Geschichte der weißen LEDs

Im Vergleich zu Glühbirnen erzeugen LEDs viel mehr Lumen pro Watt Eingangsleistung – sie erzeugen Licht effizienter. Das bedeutet natürlich, dass Glühlampen effizienter Wärme erzeugen, und wenn die Tage kürzer und die Nächte kälter werden, hat irgendwo jemand, der den Sprung zur LED-Beleuchtung gewagt hat, einen Ofen, der Überstunden macht. Und jemand könnte sich auch fragen, wie wir hierher gekommen sind: eine Welt, die von esoterischen anorganischen Halbleitern erleuchtet wird, die Leuchtstoffe zum Leuchten bringen.

Dass Dioden unter bestimmten Bedingungen Licht aussenden, ist seit über 100 Jahren bekannt; Die erste Leuchtdiode wurde 1907 in den Marconi Labs in einem Katzenschnurrbart-Detektor entdeckt, der ersten Art von Diode. Diese Entdeckung war lediglich eine wissenschaftliche Kuriosität, bis eine weitere Entdeckung bei Texas Instruments Infrarotlichtemissionen einer Tunneldiode enthüllte, die aus einem Galliumarsenidsubstrat hergestellt war. Diese Infrarot-LED wurde dann von TI patentiert und ein Projekt zur Herstellung dieser Infrarot-Leuchtdioden begann.

Infrarotlicht ist jedoch für das menschliche Auge unsichtbar und für keinerlei Anzeige oder Beleuchtung geeignet. Die erste LED mit sichtbarem Spektrum wurde 1962 bei General Electric gebaut, die ersten kommerziell erhältlichen (roten) LEDs wurden 1968 von der Monsanto Company hergestellt. HP begann in diesem Jahr mit der Produktion von LEDs unter Verwendung des gleichen Galliumarsenidphosphats, das auch Monsanto verwendete. Diese HP-LEDs fanden Eingang in sehr kleine Siebensegment-LED-Anzeigen, die in HP-Rechnern der 1970er Jahre verwendet wurden.

Von den Infrarot-LEDs der frühen 1960er Jahre bis zu den roten LEDs der späten 1960er Jahre gab es in den 1970er Jahren orangerote, orangefarbene, gelbe und schließlich grüne LEDs. Bei diesen Entwicklungen gibt es einen Trend, der mit Elektronenlücken zu tun hat. Damit eine Diode Licht erzeugen kann, muss zunächst einem Elektron Energie zugeführt werden. Diese Energie lässt das Elektron von seinem natürlichen Zustand in einem Valenzband in ein Leitungsband springen. Diese Energie reicht nicht aus, um das Elektron im Leitungsband zu halten, sodass es schließlich in die Lücke zurückfällt, die es im Valenzband hinterlassen hat. Dabei gibt es Energie in Form eines Photons wieder ab.

Je mehr Energie nötig war, um das Elektron in ein Leitungsband zu bewegen, desto mehr Energie wird als Photon in Form von höherfrequentem Licht freigesetzt. Der Grund dafür, dass Infrarot-LEDs vor roten LEDs und grüne LEDs danach kamen, liegt darin, dass es einfach schwieriger ist, diese Bandlücken zu überwinden und ein LED-Substrat zu finden, das höhere Lichtfrequenzen emittiert.

Infrarot-, rote und sogar grüne LEDs waren „einfach“, aber blaue LEDs erfordern eine viel größere Bandlücke und erfordern daher exotischere Materialien. Das Rätsel hinter der Herstellung einer hochhellen blauen LED wurde erstmals 1994 bei der Nichia Corporation mithilfe von Indiumgalliumnitrid gelöst. Gleichzeitig entwickelten Isamu Akasaki und Hiroshi Amano an der Universität Nagoya ein Galliumnitrid-Substrat für LEDs, wofür sie 2014 den Nobelpreis für Physik erhielten. Bei roten, grünen und blauen LEDs war das Einzige, was jemanden davon abhielt, eine weiße LED zu bauen, die Kombination aller dieser Farben in einem Gehäuse.

Die ersten weißen LEDs waren keine explizit weißen LEDs. Stattdessen wurden rote, grüne und blaue LEDs in einem einzigen LED-Gehäuse untergebracht. Wenn man jedoch rotes, grünes und blaues Licht mischt, erhält man weißes Licht, es kommt eigentlich nur darauf an, die richtigen Anteile der verschiedenfarbigen Photonen zu erhalten.

Dies bleibt der Standard für RGB-LEDs, und einige haben sogar mit der Verbesserung des Farbspektrums experimentiert, das diese LEDs erzeugen können. Das menschliche Auge reagiert äußerst empfindlich auf grüne Lichtfrequenzen, und durch das Hinzufügen einer vierten LED zu einem Paket – sie wird am besten „Smaragd“ genannt, oder ein etwas blauerer Grünton als das, was wir von grünen LEDs gewohnt sind – können Sie dies erreichen eine LED mit einem größeren Farbbereich oder, wenn Sie es vorziehen, einem weißeren Weiß.

Dies war die erste Methode zur Entwicklung einer weißen LED, und obwohl die LED-Glühbirnen, die Sie im Baumarkt kaufen, keine einzelnen roten, grünen und blauen LEDs im Inneren haben, ist es immer noch eine äußerst beliebte Methode, um mehr Farben zu erzeugen LEDs. Diese Neopixel, WS2812 oder APA101, verfügen alle über rote, grüne und blaue LEDs, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Einige der fortschrittlicheren, individuell adressierbaren RGB-LEDs fügen sogar eine vierte LED für Weiß hinzu. Aber wie werden diese einzelnen weißen LEDs hergestellt?

Die ersten weißen LEDs, die ohne drei einzelne LEDs hergestellt wurden, wurden mit der Magie von Leuchtstoffen hergestellt. Leuchtstoffe sind eine gut erforschte Wissenschaft und werden am häufigsten in Beleuchtungsanwendungen in Leuchtstofflampen verwendet. Leuchtstofflampen erzeugen kein weißes Licht, sondern erzeugen ultraviolettes Licht, indem sie Quecksilberdampf anregen. Durch Beschichten der Innenseite einer Leuchtstofflampe mit einem Pulver kann dieses ultraviolette Licht jedoch in rotes, grünes und blaues Licht umgewandelt werden. Das Ergebnis ist eine Leuchtstofflampe, die Ihre Garage oder Werkstatt beleuchtet.

Dies ist auch mit LEDs möglich. Mit einer ultravioletten oder violetten LED, die in einem phosphorbeschichteten Gehäuse verpackt ist, können Sie eine weiße LED herstellen. Dies wird als vollkonvertierende weiße LED bezeichnet.

1996 kündigte die Nichia Company die Produktion weißer LEDs an und der Rest ist Geschichte. In den letzten zwanzig Jahren sind Leistung, Effizienz und Helligkeit dieser LEDs gestiegen. Jetzt oder in naher Zukunft werden nicht mehr Glühlampen als Standardbeleuchtung für die Hausbeleuchtung verwendet, sondern leistungsstarke LEDs, die nur einen Bruchteil der Energie verbrauchen, die eine alte Edison-Glühbirne verbrauchen würde, wodurch die Aufgabe, Ihr Haus warm zu halten, stärker auf die Heizung verlagert wird .