LED (Light Emitting Diode, valodiodi)

kirjoittanut professori Aulis Tuominen, Turun Yliopisto

Valo on tärkeää kaikelle maanpäälliselle elämälle, ainoastaan valtamerien syvängöissä elää kummallisia eliöitä, jotka eivät tarvitse valoa lainkaan. Tärkein valonlähde on tietysti aurinko, mutta yöaikaan ja muissa pimeissä olosuhteissa on turvauduttava keinotekoiseen valaistukseen. Historiallisesti pisimpään on valoa tuotettu erilaisilla palamiseen perustuvilla tekniikoilla. Sähkön keksimisen jälkeen valon tuottamismenetelmät ovat huomattavasti lisääntyneet ja valon tuottamisen tehokkuudet kasvaneet. Edelleen Edisonin v. 1879 keksimä hehkulamppu on yleisimmin käytössä oleva valontuottamismenetelmä. Hehkuvaan lankaan perustuvan valon esitteli jo paljon aiemmin v. 1802 Humphry Davy, joka taas tunnetaan paremmin 1810 esittelemästään kaarilampusta. Ennen Edisonia monet muut kehittivät (historioitsijoiden mukaan yhteensä 22 henkilöä) ja jopa patentoivat hehkulamppua, mutta Edison sai sen kaupalliseen muotoon keksimiensä sähkön tuottamisen ja jakelumenetelmien ansiosta. Pitkään hehkulampuissa käytettiin hiilestä tehtyä hehkulankaa ja nykyiseen volframilankaan siirryttiin 1910.

Valon ajatellaan säteilevän hiukkasina, fotoneina eli valokvantteina, joilla ei ole massaa eikä varausta. Modernin valokvanttiteorian esitti Albert Einstein. Tyhjiössä fotoni kulkee lähes 300 000 km sekunnissa. Sana fotoni tulee kreikan kielen valoa tarkoittavasta sanasta φως.

Hehkulampun toiminta perustuu sähkön johtamiseen vastuksena toimivan hehkulangan yli. Volframilanka on ilmatiiviin kuvun sisällä suojakaasussa, joka tyypillisesti on argonia. Kun nyt sähkövirtaa johdetaan langan läpi, lanka lämpiää voimakkaasti 2000 -3300 Kelvin asteeseen [K]. (Kelvin asteikossa nollapisteenä on absoluuttinen nollapiste, -273,15 ºC). Lämmennyt lanka lähettää säteilyä laajalla spektrialueella, josta vain pieni osa on näkyvän valon alueella. Suurin osa säteilystä on lämpösäteilyä ja eikä siten valaise, joskin sähkölämmitteisissä taloissa syntynyt lämpö pienentää lämmitystarvetta lähes vastaavasti. Hehkulamppujen (valo)hyötysuhde on erittäin pieni, vain n. 5 % luokkaa. Näkyvän valon määrän yksikkönä käytetään SI-standardin mukaista yksikköä lumen [lm]. Hyötysuhde lasketaan siis jakamalla tuotettujen lumeneiden määrä käytetyllä teholla [W]. Hehkulampulla on ongelmana myös niiden lyhyehkö ikä. Koska hehkulangan vastus kylmänä on paljon pienempi kuin lämpimänä, rikkoutuminen tapahtuu useimmiten valoa sytytettäessä, kun hetkellinen suuri virta polttaa hehkulangan poikki.

Hehkulamppujen haitoista johtuen on kehitetty useita uusia valaistustekniikoita, mm. ns. energiasäästölamput. Nämä ovat ympäristön kannalta osittain ongelmallisia mm. sisältämänsä elohopean vuoksi. Uusimpana valaistusideana on kehitetty LED-valaistusta, josta kaikista epäilyistä huolimatta näyttäisi tulevan varsin merkittävä energian säästöön johtava valaistusmenetelmä. Tämän on mahdollistanut Millennium-palkinnon voittanut professori Shuji Nakamura kehittämä valkoista valoa säteilevä LED. Salossa on kunnia saada professori Nakamura esitelmöimään syyskuun 25. päivä konferenssissamme.

LED

Valoa emittoiva diodi perustuu puolijohdetekniikkaan. Puolijohteiksi kutsutaan elektroniikassa käytettäviä komponentteja, kuten diodeja ja transistoreja. Puolijohteet ovat kuitenkin nimensä mukaisesti aineita, jotka johtavat sähköä heikommin kuin varsinaiset johteet, kuten kupari. Tämä johtuu siitä, että aineen atomin uloimmassa elektroneista muodostuvassa kerroksessa ns. johtavuusvyössä on neljä elektronia, kun johteilla niitä on kaksi ja eristeillä kahdeksan. Eristeillä siis johtavuusvyö on "täynnä" eivätkä elektronit pääse siirtymään atomista toiseen kun taas johtavilla aineilla on elektroneilla tilaa siirtyä. Puolijohteiden toiminta on sitten tältä väliltä. Elektroniikassa tärkeimpiä puolijohteita ovat pii ja germanium.

Piiatomissa on atomiytimessä 14 positiivisesti varautunutta protonia ja elektroniverhossa 14 negatiivisesti varautunutta elektronia kolmella kehällä, sisimmällä kehällä on 2 elektronia, keskimmäisellä 8 ja uloimmalla kehällä niitä on 4. Tällaiset atomit voivat sitoutua toisiinsa, siten että ne liittyvät uloimmalla elektronikehällä toisiinsa kovalenssisidokseksi. Kun uloimmalla elektronivyöllä on neljä elektronia, voi atomi sitoutua neljään viereiseen toiseen atomiin muodostaen siten säännöllisen kiderakenteen. Kun puolijohteeseen lisätään pieniä määriä muita aineita, joissa on enemmän (tai vähemmän) elektroneja uloimmalla kehällä, saadaan kovalenssisidokseen häiriö. Tällainen häiriö aiheuttaa joko elektronin lisäyksen tai elektronin vajauksen uloimmalla elektronikehällä. Mikäli lisäaine, esimerkiksi arseeni saa aikaan elektronin lisäyksen (ns. donoriatomit), rakenteeseen tulee yksi elektroni joka ei osallistu kiderakenteeseen. Koska elektroni on negatiivisesti varautunut, tällaista puolijohdetta kutsutaan N-tyyppiseksi. Vastaavasti, jos puolijohdetta seostetaan aineella, esimerkiksi boorilla, joka aiheuttaa elektronin vajauksen (akseptoriatomi), syntyy positiivinen varaus, koska yksi negatiivinen elektroni on otettu pois. Tällöin poistunut elektroni jättää vain tyhjän paikan, aukon, joka toimii positiivisena varauskuljettajana. Tällaista puolijohdetta kutsutaan P-tyyppiseksi. Puhutaan myös enemmistövarauksenkuljettajista (N-tyyppi) ja vähemmistövarauksenkuljettajista (P-tyyppi). Yhdistämällä kaksi erityyppistä puolijohdetta, saadaan aikaiseksi PN-liitos, joka muodostuu P-tyyppisestä ja N-tyyppisestä puolijohteesta sekä näiden välisestä rajapinnasta. Tämä liitos muodostaa diodin.

Diodin rajapinnan läheisyydessä on varauksenkuljettajien (aukkojen ja elektronien) tiheys suurin. Rajapinnalta kulkee N-puolelta elektroneja P-puolelle ja elektronit täyttävät vapaita aukkoja, jotka siten häviävät. Tätä ilmiötä kutsutaan rekombinaatioksi. Vastaavasti P-puolelta kulkee aukkoja N-puolelle ja ne täyttyvät ylimääräisillä elektroneilla, rekombinoituvat elektronien kanssa. Kun varauksenkuljettajat siirtyvät näin rajapinnan yli, ne jättävät jälkeensä varauskerroksen P-puolelle akseptrori-ioneista koostuvan ja N-puolelle donori-ioneista muodostuvan positiivisen varauksen. Kerros alkaa vastustaa diffuusiovirtoja ja diffuusiovirrat lakkaavat. Rajapintavyöhykkeelle syntyy siten alue, jossa on donori- ja akseptori-ioneja, mutta ei juurikaan vapaita varauksenkuljettajia.

PN-liitos on tasapainossa, kunnes siihen tuodaan ulkopuolista energiaa. Jos ulkoisen jännitelähteen positiivinen napa kytketään PN-liitoksen N-tyyppiseen materiaaliin ja negatiivinen napa P-tyyppiseen materiaaliin, on PN-liitos estosuuntaan kytketty. Estosuuntainen jännite aiheuttaa rajapintavyöhykkeen levenemisen ja potentiaalivallin kasvamisen. Estosuuntaankin kulkee hieman vuotovirtaa, joka on alle mikroampeerien luokkaa. Tämä virtaa riippuu lämpötilasta.

Jos ulkoinen jännitelähde kytketään siten, että negatiivinen napa kytketään N-tyyppiseen materiaaliin ja positiivinen vastaavasti P-tyyppiseen materiaaliin, kapenee rajapintavyöhyke ja enemmistövarauksenkuljettajat pääsevät rajapinnan yli ja virta alkaa kulkea. Jännitteen noustessa virran määrä nousee huomattavasti. Virran määrä ei tietenkään voi määrättömästi kasvaa, vaan sitä on rajoitettava, esimerkiksi sarjaan kytkettävällä vastuksella.

Valodiodeissa virta johdetaan myötäsuuntaisesti diodin yli ja elektroni-aukkoparin rekombinoituminen saa aikaan fotonin emission (emissio = hiukkasten tai säteilyn lähettäminen). Tästä syntyy valoefekti. Jo niinkin varhain kuin 1920-luvun alussa Henry Round huomasi, että puolijohdeliitos voi tuottaa valoa. Saman vuosikymmenen puolivälissä venäläinen Oleg Losev kehitti ensimmäisen LEDin, mutta tämä jäi vaille huomiota. Rubin Braunstein RCA:lta huomasi 1955 Gallium Arseeni -liitoksen säteilevän infrapunavaloa ja 1961 Bob Biard ja Gary Pittman saivat patentin IR-LEDille. Vuonna 1962 Nick Holonyak kehitti ensimmäisen näkyvän valon alueella toimivan LEDin. Vuonna 1972 George Craford keksi keltaisen LEDin ja kymmenen kertaa aikaisempaa kirkkaamman punaisen sekä oranssin LEDin. Professori Shuji Nakamura kehitti IndiumGalliumNitridiin perustuvan kirkkaan sinisen LEDin ja pian sen jälkeen käyttäen Y3Al5O12:Ce fosforipinnoitusta sekoittamaan keltaista valoa sinisen valon kanssa hän aikaansai valkoisen LEDin. Professori Nakamuralle myönnettiin keksinnöstään suomalainen maailman suurin Millennium-teknologiapalkinto. Kuvassa 1 valkoista valoa emittoiva LED.

Kuva 1. Valkoista valoa emittoiva LED

LED-valaistus

LED säteilee monokromaattista valoa (sisältää vain yhden aallonpituuden). Tällöin hyvin tärkeä tieto on ns. värilämpö, joka ilmaistaan kelvinasteina [K]. Auringon pintalämpötila on 5780 K ja sen säteilyn aallonpituuden huippu on 500 nm kohdalla. Vaikka asteet ovat valolaitteissa suuria, se ei tarkoita, että valaisin kuumenisi tähän lämpötilaan, vaan sen säteilemä valo vastaa tämän lämpötilan maksimisäteilyarvoa. Ohessa joitain viitteellisiä värilämpötiloja.

Taulukko 1. Värilämpötiloja

Johtuen monokromaattisesta säteilystä, 5000 Kelvinin valo on osoittautunut miellyttävämmäksi käytössä. LEDin tyypillinen virran kesto on 20 milliampeeria [mA] ja kynnysjännite, toisin sanoen jännite, jonka ylityksen jälkeen LED alkaa johtaa on 1,5 - 5 volttia [V]. Kynnysjännite riippuu LEDin väristä, eli siinä käytetyistä puolijohdeaineista. Virta täytyy siis rajoittaa esimerkiksi vastuksella niin, että se ei ylitä sallittua arvoa. Jos käytössä on 12 voltin jännite ja LEDin kynnysjännite on 2,9 volttia (jännite jolloin virta alkaa kulkea) sekä virta 20 mA, tarvittava virtaa rajoittava sarjavastus on 470 Ohmia [(%uF057]. On huomattava, että tässä tapauksessa tehoa kuluu vastuksessa huomattavasti enemmän (172 milliwattia, mW) kuin itse LEDissä (57 mW). Kannattaa siis käyttää menetelmiä, jolla ajojännite LEDissä on pienempi ja rajoittava vastus on myös vähemmän tehoa kuluttava, tai sitä ei tarvita ollenkaan, jolloin koko kuluva teho kohdistuu LEDeihin. Tämä voidaan saada aikaiseksi esimerkiksi sarjakytkennällä. Tässä tapauksessa neljä LEDiä sarjassa tekisi juuri tuon käytettävän 12 volttia.

Koska yhden perinteisen LEDin valoteho ei riitä oikeastaan valaistukseen, on kehitetty teholedejä, joiden antama valoteho (ja kuluttama sähköteho) on paljon suurempi kuin perinteisen LEDin, aina yhteen wattiin asti. Niiden valoteho on myös parantunut ja on jopa 80 lm/W. Teholedit muodostavat kuitenkin paljon hukkalämpöä ja se on jäähdytettävä. LEDien teho alkaa laskea voimakkaasti, jos ne kuumenevat liikaa. Vaihtoehtona on käyttää useita perinteisiä LEDejä sarjaan kytkettynä. Tällöin myös valokuviota voidaan suunnata laajemmalle alueelle ja itse valaisin näyttää kauniilta useiden pienien valopisteiden muodostaessa valolähteen. Uusimmat LED-tekniikan tutkimukset, Meijo Yliopistossa Japanissa, ovat johtaneet jopa 130 lm/W LEDien kehittämiseen. Normaali hehkulamppu tuottaa vain 15-20 lm/W ja 60-110 lm/W. On selvää, että jatkossa valaistustekniikka tulee hyödyntämään enenevässä määrin LEDejä. Jatkossa LED valaisimien hinnat tulevat myös olemaan kilpailukykyisiä nykyisten valaisimien kanssa massatuotannon ja tekniikan kehittyessä.

LED-valaistuksessa on monia etuja verrattuna perinteiseen hehkulamppuun. Suurimpana on mahdollisuus sähkön säästämiseen, kun energiasta alkaa olla pulaa ja energian tuottamisen aiheuttama ilmaston lämpeneminen aiheuttaa huolta. Toisaalta, kun LED-valot eivät kuumene, paljoakaan, joten niitä on helppo asentaa sellaisiin paikkoihin, joissa lämpö on haitallista tai voi aiheuttaa esimerkiksi tulipalovaaran. Lisäämällä riittävän määrän valaisevia LEDejä, saadaan aikaiseksi riittävän kirkas valaistus missä tahansa tarkkuutta vaativassa kohteessa. Lisäksi LED-valot ovat paljon kestävämpiä kuin mikään muu valaistustekniikka. Valaisimet voivat kestää jopa 100 000 tuntia ja se tarkoittaisi 10 vuoden yhtämittaista paloaikaa. Perinteiset lamput eivät pääse kuin murto-osaan tuosta ajasta. Tosin vanhemmiten LEDien valoteho alkaa hiipua ja ne eivät kestä kuumuutta. Saunan valaistuksessa ikä saattaa olla paljon lyhyempi kuin esimerkiksi ulkokäytössä.

Itselläni on keittiöön asennettu LED-valaisimet ja muutaman kuukauden käytön jälkeen voin sanoa olevani erittäin tyytyväinen. Tutustu kuviin galleriassa.