Doba LEDová aneb Jak svítivé diody za padesát let dozrály k zásadní změně osvětlovací techniky

Transkript

1 optika Tisíc vynálezů udělalo krach hvězdy nevyšinuly se z věčných drah pohleďte jak tisíc lidí klidně žije ne to není práce ani energie je to dobrodružství jako na moři uzamykati se v laboratoři Vítězslav Nezval: Edison, Praha 1928 Doba LEDová aneb Jak svítivé diody za padesát let dozrály k zásadní změně osvětlovací techniky Jan Valenta Ivan Pelant 1) I. Pelant a J. Valenta: Luminiscenční spektroskopie I., Academia, Praha Úžas, obdiv a okouzlení novou technikou se už v 21. století příliš nevyskytuje. Novinky se hrnou stále rychlejším tempem. Ze všech stran nás obklopují různé chytré mašinky, útočí na naši pozornost a kradou nám čas. Proto k nim mnohdy zaujímáme skepticky opatrný až obranný postoj. Často už ani nevnímáme, jaké novinky se zase objevily. Zásadních trendů si ale nemůžeme nevšimnout. Snad každý například pocítil, že v posledním desetiletí došlo k zásadní změně telefonie a ta spolu s dostupností internetu rozvrátila staré formy komunikace. Kdy naposledy jste dostali nebo poslali dlouhý ručně psaný dopis? Podobně zásadní změna se vloudila i do techniky osvětlování. Ano, většinu lidí v této souvislosti napadne, jak nám ti zlovolní úředníci z Bruselu postupně zakazují staré dobré žárovky a místo toho nám vnucují drahé úsporky, co většinou nevydrží po deklarovanou dobu životnosti a teď si vymysleli ty ještě mnohem dražší LED žárovky. Jistěže zákazy (byť se třeba označují jako směrnice ) nenavozují dobrý vztah k novému Doc. RNDr. Jan Valenta, PhD., (*1965) vystudoval Matematickofyzikálni fakultu UK v Praze, kde se nyní zabývá optickými vlastnostmi nanostruktur, spektroskopií jednotlivých molekul a polovodičových nanokrystalů a mj. také vývojem tandemových solárních článků. Je spoluautorem (s prof. Ivanem Pelantem) monografie Luminiscenční spektroskopie. Prof. RNDr. Ivan Pelant, DrSc., (*1944) vystudoval fyziku pevných látek na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR, v. v. i., v Praze se věnuje studiu fotoelektrických, vlnovodných a nelineárně optických vlastností polovodičů, především nanokrystalických forem křemíku. 612 Vesmír 92, listopad

2 Na protější straně: Strop letounu Boeing 777 simulující oblohu v době spánku ukazuje hvězdné nebe, pak začne postupně svítat. Všechny snímky Jan Valenta, není-li uvedeno jinak. svítidlu. Můžeme proti tomu bojovat, nakoupit zásoby žárovek na celý život nebo označit žárovky jako tepelný zdroj a dovézt je z Číny Můžeme s tím nesouhlasit, brblat a trucovat ale to je tak všechno, co s tím můžeme dělat. Revoluce v osvětlování je tu! Princip LED svítidel Svítivá dioda neboli LEDka (zkratka z anglického označení Light-Emitting Diode) je malinká polovodičová součástka obvykle s plochou maximálně pár milimetrů čtverečních (a klasicky zalitá v plastovém pouzdře se dvěma nožičkami ). Nebudeme se zde podrobně zabývat jejími fyzikálními principy (jejich vysvětlení lze nalézt i ve středoškolských učebnicích fyziky). Pro další čtení postačí vědět, že polovodičová dioda i ta svítivá je založena na spojení dvou typů polovodičů, z nichž jeden má přebytek kladných a druhý záporných nábojů, které se získají zavedením vhodných příměsí do polovodičového krystalu. Tomu se říká polovodič p-typu a n-typu a jejich spojení vytváří p-n přechod. Připojením stejnosměrného proudu na součástku dochází v oblasti přechodu k zářivé rekombinaci kladných a záporných nábojů a vznikají fotony světla. Tomuto jevu se říká injekční elektroluminiscence a barva vyzářeného světla je dána složením použitého polovodiče (tím, jakou má šířku tzv. pásu zakázaných energií) a je poměrně monochromatická. Pokud chceme získat z LEDek bílé světlo se širokým spektrem vhodným k běžnému osvětlování, máme v zásadě dvě možnosti: 1. Seskupíme dohromady LEDky různých barev (nejčastěji červenou, zelenou a modrou RGB red, green, blue) nebo 2. přeměníme část fotonů z modré diody na fotony delších vlnových délek (žluté, oranžové nebo červené) pomocí luminoforů, a tím pokryjeme dostatečnou část viditelného spektra. Tato druhá možnost tedy využívá jev fotoluminiscence (luminiscence vyvolaná pohlcením světla) podobně jako v zářivkách, kde se přeměňuje ultrafialové a modré světlo z výboje v parách rtuti luminiscencí luminoforu naneseného na vnitřní straně baňky. Zkrátka LEDky jsou založeny na jevech elektroluminiscence a fotoluminiscence. Připomeňme, že luminiscence (ve starší české literatuře označovaná jako světélkování ) se definuje jako nerovnovážné záření, vysílané tělesem navíc oproti rovnovážnému tepelnému záření (popsanému Planckovým zákonem). 1 Z toho jasně plyne, že podmínkou luminiscence je uvedení látky do nerovnovážného stavu 2. Nahoře: Výstavka lumidek v jednom nejmenovaném obchodě (prosinec 2012). 3. Uprostřed: Dvě retro-fit lumidky s běžnými závity E27 a E14 (viz rámeček na následující straně). 4. Dole: Reklamní LED displej je vidět i za denního světla. Vesmír 92, listopad

3 o nízkém tlaku, zabraňujícím shoření vlákna i přílišnému zahřátí baňky. 5. Vlevo: Profesor N. Holonyak, tvůrce první viditelné LED a polovodičového laseru na bázi GaAsP. Snímek E. Segrè, Visual Archives AIP. 6. Vpravo: Jedno z prvních významných použití červených LED v displejích elektronických kalkulátorů (zde typ TI-33, vyráběný firmou Texas Instruments v sedmdesátých letech 20. století). vybuzení (excitace), které může mít různý původ: elektrický proud (elektroluminiscence), chemické reakce (chemiluminiscence a bioluminiscence), pohlcení světla (fotoluminiscence), tření (triboluminiscence), zvukové vlnění (sonoluminiscence) atd. Luminiscenci se také říká studené světlo, aby se zdůraznila zásadní odlišnost od záření tepelného, na kterém je založena žárovka elektrickým proudem rozžhavený drátek (obvykle wolframový) skrytý v baňce s vakuem či inertním plynem Názvoslovný problém Žárovka je nádherné české slovo, které výborně vystihuje podstatu tohoto světelného zdroje. Problém ovšem nastává, když je spojíme se zkratkou LED do pojmu LED žárovka, jak se nyní zhusta stává (viz obr. 2). Bohužel bude asi těžké tento oxymóron vykořenit. Jednak mají tato světla často tvar napodobující žárovku (obr. 3) a šroubují se do stejných závitů ve svítidlech (tzv. retro-fit). Kromě toho existuje tendence otrockých překladů z angličtiny, kde pojem LED bulb vystihuje vnější podobnost s žárovkou ( bulb je v původním významu baňka, ale neříká nic o žáru ). Někdy může být převzetí cizího pojmu lepší než nesmyslné české náhrady, nikoliv v tomto případě. Jazyk se ovšem vyvíjí nekontrolovatelně a často vítězí nějaké kuriózní pojmenování (třeba v případě termínu úsporka, který se vžil zřejmě jako zkratka úsporné kompaktní zářivky ). Stálo by za to nalézt místo LED žárovky nějaké pěkné české slovo. Snad bychom měli vyhlásit soutěž o nejhezčí návrh. A dovolte nám přispět prvním návrhem. Vyjděme z toho, že hledané slovo musí být především pohodlné pro časté používání (když už ta světla budeme mít za chvíli všude). Vždyť pro většinu dřívějších zdrojů světla se používala krátká, snadno vyslovitelná pojmenování: svíčka, louč, petrolejka, žárovka, doutnavka, zářivka atd. Také většina z nich končí slabikou ka. Jako nultý návrh můžeme vzít samotné slovo LEDka (může se psát i ledka; ani by nevadilo, že se jedná o zkratku a navíc anglickou nakonec laser je také původně zkratka). Ledovka by to být nemohla, ta už je obsazena. Pojem ledka se celkem vžil pro označení jednotlivé součástky, ale nepostihuje fakt, že u osvětlovacích zdrojů je většinou součástí systému i luminofor takže je to stejné, jako bychom zářivce říkali rtuťová výbojka. Pokud budeme chtít hledaným názvem především vystihnout nejvlastnější podstatu světelného zdroje, kterou je elektro- a fotoluminiscence, vnucuje se pojem lumidka. S malou nadějí, že by se snad tento (nebo lepší) termín ujal, necháváme na čtenáři, aby se sám pokusil něco vymyslet, nebo si jen trochu pohrál s naším krásným jazykem. Stručná historie svítivých diod Celá historie elektrického osvětlení (podobně jako u jiných oborů techniky) je fascinujícím příběhem vědeckého, technického a podnikatelského úsilí. Ponechme stranou již vícekrát popsané příběhy obloukovky, žárovky, zářivky Edisona, Křižíka, Jabločkova a dalších a soustřeďme se pouze na lumidky (viz text v rámečku). Vznik prvních svítivých diod je spojen s obrovským rozvojem polovodičového výzkumu v padesátých letech 20. století po objevu tranzistoru (1947) a poněkud překvapivě také s vynálezem laseru. 2 Prvními podrobně zkoumanými polovodiči byly germanium a křemík, z nichž byly vyráběny první součástky tranzistory a diody. Hledaly se však i jiné polovodičové materiály, které by lépe vyhovovaly pro určité aplikace, a mezi nimi byl asi nejvýznamnější arsenid gallitý (GaAs). Ke vzniku prvních LEDek pak pomohla i náhoda, která ovšem přeje připraveným. Těmi byli Robert H. Rediker a kolegové v Lincolnově laboratoři na MIT (Massachusetts Institute of Technology), kteří začali zkoumat GaAs s cílem vyrobit diody s velmi rychlým spínáním, což se posléze podařilo. Nicméně pro pochopení jistých rozdílů mezi vyrobenými diodami se vědci rozhodli využít měření elektroluminiscence. Rediker popsal tento klíčový bod takto (volný překlad podle 3 ): Rozhodl jsem se, že bychom měli diagnostikovat naše dva typy GaAs diod pomocí luminiscence při teplotě 77 K [teplota kapalného dusíku]. [...] Našli jsme kolegu, který měl spektrometr, a když jsme pak měřili luminiscenci [ ], výstup z detektoru zcela zahltil zapisovač. Rozsah zapisovače musel být zvýšen nejméně o tři řády a štěrbiny spektrometru zavřeny téměř na nulu, aby se signál zobrazil. Tak jsme objevili vysoce účinnou elektroluminiscenci [ ] a uvědomili jsme si, že by mělo být možné na tomto základě udělat laser... Práce pak byla prezentována na Solid-State Device Research Conference v červnu 1962 [ ], odkud i další badatelé odjeli s přesvědčením, že polovodičový laser z Ga- As je možný. Tak byl odstartován laserový závod, ovšem my jsme o tom nevěděli, a tak jsme nepostupovali tak rychle, jak by bylo bývalo možné. Zde se nám tedy objevuje avizovaný laser. V té době byly lasery obrovským hitem prv- 614 Vesmír 92, listopad

4 ní laser (z krystalu rubínu Al 2 O 3 : Cr 3+, buzený bleskovou výbojkou) byl sestrojen v roce 1960 Theodorem H. Maimanem v Hughesových výzkumných laboratořích. Jakmile se tedy objevila naděje na výrobu nového typu laseru z polovodiče, rozběhl se tajný závod, kdo to dokáže jako první. A závod to byl opravdu rychlý ještě během listopadu a prosince 1962 publikovaly čtyři nezávislé skupiny dvě z General Electric (GE), po jedné z MIT a z International Business Machines (IBM) články o svých polovodičových laserech! První z nich sice nebyly příliš praktické (pracovaly pouze za kryogenních teplot v kapalném dusíku), ale ukazovaly cestu k miniaturním laserovým zdrojům, nesrovnatelně menším a praktičtějším, než byly tehdy převládající plynové lasery (s trubicemi o délce desítek cm až jednotek metrů). V dalších letech šel pokrok polovodičových laserů ruku v ruce s rychlým pokrokem polovodičových technologií. Diody emitující světlo tak vlastně vznikly jako vedlejší produkt snahy o polovodičový laser. Zásadní přitom byl příspěvek Nicka Holonyaka (obr. 5) a jeho spolupracovníků v laboratořích GE, kteří nalezli technologii, jež prokazovala, že lze vyrobit dostatečně kvalitní směsný polovodič (čemuž předtím mnozí vědci nevěřili). Konkrétně šlo o slitinu GaAs a fosfidu gallitého (GaP), tedy Ga- As 1 X P X (kde X je mezi 0 a 1), která umožnila posunout emisi GaAs z infračervené oblasti ke kratším vlnovým délkám a vyrobit první diody a polovodičové lasery emitující viditelné červené světlo to vše také ještě v roce Firma GE však krátce nato vývoj svítivých diod neprozíravě ukončila (i když už nějakou dobu první svítivé diody a lasery prodávala) a Holonyak se vrátil na Illinoiskou univerzitu. Jím vyvinutou technologii uvedla do výroby jako první chemická firma Monsanto. Do této firmy pak přišel v r první Holonyakův doktorand George Craford, který zde o dva roky později učinil průlomový krok, když pomocí dopování dusíkem vyrobil první žlutou LEDku. LEDky se začaly používat jako indikační světélka a známé sedmisegmentové alfanumerické displeje např. pro první kalkulačky tím se zabývaly především firmy Hewlett-Packard a Texas Instruments (obr. 6). Telekomunikační firma AT&T je zase využívala pro indikaci v telefonních ústřednách a pro osvětlení tlačítek telefonů. V jejích Bellových laboratořích také vyvinuli technologii pro výrobu zeleně svítících LEDek z GaP s příměsí dusíku. Tak vznikly první tři typy slabě svítících LED s barvou červenou, žlutou a zelenou, které se dlouho používaly téměř výhradně jako indikační světélka. Zásadní zlepšení účinnosti LED přineslo až využití heterostruktur, které navrhl v šedesátých letech Herbert Kroemer (spolu s Ž. Alfjorovem se roku 2000 podělil o Nobelovu cenu za fyziku). 4 V prodeji se ale objevily superjasné červené a infračervené LED až v osmdesátých letech 20. století; zlepšení účinnosti LED jiných barev a především výroba kvalitní modré LEDky se dlouho nedařily. Přitom aplikační možnosti by byly obrovské hlavně by se kombinací červených, zelených a modrých diod daly udělat první plnobarevné ploché displeje (tehdy existovaly pouze tlusté klasické obrazovky). Proto usilovalo o vývoj modré LED velké množství laboratoří, včetně nejvýznamnějších elektronických firem. Až nakonec v polovině devadesátých let úkol fantasticky vyřešil dlouho osamoceně pracující inženýr Šuji Nakamura z maličké japonské firmy Nichia. A to je příběh, kterému stojí za to věnovat samostatnou kapitolku. Podrobně byla tato historie popsána v knize amerického novináře B. Johnstona 5 (o vývoji modré LED a laseru jsme již krátce referovali v roce ). Jak osamělý inženýr vyřešil problém modré LEDky příběh Šujiho Nakamury Na úvod je třeba říci, že dlouho nebylo jasné, jaký polovodičový materiál je nejvhodnější jako základ pro modře emitující diody. Nakonec paradoxně zvítězil už první zkoušený materiál nitrid gallitý GaN, ale až téměř po čtvrt století. Vývojem GaN krystalů se začali v roce 1968 zabývat výzkumníci v RCA (Radio Corporation of America) v laboratořích kovový kontakt poloprůhledná elektroda p-typ GaN GalnN n-typ GaN hν smáčecí vrstvy GaN substrát Al 2 O 3 hν kovový kontakt 7. Zadní světlo elektromobilu Tesla LED diody otvírají nové možnosti designérům automobilů. 2) J. Valenta: Křemíkový laser nebo laser na křemíku, Čs. časopis pro fyziku 60, , 4 5/ ) R. H. Rediker, IEEE J. Sel. Top. in Quant. Electr. 6, 1355, ) E. Hulicius a B. Velický: Heterostruktury, které slouží všem, Vesmír 82, 32, 2001/1. 5) B. Johnstone: Brilliant! Shuji Nakamura and the Revolution in Lighting Technology, Prometheus Books, Amherst, NY Zde je nutné poznamenat, že existují různé pohledy na historii modré LED. V některých pramenech, zejména těch, které vycházejí z oficiálních informací firmy Nichia, je role Š. Nakamury velmi potlačena ( co.jp/en/). 6) J. Valenta: Modrá záře nad GaN, Vesmír 78, 309, 1997/6. 8. Na snímku Šuji Nakamura a Nobuo Ogawa, zakladatel firmy Nichia v květnu 1995 (z knihy B. Johnstone: Brilliant). 9. Schéma struktury prvních Nakamurových superjasných modrých LED součástek s dvojitou heterostrukturou (podle S. Nakamura et al. Appl. Phys. Lett. 64, 1687, 1994). Vesmír 92, listopad

5 epoxidový obal (čočka) luminofor reflektor čip GalnN kontakty spektrální hustota ozáření [mw/m 2 /nm] UV 2,5 lumidka s reflekt. 6 W cold matná lumidka 10 W warm čirá žárovka 40 W lineární zářivka měřeno ve vzdálenosti 50 cm od zdroje na kruhové ploše o průměru 1 cm 5 NIR vlnová délka [nm] 10. Vlevo: Struktura bílé LEDky. 11. Vpravo: Spektrum bílé lumidky se studeným a teplým spektrem porovnané se zářivkou a žárovkou. Měření J. Valenta. 12. Vývoj účinnosti hlavních elektrických světelných zdrojů (podle Y. Narukawa et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 43, , 2010). světelná účinnost [lm/w] standardní žárovka v Princetonu a paralelně také v Bellových laboratořích. Tento vývoj ovšem skončil po pěti letech neúspěšně, neboť se nepodařilo připravit GaN p-typu vyrobené krystaly GaN samovolně vykazovaly n-typové vlastnosti (kvůli velké koncentraci určitých defektů) a příměsí zinku se maximálně daly zneutralizovat. Pokusné diody s kovovým kontaktem měly nepatrnou účinnost kolem 0,01 %. Tak dostal GaN nálepku neperspektivního materiálu a nadále se mu věnovaly už jen malé univerzitní týmy, které sice v dalších dvou desetiletích dosáhly určitého pokroku, ale už bez zájmu velkých firem. Jejich favoritem se stal jiný polovodič selenid zinečnatý ZnSe. Z něj se sice podařilo po velkém úsilí vyrobit p-n přechod, ale přetrvával jiný zásadní problém vznik defektů při průchodu proudu součástkou. Proto měly ZnSe diody kratičkou dobu života, řádově sekundy nebo minuty. Ve hře byl ještě jeden materiál, a to karbid křemíku (SiC), na němž inženýr Henry Round (spolupracovník Marconiho) poprvé pozoroval elektroluminiscenci a již roku 1907 o tom publikoval zprávu. Slabé modré SiC diody nějakou dobu vyráběly velké firmy jako Siemens a Sanyo, ale větší úspěch dosáhla až malá americká firma Cree, jež dala na trh svoji modrou LED roku 1989 (tehdy měla firma 20 zaměstnanců; později se přeoriento vysokotlaká sodíková výbojka zářivka rtuťová výbojka halogenová žárovka bílá LED vala na vítězný materiál, tedy GaN, a stala se jednou z největších firem v oboru). Vraťme se však k Šujimu Nakamurovi (nar. 1954), pozdějšímu vítězi honby za modrou ledkou. Po studiu elektroinženýrství na regionální univerzitě v Tukušimě (na ostrově Šikoku) nastoupil roku 1979 do nedaleké malé firmy Nichia Chemicals (což byla soukromá firma s asi 200 zaměstnanci, která vyráběla kvalitní luminofory určené především pro barevné obrazovky všech velkých výrobců). Zde se stal Nakamura jediným pracovníkem zvláštního vývojového oddělení, které mělo připravit nové produkty mimo oblast luminoforů. Jeho prvním úkolem bylo zdokonalit přípravu čistého gallia a poté vyvinout přípravu krystalů GaP a GaAs. Veškerou technologii musel Nakamura vymyslet a zkonstruovat sám, doslova na koleně. Kolem roku 1985 už firma produkovala významné množství těchto krystalů, ale kvůli rozsáhlé konkurenci byl odbyt malý, což něco vypovídá o značně zanedbaném průzkumu trhu. Ale bylo ještě hůře! Vedení vymyslelo, že by firma neměla dodávat výchozí materiály, ale prodávat přímo LEDky. To znamenalo, že Nakamura musel zvládnout techniku epitaxe z kapalné fáze (depozice polovodičových vrstev na krystalickou podložku). I to se mu podařilo a v roce 1987 dokončil vývoj komerčně použitelných infračervených a červených LED, přičemž musel sám obsáhnout vše od vývoje součástek, přes technologii, testování až po kontrolu kvality. Nakonec nadřízení žádali, aby zajistil i prodej. Pustil se do toho, ale na přeplněném trhu se mu nepodařilo najít dostatečný odbyt. To už zviklalo i tak typicky poslušného japonského zaměstnance, jakým Nakamura nesporně byl, a tak se chopil iniciativy. Roku 1987 se rozhodl vyvinout něco extra, co dosud na trhu chybělo volba padla na výkonnou modrou LEDku. Prezident a zakladatel Nichie (obr. 8) souhlasil, a to i potom, co Nakamura požadoval 2,4 milionu USD, což představovalo asi 2 % ročního prodeje firmy; do roku 1990 stál Nakamurův výzkum Nichii asi 4 miliony USD. Dvě třetiny peněz šly na pořízení MOCVD (metal-orga- 616 Vesmír 92, listopad

6 cena za jeden lumen [USD/lm] Haitzův zákon USD/lm GaAsP GaAs červené LED GaAsP : N GaP GaAlAs GaAllnP lm/lampa Svítící dopravní policisty nepřehlédnete (Kjóto, Japonsko 2013). 14. Haitzův zákon, který říká, že maximální světelný tok z jedné LED lampy se zvýší 20krát za deset let a zároveň se za deset let 10krát sníží cena za lumen. Zobrazena jsou data pro červené a bílé LED. bílé LED nic chemical vapour deposition) technologie a třetina na roční pobyt v USA, kde se učil s MOCVD pracovat na Floridské univerzitě v Gainesville. Po návratu v březnu 1989 Nakamura sám sestavil svou MOCVD aparaturu objednanou v USA a především zvolil jako vhodný materiál pro svůj výzkum GaN, jelikož nechtěl bojovat s hlavním proudem výzkumu ZnSe. Bojovat však musel s novým vedením firmy, které převzal zeť zakladatele (a slavného podnikatele). Ten Nakamurovi nepřál a práci na modré diodě opakovaně zakazoval. Tehdy už se ale Nakamura rozhodl jít za svým cílem bez ohledu na příkazy. Dokonce začal tajně porušovat firemní pravidlo, že se výsledky výzkumů nepřihlašují jako patenty ani se nepublikují kvůli obavě z úniku know- -how. Jeden z prvních podaných a udělených patentů byla speciální úprava reaktoru MOCVD, nakonec bylo patentů asi 190! Při své usilovné práci vyřešil Nakamura sám několik klíčových problémů, zejména p-typové dopování hořčíkem. Posledním krokem k superjasné modré LEDce byl vývoj dvojité heterostruktury tvořené tenkou vrstvu InGaN mezi p-typovým a n-typovým GaN (obr. 9). Konečně na konci roku 1992 měl Šuji Nakamura jasnou modrou heterostrukturní GaN/ InGaN LED, která byla stokrát jasnější než diody z SiC prodávané firmou Cree. Téměř rok pak držela Nichia tuto informaci v tajnosti, aby připravila komerční výrobu (a Nakamura pracoval na dalších zásadních objevech) a teprve 12. listopadu 1993 oznámila na tiskové konferenci v Tokiu uvedení prvních jasně modrých LED diod na trh. Pro velké firmy z oboru to byl šok. Zničehonic se objevil inženýr z neznámé firmy v zapadákově a pokořil je (12. listopad 1993 bychom tak mohli pokládat za počátek revoluce v osvětlovací technice). A to nebylo všechno. V příštích pěti letech následoval jeden průlom za druhým a bohatí pronásledovatelé nedokázali náskok Nichie stáhnout. V květnu 1994 Nakamura demonstroval modré a modrozelené LEDky s dvojnásobnou účinností. V dalším rorok celkový světelný tok jedné lampy [lm] Vesmír 92, listopad

7 15. Na snímku vpravo je struktura lumidky napodobující vzhled žárovky. V levé části fotografie lumidky nahrazující podlouhlou zářivku. nula Nichia na základě Nakamurova nápadu první bílé LEDky založené na pokrytí modré LEDky vrstvou luminoforu, což otevřelo cestu k mnoha aplikacím v osvětlovací technice (jak popíšeme dále). V dubnu 1994 už firma vyráběla milion modrých LEDek měsíčně. Postavila novou šestipatrovou továrnu a najala stovky pracovníků. Z 640 pracovníků v roce 1994 vzrostla na 1300 v roce 1999 a produkovala 30 milionů diod měsíčně. Myslíte, že si konečně vedení firmy začalo Nakamuru hýčkat jako svůj poklad? Nikoliv. Prezident společnosti nejenže neocenil jeho ohromný přínos (dosažený v podstatě přes výslovný zákaz, což se jistě dotklo jeho ješitnosti), ale navíc odstavil Nakamuru od dalšího rozvoje výroby LED tím, že založil Centrum výzkumu nitridů, které mělo vyvíjet jiné součástky než emitující světlo, např. vysokofrekvenční GaN tranzistory. Háček byl v tom, že ačkoliv Nakamura s tímto směrem výzkumu nesouhlasil, byl jmenován manažerem a také jediným pracovníkem tohoto centra. To ho přinutilo reálně uvažovat o odchodu, až nakonec v lednu 2000, po 20 letech u Nichie, skutečně odešel a přijal místo profesora na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře v USA. Vedení Nichie se pokusilo přimět Nakamuru podepsat výměnou za jisté odstupné nekonkurenční dohodu. To by však pro něj znamenalo, že se zaváže nepracovat v oboru po dobu tří let. Nepodepsal a také nic nedostal. Údajně vydělal za poslední úspěšná léta v Nichii přibližně tolik jako jeho žena, učitelka v mateřské škole! Při odletu do USA na letišti čekali reportéři alespoň pěti japonských televizí, neboť se z něho stala celebrita. Nichia však rozpoutala několik právních bitev kvůli údajnému zneužití svých patentů hlavními konkurenty a zároveň obvinila Nakamuru z úniku know- -how ve prospěch firmy Cree. Ten odpověděl protižalobou, že ho Nichia nedostatečně odměnila za jeho ekonomický přínos. Za to, že umožnil prodeje produktů v hodnotě asi 1,4 miliardy dolarů, požadoval kompenzaci asi 16,5 milionu USD. Navíc žádal 80 % zisku z patentů, které byly podávány tajně z jeho iniciativy a vlastně přes zákaz firmy. Spory se táhly mnoho let a skončily Nakamurovým úspěchem. Přesněji řečeno, požadavky ohledně patentů byly zamítnuty, zatímco kompenzace byla stanovena na 190 milionů USD. Následovalo odvolání a smírčí dohoda na konečné sumě 8 milionů USD, což obě strany považovaly za svůj úspěch (typicky japonský výsledek sporu). Tato soudní pře byla přelomová tím, že dokázala napříště pozměnit japonské zvyklosti ve vztahu firmy a zaměstnanců. Za své výzkumy získal Šuji Nakamura již mnoho vysokých ocenění, například Medal in Engineering Franklinova institutu, což je považováno za americkou obdobu Nobelovy ceny a možná i ta jednou přijde. Co je však na Nakamurově příběhu nejúžasnější? To, jak dokázal, že i v dnešní době (kdy většinu výzkumu provádějí velké týmy za velké peníze) může šikovný badatel s malým rozpočvnější baňka (matná, difuzní) baňka s luminoforem LED čipy (modře emitující) reflexní vrstva elektronická deska tepelně vodivá vrstva chladič napájecí elektronika tepelně vodivé materiály odvádějící teplo od elektroniky závit s kontakty Slovníček fotometrické veličiny jsou vztaženy k průběhu citlivosti lidského oka, kdežto radiometrické veličiny popisují zářivou energii, takže např. svítivosti odpovídá veličina zářivost (W/sr), světelnému toku odpovídá zářivý tok. kandela symbol cd jednotka svítivosti, patří mezi základní jednotky soustavy SI; světelný zdroj emitující monochromatické záření o frekvenci Hz (= 555,155 nm, světlo zelené barvy), jehož zářivost (zářivá intenzita) v daném směru je 1/683 wattů na steradián, má svítivost 1 cd. lumen symbol lm jednotka světelného toku; je definována pomocí kandely. Je to světelný tok vyzařovaný do prostorového úhlu 1 steradiánu bodovým zdrojem, jehož svítivost je ve všech směrech jedna kandela, tj. 1 lm = 1 cd sr. lux symbol lx jednotka osvětlení; 1 lx = 1 lm/m 2, tj. 1 lumen na ploše 1 m 2. světelný tok je fotometrická veličina vyjadřující schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem (tj. bere ohled na rozdílnou citlivost oka v různých částech světelného spektra). Světelný tok není totéž co zářivý tok (zářivý výkon). svíčka starší jednotka svítivosti, která byla později nahrazena jednotkou candela (cd). Existovaly různé definice svíčky, které se vztahovaly k různé technické realizaci standardního zdroje (ten pak umožňoval určovat svítivost jiných zdrojů, třeba žárovek, viz obr. 18), např. Hefner-Alteneckova svíčka (pojmenovaná podle Friedricha von Hefner-Altenecka, viz např. Č. Strouhal a V. Novák: Optika, JČMF, Praha 1919, s ) V zásadě jsou všechny standardní svíčky přibližně rovné 1 cd, což nám umožňuje vyznat se ve starší literatuře. svítivost světelný tok na jednotkový prostorový úhel (jednotka candela = lumen na steradian sr, cd = lm/sr). ce uvedla Nichia na trh první jasné smaragdově zelené LEDky a v září 1995 představil Nakamura první LEDky s kvantovými jámami (to jsou speciálně tenké heterostruktury, v nichž se projevují zvláštní kvantové jevy), opět několikrát účinnější. V témže roce vyvi- 618 Vesmír 92, listopad

8 tem uspět a vyřešit zásadní úkoly, pokud se ovšem u něj propojí bohaté znalosti a zkušenosti s obrovskou pracovitostí a správně zvoleným cílem. Nové možnosti a budoucnost osvětlovací techniky Všichni víme, že už se lidstvo bez umělého světla neobejde. Je všude kolem nás a odhaduje se, že asi pětina až čtvrtina elektřiny je spotřebována na osvětlování. A zde mohou lumidky (v odborných kruzích se používá anglická zkratka SSL solid state lighting, tedy pevnolátkové osvětlování ) přinést značné úspory nejen svou účinností, ale i zásadní změnou způsobu použití a ovládání osvětlovacích zdrojů. Už jsme zmínili, že bílou barvu je možné realizovat kombinací tří diod červené, zelené a modré (RGB), které můžeme vyladit dle libosti na různý odstín. Existují už takové osvětlovací systémy, popřípadě i s dálkovým ovládáním, které umožňují nastavit libovolnou barvu či dokonce její postupné nebo dynamické změny v čase. To dřívější osvětlovací zdroje neumožňovaly (před lampy snad bylo jedině možné dávat různé barevné filtry nebo zabarvit jejich baňky). Ovšem RGB LEDky jsou zbytečně komplikované a pro běžné použití drahé, neboť např. při osvětlení pracovního stolu nepotřebujeme barevné hrátky, ale kvalitní bílé osvětlení. Proto je druhá možnost získání lumidky s přibližně bílým spektrem kombinací modré LED a luminoforu využívanější. Modré světlo (nejčastěji kolem nm) je částečně pohlceno luminoforem a vyzářeno na delších vlnových délkách a částečně prochází, takže výsledný vjem je kombinací spektra LEDky a luminoforu. Nepřekvapuje, že takovouto bílou LED navrhl Nakamura, když měl hotové kvalitní modré diody a firma Nichia měla na skladě spoustu luminoforů. Schéma typické bílé diody a její spektrum je na obr. 10 a 11. Prášek luminoforu je obvykle nasypán přímo na čip diody, i když se v poslední době objevují také zdroje, které mají luminofor zabudován dále od primárních diod třeba až na vnějším obalu jako u zářivky. Žlutým luminoforem v bílých LEDkách je nejčastěji yttrito-hlinitý granát s příměsí iontů ceru (YAG : Ce). Pro získání červeného světla je třeba přidat další luminofor, třeba s obsahem europia (Eu). Je však nutno zdůraznit, že teple bílé diody jsou z principu méně účinné než ty studené, protože modré fotony ztrácejí při přeměně na červené fotony asi třetinu své energie. A jak jsou na tom LEDkové osvětlovací zdroje s účinností v porovnání s ostatními zdroji? Jsou nejlepší! Účinnost světelných zdrojů se nejčastěji uvádí v lumenech na watt [lm/w], kde lumen je jednotka světelného toku, která bere v úvahu spektrum citlivosti lidského oka, a watt je jednotka výkonu, v tomto případě příkonu součástky součinu proudu a napětí. Na obr. 12 vidíme vývoj světelné účinnosti hlavních používaných zdrojů světla. Nejhůře je na tom žárovka, která se sotva blíží k 20 lm/w. Halogenka je asi o polovinu lepší, zato zářivka s luminoforem může dosáhnout až 100 lm/w. Vysokotlaké sodíkové výbojky používané v pouličním osvětlení jdou sice až na 150 lm/w, ale jsou velké, mají komplikovaný elektrický obvod a pomalu startují, takže se nedají používat v menších aplikacích, třeba v domácnosti. LEDky jsou tedy nejúčinnější, ale prozatím relativně drahé. Avšak s novými výrobci a růstem produkce cena klesá a je naděje, že tomu tak bude i nadále. Obecně se věří, že zafunguje kouzlo polovodičové technologie, které tak úžasně funguje ve vývoji integrovaných obvodů. Zde existuje slavný Moorův zákon o zvyšování hustoty integrovaných obvodů v čase, vyslovený v roce 1965 a platící prakticky dodnes. 7 Pro vývoj LEDek byl navržen podobný zákon, který se nazývá Haitzův (podle R. Haitze z firmy Agilent z roku 2000). Ten říká: Za deset let vzroste světelný výkon diod asi dvacetkrát a přitom skoro desetkrát klesne cena za jeden lumen (viz obr. 14). Taková předpověď vlévá příznivcům LED osvětlení optimismus do žil. Navíc je tento vývoj aktivně podporován vládami některých zemí, například Japonska nebo Číny, které se potýkají s nedostatkem elektřiny. Evropa se snaží povzbudit odbyt šetrnějších osvětlovacích zdrojů postupným 16. LED diody uvnitř sprchové hlavice jsou poháněny proudem vody a barvou indikují teplotu, vodními paprsky se pak jejich světlo šíří jako světlovodem. 7) J. Valenta: Integrovaný obvod základní kámen informační revoluce, Vesmír 82, 24, 2001/1. Vesmír 92, listopad

9 Čeněk Strouhal Ani žárovky se neprosazovaly snadno (Citace z Mosaiky populárního komentáře k vývoji vědy a techniky, který psal profesor Čeněk Strouhal pro Přílohu Časopisu pro pěstování mathematiky a fysiky (vydávaného Jednotou českých mathematiků a fysiků). Všechny ročníky tohoto časopisu (i dalších) lze volně číst na stránkách digitální matematické knihovny dml.cz). Opět nová žárovka elektrická! wolframová! Při napětí 75 voltů a síle proudové 0.4 ampère t. j. při pracovním effektu 30 voltampère čili 30 wattů má prý svítivost 30 svíček [viz slovníček na s. 618]. To by znamenalo za jednu svíčku pouze jeden watt! Co tomu říkáte? že nic? To je vidět, že nemáte akcie ani společnosti Siemensovy, ani Auerovy! Já ostatně také ne. Ale kdybychom jich měli, nejlépe hodně mnoho, pak bychom onu zprávu nepřijali s takou lhostejností. Neboť to znamená: nová konkurrence! [...] Nu, pro nás konsumenty by neškodilo, kdyby elektrické světlo se stalo lacinějším! Je to přece jen světlo nejlepší! A při velké spotřebě vydá i malá úspora v těch wattech za každý rok velmi mnoho! (ČPMF, r. XXXV, 1906, Mosaika, s ) Ve výrobě elektrických lampiček žárových lze pozorovati zajímavý konkurrenční zápas, který konsumentům může býti zcela vhod. Po mnohá desetiletí, od let sedmdesátých minulého století počínajíc, opanovala žárov ka Edisonova úplně pole. Jak víte, jest to žárovka uhlíková. Ale počátkem našeho století postavily některé podnikavé firmy německé proti ní žárovky kovové. Firma Siemens a Halske vyrábí na př. žárovky tantalové, firma Auer z Welsbachu osmiové, a j. S počátku zdálo se, že tyto nové lampičky oněm uhlíkovým mnoho neublíží; byly drahé. Ale v nejnovější době cena zmírněna velmi značně, tak že vítězství v boji konkurrenčním se již začíná kloniti na jejich stranu. Právě čtu v posledním čísle časopisu Helios ze dne 14. března t. r., že firma Siemens a Halske cenu 16tisvičkové lampičky tantalové snížila z 2.50 mark na 2 marky, což činí 2.40 K. Uhlíková lampička 16tisvíčková se u nás prodává za 0.60 K. Řeknete však, kdo že by dal za lampičku tantalovou 2.40 K, když tutéž lampičku uhlíkovou obdržím za 0.60 K, tedy za čtvrtinu! Ale věc má ještě jinou stránku. Lampička sama nesvítí; teprve, když jí prochází proud. Práce proudem v každé sekundě vykonaná proměňuje se právě v teplo a světlo. Tato práce není zadarmo, musíme ji zaplatiti. [...] Lampičky uhlíkové vyžadují na jednu svíčku 3½ Watt, jsou, jak zkrátka pravíme, 3½-wattové, naproti tomu tantalové vyžaduji na jednu svíčku jen 1½ Watt, jsou tedy 1½-wattové. Pro 16 svíček to činí při uhlíkové 56 Watt, při tantalové jen 24 Watt. Svítíme-li hodinu, spotřebuje lampička uhlíková 56 Watthodin, tantalová 24 Watthodin elektrické práce. V praxi se počítá v jednotce 17. Vlevo žárovka obyčejná (uhlíková), někdy zvaná edisonka, vpravo žárovka tantalová (110 V, 16 svíček) vyráběná firmou Siemens & Halske. Zdroj: Světem práce a vynálezů, díl 1., Nakl. Jos. Vilímek, Praha, datum neuvedeno, pravděpodobně okolo r kráte větší, na kilowatthodiny. Dle tarifu elektrárny Pražské účtuje se kilowatthodina v době večerní za 60 haléřů. Ono svícení po dobu hodiny by tedy stálo u lampičky uhlíkové / 1000 = 3.36 haléře, u lampičky tantalové / 1000 = 1.44 haléře. Udává se, že lampičky žárové vydrží až 800 hodin, někdy i více. Počítejme jen 500 hodin. Za tuto dobu zaplatili bychom u lampičky uhlíkové h = K, u tantalové h = 7.20 K. Rozdíl činí 9.60 K. Ale tím je větší cena lampičky tantalové, o 1.80 K, více než pětkráte kryta! Pozorujete již, v čem je jádro celého konkurrenčního boje. [...] Nejnovější číslo elektrotechnického časopisu Berlínského ze dne 18. března přináší zprávu, že také akciová společnost zákazem žárovek, což není příliš taktické, neboť zákazy vzbuzují averzi u zákazníků. EU ovšem není jediný zastánce tohoto přístupu, už dříve s tím začala Austrálie a později i USA. Ještě se však podívejme na jednu důležitou stránku osvětlovací revoluce týkající se způsobu použití LED světel. Konstrukce lumidek musí vycházet z několika důležitých faktů: 1. LED pracují s nízkým stejnosměrným napětím (minimální napětí je mezi 3 a 1,5 V, klesající od modře k červeně svítící LED); 2. jednotlivé LED jsou velmi malé (několik mm i s obalem) a poskytují omezený (ale dobře koncentrovaný) světelný výkon; 3. dají se rychle zapínat a vypínat i libovolně tlumit, a přitom mají dlouhou životnost. Mnohé z těchto vlastností jsou jedinečné a umožňují zcela nové typy použití. Například možnost pracovat se stejnosměrným napětím (a nízká spotřeba) umožňuje vytvářet osvětlovací systémy tvořené solárním článkem, akumulátorem a LED světlem, které jsou zcela nezávislé na rozvodné síti střídavého napětí. Takové systémy se mohou uplatnit třeba u pouličního osvětlení, ke kterému nebude třeba vést dráty, ale zejména v místech, kde vůbec elektrická rozvodná síť neexistuje. To se týká hlavně chudé části světa uvádí se, že 1,3 miliardy lidí nemá přístup k elektrické síti. Zde lumidky efektivně nahrazují petrolejky a přispívají ke zvyšování vzdělanosti a životní úrovně (viz např. nadace Light Up the World Osvětlete svět, Malá velikost LEDek může být ale také někdy nevýhodou. Když chceme nahradit žárovku nebo zářivku, musíme zkombinovat více jednotlivých LEDek do vhodného obalu a přidat nějaké ty obvody (obr. 15). To vše pochopitelně zvyšuje cenu. Navíc každá LEDka přece jen trochu topí část dodané energie přemění v teplo, a když jich je natěsnaných více vedle sebe, musí se řešit i jejich efektivní chlazení. Velké zahřátí nedělá LEDkám a luminoforům dobře. Není ovšem nutné omezovat se na LED světla, která budou imitovat tvarem staré žárovky to má smysl, jen pokud chceme zachovat původní svítidlo s příslušným závitem (retro-fit). LEDky naopak umožňují distribuovat světlo na všechna místa, kde je potřeba, vytvářet svítící pásy ap. To ovšem musí uživatelé i designéři změnit mnoho pevně zakořeněných zvyklostí. Jednoduchost spínání a změny intenzity světla umožňují vybavit LED osvětlení chytrou elektronikou k naprogramování, snadnému dálkovému ovládání, popř. k hlídání optimálního zapínání a vypínání. Například už existuje pouliční osvětlení, které sleduje pohyb chodce či automobilu a zapíná (nebo zesiluje) světlo v jeho okolí. Také lze si- 620 Vesmír 92, listopad

10 Augsburská pro výrobu žárových lampiček wolframových snížila u 16svíčkové lampičky cenu na 2 marky, což jest 2.40 K. U této se dokonce udává, že jest jen 1.1-wattová, tak že režie by byla ještě lacinější než při tantalové. Bude-li na žárovky jednou uvalena daň v té příčině se již také u nás praeluduje bude asi stejnou pro laciné uhlíkové jako pro dražší kovové. Nyní je poměr ceny 2.40 : 0.60 = 4, pak bude ( x) : ( x), znamená-li x poplatek; kdyby činil, jak se v Německu proponuje, asi 60 haléřů, byl by poměr 3.00 : 1.20 = 2.50, což je opět pro lampičku kovovou výhodnější. [...] Bude zajímavo sledovati, jak se věc dále rozvine. (ČPMF, r. XXXVIII, 1909, s ) Podniky elektrické vedou boj s plynárenskými. Byla doba, kdy se zdálo, že boj ten vyhrají elektrárny. Ale vynálezem Auerova světla odpověděly plynárny útokem, před nímž elektrárny na nějakou dobu musily ustoupiti. Nyní zase elektrárny přešly k offensivě. V onom článku se vykládá, jak je to možno. Světlo elektrické bylo dosud drahé. Jeho přednosti jsou nepopíratelné, uznávají se všeobecně, ale co naplat, pro drahotu nestalo se světlo elektrické populárním. Nyní, kdy žárovky kovové začínají nabývati převahy co do úspornosti nad uhlíkovými, nastává situace nová; světlo elektrické je vlastně laciné, ale jeho zařízení stojí mnoho. Režie je laciná, ale installace drahá, neboť nové žárovky jsou proti starším 4-kráte dražší. U těchto starých žárovek uhlíkových tomu bylo naopak. V předním německém časopisu elektrotechnickém, který v Berlíně nákladem elektrotechnického spolku vychází, byla nedávno vedena diskusse o tom, jak popularisovati světlo elektrické. [...] Diskusse byla velmi živá, návrhů se sešlo celá řada. Zajímavo jest některé z těchto návrhů uvésti; mají také pro naše poměry význam. Elektrické podniky nechť prý installaci elektrickou v bytech neb závodech obchodních, bankovních a pod. opatří vlastním nákladem; za to by konsument buď platil v prvních letech elektrickou práci dle tarifu vyššího, anebo by se zaručil za určité roční minimum konsumu, anebo by splácel roční výlohy installační po částkách dle úmluvy. Jiná možnost by byla, že by konsument si platil installaci sám; za to by mu podniky elektrické vše potřebné, lampy, lustry, vypínače proudové a pod. prodaly za cenu výrobní, anebo by mu koncedovaly v prvních letech lacinější sazbu. To byly asi hlavní návrhy; vedle těch jiné, na př. aby se hodně agitovalo pro elektrické osvětlení atd. Mně by se zdálo, že obtíž vězí jinde. Ve velkých městech a o ta se jedná jsou obyvatelé převahou v nájmu; avšak nájemník nerad investuje peníze do cizího domu, v němž ani neví, jak dlouho pobude. Měl by tedy installaci opatřiti domácí pán, při čemž by elektrárny mu poskytly všechny možné výhody při nákupu potřebných věci. Za to by domácí pán zvýšil nájemné. Zvýšení by musilo býti přiměřené, t. j. ne vyšší, než aby výlohy se během jistého počtu let amortisovaly. Pak by nájemník na mírné zvýšení nájemného dojista přistoupil. V nových domech se vskutku tak postupuje; ve starých, kde bývá plyn zaveden, se nerado osvětlování vyměňuje. Celkem však lze říci, že novými žárovkami kovovými elektrárny získávají půdy. (ČPMF, r. XXXIX, 1910, s ) 18. Fotometrická laboratoř Strouhalova nového Fysikálního ústavu na Karlově kolem roku Zajímavá je kombinace plynových (Auerových) lamp (většinou ve dvojici na plynovém potrubí) a elektrických žárovek (rozsvícené). Na optické lavici je Lummerův-Brodhunův fotometr, vlevo od něj Hefner-Alteneckova normální svíčka a vpravo měřená žárovka. Snímek Archiv MFF UK. mulovat proměny přirozeného osvětlení, jako je východ slunce, což ovlivňuje cirkadiánní rytmus organismu, a umisťovat světla tam, kde to dříve nebylo myslitelné (viz obr. 1, 4, 7, 13 a 16). Závěr Tento článek neměl být tryznou za žárovku. Autoři se domnívají, že každý druh osvětlení má své specifické (někdy velmi okrajové) použití a své (nostalgické) kouzlo a právo na existenci. Shora přicházející omezení a zákazy jsou proto nešťastné, ale nenechte se jimi znechutit. Pokusili jsme se ukázat, že lumidky mají zajímavou historii a zářivou budoucnost, která bude těžit z vítězných strategií polovodičové technologie. 8 Ö 8) Některé části tohoto textu jsou převzaty a upraveny z připravované knihy I. Pelanta a J. Valenty: Luminiscence doma, v přírodě a v laboratoři. inzerce JAZYKOVÉ POBYTY V ZAHRANIČÍ investovat se vyplatí do vzdělání pro děti, mládež, dospělé i manažery I swear Ich swöre Je jure pro začátečníky i pokročilé Vesmír 92, listopad