אחוז ניכר מן האנרגיה אותה אנו מייצרים בתחנות הכוח, מיועד לתאורה. לשם קבלת אמת מידה, כחמישית מכמות האנרגיה הנצרכת בארה"ב, נצרכת לשם תאורה. כתוצאה מכך, נעשה מאמץ ניכר למצוא מקורות תאורה חסכוניים באנרגיה, אשר יפיקו אור לבן, כלומר אור המורכב ממספר רב של צבעים, על מנת לדמות, במידה המיטבית ביותר את אור השמש. הנורות הנפוצות כיום, נורות הלהט, מייצרות אור דומה מאוד לאור השמש, אך הינן נצילותן האנרגיה שלהן הינה נמוכה ביותר, קרי הן דורשות אנרגיה רבה ורק חלק קטן מאנרגיה זו הופך לאור ממנו אנו נהנים (רוב האנרגיה מתבזבז בחימום חוט הלהט של המנורה, ולכן הן גם נשרפות, ומפסיקות לעבוד לעיתים קרובות יחסית).
אחד ממקורות האנרגיה החסכוניים ביותר, הינן הדיודות פולטות האור – LED (Light Emitting Diode). רכיבים אלו המורכבים ממוליכים למחצה הופכים זרם חשמלי, לאור בדרך שונה מאוד ממנורות הליבון המוכרות לנו כל כך. נצילות הLED הינה עד פי 10 טובה מן הנצילות של נורות הלהט, כלומר הן חסכוניות ביותר באנרגיה, אולם הן פולטות אור בצבע בודד. לכן עד לאחרונה רוב השימוש שנעשה בהן היה לשם תאורה צבעונית (אורות רמזור, תאורת רחוב, נורה המעידה כי מכשיר נדלק וכו' וכו'). אולם לאחרונה נעשה מאמץ להפיק אור לבן, באמצעות LED, ובכך לנצל את החסכוניות של הLED לשם הפקת אור לבן בהשקעה נמוכה של אנרגיה
הבה ננסה להבין כיצד פועל הLED, וכיצד מנסים המדענים ליצור אור לבן באמצעות הLED, על מנת להחליף את נורות הלהט הקימות כיום.
באופן סכמטי ניתן לתאר את פעולת הLED באופן הבא. הLED מורכב ממוליך למחצה. מוליך למחצה מאופיין על ידי פער אנרגיה, שהוא הפרש אנרגיה בין רמת ההולכה (הרמה הגבוהה ביותר המאוכלסת על ידי אלקטרונים) לרמת הערכיות (לשם פשטות - רמה אחת מתחת לרמת ההולכה). כפי שהוסבר בכתבות קודמות, כשם שניתן לדבר על אלקטרונים בודדים ברמת ההולכה, ניתן לדבר גם על מחסור באלקטרונים ברמת הערכיות, או במילים אחרים קיומם של חורים.
LED, (או למעשה כל דיודה) הינה צומת בין שני מוליכים למחצה מסוגים שונים. בצד אחד קיים מוליך למחצה עשיר באלקטרונים (N-type), בצידו השני קיים מוליך למחצה עשיר בחורים (P-type), כלומר בעל מחסור רב של אלקטרונים ברמת הערכיות.
כאשר אנו שמים מתח בין שני צידי הצומת, ומנסים להזרים זרם דרכה, אנו למעשה דוחפים אלקטרונים מהצד העשיר באלקטרונים לצד העשיר בחורים, ואף מעט חורים בכיוון ההפוך. כאשר אלקטרונים מגיעים לצד העשיר בחורים (ולהיפך), עשוי להתרחש מפגש בין חור לאלקטרון. במקרה שכזה השניים מתחברים, ומבטלים אחד את השני .במהלך תהליך זה עובר האלקטרון מרמת ההולכה לרמת הערכיות. מאחר ולאלקטרונים ברמת ההולכה אנרגיה גדולה יותר מזו של האלקטרונים (או החורים) ברמת הערכיות (שהרי הפרש האנרגיות שווה לפער האנרגיה של החומר), לשם ביצוע תהליך זה על האלקטרון לאבד את האנרגיה העודפת, והוא עושה זאת על ידי פליטת פוטון בעל אנרגיה הזהה לפער האנרגיה של החומר.
מאחר וכל הפוטונים הנפלטים בתהליך זה הינם בעלי אותה אנרגיה, הרי שהאור הנפלט הינו מונוכרומאטי – בעל צבע אחד בלבד. צבע זה נקבע על פי פער האנרגיה של החומר ממנו עשויה הLED. החומרים הראשוניים מהם נוצרו LED, סיפקו תאורה בצבע אדום בלבד. כיום קיימים כבר מספר סוגים של LED הפולטים אור בצבעים – אדום, ירוק, כחול וכן קרינה אולטרא סגולה (בלתי נראית).
זהו עם כך באופן פשטני מנגנון פליטת האור של ה LED. בפועל עם התקדמות הטכנולוגיה הפך מבנה הLED למסובך, כאשר תכנון הנדסי נבון מגדיל את הסיכוי של האלקטרונים לפגוש חורים, ובכל מעלה את הסיכוי ליצירת פוטון אחד על כל אלקטרון שמוזרק לחומר, ומשפר את נצילות האנרגיה של הLED.
כאמור לעיל הLED תפס מאז פיתוחו תפקיד משמעותי בסוגים שונים ומגוונים של תאורה, מן הנורות הקטנות ביותר, ועד לשלטי רחוב ענקיים, אך עם זאת, העובדה שהאור שהנורות מספקות שונה מאוד מן האור הלבן של השמש מונע את כניסתן לשוק התאורה הנפוצה יותר, הביתית. אך התפתחויות טכנולוגיות של השנים האחרונות מתחילות לסלול את הדרך ליצירת נורות LED הפולטות אור לבן.
אחת הדרכם לעשות זאת הינה באמצעות שימוש בפוספורים. פוספורים קולטים אור בעל אנרגיה גבוהה ופולטים אור באנרגיה נמוכה יותר, כלומר בצבעים אחרים. באמצעות שיטה זו ניתן לייצר שתי סוגים שונים של נורות:
א) נורה המורכבת מ LED הפולט אור באנרגיה גבוהה במיוחד, בתחום האולטרא סגול, המוקפת בגז של פוספורים, מסוגים שונים, כל סוג קולט את קרינת הLED, ופולט אור בתחום צבעים אחר נורה שכזו מייצרת אור הדומה מאוד לאור השמש, אך בעלת נצילות אנרגיה נמוכה עקב ריבוי הפוספורים.
ב) נורה המורכבת מ LED הפולט אור בצבע כחול, המוקפת בגז של פוספורים מסוג בודד אשר קולט חלק מן האור שנפלט מהLED ופולט אור בתחום הצבעים הצהובים. השילוב של האור הצהוב עם האור המקורי, הכחול מייצר תחושה של אור לבן, אם כי הרכבו שונה מאוד מאור השמש. לנורה שכזו נצילות אנרגיה גבוהה.
שיטה נוספת לייצר נורות הפולטות אור בצבע לבן, היה פשוט על ידי שילוב של שלוש נורות LED, בצבעים שונים (אדום ירוק וכחול) אשר שילובן נותן אור לבן, הדומה באופן יחסי לאור השמש, ונצילות האנרגיה שלהן בינונית.
תחום תאורת הLED הלבנה עדין בפיתוח. קיימים קשיים טכנולוגים רבים המגבילים את נצילות האנרגיה של נורות מסוג זה, לעומת הפוטנציאל המלא שלהן, והמדענים עובדים במרץ על שיפורם כל העת. ההערכה הרווחת כיום עם שיפור תאורת הLED, במידה וכל הנורות בארה"ב יוחלפו לנורות מסוג זה, ניתן יהיה לסגור כ-230 תחנות כח פחמיות בארה"ב. המשמעות מבחינת חסכון כספי, בחומר גלם וכמובן בשיפור איכות הסביבה הינו עצום, ונראה כי בשנים הקרובות נצפה לאט לאט בנורות הLED דוחקות את הנורות הנפוצות כיום בשוק, והופכות לשחקן מרכזי במגרש התאורה.
הסבר סכמטי של פעולת נורת הLED. הצומת מודגמת כאשר האזור הכחול הוא האזור העשיר בחורים (דל באלקטרונים) והאחזור החאקי הוא האזור העשיר באלקטרונים (כדורים אדומים). כאשר אלקטרונים נדחפים אל האזור העשיר בחורים, על ידי מתח חיצוני, הם עוברים מרצועת ההולכה, לרצועת הערכיות, ופולטים פוטונים
שלוש נורות LED בצבעים שונים
בבליוגרפיה
Prospects for Led lightning S. Pimputkar, J.S. Speck, S.P. DenBaars and S. Nakamura, Nature Photonics, Vol 3, 108
עדכון 7.10.2014 - ועדת פרס נובל, החליקה להעניק פרס נובל לפיזיקה לשלושת ממציאי נורת הלד.
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
