Включаете обычную светодиодную лампу, и комнату заливает белый свет. Между тем внутри многих таких ламп работают синие светодиоды. Сами полупроводниковые кристаллы излучают синий свет, а привычное освещение над столом получается благодаря ещё одному материалу: люминофору.
Он поглощает часть синего излучения и сам начинает светиться. На выходе складываются несколько участков спектра, которые наше зрение воспринимает как белый свет. Но прежде чем эта схема стала повседневностью, инженерам пришлось решить задачу, десятилетиями не дававшуюся исследователям: получить эффективный яркий синий светодиод.
Почему нельзя просто выбрать другой цвет
В лампе накаливания электричество разогревает нить. Светодиод устроен иначе: свет рождается в полупроводниковой структуре при взаимодействии электронов и так называемых дырок, то есть незаполненных электронных состояний. Часть высвобождаемой энергии уходит в фотоны.
Цвет связан с энергетическими свойствами материала. Если говорить упрощённо, более энергичному фотону соответствует более короткая длина волны. У синего света она короче, чем у красного. Поэтому сделать синий светодиод из красного, просто сменив цвет корпуса, нельзя. Окрашенная оболочка не заменит подходящий полупроводник.
Здесь полезно различать источник света и фильтр. Фильтр может задержать часть уже существующего излучения, но сам по себе не создаст недостающие синие фотоны. Чтобы получить их непосредственно в кристалле, нужны подходящие материалы, качество слоёв и управление движением электрических зарядов.
Светодиоды обычно излучают в сравнительно узком диапазоне длин волн. Для сигнального огонька это удобно: устройство сразу даёт нужный цвет. Но для белого освещения комнаты одного такого участка спектра недостаточно. Возникают две разные инженерные задачи: сначала создать эффективный цветной источник, а затем получить из его света подходящую смесь.
Самый трудный участник тройки
Красные и зелёные светодиоды появились задолго до того, как удалось сделать эффективные синие. Недостающий цвет был важен не только для освещения: сочетание красного, зелёного и синего открывало дорогу полноцветным устройствам. Однако успех с одним материалом нельзя было автоматически перенести на другой.
Одним из перспективных вариантов оказался нитрид галлия, GaN. Исаму Акасаки и Хироси Амано работали с ним в Нагойском университете. Требовалось научиться выращивать качественные кристаллические слои и получать нужные электрические свойства. Обе проблемы были принципиальными: подходящий состав вещества ещё не превращает его в работоспособный прибор.
В 1985 году команда добилась важного улучшения качества GaN, используя промежуточный буферный слой при выращивании. В 1989 году последовал успех с проводимостью p-типа: основными подвижными носителями заряда в таком материале становятся дырки. Это позволило создать необходимую для светодиода полупроводниковую структуру. За этими короткими датами стоят многократные попытки подобрать условия роста и обработки материала.
В начале 1990-х исследования Акасаки, Амано и работавшего в Nichia Сюдзи Накамуры привели к прорыву в эффективных синих светодиодах. В 2014 году трое учёных получили Нобелевскую премию по физике. Награда была за конкретное достижение, открывшее путь к ярким энергосберегающим белым источникам, а не за изобретение светодиодов вообще.
Как синий свет дополняют до белого
После появления синего кристалла можно было смешать излучение трёх отдельных светодиодов: красного, зелёного и синего. Но существовал и другой путь. Компания Nichia уже занималась люминофорами, поэтому объединила две технологии: синий источник и преобразующий свет материал.
Согласно истории самой компании, поводом стали запросы покупателей на белое свечение. Nichia предлагала корпус с тремя разноцветными кристаллами, предназначенный прежде всего для дисплеев. Некоторые заказчики хотели использовать его не ради меняющихся цветов, а ради одного белого. В 1996 году компания вывела на рынок белые светодиоды, сочетавшие синий кристалл с люминофором YAG.
В распространённой конструкции люминофор расположен над кристаллом или рядом с ним. Часть синего света проходит без преобразования. Другую часть материал поглощает и переизлучает на более длинных волнах. Его излучение занимает широкую полосу спектра, а не одну строго определённую длину волны.
Поэтому фраза «синий плюс жёлтый даёт белый» описывает происходящее лишь приблизительно. «Жёлтая» составляющая здесь представляет собой целый диапазон излучения люминофора. Важно и её соотношение с оставшимся синим светом: от него зависит результат.
Смешивание красок к этой схеме не подходит. Синяя и жёлтая краски не превратятся в белую: пигменты по-разному поглощают падающий свет. В светодиодной лампе складываются световые потоки. Люминофор к тому же сам излучает после возбуждения, поэтому считать его обычным окрашенным стеклом тоже нельзя.
Почему две белые лампы освещают по-разному
Белый свет не имеет единственного возможного спектра. Разные сочетания длин волн могут выглядеть для нас одинаково или очень похоже. Это связано с устройством цветового зрения: глаз не измеряет отдельно каждую длину волны, как лабораторный спектрометр.
Отсюда возникает важное бытовое различие. Можно описывать оттенок самого света, а можно то, как под ним выглядят предметы. Это не одно и то же. Две лампы, кажущиеся одинаково белыми, способны по-разному передавать оттенки ткани, еды или фотографии: поверхности отражают различные участки падающего на них спектра.
Цветовая температура, указанная в кельвинах, относится прежде всего к оттенку освещения. Например, свет с цветовой температурой около 2700 K обычно называют тёплым белым, а около 6500 K — холодным белым. Эти числа не означают, что корпус лампы раскалён до такой температуры. Они служат способом сравнить цвет света с эталонным излучением.
Цветопередача описывает другую сторону качества. Один из известных показателей, CRI, оценивает, насколько цвета образцов под проверяемым источником близки к их цветам при эталонном освещении с такой же цветовой температурой. Но и он не рассказывает о спектре всё: одинаковое итоговое число может скрывать разные особенности передачи отдельных оттенков.
Производители подбирают состав люминофоров и соотношение излучений под нужный результат. Поэтому «сделать белый свет» и «сделать подходящий свет для конкретной задачи» оказываются разными уровнями сложности. Для освещения витрины, рабочего стола и сцены требования могут заметно различаться.
Синий секрет не единственный
Не все белые светодиодные источники построены по одной схеме. Помимо люминофорного преобразования существуют системы смешивания отдельных цветных светодиодов и гибридные конструкции. Даже среди люминофорных вариантов возможны разные исходные излучатели и составы преобразующих материалов.
Поэтому утверждение «все белые лампы на самом деле синие» звучит эффектно, но неверно. Точнее сказать так: один из самых распространённых способов получить белый свет опирается на синий полупроводниковый источник и материал, который преобразует часть его излучения.
Теперь за обычным щелчком выключателя можно увидеть целую цепочку: выращенный кристалл создаёт свет, люминофор меняет его спектральный состав, а зрение воспринимает итоговую смесь. Привычный белый свет оказался результатом работы с цветом, который когда-то было особенно трудно получить.
Источники
- Nichia: Blue LED + Phosphor = the Creation of the White LED.
- Министерство энергетики США: LED Basics.
- A Practical Primer to LED Technology: принцип преобразования света и спектры.
- Калифорнийский университет в Санта-Барбаре: о Нобелевской премии по физике 2014 года.
- Нобелевский комитет: популярное объяснение открытия, 2014.
- Нагойский университет: Хироси Амано и ключевые этапы разработки нитридных светодиодов.
- Министерство энергетики США: LED Color Characteristics, спектры, цветовая температура и цветопередача.
- Министерство энергетики США: Color and Spectrum, исследования разных спектров с одинаковой цветностью.
