаардлагад нийцүүлэн тохируулах, тав тух, бүтээмжийг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог.

LED технологийн ирээдүйн чиг хандлага ба шинэчлэл

LED технологи үргэлжлэн хөгжиж байгаа тул сэтгэл хөдөлгөм чиг хандлага, шинэчлэлүүд гэрэлтүүлгийн ирээдүйг тодорхойлж байна. Эдгээр дэвшил нь илүү үр ашигтай, олон талт байдал, орчин үеийн технологитой нэгдэх боломжийг амлаж байна.

Ухаалаг гэрэлтүүлэг: Ухаалаг технологитой LED-ийг нэгтгэх нь гэрэлтүүлгийн системтэй харилцах аргад хувьсгал хийж байна. Ухаалаг LED-ийг ухаалаг утас, дуут туслах, автоматжуулалтын платформоор дамжуулан алсаас удирдах боломжтой. Хэрэглэгчид гэрэл гэгээ, өнгө, хуваарийг тохируулах боломжтой бөгөөд хувийн гэрэлтүүлгийн орчинг бий болгох боломжтой. Ухаалаг гэрэлтүүлгийн системүүд нь хөдөлгөөн мэдрэгч, дасан зохицох гэрэлтүүлэг зэрэг эрчим хүч хэмнэдэг функцуудыг санал болгодог бөгөөд энэ нь хүн ам, байгалийн гэрлийн түвшинд тулгуурлан тохируулагддаг.

Хүн төвтэй гэрэлтүүлэг: Хүнд чиглэсэн гэрэлтүүлэг нь сайн сайхан байдал, бүтээмжийг нэмэгдүүлэхийн тулд байгалийн өдрийн гэрлийг дуурайхад чиглэдэг. LED-уудыг өдрийн турш өнгөний температур, эрчмийг өөрчлөхийн тулд бидний циркадын хэмнэлтэй нийцүүлэн програмчилж болно. Энэ арга нь ялангуяа гэрэлтүүлэг нь сэтгэлийн байдал, нойр болон эрүүл мэндэд нөлөөлдөг оффисын өрөө, эрүүл мэндийн байгууллага, орон сууцны орчинд ашигтай байдаг.

Micro-LED: Micro-LED технологи нь дэлгэц, гэрэлтүүлэгт хувьсгал хийх амлалт өгч буй шинэ чиг хандлага юм. Микро LED нь жижиг хэмжээтэй, үр ашигтай бөгөөд дээд зэргийн тод байдал, өнгөний нарийвчлалыг санал болгодог. Тэдгээрийг өндөр нарийвчлалтай дэлгэц, нэмэгдүүлсэн бодит байдал (AR) төхөөрөмж, гэрэлтүүлгийн дэвшилтэт шийдэлд ашиглах зорилгоор судалж байна.

Quantum Dot LEDs (QLEDs): Quantum Dot технологи нь LED-ийн өнгөний гүйцэтгэлийг сайжруулж байна. QLED нь квант цэгүүдийг ашиглан нарийвчлалтай, тод өнгө гаргахад ашигладаг бөгөөд энэ нь өндөр нарийвчлалтай дэлгэц болон өнгөний нарийвчлал шаарддаг гэрэлтүүлгийн хэрэглээнд тохиромжтой.

Тогтвортой байдал: Тогтвортой байдал нь LED инновацийн гол хөшүүрэг хэвээр байна. Судлаачид илүү байгальд ээлтэй материал, LED гэрлийн хүрээлэн буй орчны ул мөрийг багасгахын тулд үйлдвэрлэлийн процессыг боловсруулахаар ажиллаж байна. Үүнд органик нэгдлүүдийг ашиглан гэрэл ялгаруулах органик LED (OLED) технологийг судлах зэрэг орно.

Мэдрэгчийг нэгтгэх: Мэдрэгчээр тоноглогдсон LED нь хүрээлэн буй орчны талаархи мэдээллийг цуглуулах боломжтой. Энэхүү чадвар нь гудамжны гэрэлтүүлгийн гэрэлтүүлгийг замын хөдөлгөөний нөхцөл байдалд тулгуурлан тохируулах боломжтой ухаалаг хотууд, аж үйлдвэрийн тохиргоо, гэрэлтүүлэг нь хүн ам, үйл ажиллагаанаас хамааран эрчим хүчний хэрэглээг оновчтой болгох зэрэг хэрэглээний боломжийг нээж өгдөг.

[Дүгнэлт]

Дүгнэж хэлэхэд, LED технологийн цаадах шинжлэх ухаан нь хүний ​​оюун ухаан, шинийг санаачлагчийн гэрч юм. Хагас дамжуулагчийн үндсэн зарчмуудаас эхлээд тод өнгө үүсгэх, LED-ийн санал болгодог олон давуу тал хүртэл энэхүү технологи нь бидний ертөнцийг гэрэлтүүлэх арга замыг өөрчилсөн. Бидний ирээдүйг харахад LED технологийн тасралтгүй дэвшил нь ухаалаг гэрэлтүүлгээс тогтвортой шийдлүүд хүртэл илүү сонирхолтой боломжийг амлаж байна.

Гэрэлтүүлгийн системийн ашиглалтын хугацааг уртасгах, эрчим хүчний хэрэглээг багасгах, эсвэл хүн төвтэй гэрэлтүүлгээр бидний амьдралын чанарыг сайжруулахад LED нь удаашрах шинж тэмдэггүй гэрэлтүүлгийн хувьсгалын тэргүүн эгнээнд явж байна.