دیود ساطع کننده نور یا LED (Light Emitting Diode) یکی از نوآوری های مهم در صنعت روشنایی و الکترونیک است که به دلیل کارایی بالا و مصرف انرژی کم، به سرعت در حال گسترش است. این فناوری، که بر اساس اصل الکترولومینسانس بنا شده، انقلابی در روش های نورپردازی ایجاد کرده و کاربردهای آن از لوازم الکترونیکی روزمره گرفته تا سیستم های روشنایی شهری را شامل می شود. در این محتوا به تاریخچه، نحوه عملکرد و پیشرفت های اساسی LED پرداخته می شود و نقش این فناوری در شکل گیری آینده روشنایی را بررسی می کنیم.

چگونه LED کار می کند

دیود ساطع کننده نور (LED) به عنوان یک نوع جدید از فناوری روشنایی، عملکردی کاملاً متفاوت از لامپ های رشته ای قدیمی دارد. در حالی که لامپ های رشته ای با عبور جریان الکتریکی از یک رشته حاوی تنگستن نور تولید می کنند، LEDها با استفاده از حرکت الکترون ها در یک ماده نیمه رسانا نور ساطع می کنند. این فرآیند بر اساس اصل الکترولومینسانس است که در آن مواد خاصی تحت تأثیر میدان الکتریکی، نور تولید می کنند.

یکی از نقاط قوت LEDها این است که هیچ رشته گرمایی در ساختار آنها وجود ندارد، که به معنی کاهش تولید حرارت و افزایش کارایی است. در واقع، LEDها به مراتب خنک تر از لامپ های رشته ای عمل می کنند و بیشتر انرژی مصرفی خود را به نور تبدیل می کنند. به عنوان مثال، در یک لامپ رشته ای معمولی، تقریباً 98 درصد انرژی به گرما و فقط 2 درصد به نور تبدیل می شود.

در یک لامپ LED، مجموعه ای از دیودهای ساطع کننده نور وجود دارد که هر کدام به دقت طراحی شده اند تا نور را در طول موج های خاصی تولید کنند. این تکنولوژی، همراه با پیشرفت های مواد و ساخت و ساز دیودها، این امکان را فراهم کرده است که LEDها در رنگ ها و روشنایی های مختلف ارائه شوند، از جمله LEDهای RGB که می توانند طیف وسیعی از رنگ ها را تولید کنند.

زمینه تاریخی

تاریخچه دیود ساطع کننده نور (LED) به اوایل قرن بیستم برمی گردد، زمانی که اصول پایه ای فناوری الکترولومینسانس کشف شد. در سال 1907، پژوهشگر بریتانیایی، هنری جوزف راند، در حین پژوهش های خود با سیلیکون کاربید و موی گربه، این پدیده را کشف کرد. او متوجه شد که برخی مواد زمانی که برق از آنها عبور می کند، نور تولید می کنند.

در دهه 1920، پژوهشگر روسی، اولگ ولادیمیروویچ لوسف، به مطالعه پدیده الکترولومینسانس در دیودهای استفاده شده در رادیوها پرداخت و در سال 1927 مقاله ای منتشر کرد که جزئیات تحقیقاتش در زمینه «شناسایی نور در کاربید» را بیان می کرد. اگرچه هیچ LED کاربردی در آن زمان بر اساس کار او تولید نشد، تحقیقات او الهام بخش مخترعان آینده گردید.

سال ها بعد، در سال 1961، رابرت بیارد و گری پیتمن موفق شدند یک LED مادون قرمز برای شرکت Texas Instruments اختراع و ثبت اختراع کنند. این اولین LED بود، هرچند که به دلیل تابش مادون قرمز، از طیف نوری قابل مشاهده خارج بود و به همین دلیل انسان ها نمی توانند آن را ببینند. به طور جالبی، بیارد و پیتمن به طور اتفاقی دیود ساطع کننده نور را اختراع کردند در حالی که در واقع در تلاش برای اختراع یک دیود لیزری بودند.

در سال 1962، نیک هولونیاک، مهندس مشاور شرکت جنرال الکتریک، اولین LED قابل مشاهده را اختراع کرد. این LED قرمز رنگ بود و هولونیاک از فسفید گالیوم آرسنید به عنوان زیرساخت دیود استفاده کرد. به خاطر مشارکت هایش، او لقب "پدر دیود ساطع کننده نور" را دریافت کرد و همچنین 41 اختراع دیگر نیز در کارنامه دارد، از جمله لیزر دیود و اولین دیمر روشنایی.

LEDهای قابل مشاهده

در سال 1962، نیک هولونیاک اولین LED قابل مشاهده را اختراع کرد که این اختراع نقطه ی عطفی در فناوری دیودهای ساطع کننده نور بود. این LED، که به رنگ قرمز بود، از فسفید گالیوم آرسنید به عنوان ماده اساسی استفاده می کرد و به دلیل کارایی بالای آن، در مدت کوتاهی مورد توجه قرار گرفت. هولونیاک به خاطر این نوآوری، عنوان "پدر دیود ساطع کننده نور" را به خود اختصاص داد.

در ادامه، مهندس الکتریک M. George Craford در سال 1972 اولین LED زرد رنگ را برای Monsanto اختراع کرد که اساساً بر اساس همان تکنولوژی بود. Craford همچنین موفق شد یک LED قرمز 10 برابر روشن تر از LED قرمز هولونیاک تولید کند، که در دوران خود تحولی بزرگ به حساب می آمد.

شرکت Monsanto به عنوان اولین تولیدکننده انبوه LEDهای قابل مشاهده شناخته می شود. این شرکت در سال 1968 LEDهای قرمز را به عنوان نشانگر تولید کرده و به بازار عرضه کرد. اما این فناوری تا دهه 1970 به طور گسترده ای شناخته نشد، زمانی که Fairchild Optoelectronics شروع به تولید دستگاه های LED با هزینه پایین (کمتر از پنج سنت) برای تولیدکنندگان کرد.

در سال 1976، توماس پی. پیرسال LEDهای با کارایی بالا و روشنایی فوق العاده ای را برای استفاده در فیبر نوری اختراع کرد. او مواد نیمه رسانای جدیدی را توسعه داد که برای انتقال نور در طول موج های فیبرهای نوری بهینه سازی شده بودند. در سال 1994، شوجی ناکامورا اولین LED آبی را با استفاده از نیترید گالیوم تولید کرد، که این اختراع به تولید LEDهای رنگی و سفید با استفاده از ترکیب رنگی کمک شایانی کرد.

به تازگی، در ماه مه 2020، شرکت Arrow Electronics، پیشرفت های جدیدی در فناوری LED را اعلام کرد که امکان تولید یک LED برای نمایش هر سه رنگ اصلی را فراهم می کند. این توسعه نویدبخش یک جهش بزرگ در نمایشگرهای LED فعال است که معمولاً به سه یا چهار دیود کوچک نیاز دارند تا طیف کامل رنگ ها را نمایش دهند.