LED
 Mavi, yeşil ve kırmızı LED'ler 5 mm dağınık kasalarda | |
| Çalışma prensibi | Elektrolüminesans |
|---|---|
| İcat Edildi |
|
| İlk üretim | Ekim 1962 |
| Pin yapılandırması | Anot ve katot |
| Elektronik sembol | |
_8.5.4.2.svg) | |
.svg)
Işık yayan diyot (LED), içinden akım geçtiğinde ışık yayan yarı iletken bir ışık kaynağıdır. Yarı iletkendeki elektronlar elektron delikleriyle yeniden birleşerek fotonlar (Enerji paketleri) şeklinde enerji açığa çıkarır. Işığın rengi (fotonların enerjisine karşılık gelir) elektronların yarı iletkenin bant aralığını geçmesi için gereken enerjiye göre belirlenir. Beyaz ışık, yarı iletken cihaz üzerinde birden fazla yarı iletken veya ışık yayan bir fosfor tabakası kullanılarak elde edilir. ⓘ
1962'de pratik elektronik bileşenler olarak ortaya çıkan ilk LED'ler düşük yoğunluklu kızılötesi (IR) ışık yayıyordu. Kızılötesi LED'ler, çok çeşitli tüketici elektroniğinde kullanılanlar gibi uzaktan kumanda devrelerinde kullanılır. İlk görünür ışık LED'leri düşük yoğunluklu ve kırmızı ile sınırlıydı. İlk LED'ler genellikle gösterge lambası olarak, küçük akkor ampullerin yerine ve yedi segmentli ekranlarda kullanılmıştır. Daha sonraki gelişmeler görünür, ultraviyole (UV) ve kızılötesi dalga boylarında, yüksek, düşük veya orta ışık çıkışlı, örneğin oda ve dış alan aydınlatması için uygun beyaz LED'ler üretti. LED'ler ayrıca yeni ekran ve sensör türlerinin ortaya çıkmasını sağlarken, yüksek anahtarlama hızları havacılık aydınlatması, peri ışıkları, otomotiv farları, reklamcılık, genel aydınlatma, trafik sinyalleri, kamera flaşları, ışıklı duvar kağıtları, bahçe yetiştirme ışıkları ve tıbbi cihazlar gibi çok çeşitli uygulamalarla gelişmiş iletişim teknolojisinde faydalıdır. ⓘ
LED'ler akkor ışık kaynaklarına göre daha düşük güç tüketimi, daha uzun kullanım ömrü, gelişmiş fiziksel sağlamlık, daha küçük boyut ve daha hızlı anahtarlama gibi birçok avantaja sahiptir. Bu genel olarak olumlu özelliklere karşılık, LED'lerin dezavantajları arasında düşük voltaj ve genellikle DC (AC değil) güçle ilgili elektriksel sınırlamalar, titreşimli bir DC veya AC elektrik besleme kaynağından sabit aydınlatma sağlayamama ve daha düşük maksimum çalışma sıcaklığı ve depolama sıcaklığı yer alır. LED'lerin aksine, akkor lambalar neredeyse her türlü besleme geriliminde çalışacak şekilde üretilebilir, AC veya DC akımını birbirinin yerine kullanabilir ve AC veya darbeli DC ile 50 Hz gibi düşük bir frekansta bile güç verildiğinde sabit aydınlatma sağlar. LED'ler genellikle çalışmak için elektronik destek bileşenlerine ihtiyaç duyarken, bir akkor ampul doğrudan düzenlenmemiş bir DC veya AC güç kaynağından çalışabilir ve genellikle çalışır. ⓘ
Elektriği ışığa dönüştüren bir dönüştürücü olarak LED'ler fotodiyotların tersine çalışır. ⓘ
LED (light-emitting diode, Işık Yayan Diyot), yarı-iletken, diyot temelli, ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır. 1920'lerde Rusya Sovyet Federatif Sosyalist Cumhuriyeti'nde icat edildi ve 1962 yılında Amerika'da pratik olarak uygulanabilen elektronik bir bileşen haline getirildi. Oleg Vladimirovich Losev adlı bir radyo teknisyeni radyo alıcılarında kullanılan diyotların ışık yaydığını fark etti ve 1927 yılında bir Sovyet gazetesinde LED hakkında buluşlarını yayımladı. ⓘ
Düşük enerji tüketimi, uzun ömrü, sağlamlığı, küçük boyutu ve hızlı açılıp kapanabilmesi gibi geleneksel ışık kaynaklarına göre bir dizi avantajı vardır. Ancak, biraz daha pahalıdır. ⓘ
LED lamba ve dijital tabela gibi çeşitli alanlarda uygulanabilmektedir. ⓘ
Tarihçe
Keşifler ve ilk cihazlar
Bir fenomen olarak elektrolüminesans, 1907 yılında Marconi Laboratuarlarından İngiliz deneyci H. J. Round tarafından bir silikon karbür kristali ve bir kedi bıyığı detektörü kullanılarak keşfedilmiştir. Rus mucit Oleg Losev 1927'de ilk LED'in yaratıldığını bildirdi. Araştırması Sovyet, Alman ve İngiliz bilim dergilerine dağıtıldı, ancak birkaç on yıl boyunca bu keşiften pratikte yararlanılmadı. ⓘ
1936 yılında Georges Destriau, çinko sülfür (ZnS) tozu bir yalıtkan içinde süspanse edildiğinde ve buna alternatif bir elektrik alanı uygulandığında elektrolüminesans üretilebileceğini gözlemledi. Destriau, yayınlarında lüminesansı sıklıkla Losev-Işığı olarak adlandırmıştır. Destriau, radyum üzerine yaptığı araştırmalarla lüminesans alanında erken bir öncü olan Madam Marie Curie'nin laboratuvarlarında çalıştı. ⓘ
Macar Zoltán Bay, György Szigeti ile birlikte 1939'da Macaristan'da, mevcut safsızlıklara bağlı olarak beyaz, sarımsı beyaz veya yeşilimsi beyaz yayan, bor karbür opsiyonlu SiC bazlı bir aydınlatma cihazının patentini alarak LED aydınlatmanın öncüsü oldu. ⓘ
Kurt Lehovec, Carl Accardo ve Edward Jamgochian bu ilk LED'leri 1951'de SiC kristallerini bir batarya ya da puls jeneratörü akım kaynağı ile kullanan bir aparat kullanarak ve 1953'te bir varyant, saf kristal ile karşılaştırarak açıkladı. ⓘ
Radio Corporation of America'dan Rubin Braunstein 1955 yılında galyum arsenit (GaAs) ve diğer yarı iletken alaşımlardan kızılötesi emisyonu rapor etmiştir. Braunstein, galyum antimonid (GaSb), GaAs, indiyum fosfit (InP) ve silikon-germanyum (SiGe) alaşımlarını kullanan basit diyot yapıları tarafından oda sıcaklığında ve 77 kelvinde üretilen kızılötesi emisyonu gözlemledi. ⓘ
Braunstein 1957'de bu ilkel cihazların kısa mesafelerde radyosuz iletişim için kullanılabileceğini de göstermiştir. Kroemer tarafından belirtildiği gibi Braunstein "...basit bir optik iletişim bağlantısı kurmuştu: Bir plakçalardan çıkan müzik, uygun elektronikler aracılığıyla bir GaAs diyotun ileri akımını modüle etmek için kullanıldı. Yayılan ışık, biraz uzaktaki bir PbS diyot tarafından algılanıyordu. Bu sinyal bir ses amplifikatörüne beslendi ve bir hoparlör tarafından çalındı. Işının kesilmesi müziği durduruyordu. Bu düzenekle oynarken çok eğlendik." Bu düzenek, LED'lerin optik iletişim uygulamaları için kullanılmasının habercisiydi. ⓘ
Eylül 1961'de James R. Biard ve Gary Pittman, Dallas, Teksas'taki Texas Instruments'ta çalışırken GaAs substrat üzerine inşa ettikleri bir tünel diyottan yakın kızılötesi (900 nm) ışık emisyonunu keşfettiler. Ekim 1961'e kadar, GaAs p-n bağlantı ışık yayıcısı ile elektriksel olarak izole edilmiş yarı iletken fotodedektör arasında verimli ışık emisyonu ve sinyal kuplajını gösterdiler. 8 Ağustos 1962'de Biard ve Pittman, bulgularına dayanarak "Yarı İletken Işıyan Diyot" başlıklı bir patent başvurusunda bulundular; bu patent, ileri önyargı altında kızılötesi ışığın verimli bir şekilde emisyonuna izin vermek için aralıklı bir katot kontağına sahip çinko dağılımlı bir p-n bağlantı LED'ini tanımlıyordu. G.E. Laboratuarları, RCA Araştırma Laboratuarları, IBM Araştırma Laboratuarları, Bell Laboratuarları ve MIT'deki Lincoln Laboratuarından gelen başvuruları önceleyen mühendislik not defterlerine dayanarak çalışmalarının önceliğini belirledikten sonra, ABD patent ofisi iki mucide ilk pratik LED olan GaAs kızılötesi ışık yayan diyotun patentini (ABD Patenti US3293513) verdi. Patent başvurusunun hemen ardından Texas Instruments (TI) kızılötesi diyotlar üretmek için bir proje başlattı. Ekim 1962'de TI, 890 nm ışık çıkışı yaymak için saf bir GaAs kristali kullanan ilk ticari LED ürününü (SNX-100) duyurdu. Ekim 1963'te TI ilk ticari yarım küre LED olan SNX-110'u duyurdu. ⓘ
İlk görünür spektrumlu (kırmızı) LED, J. W. Allen ve R. J. Cherry tarafından 1961 yılının sonlarında Baldock, İngiltere'deki SERL'de gösterildi. Bu çalışma Journal of Physics and Chemistry of Solids, Cilt 23, Sayı 5, Mayıs 1962, Sayfa 509-511'de rapor edilmiştir. Bir başka erken cihaz da Nick Holonyak, Jr. tarafından 9 Ekim 1962'de Syracuse, New York'ta General Electric için çalışırken gösterildi. Holonyak ve Bevacqua bu LED'i 1 Aralık 1962'de Applied Physics Letters dergisinde yayınladı. Holonyak'ın eski bir yüksek lisans öğrencisi olan M. George Craford, 1972 yılında ilk sarı LED'i icat etti ve kırmızı ve kırmızı-turuncu LED'lerin parlaklığını on kat artırdı. 1976 yılında T. P. Pearsall, optik fiber iletim dalga boylarına özel olarak uyarlanmış yeni yarı iletken malzemeler icat ederek optik fiber telekomünikasyon için ilk yüksek parlaklıklı, yüksek verimli LED'leri tasarladı. ⓘ
İlk ticari geliştirme
İlk ticari görünür dalga boylu LED'ler yaygın olarak akkor ve neon gösterge lambalarının yerine ve yedi segmentli ekranlarda, önce laboratuvar ve elektronik test ekipmanları gibi pahalı ekipmanlarda, daha sonra da hesap makineleri, TV'ler, radyolar, telefonlar ve saatler gibi cihazlarda kullanılmıştır (bkz. sinyal kullanımları listesi). 1968 yılına kadar, görünür ve kızılötesi LED'ler, birim başına 200 ABD doları gibi son derece yüksek maliyetliydi ve bu nedenle çok az pratik kullanıma sahipti. ⓘ
Hewlett-Packard (HP), 1962 ve 1968 yılları arasında HP Associates ve HP Labs'de Howard C. Borden, Gerald P. Pighini yönetimindeki bir araştırma ekibi tarafından pratik LED'ler üzerinde araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) çalışmaları yürütmüştür. Bu süre zarfında HP, ilk kullanılabilir LED ürünlerini geliştirmek için Monsanto Company ile işbirliği yaptı. İlk kullanılabilir LED ürünleri HP'nin LED ekranı ve Monsanto'nun LED gösterge lambasıydı ve her ikisi de 1968 yılında piyasaya sürüldü. Monsanto, 1968 yılında göstergelere uygun kırmızı LED'ler üretmek için GaAsP kullanarak görünür LED'leri seri olarak üreten ilk kuruluş oldu. Monsanto daha önce HP'ye GaAsP tedarik etmeyi teklif etmişti, ancak HP kendi GaAsP'sini yetiştirmeye karar verdi. Şubat 1969'da Hewlett-Packard, entegre devre (entegre LED devresi) teknolojisini kullanan ilk LED cihazı olan HP Model 5082-7000 Sayısal Göstergeyi tanıttı. Bu ilk akıllı LED göstergeydi ve dijital gösterge teknolojisinde bir devrimdi, Nixie tüpünün yerini aldı ve daha sonraki LED göstergelerin temeli oldu. ⓘ
1970'lerde Fairchild Optoelectronics tarafından her biri beş sentin altında ticari olarak başarılı LED cihazları üretildi. Bu cihazlarda düzlemsel işlemle (Jean Hoerni tarafından geliştirilmiştir) üretilmiş bileşik yarı iletken çipler kullanılmıştır. Çip üretimi için düzlemsel işleme ve yenilikçi paketleme yöntemlerinin kombinasyonu, Fairchild'de optoelektronik öncüsü Thomas Brandt liderliğindeki ekibin gerekli maliyet düşüşlerini elde etmesini sağladı. LED üreticileri bu yöntemleri kullanmaya devam etmektedir. ⓘ
İlk kırmızı LED'ler sadece gösterge olarak kullanılacak kadar parlaktı, çünkü ışık çıkışı bir alanı aydınlatmak için yeterli değildi. Hesap makinelerindeki göstergeler o kadar küçüktü ki okunabilir olmaları için her bir rakamın üzerine plastik lensler yerleştirilmişti. Daha sonra, diğer renkler yaygın olarak kullanılabilir hale geldi ve cihazlarda ve ekipmanlarda ortaya çıktı. ⓘ
İlk LED'ler, transistörlerinkine benzer metal kutularda, ışığı dışarı veren bir cam pencere veya mercekle paketlenmişti. Modern gösterge LED'leri şeffaf kalıplanmış plastik kutularda, boru şeklinde veya dikdörtgen şeklinde paketlenir ve genellikle cihaz rengine uyacak şekilde renklendirilir. Kızılötesi cihazlar görünür ışığı engellemek için boyanabilir. Yüksek güçlü LED'lerde verimli ısı dağılımı için daha karmaşık paketler uyarlanmıştır. Yüzeye monte edilen LED'ler paket boyutunu daha da küçültmektedir. Fiber optik kablolarla kullanılması amaçlanan LED'ler bir optik konektörle birlikte sağlanabilir. ⓘ
Mavi LED
Magnezyum katkılı galyum nitrür kullanan ilk mavi-mor LED, 1972 yılında Stanford Üniversitesi'nde malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doktora öğrencileri olan Herb Maruska ve Wally Rhines tarafından yapılmıştır. O sırada Maruska, Jacques Pankove ile ilgili çalışmalarda işbirliği yaptığı RCA Laboratuarlarından izinliydi. Maruska'nın Stanford'a gitmesinden bir yıl sonra, 1971'de RCA'daki meslektaşları Pankove ve Ed Miller çinko katkılı galyum nitrürden ilk mavi elektrolüminesansı gösterdiler, ancak Pankove ve Miller'ın daha sonra yaptığı ilk gerçek galyum nitrür ışık yayan diyot olan cihaz yeşil ışık yaydı. 1974 yılında ABD Patent Ofisi Maruska, Rhines ve Stanford profesörü David Stevenson'a 1972 yılındaki çalışmaları için bir patent verdi (ABD Patenti US3819974 A). Bugün, galyum nitrürün magnezyum katkısı tüm ticari mavi LED'lerin ve lazer diyotların temeli olmaya devam etmektedir. 1970'lerin başında, bu cihazlar pratik kullanım için çok sönüktü ve galyum nitrür cihazlarına yönelik araştırmalar yavaşladı. ⓘ
Ağustos 1989'da Cree, dolaylı bant aralığı yarı iletkeni olan silisyum karbür (SiC) bazlı ilk ticari mavi LED'i tanıttı. SiC LED'ler çok düşük verimliliğe sahipti, yaklaşık %0,03'ten fazla değildi, ancak görünür ışık spektrumunun mavi kısmında yayıyordu. ⓘ
1980'lerin sonunda, GaN epitaksiyel büyütme ve p-tipi katkılama alanındaki önemli atılımlar, GaN tabanlı optoelektronik cihazların modern çağını başlattı. Bu temel üzerine inşa edilen Boston Üniversitesi'nden Theodore Moustakas, 1991 yılında yeni bir iki aşamalı süreç kullanarak yüksek parlaklıkta mavi LED'ler üretmek için bir yöntemin patentini aldı. ⓘ
İki yıl sonra, 1993 yılında, Nichia Corporation'dan Shuji Nakamura tarafından galyum nitrür büyütme işlemi kullanılarak yüksek parlaklıkta mavi LED'ler gösterildi. Buna paralel olarak, Nagoya Üniversitesi'nden Isamu Akasaki ve Hiroshi Amano, safir alt tabakalar üzerinde önemli GaN birikimini geliştirmek ve GaN'ın p-tipi katkısını göstermek için çalışıyordu. Bu yeni gelişme LED aydınlatmada devrim yaratarak yüksek güçlü mavi ışık kaynaklarını pratik hale getirdi ve Blu-ray gibi teknolojilerin gelişmesine yol açtı. ⓘ
Nakamura bu buluşu nedeniyle 2006 Milenyum Teknoloji Ödülü'ne layık görülmüştür. Nakamura, Hiroshi Amano ve Isamu Akasaki, mavi LED'in icadı nedeniyle 2014 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. 2015 yılında bir ABD mahkemesi, üç şirketin Moustakas'ın önceki patentini ihlal ettiğine hükmetti ve 13 milyon ABD Dolarından az olmamak üzere lisans ücreti ödemelerine karar verdi. ⓘ
1995 yılında Cardiff Üniversitesi Laboratuvarında (GB) Alberto Barbieri yüksek parlaklıkta LED'lerin verimliliğini ve güvenilirliğini araştırmış ve (AlGaInP/GaAs) üzerinde indiyum kalay oksit (ITO) kullanarak "şeffaf temaslı" bir LED göstermiştir. ⓘ
2001 ve 2002 yıllarında, silikon üzerinde galyum nitrür (GaN) LED'lerin büyütülmesine yönelik süreçler başarıyla gösterilmiştir. Ocak 2012'de Osram, silikon alt tabakalar üzerinde büyütülen yüksek güçlü InGaN LED'leri ticari olarak sergiledi ve silikon üzerinde GaN LED'ler Plessey Semiconductors'ta üretiliyor. 2017 itibariyle, bazı üreticiler LED üretimi için alt tabaka olarak SiC kullanmaktadır, ancak safir, galyum nitrür ile en benzer özelliklere sahip olduğu ve safir gofreti desenleme ihtiyacını azalttığı için daha yaygındır (desenli gofretler epi gofretler olarak bilinir). Samsung, Cambridge Üniversitesi ve Toshiba Si LED'ler üzerinde GaN araştırmaları yürütmektedir. Toshiba, muhtemelen düşük verim nedeniyle araştırmalarını durdurmuştur. Bazıları silikon üzerinde zor olan epitaksiyi tercih ederken, Cambridge Üniversitesi gibi diğerleri (kristal) kafes uyumsuzluğunu ve farklı termal genleşme oranlarını azaltmak, LED çipinin yüksek sıcaklıklarda (örneğin üretim sırasında) çatlamasını önlemek, ısı üretimini azaltmak ve ışık verimliliğini artırmak için çok katmanlı bir yapı tercih etmektedir. Safir alt tabaka desenleme nanoimprint litografi ile gerçekleştirilebilir. ⓘ
GaN-on-Si, mevcut yarı iletken üretim altyapısından yararlandığı için arzu edilir; ancak elde edilmesi zordur. Ayrıca LED kalıplarının gofret düzeyinde paketlenmesine olanak tanıyarak son derece küçük LED paketleri elde edilmesini sağlar. ⓘ
GaN genellikle Metalorganik buhar fazlı epitaksi (MOCVD) kullanılarak biriktirilir ve aynı zamanda Lift-off kullanır. ⓘ
Beyaz LED'ler ve aydınlatma atılımı
Beyaz ışık tek tek kırmızı, yeşil ve mavi LED'ler kullanılarak oluşturulabilse de, sadece üç dar dalga boyu bandı yayıldığı için bu zayıf renksel geriverimle sonuçlanır. Yüksek verimli mavi LED'lerin elde edilmesinin hemen ardından ilk beyaz LED geliştirilmiştir. Bu cihazda bir Y
3Al
5O
12:Ce ("YAG" veya Ce:YAG fosfor olarak bilinir) seryum katkılı fosfor kaplama floresan yoluyla sarı ışık üretir. Bu sarının kalan mavi ışıkla birleşimi göze beyaz görünür. Farklı fosforların kullanılması floresan yoluyla yeşil ve kırmızı ışık üretir. Ortaya çıkan kırmızı, yeşil ve mavi karışımı, mavi LED/YAG fosfor kombinasyonundan gelen dalga boylarına kıyasla daha iyi renksel geriverimle beyaz ışık olarak algılanır. ⓘ
İlk beyaz LED'ler pahalı ve verimsizdi. Ancak LED'lerin ışık çıkışı katlanarak artmıştır. En son araştırma ve geliştirme çalışmaları Panasonic ve Nichia gibi Japon üreticiler ile Samsung, Solstice, Kingsun, Hoyol ve diğerleri gibi Koreli ve Çinli üreticiler tarafından yürütülmüştür. Artan çıktıdaki bu eğilim Roland Haitz'den sonra Haitz yasası olarak adlandırılmıştır. ⓘ
Mavi ve morötesine yakın LED'lerin ışık çıkışı ve verimliliği arttı ve güvenilir cihazların maliyeti düştü. Bu da aydınlatma için nispeten yüksek güçlü beyaz ışık LED'lerinin akkor ve floresan aydınlatmanın yerini almasına yol açtı. ⓘ
Deneysel beyaz LED'lerin 2014 yılında watt elektrik başına 303 lümen (lm/W) ürettiği gösterilmiştir; bazıları 100.000 saate kadar dayanabilmektedir. Bununla birlikte, piyasada bulunan LED'ler 2018 itibariyle 223 lm/W'a kadar verimliliğe sahiptir. Bir önceki 135 lm/W rekoru 2010 yılında Nichia tarafından elde edilmişti. Akkor ampullerle karşılaştırıldığında bu, elektrik verimliliğinde büyük bir artıştır ve LED'lerin satın alınması daha pahalı olsa da, toplam ömür boyu maliyet akkor ampullerden önemli ölçüde daha ucuzdur. ⓘ
LED çipi küçük, plastik, beyaz bir kalıp içinde kapsüllenmiştir. Reçine (poliüretan bazlı), silikon veya (toz) Seryum katkılı YAG fosfor içeren epoksi kullanılarak kapsüllenebilir. Çözücülerin buharlaşmasına izin verdikten sonra, LED'ler genellikle test edilir ve LED ampul üretiminde kullanılmak üzere SMT yerleştirme ekipmanı için bantlara yerleştirilir. Kapsülleme, problama, küpleme, gofretten pakete kalıp aktarımı ve tel bağlama veya flip chip montajından sonra, belki de şeffaf bir elektrik iletkeni olan İndiyum kalay oksit kullanılarak gerçekleştirilir. Bu durumda, bağ teli (telleri) LED'lerde biriktirilmiş olan ITO filmine tutturulur. Bazı "uzaktan fosforlu" LED ampuller, tek çipli beyaz LED'lerde fosfor kaplamalar kullanmak yerine, birkaç mavi LED için YAG fosforlu tek bir plastik kapak kullanır. ⓘ
Çalışma sırasında fosforun sıcaklığı ve nasıl uygulandığı bir LED kalıbının boyutunu sınırlar. Wafer düzeyinde paketlenmiş beyaz LED'ler son derece küçük LED'lere olanak sağlar. ⓘ
Işık üretimi ve emisyonunun fiziği
Işık yayan bir diyotta, bir yarı iletkendeki elektronların ve elektron deliklerinin rekombinasyonu, "elektrolüminesans" adı verilen bir süreç olan ışığı (kızılötesi, görünür veya UV) üretir. Işığın dalga boyu, kullanılan yarı iletkenlerin enerji bandı aralığına bağlıdır. Bu malzemeler yüksek bir kırılma indisine sahip olduğundan, ışığı verimli bir şekilde yaymak için özel optik kaplamalar ve kalıp şekli gibi cihazların tasarım özellikleri gereklidir. ⓘ
Bir lazerden farklı olarak, bir LED'den yayılan ışık ne spektral olarak uyumludur ne de yüksek oranda tek renklidir. Bununla birlikte, spektrumu insan gözüne saf (doymuş) bir renk olarak görünecek kadar dardır. Ayrıca çoğu lazerin aksine, radyasyonu uzamsal olarak tutarlı değildir, bu nedenle lazerlerin çok yüksek yoğunluk özelliğine yaklaşamaz. ⓘ
Renkler
Farklı yarı iletken malzemelerin seçilmesiyle, yakın kızılötesinden görünür spektruma ve ultraviyole aralığına kadar dar bir dalga boyu bandında ışık yayan tek renkli LED'ler yapılabilir. Dalga boyları kısaldıkça, bu yarı iletkenlerin daha büyük bant aralığı nedeniyle, LED'in çalışma voltajı artar. ⓘ
Mavi ve ultraviyole
| Harici video ⓘ | |
|---|---|
 | |
 "Orijinal Mavi LED", Bilim Tarihi Enstitüsü |
Mavi LED'ler, kaplama katmanları olarak adlandırılan daha kalın GaN katmanları arasına sıkıştırılmış bir veya daha fazla InGaN kuantum kuyusundan oluşan aktif bir bölgeye sahiptir. InGaN kuantum kuyularındaki göreceli In/Ga oranı değiştirilerek, ışık emisyonu teorik olarak mordan kehribara kadar değiştirilebilir. ⓘ
Değişken Al/Ga oranına sahip alüminyum galyum nitrür (AlGaN), ultraviyole LED'ler için kaplama ve kuantum kuyusu katmanlarını üretmek için kullanılabilir, ancak bu cihazlar henüz InGaN/GaN mavi/yeşil cihazların verimlilik ve teknolojik olgunluk seviyesine ulaşmamıştır. Bu durumda aktif kuantum kuyusu katmanlarını oluşturmak için alaşımsız GaN kullanılırsa, cihaz 365 nm civarında merkezlenen bir tepe dalga boyuna sahip morötesine yakın ışık yayar. InGaN/GaN sisteminden üretilen yeşil LED'ler, nitrür olmayan malzeme sistemleriyle üretilen yeşil LED'lerden çok daha verimli ve parlaktır, ancak pratik cihazlar hala yüksek parlaklık uygulamaları için çok düşük verimlilik sergilemektedir. ⓘ
AlGaN ve AlGaInN ile daha da kısa dalga boyları elde edilebilir. Yaklaşık 360-395 nm dalga boylarındaki UV'ye yakın yayıcılar halihazırda ucuzdur ve örneğin belgelerdeki ve banknotlardaki sahteciliğe karşı UV filigranlarının incelenmesi ve UV kürleme için siyah ışık lambası yerine kullanılmaktadır. Önemli ölçüde daha pahalı, daha kısa dalga boylu diyotlar 240 nm'ye kadar olan dalga boyları için ticari olarak mevcuttur. Mikroorganizmaların ışığa duyarlılığı, yaklaşık 260 nm'de bir tepe noktası ile DNA'nın emilim spektrumuyla yaklaşık olarak eşleştiğinden, 250-270 nm'de yayan UV LED'in ileriye dönük dezenfeksiyon ve sterilizasyon cihazlarında kullanılması beklenmektedir. Son araştırmalar, piyasada bulunan UVA LED'lerin (365 nm) halihazırda etkili dezenfeksiyon ve sterilizasyon cihazları olduğunu göstermiştir. Laboratuvarlarda alüminyum nitrür (210 nm), bor nitrür (215 nm) ve elmas (235 nm) kullanılarak UV-C dalga boyları elde edilmiştir. ⓘ
Beyaz
Beyaz ışık yayan diyotlar üretmenin iki temel yolu vardır. Bunlardan biri kırmızı, yeşil ve mavi olmak üzere üç ana renk yayan ayrı LED'ler kullanmak ve ardından beyaz ışık oluşturmak için tüm renkleri karıştırmaktır. Diğeri ise mavi veya UV LED'den gelen tek renkli ışığı, floresan lambaya benzer şekilde geniş spektrumlu beyaz ışığa dönüştürmek için bir fosfor malzemesi kullanmaktır. Sarı fosfor, paketin içinde asılı duran veya LED'in üzerine kaplanmış seryum katkılı YAG kristalleridir. Bu YAG fosforu beyaz LED'lerin kapalıyken sarı görünmesine neden olur ve kristaller arasındaki boşluk kısmi fosfor dönüşümü olan LED'lerde bir miktar mavi ışığın geçmesine izin verir. Alternatif olarak, beyaz LED'ler manganez (IV) katkılı potasyum florosilikat (PFS) veya diğer tasarlanmış fosforlar gibi diğer fosforları kullanabilir. PFS kırmızı ışık üretimine yardımcı olur ve geleneksel Ce:YAG fosfor ile birlikte kullanılır. PFS fosforlu LED'lerde bir miktar mavi ışık fosforlardan geçer, Ce:YAG fosforu mavi ışığı yeşil ve kırmızı (sarı) ışığa dönüştürür ve PFS fosforu mavi ışığı kırmızı ışığa dönüştürür. Beyaz fosfora dönüştürülmüş ve diğer fosfora dönüştürülmüş LED'lerin rengi, emisyon spektrumu veya renk sıcaklığı, bir LED paketinde kullanılan bir fosfor karışımını oluşturan birkaç fosforun konsantrasyonu değiştirilerek kontrol edilebilir. ⓘ
Üretilen ışığın 'beyazlığı' insan gözüne uyacak şekilde tasarlanmıştır. Metamerizm nedeniyle, beyaz görünen oldukça farklı spektrumlara sahip olmak mümkündür. Spektrum değiştikçe bu ışıkla aydınlatılan nesnelerin görünümü de değişebilir. Bu, renk sıcaklığından oldukça ayrı bir renk sunumu konusudur. Turuncu veya camgöbeği bir nesne, LED veya fosfor yansıttığı dalga boyunu yaymadığı için yanlış renkte ve çok daha koyu görünebilir. En iyi renksel geriverime sahip LED'ler, daha az verimlilik ve daha iyi renksel geriverimle sonuçlanan bir fosfor karışımı kullanır. ⓘ
RGB sistemleri
Beyaz ışık üretmek için kırmızı, yeşil ve mavi kaynakları karıştırmak, renklerin karışımını kontrol etmek için elektronik devrelere ihtiyaç duyar. LED'ler biraz farklı emisyon modellerine sahip olduğundan, RGB kaynakları tek bir pakette olsa bile renk dengesi görüş açısına bağlı olarak değişebilir, bu nedenle RGB diyotlar beyaz aydınlatma üretmek için nadiren kullanılır. Bununla birlikte, bu yöntem farklı renkleri karıştırma esnekliği nedeniyle birçok uygulamaya sahiptir ve prensipte bu mekanizma beyaz ışık üretiminde daha yüksek kuantum verimliliğine sahiptir. ⓘ
Çok renkli beyaz LED'lerin çeşitli türleri vardır: di-, tri- ve tetrakromatik beyaz LED'ler. Bu farklı yöntemler arasında rol oynayan bazı temel faktörler arasında renk kararlılığı, renk işleme kabiliyeti ve ışık etkinliği yer almaktadır. Genellikle, daha yüksek verimlilik daha düşük renksel geriverim anlamına gelir ve ışık etkinliği ile renksel geriverim arasında bir değiş tokuş sunar. Örneğin, dikromatik beyaz LED'ler en iyi ışık verimliliğine (120 lm/W), ancak en düşük renksel geriverim kapasitesine sahiptir. Tetrakromatik beyaz LED'ler mükemmel renksel geriverim kapasitesine sahip olmalarına rağmen, genellikle zayıf ışık etkinliğine sahiptirler. Trikromatik beyaz LED'ler, hem iyi ışık verimliliğine (>70 lm/W) hem de makul renksel geriverim kabiliyetine sahip olarak ikisinin arasındadır. ⓘ
Karşılaşılan zorluklardan biri de daha verimli yeşil LED'lerin geliştirilmesidir. Yeşil LED'ler için teorik maksimum değer watt başına 683 lümendir, ancak 2010 itibariyle çok az yeşil LED watt başına 100 lümeni bile aşmaktadır. Mavi ve kırmızı LED'ler teorik sınırlarına yaklaşmaktadır. ⓘ
Çok renkli LED'ler de farklı renklerde ışık oluşturmak için yeni bir araç sunmaktadır. Algılanabilir renklerin çoğu üç ana rengin farklı miktarlarda karıştırılmasıyla oluşturulabilir. Bu da hassas dinamik renk kontrolü sağlar. Ancak, bu tür LED'lerin emisyon gücü artan sıcaklıkla birlikte katlanarak azalır, bu da renk stabilitesinde önemli bir değişikliğe neden olur. Bu tür sorunlar endüstriyel kullanımı engeller. Fosfor içermeyen çok renkli LED'ler, her bir LED dar bantlı bir kaynak olduğundan iyi renksel geriverim sağlayamaz. Fosforsuz LED'ler, genel aydınlatma için daha zayıf bir çözüm olsa da, LCD'nin arka ışığı veya doğrudan LED tabanlı pikseller gibi ekranlar için en iyi çözümdür. ⓘ
Çok renkli bir LED kaynağını akkor lambaların özelliklerine uyacak şekilde karartmak zordur çünkü üretim varyasyonları, yaş ve sıcaklık gerçek renk değeri çıkışını değiştirir. Akkor lambaların karartma görünümünü taklit etmek, rengi aktif olarak izlemek ve kontrol etmek için renk sensörlü bir geri bildirim sistemi gerektirebilir. ⓘ
Fosfor tabanlı LED'ler
Bu yöntem, beyaz ışık oluşturmak için bir renkteki LED'lerin (çoğunlukla InGaN'den yapılmış mavi LED'ler) farklı renkteki fosforlarla kaplanmasını içerir; sonuçta ortaya çıkan LED'lere fosfor bazlı veya fosfor dönüştürülmüş beyaz LED'ler (pcLED'ler) denir. Mavi ışığın bir kısmı Stokes kaymasına uğrar, bu da onu daha kısa dalga boylarından daha uzun dalga boylarına dönüştürür. Orijinal LED'in rengine bağlı olarak çeşitli renk fosforları kullanılır. Farklı renklerde birkaç fosfor katmanı kullanmak, yayılan spektrumu genişleterek renksel geriverim indeksini (CRI) etkili bir şekilde yükseltir. ⓘ
Fosfor bazlı LED'ler, Stokes kaymasından kaynaklanan ısı kaybı ve fosforla ilgili diğer sorunlar nedeniyle verimlilik kayıplarına sahiptir. Normal LED'lere kıyasla ışık verimlilikleri, ortaya çıkan ışık çıkışının spektral dağılımına ve LED'in orijinal dalga boyuna bağlıdır. Örneğin, tipik bir YAG sarı fosfor bazlı beyaz LED'in ışık etkinliği, insan gözünün sarıya karşı maviden daha hassas olması nedeniyle (parlaklık fonksiyonunda modellendiği gibi) orijinal mavi LED'in ışık etkinliğinin 3 ila 5 katı arasında değişmektedir. Üretimin basitliği nedeniyle fosfor yöntemi, yüksek yoğunluklu beyaz LED'ler yapmak için hala en popüler yöntemdir. Fosfor dönüşümlü tek renkli bir yayıcı kullanan bir ışık kaynağı veya ışık fikstürünün tasarımı ve üretimi, karmaşık bir RGB sisteminden daha basit ve daha ucuzdur ve şu anda piyasada bulunan yüksek yoğunluklu beyaz LED'lerin çoğu fosfor ışık dönüşümü kullanılarak üretilmektedir. ⓘ
LED tabanlı beyaz ışık kaynaklarının verimliliğini artırmak için karşılaşılan zorluklar arasında daha verimli fosforların geliştirilmesi de yer almaktadır. 2010 yılı itibariyle, en verimli sarı fosfor hala %10'dan daha az Stokes kayması kaybına sahip YAG fosfordur. LED çipinde ve LED ambalajının kendisinde yeniden emilimden kaynaklanan dahili optik kayıplara atfedilebilecek kayıplar, tipik olarak verimlilik kaybının %10 ila %30'unu oluşturmaktadır. Şu anda, fosfor LED geliştirme alanında, bu cihazları daha yüksek ışık çıkışı ve daha yüksek çalışma sıcaklıklarına optimize etmek için çok çaba harcanmaktadır. Örneğin, daha iyi bir paket tasarımı uyarlanarak veya daha uygun bir fosfor türü kullanılarak verimlilik artırılabilir. Değişken fosfor kalınlığı sorununu ele almak için konformal kaplama işlemi sıklıkla kullanılmaktadır. ⓘ
Bazı fosfor bazlı beyaz LED'ler, InGaN mavi LED'leri fosfor kaplı epoksi içinde kapsüller. Alternatif olarak LED, fosfor malzemesiyle kaplanmış önceden şekillendirilmiş bir polikarbonat parça olan uzak bir fosforla eşleştirilebilir. Uzak fosforlar, birçok uygulama için arzu edilen daha dağınık ışık sağlar. Uzak fosfor tasarımları ayrıca LED emisyon spektrumundaki değişimlere karşı daha toleranslıdır. Yaygın bir sarı fosfor malzemesi seryum katkılı itriyum alüminyum garnettir (Ce3+:YAG). ⓘ
Beyaz LED'ler, kırmızı ve mavi yayan yüksek verimli europium bazlı fosforların yanı sıra yeşil yayan bakır ve alüminyum katkılı çinko sülfit (ZnS:Cu, Al) karışımıyla yakın ultraviyole (NUV) LED'lerin kaplanmasıyla da yapılabilir. Bu, floresan lambaların çalışma şekline benzer bir yöntemdir. Bu yöntem, Stokes kayması daha büyük olduğu için YAG:Ce fosforlu mavi LED'lerden daha az verimlidir, bu nedenle daha fazla enerji ısıya dönüştürülür, ancak rengi daha iyi veren daha iyi spektral özelliklere sahip ışık verir. Ultraviyole LED'lerin mavi LED'lere göre daha yüksek ışınımsal çıktısı nedeniyle, her iki yöntem de karşılaştırılabilir parlaklık sunar. UV ışığının arızalı bir ışık kaynağından sızarak insan gözüne veya cildine zarar verebileceği endişesi vardır. ⓘ
Diğer beyaz LED'ler
Deneysel beyaz ışık LED'leri üretmek için kullanılan bir başka yöntemde hiç fosfor kullanılmamış ve aktif bölgesinden mavi ışık ve alt tabakadan sarı ışık yayan bir ZnSe alt tabaka üzerinde homoepitaksiyel olarak büyütülmüş çinko selenide (ZnSe) dayanmıştır. ⓘ
Silikon üzerinde galyum-nitritten (GaN-on-Si) oluşan yeni bir gofret tarzı, 200 mm'lik silikon gofretler kullanarak beyaz LED'ler üretmek için kullanılmaktadır. Bu, nispeten küçük 100 veya 150 mm'lik gofret boyutlarındaki tipik maliyetli safir alt tabakayı önler. Safir aparat, aksi takdirde boşa gidecek olan ışığı yansıtmak için ayna benzeri bir toplayıcı ile birleştirilmelidir. 2020'den itibaren tüm GaN LED'lerin %40'ının GaN-on-Si ile yapılacağı öngörülmektedir. Büyük safir malzeme üretmek zorken, büyük silikon malzeme daha ucuz ve daha bol miktarda bulunmaktadır. LED şirketlerinin safir kullanmaktan silikona geçmesi minimum bir yatırım olacaktır. ⓘ
Organik ışık yayan diyotlar (OLED'ler)
Bir organik ışık yayan diyotta (OLED), diyotun yayıcı katmanını oluşturan elektrolüminesan malzeme organik bir bileşiktir. Organik malzeme, molekülün tamamı veya bir kısmı üzerinde konjugasyonun neden olduğu pi elektronlarının delokalizasyonu nedeniyle elektriksel olarak iletkendir ve bu nedenle malzeme organik bir yarı iletken olarak işlev görür. Organik malzemeler kristal fazdaki küçük organik moleküller veya polimerler olabilir. ⓘ
OLED'lerin potansiyel avantajları arasında düşük sürüş voltajına sahip ince, düşük maliyetli ekranlar, geniş görüş açısı ve yüksek kontrast ve renk gamı bulunmaktadır. Polimer LED'ler yazdırılabilir ve esnek ekranlar gibi ek avantajlara sahiptir. OLED'ler cep telefonları, dijital kameralar, aydınlatma ve televizyonlar gibi taşınabilir elektronik cihazlar için görsel ekranlar yapmak için kullanılmıştır. ⓘ
Türleri
LED'ler farklı uygulamalar için farklı paketlerde üretilir. Bir gösterge veya pilot lamba olarak kullanılmak üzere tek veya birkaç LED bağlantısı minyatür bir cihazda paketlenebilir. Bir LED dizisi, aynı paket içinde basit bir direnç, yanıp sönme veya renk değiştirme kontrolü veya RGB cihazları için adreslenebilir bir kontrolör arasında değişebilen kontrol devreleri içerebilir. Daha yüksek güçlü beyaz yayan cihazlar ısı alıcılarına monte edilecek ve aydınlatma için kullanılacaktır. Nokta matris veya çubuk formatında alfanümerik ekranlar yaygın olarak mevcuttur. Özel paketler, yüksek hızlı veri iletişim bağlantıları için LED'lerin optik fiberlere bağlanmasına izin verir. ⓘ
Minyatür
Bunlar çoğunlukla gösterge olarak kullanılan tek katlı LED'lerdir ve 2 mm'den 8 mm'ye kadar çeşitli boyutlarda, delikli ve yüzeye monte paketler halinde gelirler. Tipik akım değerleri yaklaşık 1 mA ile 20 mA'nın üzerindedir. Esnek bir destek bandına tutturulmuş çoklu LED kalıpları bir LED şerit ışığı oluşturur. ⓘ
Yaygın paket şekilleri arasında kubbeli veya düz tepeli yuvarlak, düz tepeli dikdörtgen (çubuk grafik ekranlarda kullanıldığı gibi) ve düz tepeli üçgen veya kare bulunur. Kapsülleme ayrıca kontrastı ve görüş açısını iyileştirmek için şeffaf veya renkli olabilir. Kızılötesi cihazlar, kızılötesi radyasyonu geçirirken görünür ışığı engellemek için siyah bir renk tonuna sahip olabilir. ⓘ
Ultra yüksek çıkışlı LED'ler doğrudan güneş ışığı altında görüntüleme için tasarlanmıştır. ⓘ
5 V ve 12 V LED'ler, 5 V veya 12 V kaynağa doğrudan bağlantı için bir seri dirence sahip sıradan minyatür LED'lerdir. ⓘ
Yüksek güç
.jpg)
Yüksek güçlü LED'ler (HP-LED'ler) veya yüksek çıkışlı LED'ler (HO-LED'ler), diğer LED'ler için onlarca mA ile karşılaştırıldığında, yüzlerce mA'den bir amperden daha fazla akımlarda çalıştırılabilir. Bazıları binin üzerinde lümen yayabilir. LED güç yoğunlukları 300 W/cm2'ye kadar ulaşmıştır. Aşırı ısınma yıkıcı olduğundan, HP-LED'ler ısı dağılımına izin vermek için bir soğutucu üzerine monte edilmelidir. Bir HP-LED'den gelen ısı uzaklaştırılmazsa, cihaz saniyeler içinde arızalanır. Bir HP-LED genellikle bir el fenerindeki akkor ampulün yerini alabilir veya güçlü bir LED lamba oluşturmak için bir dizi halinde yerleştirilebilir. ⓘ
Bu kategorideki bazı iyi bilinen HP-LED'ler Nichia 19 serisi, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon ve Cree X-lamp'tir. Eylül 2009 itibariyle, Cree tarafından üretilen bazı HP-LED'ler artık 105 lm/W değerini aşmaktadır. ⓘ
LED'lerin ışık çıkışında ve etkinliğinde zaman içinde üstel bir artış öngören Haitz yasasına örnek olarak 2009 yılında 105 lm/W değerine ulaşan CREE XP-G serisi LED ve 2010 yılında piyasaya sürülen 140 lm/W tipik etkinliğe sahip Nichia 19 serisi verilebilir. ⓘ
AC tahrikli
Seoul Semiconductor tarafından geliştirilen LED'ler DC dönüştürücü olmadan AC güçle çalışabilir. Her yarım döngü için LED'in bir kısmı ışık yayar ve bir kısmı karanlıktır ve bu bir sonraki yarım döngü sırasında tersine çevrilir. Bu tip HP-LED'in verimliliği tipik olarak 40 lm/W'tır. Seri haldeki çok sayıda LED elemanı doğrudan hat geriliminden çalışabilir. 2009 yılında Seoul Semiconductor, basit bir kontrol devresiyle AC gücünden çalıştırılabilen 'Acrich MJT' adlı yüksek DC voltajlı LED'i piyasaya sürmüştür. Bu LED'lerin düşük güç tüketimi, orijinal AC LED tasarımına göre daha fazla esneklik sağlamaktadır. ⓘ
Uygulamaya özel varyasyonlar
Yanıp sönüyor
Yanıp sönen LED'ler harici elektronikler gerektirmeden dikkat çekici göstergeler olarak kullanılır. Yanıp sönen LED'ler standart LED'lere benzer ancak entegre bir voltaj regülatörü ve LED'in tipik bir saniye periyoduyla yanıp sönmesine neden olan bir multivibratör devresi içerirler. Dağınık lensli LED'lerde bu devre küçük siyah bir nokta olarak görülebilir. Yanıp sönen LED'lerin çoğu tek renk ışık yayar, ancak daha sofistike cihazlar birden fazla renk arasında yanıp sönebilir ve hatta RGB renk karışımını kullanarak bir renk dizisi boyunca solabilir. Yanıp sönen SMD LED'ler 0805 ve diğer boyut formatlarında 2019'un başından beri mevcuttur. ⓘ
Çift renkli
Bi-renkli LED'ler bir kasada iki farklı LED yayıcı içerir. Bunların iki türü vardır. Bir tür, birbirine antiparalel aynı iki uca bağlı iki kalıptan oluşur. Bir yöndeki akım akışı bir rengi yayar ve ters yöndeki akım diğer rengi yayar. Diğer tip, her iki kalıp için ayrı uçlara sahip iki kalıptan ve bağımsız olarak kontrol edilebilmeleri için ortak anot veya katot için başka bir uçtan oluşur. En yaygın iki renkli kombinasyon kırmızı/geleneksel yeşildir, ancak diğer mevcut kombinasyonlar arasında kehribar/geleneksel yeşil, kırmızı/saf yeşil, kırmızı/mavi ve mavi/saf yeşil bulunur. ⓘ
RGB üç renkli
Üç renkli LED'ler bir kutuda üç farklı LED yayıcı içerir. Her bir yayıcı ayrı bir uca bağlanır, böylece bağımsız olarak kontrol edilebilirler. Dört uçlu bir düzenleme, bir ortak uç (anot veya katot) ve her renk için ek bir uç ile tipiktir. Ancak diğerlerinde yalnızca iki uç (pozitif ve negatif) bulunur ve yerleşik bir elektronik denetleyiciye sahiptir. ⓘ
RGB LED'ler bir kırmızı, bir yeşil ve bir mavi LED'den oluşur. RGB LED'ler, her üçünü de bağımsız olarak ayarlayarak geniş bir renk gamı üretebilir. Ancak özel renkli LED'lerin aksine bunlar saf dalga boyları üretmez. Modüller düzgün renk karışımı için optimize edilmemiş olabilir. ⓘ
Dekoratif-çok renkli
Dekoratif-çok renkli LED'ler, yalnızca iki çıkış kablosu tarafından sağlanan farklı renklerde birkaç yayıcı içerir. Renkler, besleme voltajı değiştirilerek dahili olarak değiştirilir. ⓘ
Alfanümerik
Alfanümerik LED'ler yedi segmentli, yıldız patlaması ve nokta matris formatında mevcuttur. Yedi segmentli ekranlar tüm sayıları ve sınırlı sayıda harfi gösterir. Yıldız patlaması ekranlar tüm harfleri görüntüleyebilir. Nokta matrisli ekranlar tipik olarak karakter başına 5×7 piksel kullanır. Yedi segmentli LED ekranlar 1970'lerde ve 1980'lerde yaygın olarak kullanılmaktaydı, ancak daha düşük güç ihtiyaçları ve daha fazla ekran esnekliği ile sıvı kristal ekranların artan kullanımı, sayısal ve alfanümerik LED ekranların popülaritesini azaltmıştır. ⓘ
Dijital RGB
Dijital RGB adreslenebilir LED'ler kendi "akıllı" kontrol elektroniklerini içerir. Güç ve toprağa ek olarak, bunlar veri girişi, veri çıkışı, saat ve bazen bir flaş sinyali için bağlantılar sağlar. Bunlar papatya zinciri şeklinde bağlanır. Zincirin ilk LED'ine gönderilen veriler, her bir LED'in parlaklığını ve rengini diğerlerinden bağımsız olarak kontrol edebilir. Noel ve LED matrisleri için diziler gibi maksimum kontrol ve minimum görünür elektronik kombinasyonunun gerekli olduğu yerlerde kullanılırlar. Hatta bazıları temel video uygulamalarına olanak tanıyan kHz aralığında yenileme hızlarına sahiptir. Bu cihazlar parça numarasıyla (WS2812 yaygındır) veya NeoPixel gibi bir marka adıyla bilinir. ⓘ
Filament
Bir LED filamenti, geleneksel akkor filamenti anımsatan ince bir çubuk oluşturan ortak bir uzunlamasına alt tabaka üzerinde seri olarak bağlanmış birden fazla LED çipinden oluşur. Bunlar, birçok ülkede kullanımdan kaldırılmakta olan geleneksel ampuller için düşük maliyetli dekoratif bir alternatif olarak kullanılmaktadır. Filamentler oldukça yüksek bir voltaj kullanır ve bu da şebeke gerilimleriyle verimli bir şekilde çalışmalarını sağlar. Genellikle basit bir doğrultucu ve kapasitif akım sınırlaması, tek kalıp LED'lerin ihtiyaç duyduğu düşük voltaj, yüksek akım dönüştürücünün karmaşıklığı olmadan geleneksel bir ampul için düşük maliyetli bir yedek oluşturmak için kullanılır. Genellikle, değiştirilmek üzere tasarlandıkları lambalara benzer ampuller içinde paketlenirler ve ısıyı verimli bir şekilde uzaklaştırmak ve korozyonu önlemek için ortam basıncından biraz daha düşük inert gazla doldurulurlar. ⓘ
Kart üzerinde çip dizileri
Yüzeye monte LED'ler sıklıkla çipli kart (COB) dizileri halinde üretilir ve benzer ışık çıkışına sahip tek bir LED'e kıyasla daha iyi ısı dağılımı sağlar. LED'ler bir silindir etrafında düzenlenebilir ve sarı LED sıraları nedeniyle "mısır koçanı ışıkları" olarak adlandırılır. ⓘ
Kullanım için dikkat edilmesi gerekenler
Güç kaynakları
Bir LED veya diğer diyotlardaki akım, uygulanan voltajla üstel olarak artar (Shockley diyot denklemine bakın), bu nedenle voltajdaki küçük bir değişiklik akımda büyük bir değişikliğe neden olabilir. LED'den geçen akım, hasarı önlemek için sabit akım kaynağı gibi harici bir devre tarafından düzenlenmelidir. En yaygın güç kaynakları (neredeyse) sabit voltaj kaynakları olduğundan, LED armatürleri bir güç dönüştürücü veya en azından akım sınırlayıcı bir direnç içermelidir. Bazı uygulamalarda, küçük pillerin dahili direnci akımı LED değeri dahilinde tutmak için yeterlidir. ⓘ
Elektriksel polarite
Geleneksel bir akkor lambanın aksine, bir LED yalnızca diyotun ileri yönünde voltaj uygulandığında yanar. Ters yönde voltaj uygulanırsa akım akmaz ve ışık yayılmaz. Ters voltaj arıza voltajını aşarsa, büyük bir akım akar ve LED hasar görür. Ters akım hasarı önlemek için yeterince sınırlıysa, ters iletken LED yararlı bir gürültü diyotudur. ⓘ
Güvenlik ve sağlık
Bazı mavi LED'ler ve soğuk beyaz LED'ler, "ANSI/IESNA RP-27.1-05: Lamba ve Lamba Sistemleri için Fotobiyolojik Güvenlik için Önerilen Uygulama" gibi göz güvenliği şartnamelerinde tanımlanan mavi ışık tehlikesi olarak adlandırılan güvenli sınırları aşabilir. Bir çalışma, ev içi aydınlatmada normal kullanımda bir risk olduğuna dair kanıt olmadığını ve yalnızca belirli mesleki durumlar veya belirli popülasyonlar için dikkatli olunması gerektiğini göstermiştir. 2006 yılında Uluslararası Elektroteknik Komisyonu IEC 62471 Lamba ve Lamba Sistemlerinin Fotobiyolojik Güvenliği'ni yayınlayarak LED kaynaklarının sınıflandırılması için daha önceki lazer odaklı standartların uygulanmasının yerini almıştır. ⓘ
LED'ler cıva içermedikleri için floresan lambalara göre avantajlı olsalar da, kurşun ve arsenik gibi diğer tehlikeli metalleri içerebilirler. ⓘ
2016 yılında Amerikan Tıp Birliği (AMA), mavimsi sokak aydınlatmasının şehir sakinlerinin uyku-uyanıklık döngüsü üzerindeki olası olumsuz etkisine ilişkin bir bildiri yayınladı. Endüstriyi eleştirenler, maruz kalma seviyelerinin fark edilebilir bir etkiye sahip olacak kadar yüksek olmadığını iddia etmektedir. ⓘ
Avantajlar
- Verimlilik: LED'ler akkor ampullere göre watt başına daha fazla lümen yayar. LED aydınlatma armatürlerinin verimliliği, floresan ampuller veya tüplerin aksine şekil ve boyuttan etkilenmez.
- Renk: LED'ler, geleneksel aydınlatma yöntemlerinin ihtiyaç duyduğu gibi herhangi bir renk filtresi kullanmadan istenen renkte ışık yayabilir. Bu daha verimlidir ve başlangıç maliyetlerini düşürebilir.
- Boyut: LED'ler çok küçük olabilir (2 mm2 'den küçük) ve baskılı devre kartlarına kolayca takılabilir.
- Açılma süresi: LED'ler son derece hızlı yanar. Tipik bir kırmızı gösterge LED'i bir mikrosaniyenin altında tam parlaklığa ulaşır. İletişim cihazlarında kullanılan LED'ler daha da hızlı tepki sürelerine sahip olabilir.
- Döngü: LED'ler, sık sık çevrildiğinde daha hızlı bozulan akkor ve floresan lambaların veya yeniden başlatılmadan önce uzun süre gerektiren yüksek yoğunluklu deşarj lambalarının (HID lambalar) aksine, sık sık açma-kapama çevrimine tabi kullanımlar için idealdir.
- Karartma: LED'ler, darbe genişliği modülasyonu veya ileri akımın düşürülmesi yoluyla çok kolay bir şekilde karartılabilir. Bu darbe genişliği modülasyonu, LED ışıkların, özellikle de arabalardaki farların, kamerada veya bazı insanlar tarafından görüntülendiğinde yanıp sönüyor veya titriyor gibi görünmesinin nedenidir. Bu bir tür stroboskopik etkidir.
- Soğuk ışık: Çoğu ışık kaynağının aksine, LED'ler hassas nesnelere veya kumaşlara zarar verebilecek IR şeklinde çok az ısı yayar. Boşa harcanan enerji LED'in tabanından ısı olarak dağılır.
- Yavaş arıza: LED'ler, akkor ampullerin aniden arızalanması yerine, çoğunlukla zaman içinde karararak arızalanır.
- Kullanım ömrü: LED'ler nispeten uzun bir kullanım ömrüne sahip olabilir. Bir raporda 35.000 ila 50.000 saatlik faydalı ömür tahmin edilmektedir, ancak tamamen arızalanma süresi daha kısa veya daha uzun olabilir. Floresan tüpler tipik olarak, kısmen kullanım koşullarına bağlı olarak yaklaşık 10.000 ila 25.000 saat ve akkor ampuller 1.000 ila 2.000 saat olarak derecelendirilmiştir. Çeşitli DOE demonstrasyonları, bir LED ürününün geri ödeme süresinin belirlenmesinde enerji tasarrufundan ziyade bu uzun kullanım ömründen kaynaklanan bakım maliyetlerindeki azalmanın birincil faktör olduğunu göstermiştir.
- Şok direnci: Katı hal bileşenleri olan LED'lerin, kırılgan olan floresan ve akkor ampullerin aksine, harici şokla zarar görmesi zordur.
- Odaklanma: LED'in katı paketi, ışığını odaklayacak şekilde tasarlanabilir. Akkor ve floresan kaynaklar genellikle ışığı toplamak ve kullanılabilir bir şekilde yönlendirmek için harici bir reflektör gerektirir. Daha büyük LED paketleri için toplam iç yansıma (TIR) lensleri genellikle aynı etki için kullanılır. Bununla birlikte, büyük miktarlarda ışığa ihtiyaç duyulduğunda, genellikle aynı hedefe doğru odaklanması veya birleştirilmesi zor olan birçok ışık kaynağı kullanılır. ⓘ
Dezavantajlar
- Sıcaklık bağımlılığı: LED performansı büyük ölçüde çalışma ortamının sıcaklığına veya termal yönetim özelliklerine bağlıdır. Bir LED'in yüksek ortam sıcaklıklarında aşırı sürülmesi, LED paketinin aşırı ısınmasına ve sonuçta cihazın arızalanmasına neden olabilir. Uzun ömrü korumak için yeterli bir ısı emiciye ihtiyaç vardır. Bu özellikle cihazların geniş bir sıcaklık aralığında çalışması gereken ve düşük arıza oranları gerektiren otomotiv, medikal ve askeri kullanımlarda önemlidir.
- Voltaj hassasiyeti: LED'lere eşik gerilimlerinin üzerinde bir gerilim ve değerlerinin altında bir akım sağlanmalıdır. Uygulanan voltajdaki küçük bir değişiklikle akım ve kullanım ömrü büyük ölçüde değişir. Bu nedenle akım ayarlı bir beslemeye ihtiyaç duyarlar (genellikle gösterge LED'leri için sadece bir seri direnç).
- Renk sunumu: Soğuk beyaz LED'lerin çoğu, güneş veya akkor ışık gibi siyah cisimli bir radyatörden önemli ölçüde farklı spektrumlara sahiptir. Metamerizm nedeniyle 460 nm'deki ani yükseliş ve 500 nm'deki düşüş, soğuk beyaz LED aydınlatması altında nesnelerin renginin güneş ışığı veya akkor kaynaklardan farklı görünmesine neden olabilir, kırmızı yüzeyler tipik fosfor bazlı soğuk beyaz LED'ler tarafından özellikle kötü işlenir. Aynı durum yeşil yüzeyler için de geçerlidir. Bir LED'in renk işleme kalitesi Renk İşleme İndeksi (CRI) ile ölçülür.
- Alan ışık kaynağı: Tek LED'ler küresel bir ışık dağılımı veren noktasal bir ışık kaynağına değil, lambertian bir dağılıma yaklaşır. Bu nedenle, LED'lerin küresel bir ışık alanına ihtiyaç duyan kullanımlara uygulanması zordur; ancak, farklı optikler veya "lensler" uygulanarak farklı ışık alanları manipüle edilebilir. LED'ler birkaç derecenin altında sapma sağlayamaz.
- Işık kirliliği: Beyaz LED'ler yüksek basınçlı sodyum buharlı lambalar gibi kaynaklardan daha fazla kısa dalga boylu ışık yaydığından, skotopik görüşün artan mavi ve yeşil hassasiyeti, dış mekan aydınlatmasında kullanılan beyaz LED'lerin önemli ölçüde daha fazla gökyüzü parıltısına neden olduğu anlamına gelir.
- Verimlilik düşüşü: LED'lerin verimliliği elektrik akımı arttıkça azalır. Daha yüksek akımlarda ısınma da artar ve bu da LED ömründen ödün verilmesine neden olur. Bu etkiler, yüksek güçlü uygulamalarda bir LED'den geçen akıma pratik sınırlar koyar.
- Vahşi yaşam üzerindeki etki: LED'ler böcekler için sodyum buharlı ışıklardan çok daha çekicidir, öyle ki besin ağlarında bozulma olasılığı hakkında spekülatif endişeler vardır. Sahillerin yakınındaki LED aydınlatma, özellikle yoğun mavi ve beyaz renkler, kaplumbağa yavrularının yönünü şaşırtabilir ve bunun yerine iç kesimlerde dolaşmalarına neden olabilir. Zararı azaltmak için görünür spektrumun sadece dar kısımlarında yayılan "kaplumbağa için güvenli aydınlatma" LED'lerinin kullanımı koruma grupları tarafından teşvik edilmektedir.
- Kış koşullarında kullanın: Akkor lambalara kıyasla fazla ısı yaymadıkları için, trafik kontrolü için kullanılan LED lambaları karla kaplanarak kazalara yol açabilir.
- Termal kaçak: Paralel LED dizileri, ileri voltajlarındaki üretim toleransları nedeniyle akımı eşit olarak paylaşmayacaktır. İki veya daha fazla dizinin tek bir akım kaynağından çalıştırılması, cihazlar ısındıkça LED arızasına neden olabilir. İleri voltaj gruplaması mümkün değilse, paralel diziler arasında akımın eşit dağılımını sağlamak için bir devre gereklidir. ⓘ
Uygulamalar
LED kullanımları beş ana kategoriye ayrılır:
- Bir mesaj veya anlam iletmek için ışığın az çok doğrudan kaynaktan insan gözüne gittiği görsel sinyaller
- Işığın nesnelerden yansıtılarak bu nesnelerin görsel tepkisini verdiği aydınlatma
- İnsan görüşü içermeyen süreçlerin ölçülmesi ve bunlarla etkileşim kurulması
- LED'lerin ters-bias modunda çalıştığı ve ışık yaymak yerine gelen ışığa yanıt verdiği dar bant ışık sensörleri
- Kenevir de dahil olmak üzere kapalı alanda yetiştirme. ⓘ
Göstergeler ve işaretler
LED'lerin düşük enerji tüketimi, az bakım gerektirmesi ve küçük boyutları, çeşitli ekipman ve kurulumlarda durum göstergeleri ve ekranlar olarak kullanılmasına yol açmıştır. Geniş alanlı LED ekranlar stadyum ekranları, dinamik dekoratif ekranlar ve otoyollarda dinamik mesaj işaretleri olarak kullanılmaktadır. İnce, hafif mesaj ekranları havaalanları ve tren istasyonlarında ve trenler, otobüsler, tramvaylar ve feribotlar için hedef ekranları olarak kullanılır. ⓘ
Tek renkli ışık, trafik ışıkları ve sinyalleri, çıkış işaretleri, acil durum araç aydınlatması, gemilerin navigasyon ışıkları ve LED tabanlı Noel ışıkları için çok uygundur ⓘ
Uzun ömürleri, hızlı anahtarlama süreleri ve yüksek çıkış ve odaklanmaları nedeniyle gün ışığında görünürlükleri nedeniyle LED'ler otomotiv fren lambalarında ve dönüş sinyallerinde kullanılmaktadır. Frenlerde kullanım, tam yanma süresindeki büyük azalma veya akkor ampulden yaklaşık 0,1 saniye daha hızlı olan daha hızlı yükselme süresi nedeniyle güvenliği artırır. Bu da arkadaki sürücülere tepki vermeleri için daha fazla zaman kazandırır. Çift yoğunluklu bir devrede (arka işaretler ve frenler) LED'ler yeterince hızlı bir frekansta titreştirilmezse, gözler diziyi hızla taradığında LED'in hayalet görüntülerinin göründüğü hayalet bir dizi oluşturabilirler. Beyaz LED farlar ortaya çıkmaya başlamıştır. LED'leri kullanmanın stil avantajları vardır çünkü LED'ler parabolik reflektörlü akkor lambalardan çok daha ince ışıklar oluşturabilir. ⓘ
Düşük çıkışlı LED'lerin göreceli ucuzluğu nedeniyle, glowstick, throwies ve fotonik tekstil Lumalive gibi birçok geçici kullanımda da kullanılırlar. Sanatçılar da LED'leri LED sanatı için kullanmışlardır. ⓘ
Aydınlatma
Yüksek verimli ve yüksek güçlü LED'lerin geliştirilmesiyle, LED'lerin aydınlatma ve aydınlatmada kullanılması mümkün hale gelmiştir. LED lambalara ve diğer yüksek verimli aydınlatmalara geçişi teşvik etmek için 2008 yılında ABD Enerji Bakanlığı L Prize yarışmasını oluşturdu. Philips Lighting North America LED ampulü, 18 ay süren yoğun saha, laboratuvar ve ürün testlerini başarıyla tamamladıktan sonra 3 Ağustos 2011'de ilk yarışmayı kazandı. ⓘ
Sürdürülebilir mimari için verimli aydınlatmaya ihtiyaç vardır. 2011 yılı itibariyle, bazı LED ampuller 150 lm/W'ye kadar ışık sağlamakta ve ucuz düşük kaliteli modeller bile tipik olarak 50 lm/W'yi aşmaktadır; böylece 6 watt'lık bir LED, standart 40 watt'lık bir akkor ampulle aynı sonuçları elde edebilmektedir. LED'lerin daha düşük ısı çıkışı, klima sistemlerine olan talebi de azaltmaktadır. Dünya çapında LED'ler, akkor lambalar ve CFL'ler gibi daha az etkili kaynakların yerini almak ve elektrik enerjisi tüketimini ve buna bağlı emisyonları azaltmak için hızla benimsenmektedir. Güneş enerjisiyle çalışan LED'ler sokak lambaları olarak ve mimari aydınlatmada kullanılmaktadır. ⓘ
Mekanik sağlamlık ve uzun kullanım ömrü, otomobil, motosiklet ve bisiklet aydınlatmalarında otomotiv aydınlatmasında kullanılmaktadır. LED sokak lambaları direklerde ve kapalı otoparklarda kullanılmaktadır. 2007 yılında İtalyan Torraca köyü sokak aydınlatmasını LED'lere dönüştüren ilk yer olmuştur. ⓘ
Yeni Airbus ve Boeing jet uçaklarının kabin aydınlatmasında LED aydınlatma kullanılmaktadır. LED'ler havaalanı ve helikopter pisti aydınlatmasında da kullanılıyor. LED havaalanı armatürleri şu anda orta yoğunluklu pist ışıklarını, pist merkez hattı ışıklarını, taksi yolu merkez hattı ve kenar ışıklarını, yönlendirme işaretlerini ve engel aydınlatmasını içermektedir. ⓘ
LED'ler ayrıca DLP projektörler için bir ışık kaynağı olarak ve LCD televizyonları (LED TV'ler olarak adlandırılır) ve dizüstü bilgisayar ekranlarını aydınlatmak için kullanılır. RGB LED'ler renk gamını %45'e kadar yükseltir. TV ve bilgisayar ekranları, arka aydınlatma için LED'ler kullanılarak daha ince hale getirilebilir. ⓘ
LED'ler küçük, dayanıklı ve az güce ihtiyaç duyduklarından el feneri gibi taşınabilir cihazlarda kullanılırlar. LED flaş ışıkları veya kamera flaşları, xenon flaş lambası tabanlı aydınlatmada yaygın olarak bulunan 250+ volt yerine güvenli, düşük bir voltajda çalışır. Bu, özellikle alanın kısıtlı olduğu ve hantal voltaj yükseltici devrelerin istenmediği cep telefonlarındaki kameralarda kullanışlıdır. ⓘ
LED'ler, güvenlik kameraları da dahil olmak üzere gece görüş kullanımlarında kızılötesi aydınlatma için kullanılır. Bir video kameranın etrafındaki LED halkası, retroreflektif bir arka plana doğru yönlendirilerek video prodüksiyonlarında kroma anahtarlamaya olanak sağlar. ⓘ
LED'ler madencilik operasyonlarında, madencilere ışık sağlamak için kapak lambaları olarak kullanılmaktadır. Madencilik için LED'leri geliştirmek, parlamayı azaltmak ve aydınlatmayı arttırarak madencilerin yaralanma riskini azaltmak için araştırmalar yapılmıştır. ⓘ
LED'ler, örneğin ruh halini iyileştirme gibi tıbbi ve eğitim uygulamalarında giderek daha fazla kullanım alanı bulmaktadır. Hatta NASA, astronotların sağlığını geliştirmek için LED'lerin kullanımına yönelik araştırmalara sponsor olmuştur. ⓘ
Veri iletişimi ve diğer sinyalizasyon
Işık, veri ve analog sinyalleri iletmek için kullanılabilir. Örneğin, beyaz LED'ler, insanların kapalı alanlarda gerekli oda veya nesneleri ararken yönlerini bulmalarına yardımcı olan sistemlerde kullanılabilir. ⓘ
Birçok tiyatroda ve benzer alanlarda bulunan yardımcı dinleme cihazları, dinleyicilerin alıcılarına ses göndermek için kızılötesi LED dizileri kullanır. Işık yayan diyotlar (yarı iletken lazerlerin yanı sıra), TOSLINK kabloları üzerinden dijital sesten İnternet omurgasını oluşturan çok yüksek bant genişliğine sahip fiber bağlantılara kadar birçok fiber optik kablo türü üzerinden veri göndermek için kullanılır. Bir süre için bilgisayarlar, yakındaki makinelere kızılötesi yoluyla veri gönderip almalarını sağlayan IrDA arayüzleriyle donatıldı. ⓘ
LED'ler saniyede milyonlarca kez açılıp kapanabildiğinden, çok yüksek veri bant genişliği elde edilebilir. Bu nedenle, Görünür Işık İletişimi (VLC) giderek daha rekabetçi hale gelen radyo bant genişliğine bir alternatif olarak önerilmiştir. Elektromanyetik spektrumun görünür kısmında çalışarak, veriler radyo iletişiminin frekanslarını işgal etmeden iletilebilir. ⓘ
VLC'nin temel özelliği, ışığın fiziksel opak bariyerleri geçememesinde yatmaktadır. Bu özellik, fiziksel nesnelerden kaynaklanan parazitlerin hassasiyeti nedeniyle VLC'nin zayıf noktası olarak kabul edilebilir, ancak aynı zamanda birçok güçlü yönünden biridir: radyo dalgalarının aksine, ışık dalgaları iletildikleri kapalı alanlarda hapsedilir, bu da sinyalin alıcısının iletimin gerçekleştiği yere fiziksel erişime sahip olmasını gerektiren fiziksel bir güvenlik bariyerini zorlar. ⓘ
VLC'nin umut verici bir uygulaması, GPS'in çalışmasını sağlayan uydu yayınlarına ulaşmanın zor olduğu kapalı alanlarda çalışmak üzere inşa edilen GPS'in bir benzeri olan İç Mekan Konumlandırma Sisteminde (IPS) yatmaktadır. Örneğin, ticari binalar, alışveriş merkezleri, kapalı otoparklar, metrolar ve tünel sistemleri VLC tabanlı iç mekan konumlandırma sistemleri için olası uygulamalardır. Ek olarak, VLC lambaları veri iletimi ile aynı anda aydınlatma yapabildiğinde, geleneksel tek işlevli lambaların kurulumunu basitçe işgal edebilir. ⓘ
VLC için diğer uygulamalar, akıllı ev veya ofis cihazları arasındaki iletişimi içerir. IoT özellikli cihazların artmasıyla birlikte, geleneksel radyo dalgaları üzerinden bağlantı parazite maruz kalabilir. Ancak, VLC özellikli ampuller bu tür cihazlar için veri ve komutları iletebilecektir. ⓘ
Makine görüş sistemleri
Yapay görme sistemleri genellikle parlak ve homojen aydınlatma gerektirir, böylece ilgilenilen özelliklerin işlenmesi daha kolay olur. LED'ler sıklıkla kullanılır. ⓘ
Barkod tarayıcılar, yapay görme uygulamalarının en yaygın örneğidir ve bu tarayıcıların çoğu lazer yerine kırmızı LED'ler kullanır. Optik bilgisayar fareleri, farenin içindeki minyatür kamera için ışık kaynağı olarak LED'leri kullanır. ⓘ
LED'ler kompakt ve güvenilir bir ışık kaynağı sağladıkları için makine görüşü için kullanışlıdır. LED lambalar görüş sisteminin ihtiyaçlarına uyacak şekilde açılıp kapatılabilir ve üretilen ışının şekli sistemin gereksinimlerine uyacak şekilde uyarlanabilir. ⓘ
Biyolojik algılama
ABD Ordusu Araştırma Laboratuvarı (ARL) tarafından Alüminyum Galyum Nitrür (AlGaN) alaşımlarında radyatif rekombinasyonun keşfi, biyolojik ajan tespiti için kullanılan ışık kaynaklı floresan sensörlerine dahil edilecek UV ışık yayan diyotların (LED'ler) kavramsallaştırılmasına yol açtı. 2004 yılında Edgewood Kimyasal Biyolojik Merkezi (ECBC) TAC-BIO adında bir biyolojik dedektör oluşturma çabasını başlattı. Program, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) tarafından geliştirilen Yarı İletken UV Optik Kaynaklarından (SUVOS) yararlanmıştır. ⓘ
UV kaynaklı floresan, biyolojik aerosollerin hızlı ve gerçek zamanlı tespiti için kullanılan en sağlam tekniklerden biridir. İlk UV sensörleri, sahada kullanım pratikliğinden yoksun lazerlerdir. DARPA bu sorunu çözmek için SUVOS teknolojisini kullanarak düşük maliyetli, küçük, hafif ve düşük güç tüketen bir cihaz geliştirmiştir. TAC-BIO dedektörünün tepki süresi, biyolojik bir ajanı algıladığı andan itibaren bir dakikaydı. Ayrıca dedektörün iç ve dış mekanlarda haftalarca gözetimsiz olarak çalıştırılabileceği de gösterilmiştir. ⓘ
Aerosolize biyolojik partiküller UV ışık demeti altında floresan verir ve ışık saçar. Gözlemlenen floresan, uygulanan dalga boyuna ve biyolojik ajan içindeki biyokimyasal floroforlara bağlıdır. UV kaynaklı floresan, biyolojik ajan tespiti için hızlı, doğru, verimli ve lojistik olarak pratik bir yol sunar. Bunun nedeni, UV floresan kullanımının reaktif içermemesi veya reaksiyon üretmek için ilave bir kimyasal gerektirmeyen, sarf malzemesi olmayan veya kimyasal yan ürün üretmeyen bir süreç olmasıdır. ⓘ
Ayrıca, TAC-BIO tehdit oluşturan ve oluşturmayan aerosoller arasında güvenilir bir ayrım yapabilmektedir. Düşük konsantrasyonları tespit edecek kadar hassas olduğu, ancak yanlış pozitiflere neden olacak kadar hassas olmadığı iddia edildi. Cihazda kullanılan parçacık sayma algoritması, floresan ve saçılma dedektörlerinden gelen birim zaman başına foton darbelerini sayarak ve değeri belirlenen bir eşikle karşılaştırarak ham verileri bilgiye dönüştürüyordu. ⓘ
Orijinal TAC-BIO 2010 yılında tanıtılırken, ikinci nesil TAC-BIO GEN II, plastik parçalar kullanıldığı için daha uygun maliyetli olacak şekilde 2015 yılında tasarlanmıştır. Küçük ve hafif tasarımı sayesinde araçlara, robotlara ve insansız hava araçlarına monte edilebilmektedir. İkinci nesil cihaz ayrıca hastanelerde, uçaklarda ve hatta evlerde mantar ve küfü tespit etmek için hava kalitesini izlemek üzere bir çevre dedektörü olarak da kullanılabilir. ⓘ
Diğer uygulamalar
LED'lerden gelen ışık çok hızlı bir şekilde modüle edilebilir, bu nedenle optik fiber ve serbest uzay optik iletişiminde yaygın olarak kullanılırlar. Buna, kızılötesi LED'lerin sıklıkla kullanıldığı televizyon setleri gibi uzaktan kumandalar da dahildir. Opto-izolatörler, iki devre arasında elektrik izolasyonlu bir sinyal yolu sağlamak için bir fotodiyot veya fototransistör ile birleştirilmiş bir LED kullanır. Bu özellikle, canlı bir organizma ile temas halinde olan düşük voltajlı bir sensör devresinden (genellikle pille çalışan) gelen sinyallerin, potansiyel olarak tehlikeli voltajlarda çalışan bir kayıt veya izleme cihazındaki olası herhangi bir elektrik arızasından elektriksel olarak izole edilmesi gereken tıbbi ekipmanlarda kullanışlıdır. Bir optoizolatör aynı zamanda ortak bir toprak potansiyelini paylaşmayan devreler arasında bilgi aktarımını da sağlar. ⓘ
Birçok sensör sistemi sinyal kaynağı olarak ışığa dayanır. LED'ler, sensörlerin gereksinimleri nedeniyle genellikle ışık kaynağı olarak idealdir. Nintendo Wii'nin sensör çubuğu kızılötesi LED'ler kullanır. Nabız oksimetreleri oksijen doygunluğunu ölçmek için bunları kullanır. Bazı düz yataklı tarayıcılar ışık kaynağı olarak tipik soğuk katot floresan lamba yerine RGB LED dizileri kullanır. Aydınlatılan üç rengin bağımsız kontrolüne sahip olmak, tarayıcının daha doğru renk dengesi için kendini kalibre etmesini sağlar ve ısınmaya gerek yoktur. Ayrıca, taranan sayfa herhangi bir zamanda yalnızca tek bir ışık rengiyle aydınlatıldığından, sensörlerinin yalnızca tek renkli olması gerekir. ⓘ
LED'ler fotodiyot olarak da kullanılabildiğinden, hem fotoğraf emisyonu hem de algılama için kullanılabilirler. Bu, örneğin, parmaktan veya kalemden yansıyan ışığı kaydeden bir dokunmatik ekranda kullanılabilir. Birçok malzeme ve biyolojik sistem ışığa duyarlıdır ya da ışığa bağımlıdır. Bitkilerde fotosentezi artırmak için yetiştirme ışıklarında LED'ler kullanılır ve sterilizasyon için UV LED'ler kullanılarak bakteri ve virüsler sudan ve diğer maddelerden uzaklaştırılabilir. ⓘ
Spektrum aralığı 247 nm ila 386 nm olan Derin UV LED'lerin su/hava arıtma, yüzey dezenfeksiyonu, epoksi kürleme, serbest uzay görüş hattı olmayan iletişim, yüksek performanslı sıvı kromatografisi, UV kürleme ve baskı, fototerapi, tıbbi/analitik enstrümantasyon ve DNA emilimi gibi başka uygulamaları da vardır. ⓘ
LED'ler ayrıca elektronik devrelerde orta kalitede voltaj referansı olarak da kullanılmaktadır. İleri voltaj düşüşü (kırmızı LED için yaklaşık 1,7 V veya kızılötesi için 1,2V) düşük voltaj regülatörlerinde Zener diyot yerine kullanılabilir. Kırmızı LED'ler diz üstünde en düz I/V eğrisine sahiptir. Nitrür bazlı LED'ler oldukça dik bir I/V eğrisine sahiptir ve bu amaç için kullanışsızdır. LED ileri voltajı bir Zener diyottan çok daha fazla akıma bağlı olmasına rağmen, 3 V'un altında arıza voltajlarına sahip Zener diyotlar yaygın olarak mevcut değildir. ⓘ
LED'ler ve OLED'ler gibi düşük voltajlı aydınlatma teknolojisinin giderek minyatürleşmesi ve düşük kalınlıktaki malzemelere dahil edilmeye uygun hale gelmesi, LED duvar kağıdı şeklinde iç duvarlar için ışık kaynaklarını ve duvar kaplama yüzeylerini birleştirme deneylerini teşvik etmiştir. ⓘ
Bir disk jokeyin arkasında büyük bir LED ekran
Dört rakam ve nokta görüntüleyebilen yedi segmentli ekran
Araştırma ve geliştirme
Temel zorluklar
LED'ler, fosfor malzemeleri ve kuantum noktaları gibi süregelen iyileştirmelere bağlı olarak optimize edilmiş verimlilik gerektirmektedir. ⓘ
Aşağı dönüşüm sürecinin de (malzemelerin daha enerjik fotonları farklı, daha az enerjik renklere dönüştürme yöntemi) iyileştirilmesi gerekmektedir. Örneğin, günümüzde kullanılan kırmızı fosforlar termal olarak hassastır ve sıcaklıkla birlikte renk kayması ve verimlilik düşüşü yaşamamaları için bu açıdan iyileştirilmeleri gerekir. Kırmızı fosforlar, daha fazla lümen yaymak ve fotonları dönüştürmede daha verimli olmak için daha dar bir spektral genişlikten de faydalanabilir. ⓘ
Buna ek olarak, mevcut verimlilik düşüşü, renk kayması, sistem güvenilirliği, ışık dağılımı, karartma, termal yönetim ve güç kaynağı performansı alanlarında yapılması gereken çalışmalar bulunmaktadır. ⓘ
Potansiyel teknoloji
Perovskit LED'ler (PLED'ler)
Yeni bir LED ailesi perovskit adı verilen yarı iletkenlere dayanıyor. Keşfedilmelerinin üzerinden dört yıldan kısa bir süre geçen 2018 yılında, perovskit LED'lerin (PLED'ler) elektronlardan ışık üretme kabiliyeti, en iyi performans gösteren OLED'lere rakip oldu. Düşük maliyetli ve düşük teknolojili bir yöntem olan çözeltiden işlenebildikleri için maliyet etkinliği potansiyeline sahiptirler, bu da geniş alanlara sahip perovskit tabanlı cihazların son derece düşük maliyetle yapılmasına izin verebilir. Verimlilikleri, radyatif olmayan kayıpları ortadan kaldırarak, başka bir deyişle foton üretmeyen rekombinasyon yollarını ortadan kaldırarak; ya da EQE'yi (harici kuantum verimliliği) arttırmak için yük taşıyıcı enjeksiyonunu dengeleyerek ya da (ince film LED'ler için yaygın olan) outcoupling problemini çözerek üstündür. En güncel PLED cihazları, EQE'yi %20'nin üzerine çıkararak performans bariyerini aşmıştır. ⓘ
2018'de Cao ve arkadaşları ile Lin ve arkadaşları, EQE'si %20'nin üzerinde olan perovskit LED'lerin geliştirilmesine ilişkin iki makaleyi bağımsız olarak yayınladı ve bu iki makale PLED gelişiminde bir kilometre taşı oldu. Cihazları benzer düzlemsel yapıya sahiptir, yani aktif katman (perovskit) iki elektrot arasına sıkıştırılmıştır. Yüksek bir EQE elde etmek için, sadece radyatif olmayan rekombinasyonu azaltmakla kalmamış, aynı zamanda EQE'yi iyileştirmek için kendi ince farklı yöntemlerini de kullanmışlardır. ⓘ
Cao ve arkadaşlarının çalışmasında araştırmacılar, ince film LED'lerin optik fiziğinin yarı iletken tarafından üretilen ışığın çoğunun cihazın içinde hapsolmasına neden olan dış kaplama sorununu hedef aldılar. Bu hedefe ulaşmak için, çözelti ile işlenmiş perovskitlerin kendiliğinden mikrometre-altı ölçekte kristal plateletler oluşturabildiğini ve bunun da cihazdan ışığı verimli bir şekilde çıkarabildiğini gösterdiler. Bu perovskitler, perovskit öncü çözeltilerine amino asit katkı maddelerinin eklenmesiyle oluşturuluyor. Buna ek olarak, yöntemleri perovskit yüzey kusurlarını pasifleştirebilir ve ışınımsal olmayan rekombinasyonu azaltabilir. Bu nedenle, Cao ve meslektaşları, ışık çıkışını iyileştirerek ve ışınımsal olmayan kayıpları azaltarak, %20,7'ye kadar EQE ile PLED'i başarıyla elde ettiler. ⓘ
Ancak Lin ve meslektaşlarının çalışmasında, yüksek EQE elde etmek için farklı bir yaklaşım kullandılar. Perovskit tabakasının mikro yapısını değiştirmek yerine, cihazdaki bileşimsel dağılımı yönetmek için yeni bir strateji benimsemeyi seçtiler - aynı anda yüksek lüminesans ve dengeli yük enjeksiyonu sağlayan bir yaklaşım. Başka bir deyişle, hala düz yayıcı katman kullandılar, ancak yük taşıyıcılarından en verimli şekilde yararlanmak için perovskite enjekte edilen elektron ve delik dengesini optimize etmeye çalıştılar. Dahası, perovskit katmanında kristaller MABr katkı maddesi (burada MA, CH3NH3'tür) ile mükemmel bir şekilde çevrelenmiştir. MABr kabuğu, aksi takdirde perovskit kristallerinde bulunabilecek ışınımsal olmayan kusurları pasifleştirerek ışınımsal olmayan rekombinasyonun azalmasına neden olur. Bu nedenle, Lin ve meslektaşları yük enjeksiyonunu dengeleyerek ve nonradyatif kayıpları azaltarak %20,3'e kadar EQE'ye sahip PLED geliştirmiştir. ⓘ
Bağlantı şekilleri
Bağlantıların her birinde karışık led çeşitleri kullanılabilir. Her çeşidin kendine göre ileri ön-gerilimi vardır. Dolayısıyla böyle bir kullanımda tüm hesaplar ayrı ayrı yapılmalıdır. ⓘ
Seri bağlantıda 20 mA altında ledin ileri ön gerilimi bilinmelidir. N tane ledi birbirine seri bağlıyorsak ledlerin üzerinde toplamda U_ledT = X * U_led (ya da U_ledT = U_led1 + U_led2 + ... + U_ledN) Voltluk bir gerilim oluşur. Elimizde muhtemelen bir gerilim kaynağı olacaktır. Devreye seri olarak bağladığımız dirençte de geri kalan gerilim düşmelidir. Yani U_direnç = U_kaynak - U_ledT Led sisteminden 20 mA geçtiği bilinmektedir. Buna göre direnç hesaplanabilir: R (K ohm)= U_direnç (V) / 20 (mA) ⓘ