Nobel-díj a kék LED-ért

(FILES) Photo taken on June 11, 2008 in Taipei shows a vistor walking past a Light Emitting Diode (LED) lights pannel displayed at the World Trade Center during the Photonics Festival. Three Japanese-born researchers -- Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura, who is currently based in the US -- won the 2014 Nobel Physics Prize for inventing the blue light-emitting diode (LED), the Royal Swedish Academy of Science announced on October 7, 2014 in Stockholm. AFP PHOTO/Sam YEH

Az idén nem elvont alapkutatás, hanem a világítást forradalmasító találmány, a LED-lámpák feltalálói kapták a fizikai Nobel-díjat. Nakamura Sudzsi, Amano Hirosi és Akaszaki Iszamu japán fizikusok részesültek a legnagyobb tudományos elismerésben. A LED-technológia nemcsak tudományosan, de környezetvédelmi szempontból is jelentős: a kék LED-ek fényesek és keveset fogyasztanak, minden lényeges szempontból maguk mögé utasítják a hagyományos izzókat és a fénycsöveket.

A LED (light emitting diode, azaz fénykibocsátó dióda) lámpák már jó ideje villognak különböző elektronikai eszközökben, a most díjazott japán kutatók azonban teljesen új szintre emelték a technológiát. Korábban ugyanis csak piros és zöld LED-ek léteztek, amelyek világításra alkalmatlanok voltak - inkább csak azt jelezték, hogy be van kapcsolva a tévé. A kék színű fénykibocsátó diódák kifejlesztésére volt szükség ahhoz, hogy nehézsúlyú versenytársat kapjanak a fénycsövek és a hagyományos izzók. A kék LED bevált: már most is széleskörűen elterjedt mobileszközök, televíziók, számítógépek képernyőjének háttérvilágításában, belső terek és közterületek megvilágításában, közlekedési lámpákban.

Sokkal hatékonyabb

A kék LED-eken alapuló világítás idővel valószínűleg teljesen leváltja majd a többi technológiát. Jelenlegi legjobb változata ugyanis jóval nagyobb fényességet tud elérni, mint a fluoreszcens fénycsövek vagy a hagyományos izzók. A LED-ek kevesebbet fogyasztanak, ráadásul élettartamban is lekörözik a többi technológiát: akár százszor hosszabb ideig bírják, mint a többiek.

A LED-lámpák lekörözik a hagyományos és fénycsöves izzókat. Egy LED-lámpa egy wattal 300 lumen fényességet érhet el, míg egy hagyományos izzó ennek csak töredékét. Ugyanakkora fényerő eléréséhez tehát sokkal több energiát kell elhasználni, ha hagyományos izzóval világítunk. Forrás: Svéd Királyi Tudományos Akadémia/Johan Jamested

A Földnek is jobb

Mivel a Föld elektromosenergia-felhasználásának nagyjából negyede fordítódik világításra, így annak fejlesztése csökkenti a globális energiafogyasztást. A LED-ek kis fogyasztásuk miatt olyan elmaradottabb területekre is fényt vihetnek, ahol korábban egyáltalán nem volt elektromos világítás. Sőt a kék LED-ek továbbfejlesztett változata UV-fényt is képes előállítani, amely pedig képes fertőtleníteni a szennyezett vizeket.

Mennyire éri meg LED-fényforrásokat szerelni a lakásba?

A konyhában érdemes először lecserélni a hagyományos volfrámszálas vagy halogénizzókat LED-ekre – írtuk két évvel ezelőtt. A cikk állításai alapjában véve igazak most is, azzal együtt, hogy olcsóbbak lettek a LED-fényforrások. A szpotlámpákba passzoló diódás fényforrások ára 2500 forintról 1100-1500 forintra csökkent. Ha tehát valaki most cseréli LED-ekre a konyhai munkapult fölé szerelt öt halogénizzót, akkor 5500-7500 forintot fizet, és évente csak 650-700 forint lesz az áramköltsége.

Nagyobb fényerejű LED-ekkel ki lehet váltani a hagyományos 60-as, 75-ös és 100-as izzókat, ám az ár a teljesítménnyel arányosan nő. A 60-as izzók helyére csavarható LED-ekből 2300 forint körül vannak a legolcsóbbak, a 75-ötösöket helyettesítők ára 2850 Ft-nál kezdődik, míg a 100-asokat helyettesítőkért legalább 4750 forintot, de akár 15 200 forintot is fizethetünk. Tény, hogy a legdrágább fényforrás az egyik legjobb, amit háztartási célja jelenleg kapni lehet. Fényereje 1500 lumen, körkörösen szórja a fényt, fényhatása ugyanolyan, mint a hagyományos izzóé, és a fényereje is szabályozható.

Megéri az egész lakás összes fényforrását LED-re cserélni? Még mindig nem. Az Alkonylámpa online lámpabolt kalkulátorával kiszámoltuk, mennyi áramot fogyaszt az, aki huszonöt, különböző teljesítményű LED-fényforrást csavar be a konyhától a fürdőszobán és a dolgozón át a nappaliig. A LED-ekkel 8026 forint lesz az áramdíja, viszont ha hasonló fényerejű kompakt fénycsöveket használ, mindössze 2050 forinttal (egy márkásabb kompakt fénycső árával) kerül többe évente a világítás. A hasonló fényerejű, darabonként pár száz forintos halogén izzók évi 36 ezer forinttal növelik a villanyszámlát, a hagyományosak 51 ezerrel.

Közvilágításban nyerő

Érdemes viszont LED-ekre cserélni a közvilágítást, az irodák, gyárépületek, csarnokok, bevásárlóközpontok világítórendszereit. Ezeken a helyszíneken akkor lesz igazán hatékony a LED, ha a régebbi lámpatesteket is leváltják olyanokra, amelyek optimálisan szórják a LED-ek fényét.

Magyarországon legutóbb Kecskeméten kezdték LED-ekre cserélni az utcai lámpákat. Az MTI áprilisi híre szerint 5465 lámpatestet, a város utcai világításának felét cserélik. A projekt egymilliárd forintba kerül, amiből 840 millió az uniós és a hazai támogatás. A LED-ekkel évente 90 milliót spórolnak (tehát támogatás nélkül legalább tizenegy év alatt térülne meg a beruházás).

Hogyan működik a LED?

A LED-ek megszületését a félvezető technológia fejlődése tette lehetővé. Alapvetően két különböző félvezető létezik: n- és p-típusú. Az n-típusúban az elektronok, a p-típusúban pedig az úgynevezett "lyukak", pozitív töltéshordozók vannak többségben. A kettő összeillesztésével állíthatóak elő a diódák, amilyenek a LED-ek is. A diódák alapvetően az áram irányának szabályozására valók: egy hagyományos áramköri elem (mint egy ellenállás) mindkét irányba vezet, diódák viszont csak az egyikbe. Olyanok, mint a metrókapu - egyszerre egy irányba lehet áthaladni rajtuk.

A lyukak és az elektronok az aktív rétegben egyesülnek, legerjesztődnek, ennek eredménye a fény Forrás: Svéd Királyi Tudományos Akadémia/Johan Jamested

Amikor a megfelelő irányban halad át áram a LED-en, az n- és az p-rétegekben lévő elektronok és lyukak egyesülnek. Egyesülés előtt az elektronok és a lyukak mint felajzott bikák állnak a dióda két oldalán - ekkor az elektronok gerjesztett energiaállapotban vannak. Amikor viszont áramot vezetünk keresztül rajtuk, akkor az aktív rétegben egyesülnek és legerjesztődnek, vagyis alacsonyabb energiaállapotba kerülnek. A gerjesztett és a nyugalmi állapot közötti energiakülönbség pedig fény formájában távozik a diódából.

Zöld út a kék fényhez

A Nobel-díjas kutatók igazi munkája a kibocsájtott fény színének behangolása volt. Vörös és zöld LED-et ugyanis "könnyű" volt gyártani, viszont ezek nem túl hasznosak. A világítást forradalmasító kékhez viszont új eljárásra volt szükség. A fény színe, azaz hullámhossza ugyanis attól függ, hogy mekkora energiakülönbség van az alacsonyabb és a magasabb energiaállapotok között. A japán kutatóknak az első LED-ek után több évtizedre volt szükségük ahhoz, hogy előállítsák a kék színt.

Akaszakinak és Amanónak 1986-ban sikerült először jó minőségű gallium-nitrid kristályt növesztenie, amely lehetővé tette a kék LED megszületését. Néhány év alatt sikerült az n- és a p-típusú félvezetőt is ebből az anyagból előállítani, ez már zöld utat adott a kék fényhez. Még egy utolsó lépés kellett: elektronokkal bombázták az egyik félvezetőréteget, aminek hatására sokkal erősebben világított a prototípus. 1992-ben már be is mutatták az első kész kék LED-et.

A harmadik Nobel-díjas, Nakamura másik úton indult el, ő is gallium-nitriddel kísérletezett. Bár kicsit lemaradt a két másik kutatótól, ő jött rá, hogy felesleges bonyolult módszerekkel elektronokkal bombázni a félvezetőt - elég azt melegíteni. Mindkét technológia eltávolítja a p-réteg felszínéről a hidrogént, amely csökkentette a fényerőt. A Nagoja Egyetem kutatói és a Nichia Chemicals magánvállalatnak dolgozó Nakamura különböző utakon jutottak el végül a kék LED-hez.

Nakamura jött rá, hogy elég csak melegíteni a félvezetőt Forrás: AFP/UCSB/Randall Lamb