Джерела світла

18.02.2015 1809 0
Джерела світла

Сучасна цивілізація гостро потребує ефективних джерел світла, насамперед для освітлення, а також для пристроїв відображення інформації: дисплеїв, моніторів, екранів.

Сьогодні для освітлення використовуються переважно три типи джерел. Перший — це всім відома лампа розжарювання, другий тип — люмінесцентні лампи. Третій — світлодіодні випромінювачі, які зараз лише з'являються.

Ефективність перших двох надзвичайно низька. У ламп розжарювання частка енергії, яка перетворюється на світло, що ми витрачаємо на освітлення, дуже мала. Вона вища у люмінесцентних джерел, але вони містять ртуть. Незважаючи на велику пропаганду вони шкідливі, так як немає надійної системи утилізації відпрацьованих ламп. Проте ефективність люмінесцентних ламп в кілька разів вища, ніж у ламп розжарювання.

Сучасна цивілізація використовує для освітлення близько 20-30% світової генерації електроенергії. З цих 20-30% ефективно використовується лише декілька. Необхідні нові підходи до розробки ефективних джерел світла.

Світлодіодні випромінювачі з'явились відносно недавно. Вони ефективні, але дуже дорогі. На сьогоднішній день їх можна купити в магазині — з'явились такі світильники, — але вартість світловипромінювальної мікросхеми поки вельми висока.

Актуальне завдання пошуку джерел світла, які були б дешевими і ефективними. В цьому сенсі дуже цікаві органічні матеріали. Потенціал органічних матеріалів полягає у тому, що вони можуть бути дуже дешевими, так як можуть вироблятись за технологіями, розвиненими в хімічній промисловості, наприклад, полімери, пластики. Потенційна вартість таких матеріалів дуже низька.

Але все, що виробляється зараз, на жаль, не володіє напівпровідниковими властивостями. Необхідні матеріали, які зможуть ефективно перетворювати електрику на світло. Коли ми говоримо про органічні напівпровідникові випромінювачі, ми повинні шукати матеріали, які, по-перше, являються органічними і, по-друге, мають напівпровідникові властивості та можуть випромінювати колір видимого діапазону.

Сучасні фарби виготовляються для будь-яких поверхонь та будь-якого відтінку. Тобто органіка може мати будь-яке забарвлення, потрібно змусити її ще й випромінювати. Для цього необхідно організувати цей матеріал так, щоб по ньому могли рухатись носії заряду, тобто електрони, і енергія, яка потім перетворювалася б на світло. В такому випадку ми б мали джерела світла, які могли б виготовлятись як полімерні плівки: їх можна розгортати, обклеювати стіни, робити гнучкі телевізори, комп'ютери, які згортаються в трубочку, і так далі. При низькій вартості можна досягти ефективності та конкурентоспроможності.

Сьогодні застосовуються органічні світловипромінюючі діоди, на яких виконані дисплеї деяких сучасних смартфонів. Але такі дисплеї на основі органічних матеріалів поки складно зробити гнучкими. Тому використовуються технології, розроблені в класичній напівпровідниковій електроніці: матеріал напилюється на тверду підкладку в умовах вакууму. Дослідники прагнуть того, щоб такі матеріали і плівки можна було отримувати так, як роблять полімери. Наприклад, розчинили порошок, зробили розчин, налили цю плівку, підключили до неї джерело живлення, і вона засвітилась.

Найважливіше на сьогоднішній день досягнення в цій області — органічні світловипромінюючі діоди і транзистори. Їх ефективність ще відстає від неорганічних світловипромінюючих діодів, але вже випереджає лампи. Якщо вдасться зробити цю технологію дешевою, то в перспективі вона зможе успішно конкурувати з неорганічними джерелами світла. До того ж в органічних світлодіодах випромінювання йде не з точки, як в неорганічних світлодіодах, а може йти зі всієї поверхні плівки.

Органічні світловипромінюючі плівки вже починають з'являтись на ринку. Поки вони досить дорогі, тому що вартість їх виробництва дуже висока. Плівки можна використовувати, наприклад, в дизайнерських проектах, освітленні всередині автомобілів і там, де потрібно якесь спеціальне освітлення. Але в перспективі ми сподіваємось, що всі світильники поміняються, і це будуть не точки, а саме плівки.

Основна проблема досліджень і розробок у даній області — пошук матеріалів, які мають необхідні властивості. Це вимагає зусиль як хіміків, які повинні синтезувати ці матеріали, так і фізиків, які повинні з них сконструювати робочий пристрій.

На жаль, полімерні світловипромінюючі плівки мають дві проблеми. Перша — це низька ефективність, а друга — малий час життя.

Органіка має обмежений «термін служби». Так, продукти псуються протягом декількох днів, а плівки повинні працювати, принаймні, кілька років. Тому боротьба йде у двох напрямках: за збільшення стабільності і за підвищення ефективності.

Як же має виглядати органічний світловипромінювальний пристрій? Класичний приклад — це світловипромінюючий діод. У нас є плівка з двома електродами. Один інжектує в цю плівку один тип носіїв заряду, наприклад електрони, а другий електрод — дірки. Ці носії зарядів у плівці зустрічаються, після чого вони рекомбінують (знищуються), і під час цієї рекомбінації виділяється енергія у вигляді кванта світла. Таким чином електрична енергія перетворюється на енергію світла. Це класичний тип пристрою, виконаного на напівпровідниковому діоді.

Останнім часом з'явились нові підходи, які дозволяють зробити світловипромінюючий транзистор. Транзистор — пристрій з трьома електродами, що дозволяє за допомогою одного електрода керувати струмом, який протікає через транзистор. Виявляється, можна зробити транзистор, який би і керував струмом, і випромінював одночасно. Ця концепція дуже перспективна особливо для дисплеїв, оскільки дозволяє поєднати в одному пристрої (транзисторі) функції управління і випромінювання. За рахунок цього така концепція дозволяє отримати більш ефективні дисплеї, ніж органічні світлодіоди. Підкреслимо, що в сучасних дисплеях кожен піксель забезпечений окремим кремнієвим транзистором.

Органічні світловипромінюючі транзистори — перспективний підхід для створення першого органічного лазера з електричним накачуванням — тонкою плівкою, яка випромінювала б лазерне випромінювання при подачі на неї напруги від батарейки.

Джерело "Екологія життя"