بررسی جامع مشخصات فنی و تکنولوژیکی LED: از ساختار داخلی تا کاربردهای نوین

فصل اول: مقدمه

نور یکی از بنیادی‌ترین عناصر در زندگی بشر است و نقش آن در فناوری‌های مدرن روزبه‌روز پررنگ‌تر می‌شود. در این میان، دیودهای نورافشان (LED: Light Emitting Diode) به عنوان یکی از مهم‌ترین دستاوردهای الکترونیک و اپتوالکترونیک، تحول بزرگی در صنعت روشنایی، نمایشگرها، ارتباطات نوری و حتی تجهیزات پزشکی ایجاد کرده‌اند. ویژگی‌های فنی و تکنولوژیکی LED شامل راندمان بالا، طول عمر بسیار طولانی، ابعاد کوچک، قابلیت کنترل شدت و رنگ نور و همچنین مصرف انرژی پایین باعث شده که این فناوری در بسیاری از حوزه‌ها جایگزین منابع نوری قدیمی مانند لامپ‌های رشته‌ای و فلورسنت شود.

LED در واقع یک قطعه نیمه‌رسانا است که با گذر جریان الکتریکی از آن، فوتون‌های نورانی منتشر می‌شوند. این فرایند مبتنی بر پدیده الکترولومینسانس است که در آن الکترون‌ها با حفره‌ها ترکیب شده و انرژی به شکل نور آزاد می‌شود. همین ویژگی ساده اما بنیادین، زمینه‌ساز توسعه طیف گسترده‌ای از محصولات و کاربردها شده است.

هدف این مقاله بررسی عمیق مشخصات فنی و تکنولوژیکی LED است. در ادامه، علاوه بر توضیح اصول علمی و ساختاری، به ویژگی‌های فنی نظیر ولتاژ کاری، شدت نور، راندمان نوری، طیف رنگی و تکنولوژی‌های تولید نیز پرداخته خواهد شد. همچنین با مرور روندهای آینده و فناوری‌های نوین، دید روشنی نسبت به چشم‌انداز توسعه LED ارائه می‌شود.

فصل دوم: تاریخچه کوتاه LED

ایده تولید نور از نیمه‌رساناها به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد. در سال ۱۹۰۷ "Henry Round" نخستین بار مشاهده کرد که برخی از مواد نیمه‌رسانا هنگام عبور جریان الکتریکی، نور ضعیفی منتشر می‌کنند. این پدیده پایه‌ای برای کشف الکترولومینسانس شد. با این حال، نخستین LED عملی و تجاری در سال ۱۹۶۲ توسط "Nick Holonyak" در شرکت جنرال الکتریک معرفی شد. این LED اولین بار در رنگ قرمز کار می‌کرد و توانست توجه صنعت را به خود جلب کند.

در دهه‌های بعدی، تحقیقات گسترده روی مواد نیمه‌رسانا منجر به ساخت LEDهایی در رنگ‌های سبز، زرد و نارنجی شد. اما نقطه عطف واقعی در دهه ۱۹۹۰ اتفاق افتاد؛ زمانی که "Shuji Nakamura" موفق به ساخت LED آبی با استفاده از ماده نیترید گالیوم (GaN) شد. کشف LED آبی مسیر تولید LED سفید و در نهایت انقلابی در صنعت روشنایی را هموار ساخت. به دلیل اهمیت این کشف، جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۱۴ به تیمی از دانشمندان فعال در این حوزه اهدا شد.

امروزه LEDها با ترکیب رنگ‌های مختلف و به کمک فسفرها، نور سفید با کیفیت بالا تولید می‌کنند و جایگزین اصلی بسیاری از منابع نوری سنتی شده‌اند.

فصل سوم: اصول علمی و تکنولوژیکی LED

دیود نورافشان یا همان LED در واقع نوعی دیود نیمه‌رسانا است که از مواد خاصی ساخته می‌شود تا هنگام عبور جریان الکتریکی از خود نور ساطع کند. برای درک بهتر اصول علمی کارکرد LED، باید ابتدا به مفاهیم پایه‌ای در فیزیک نیمه‌رساناها و پدیده الکترولومینسانس (Electroluminescence) بپردازیم.

۱. ساختار نیمه‌رسانا

نیمه‌رساناها موادی هستند که رسانایی الکتریکی آن‌ها بین عایق‌ها و رساناها قرار دارد. یکی از ویژگی‌های مهم نیمه‌رساناها این است که با دوپینگ (Doping) می‌توان خواص الکتریکی آن‌ها را تغییر داد. به این صورت که با افزودن ناخالصی‌های خاص، نیمه‌رساناها به دو نوع p-type و n-type تقسیم می‌شوند:

• n-type: حاوی الکترون‌های آزاد بیشتر است.

• p-type: دارای حفره‌های بیشتری (کمبود الکترون) است.

وقتی این دو نوع نیمه‌رسانا در کنار هم قرار می‌گیرند، یک پیوند PN تشکیل می‌شود. این پیوند اساس عملکرد LED است.

۲. پدیده الکترولومینسانس

هنگامی که جریان مستقیم (DC) به LED اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n به سمت ناحیه p حرکت می‌کنند. در ناحیه p این الکترون‌ها با حفره‌ها ترکیب شده و انرژی آزاد می‌کنند. این انرژی به صورت فوتون‌های نورانی منتشر می‌شود. رنگ نور به انرژی باندگپ (Band Gap) ماده نیمه‌رسانا بستگی دارد. به عنوان مثال:

• باندگپ کوچک → نور قرمز یا مادون قرمز

• باندگپ متوسط → نور سبز یا زرد

• باندگپ بزرگ → نور آبی یا فرابنفش

۳. راندمان و بازده نوری

یکی از مهم‌ترین مشخصات فنی LED، راندمان آن است. در LEDهای اولیه، بخش زیادی از انرژی به صورت گرما هدر می‌رفت و راندمان پایین بود. اما با پیشرفت تکنولوژی نیمه‌رساناها، راندمان به شدت افزایش یافته است. امروزه LEDهای پیشرفته می‌توانند تا بیش از ۲۰۰ لومن بر وات (lm/W) نور تولید کنند که چندین برابر لامپ‌های فلورسنت یا رشته‌ای است.

۴. طول‌موج و طیف نوری

هر LED یک طول‌موج مشخص دارد که رنگ نور را تعیین می‌کند. به عنوان مثال:

• قرمز: ۶۲۰–۷۵۰ نانومتر

• سبز: ۵۲۰–۵۶۰ نانومتر

• آبی: ۴۵۰–۴۹۰ نانومتر

• فرابنفش: زیر ۴۰۰ نانومتر

برای تولید نور سفید، معمولا از LED آبی در ترکیب با فسفر زرد استفاده می‌شود. این فسفر بخشی از نور آبی را به رنگ‌های دیگر تبدیل می‌کند و در نهایت نور سفید ایجاد می‌شود.

۵. قابلیت کنترل‌پذیری

یکی از ویژگی‌های تکنولوژیکی برجسته LED، قابلیت دیمر کردن (Dimming) یا تغییر شدت نور است. از آنجا که LED یک قطعه نیمه‌رسانا است، می‌توان با تغییر جریان ورودی، شدت نور آن را به راحتی کنترل کرد. این امکان در سیستم‌های هوشمند روشنایی و تجهیزات نمایشی اهمیت بسیار دارد.

۶. پایداری و طول عمر

یکی دیگر از مزایای تکنولوژیکی LED، طول عمر بسیار بالای آن است. برخلاف لامپ‌های رشته‌ای که در اثر سوختن فیلامان از کار می‌افتند، LEDها معمولا بیش از ۵۰٬۰۰۰ ساعت عمر مفید دارند. حتی برخی مدل‌های صنعتی تا ۱۰۰٬۰۰۰ ساعت نیز کار می‌کنند. این طول عمر بالا باعث کاهش هزینه‌های نگهداری در صنایع و فضاهای عمومی شده است.

۷. مدیریت حرارتی

اگرچه LED نسبت به منابع نوری قدیمی بازده بالاتری دارد، اما همچنان بخشی از انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود. به همین دلیل استفاده از هیت‌سینک (Heat Sink) یا سیستم‌های خنک‌کننده در طراحی چراغ‌های LED ضروری است. در صورت عدم مدیریت حرارتی مناسب، راندمان LED کاهش یافته و عمر آن کوتاه می‌شود.

فصل چهارم: مشخصات فنی LED

یکی از اساسی‌ترین بخش‌های بررسی فناوری LED، توجه به مشخصات فنی آن است. هرچند که LEDها در ظاهر کوچک و ساده به نظر می‌رسند، اما از دیدگاه مهندسی و طراحی، مجموعه‌ای پیچیده از ویژگی‌های الکتریکی، نوری، حرارتی و مکانیکی دارند که عملکرد نهایی آن‌ها را تعیین می‌کند. در این فصل، این مشخصات به‌طور جامع و دقیق بررسی می‌شود.

۱. ولتاژ کاری (Forward Voltage)

LEDها برای روشن شدن نیازمند یک ولتاژ مستقیم (DC) هستند. این ولتاژ که به آن ولتاژ بایاس مستقیم نیز گفته می‌شود، بسته به رنگ و جنس نیمه‌رسانا متفاوت است.

• LED قرمز: ۱٫۸ تا ۲٫۲ ولت

• LED سبز: ۲٫۰ تا ۳٫۲ ولت

• LED آبی: ۳٫۰ تا ۳٫۵ ولت

• LED سفید: حدود ۳٫۲ تا ۳٫۶ ولت

نکته مهم این است که LED برخلاف لامپ‌های رشته‌ای یا مقاومت‌ها، رابطه خطی بین ولتاژ و جریان ندارد. یعنی با افزایش کمی در ولتاژ، جریان به شدت افزایش پیدا می‌کند. به همین دلیل استفاده از مقاومت محدودکننده جریان یا درایورهای مخصوص برای LEDها ضروری است.

۲. جریان کاری (Forward Current)

میزان جریان عبوری از LED یکی از مهم‌ترین مشخصات فنی آن است، زیرا شدت نور خروجی ارتباط مستقیمی با جریان دارد.

• LEDهای معمولی (۵ میلی‌متری): جریان استاندارد ۲۰ میلی‌آمپر

• LEDهای توان بالا (High Power LEDs): جریان بین ۳۵۰ میلی‌آمپر تا چند آمپر

• LEDهای SMD پیشرفته: بین ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی‌آمپر

اگر جریان بیش از حد به LED وارد شود، دمای پیوند (Junction Temperature) افزایش یافته و باعث کاهش عمر یا سوختن کامل LED می‌شود.

۳. توان مصرفی (Power Consumption)

توان مصرفی LED از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

P = V × I

به طور مثال اگر یک LED سفید با ولتاژ ۳٫۲ ولت و جریان ۲۰ میلی‌آمپر کار کند، توان مصرفی آن برابر با:

۳٫۲ × ۰٫۰۲ = ۰٫۰۶۴ وات

است. این مقدار در مقایسه با لامپ‌های رشته‌ای (که حداقل چند وات مصرف دارند) بسیار پایین است. در LEDهای توان بالا، توان می‌تواند از چند وات تا ده‌ها وات برسد.

۴. شدت نور (Luminous Intensity)

شدت نور یک LED با واحد کندلا (cd) یا لومن (lm) بیان می‌شود.

• LEDهای کوچک: شدت نور بین ۱ تا ۵ لومن

• LEDهای متوسط: شدت نور ۱۰ تا ۱۰۰ لومن

• LEDهای پرتوان: از ۱۰۰ تا بیش از ۲۰٬۰۰۰ لومن

برای مقایسه:

• لامپ رشته‌ای ۶۰ وات → حدود ۸۰۰ لومن

• LED پرتوان ۱۰ وات → حدود ۱۰۰۰ لومن

این مقایسه نشان می‌دهد که LED راندمان بسیار بالاتری نسبت به لامپ‌های سنتی دارد.

۵. راندمان نوری (Luminous Efficacy)

راندمان نوری یا لومن بر وات (lm/W) نشان می‌دهد که چه مقدار نور مفید در برابر توان مصرفی تولید می‌شود.

• لامپ رشته‌ای: حدود ۱۰–۱۵ لومن بر وات

• فلورسنت: حدود ۴۰–۷۰ لومن بر وات

• LEDهای امروزی: ۸۰–۲۰۰ لومن بر وات

برخی از LEDهای آزمایشگاهی حتی به بیش از ۳۰۰ لومن بر وات رسیده‌اند که انقلابی در حوزه روشنایی محسوب می‌شود.

۶. زاویه تابش (Beam Angle)

زاویه تابش نشان‌دهنده محدوده‌ای است که نور LED در آن پخش می‌شود. این ویژگی به نوع لنز و طراحی بسته‌بندی بستگی دارد.

• LEDهای ساده: زاویه ۲۰ تا ۳۰ درجه

• LEDهای SMD: زاویه ۶۰ تا ۱۲۰ درجه

• LEDهای COB و نورافکن: زاویه ۱۲۰ تا ۱۸۰ درجه

انتخاب زاویه مناسب به کاربرد بستگی دارد. مثلا در چراغ قوه به زاویه باریک نیاز داریم، اما در چراغ اتاق زاویه وسیع مناسب‌تر است.

۷. طول‌موج و رنگ نور

یکی از ویژگی‌های مهم LED، تنوع گسترده در رنگ‌ها است. رنگ LED توسط ماده نیمه‌رسانا و انرژی باندگپ تعیین می‌شود.

• قرمز: ۶۲۰–۷۵۰ نانومتر

• نارنجی: ۵۹۰–۶۲۰ نانومتر

• سبز: ۵۲۰–۵۶۰ نانومتر

• آبی: ۴۵۰–۴۹۰ نانومتر

• فرابنفش: زیر ۴۰۰ نانومتر

• مادون قرمز: بالای ۷۰۰ نانومتر

برای نور سفید، معمولا از ترکیب LED آبی + فسفر زرد یا ترکیب سه رنگ اصلی (RGB) استفاده می‌شود.

۸. دمای رنگ (Color Temperature)

نور سفید LED می‌تواند دارای دماهای رنگی مختلف باشد:

• سفید گرم (Warm White): ۲۷۰۰–۳۵۰۰ کلوین → شبیه نور لامپ رشته‌ای

• سفید طبیعی (Neutral White): ۳۵۰۰–۵۰۰۰ کلوین → شبیه نور روز

• سفید سرد (Cool White): ۵۰۰۰–۶۵۰۰ کلوین → مناسب برای فضاهای کاری

این ویژگی امکان انتخاب نور مناسب برای محیط‌های مختلف را فراهم می‌کند.

۹. شاخص بازتاب رنگ (CRI: Color Rendering Index)

CRI معیاری است که نشان می‌دهد نور LED تا چه اندازه رنگ‌های اجسام را به‌طور طبیعی نمایش می‌دهد.

• CRI زیر ۷۰ → کیفیت پایین

• CRI بین ۷۰ تا ۸۵ → متوسط

• CRI بالای ۹۰ → کیفیت عالی (مناسب برای عکاسی، گالری‌ها و کاربردهای حرفه‌ای)

۱۰. طول عمر (Lifetime)

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های LED، طول عمر آن است. طول عمر LED معمولا زمانی تعریف می‌شود که شدت نور آن به ۷۰٪ مقدار اولیه کاهش یابد (L70).

• LEDهای معمولی: حدود ۲۵٬۰۰۰ ساعت

• LEDهای باکیفیت: ۵۰٬۰۰۰ تا ۱۰۰٬۰۰۰ ساعت

برای مقایسه:

• لامپ رشته‌ای: ۱٬۰۰۰ ساعت

• فلورسنت: ۸٬۰۰۰ تا ۱۰٬۰۰۰ ساعت

۱۱. مشخصات حرارتی

LEDها به شدت به دما حساس هستند. افزایش دما باعث کاهش راندمان و کوتاه شدن عمر LED می‌شود. مهم‌ترین پارامتر حرارتی:

• دمای پیوند (Junction Temperature): معمولا باید زیر ۸۵ درجه سانتی‌گراد باقی بماند.

• برای این منظور، از هیت‌سینک آلومینیومی یا سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته استفاده می‌شود.

۱۲. مشخصات مکانیکی و بسته‌بندی

LEDها در بسته‌بندی‌های مختلف تولید می‌شوند:

• DIP (قدیمی، پایه‌دار)

• SMD (سطح‌نصب، پرکاربرد در تجهیزات مدرن)

• COB (چیپ روی بورد، نوردهی یکنواخت و پرقدرت)

بسته‌بندی علاوه بر ظاهر، بر ویژگی‌هایی مثل زاویه تابش، دفع حرارت و مقاومت در برابر رطوبت نیز اثرگذار است.

فصل پنجم: انواع LED و فناوری‌های مرتبط

دیودهای نورافشان یا همان LEDها در طول چند دهه اخیر مسیر بسیار پرفراز و نشیبی را پشت سر گذاشته‌اند و از یک فناوری ساده برای تولید نور قرمز به گستره‌ای عظیم از محصولات تبدیل شده‌اند. امروزه تقریبا در هر دستگاه الکترونیکی می‌توان اثری از LED مشاهده کرد؛ از چراغ‌های کوچک نشانگر گرفته تا پروژکتورهای صنعتی و نمایشگرهای عظیم شهری. تنوع LEDها آن‌قدر زیاد است که برای دسته‌بندی آن‌ها نیاز داریم به چند جنبه اساسی شامل ساختار، توان، رنگ و کاربرد نگاه کنیم. در ادامه این دسته‌بندی‌ها را با جزئیات بررسی می‌کنیم.

دسته‌بندی بر اساس ساختار و اندازه

نخستین گروه، LEDهایی هستند که بر اساس شکل و بسته‌بندی تقسیم می‌شوند. LEDهای DIP که به نام LEDهای پایه‌دار نیز شناخته می‌شوند، نخستین نسل تجاری LED به شمار می‌آیند. این LEDها معمولا در اندازه‌های سه یا پنج میلی‌متری تولید می‌شوند و توانایی تولید نور محدودی دارند. اگرچه امروز در مقایسه با نسل‌های جدید ضعیف به نظر می‌رسند، اما به دلیل قیمت پایین و سادگی همچنان در بسیاری از وسایل کوچک و چراغ‌های نشانگر استفاده می‌شوند.

با پیشرفت فناوری، نسل جدیدی از LEDها به نام SMD یا Surface Mounted Device معرفی شد. این نوع LEDها مستقیما بر سطح برد مدار چاپی نصب می‌شوند و به دلیل راندمان بالا و امکان طراحی در اندازه‌های مختلف، به‌سرعت جایگزین نسل قدیمی‌تر شدند. یکی از مزیت‌های مهم LEDهای SMD این است که می‌توانند نور را در زاویه‌های گسترده‌تری منتشر کنند و در عین حال شدت نوری بالاتر داشته باشند.

مرحله بعدی تکامل، LEDهای COB یا Chip on Board بود. در این فناوری چندین چیپ LED به‌صورت مجتمع روی یک بُرد نصب می‌شوند و منبعی قدرتمند از نور یکنواخت تولید می‌کنند. COBها به‌طور ویژه در پروژکتورها، چراغ‌های خیابانی و سیستم‌های صنعتی به‌کار می‌روند. توان بالای این LEDها باعث شده که در بسیاری از کاربردهای پرنور، جایگزین اصلی لامپ‌های پرمصرف شوند.

در سال‌های اخیر با کوچک‌تر شدن ابعاد و افزایش دقت ساخت، LEDهای Mini و Micro پدید آمدند. در این فناوری‌ها اندازه هر LED کمتر از صد میکرومتر است و به همین دلیل می‌توان از میلیون‌ها LED کوچک در یک نمایشگر استفاده کرد. این ویژگی امکان ساخت تلویزیون‌ها و مانیتورهایی با وضوح بسیار بالا و کنتراست عالی را فراهم کرده است. به همین دلیل Micro LED به‌عنوان یکی از جدی‌ترین رقبای فناوری OLED در نظر گرفته می‌شود.

دسته‌بندی بر اساس توان مصرفی

اگر از زاویه توان به LEDها نگاه کنیم، می‌توان آن‌ها را به سه دسته اصلی تقسیم کرد. دسته اول LEDهای کم‌مصرف هستند که معمولا توان کمتر از یک‌دهم وات دارند. این LEDها برای کارهایی مانند چراغ‌های نشانگر یا نور پس‌زمینه دستگاه‌ها مناسب‌اند. دسته دوم LEDهای توان متوسط هستند که توان آن‌ها بین نیم تا یک وات قرار دارد و معمولا در لامپ‌های خانگی یا چراغ‌های رومیزی به کار می‌روند. دسته سوم LEDهای توان بالا هستند که می‌توانند چندین وات توان مصرف کنند. این دسته به دلیل شدت نور زیاد برای نورپردازی خیابانی، پروژکتورها و خودروها استفاده می‌شود.

دسته‌بندی بر اساس رنگ و طیف نوری

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های LED، توانایی تولید رنگ‌های متنوع است. برخی از LEDها تنها یک طول‌موج خاص تولید می‌کنند که به آن‌ها LEDهای تک‌رنگ گفته می‌شود. این LEDها می‌توانند قرمز، سبز، آبی یا زرد باشند و بیشتر در چراغ‌های ترافیکی و تابلوهای تبلیغاتی به‌کار می‌روند. نوع دیگر، LEDهای چندرنگ یا همان RGB هستند. در این فناوری سه چیپ قرمز، سبز و آبی در یک بسته‌بندی قرار می‌گیرند و با تغییر شدت هر کدام می‌توان میلیون‌ها رنگ مختلف تولید کرد. این نوع LED در نورپردازی صحنه‌ها، نمایشگرها و سیستم‌های تزئینی کاربرد فراوان دارد.

اما مهم‌ترین دسته، LEDهای سفید هستند. تولید نور سفید به دو روش امکان‌پذیر است. در روش نخست از یک LED آبی به همراه لایه‌ای از فسفر زرد استفاده می‌شود. بخشی از نور آبی توسط فسفر به رنگ‌های دیگر تبدیل می‌شود و در نهایت ترکیب نور سفید ایجاد می‌شود. در روش دوم از ترکیب مستقیم سه رنگ اصلی RGB استفاده می‌شود. LEDهای سفید بسته به دمای رنگی خود می‌توانند سفید گرم، سفید طبیعی یا سفید سرد باشند و به همین دلیل گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای خانگی، اداری و صنعتی هستند.

دسته‌بندی بر اساس کاربرد

اگر بخواهیم LEDها را از نظر کاربرد بررسی کنیم، گستره‌ای بسیار وسیع در برابر ما قرار می‌گیرد. LEDهای نمایشگر برای ساخت صفحه‌نمایش‌های دیجیتال، تابلوهای شهری و حتی تلویزیون‌های خانگی استفاده می‌شوند. در اینجا معمولا از SMD یا Micro LED بهره گرفته می‌شود که وضوح و کیفیت تصویر بالایی دارند. دسته دوم LEDهای روشنایی عمومی هستند که در لامپ‌های خانگی، چراغ‌های اداری، خیابانی و صنعتی به‌کار می‌روند. COB و High Power LED بیشترین استفاده را در این زمینه دارند.

نوع دیگری از LEDها، LEDهای مادون قرمز هستند. این LEDها طول‌موجی بین هشتصد تا هزار نانومتر دارند و با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند. آن‌ها در ریموت کنترل تلویزیون، سیستم‌های امنیتی و دوربین‌های دید در شب کاربرد فراوان دارند. LEDهای فرابنفش دسته دیگری هستند که طول‌موجی کمتر از چهارصد نانومتر دارند و به دلیل خاصیت ضدعفونی‌کننده در صنایع پزشکی و بهداشتی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. همچنین نوعی از LEDها به‌طور خاص برای مصارف پزشکی و بیولوژیکی طراحی می‌شوند، مثلا LEDهای آبی برای درمان آکنه یا LEDهای قرمز برای تسریع در ترمیم زخم‌ها. در گلخانه‌ها نیز LEDهای ویژه رشد گیاهان به‌کار می‌روند که طول‌موج آن‌ها با نیاز نوری گیاهان هماهنگ شده است.

فناوری‌های مرتبط با LED

علاوه بر خود LEDها، فناوری‌های دیگری نیز به موازات آن‌ها توسعه یافته‌اند. یکی از مهم‌ترین این فناوری‌ها OLED است. OLED یا دیود نورافشان ارگانیک از مواد آلی ساخته می‌شود و می‌تواند بسیار باریک، سبک و حتی انعطاف‌پذیر باشد. این فناوری به‌طور گسترده در گوشی‌های هوشمند و تلویزیون‌های پیشرفته استفاده می‌شود. با این حال، طول عمر OLED کمتر از LEDهای معدنی است.

فناوری Micro LED که پیش‌تر اشاره شد، یکی از نویدبخش‌ترین تکنولوژی‌های آینده در زمینه نمایشگرها است. هر پیکسل در این نمایشگر یک LED مستقل است و همین ویژگی باعث می‌شود روشنایی بالا، طول عمر زیاد و مصرف انرژی پایین‌تری نسبت به OLED داشته باشد. البته تولید Micro LED بسیار پرهزینه است و همین موضوع باعث شده فعلا به‌طور گسترده وارد بازار نشود.

در سال‌های اخیر فناوری نقاط کوانتومی نیز وارد عرصه شده است. در این فناوری از LED آبی به همراه لایه‌ای از نانوذرات موسوم به نقاط کوانتومی استفاده می‌شود. این نانوذرات می‌توانند رنگ نور خروجی را با دقت بسیار بالا تغییر دهند و طیف وسیع‌تری از رنگ‌ها را تولید کنند. تلویزیون‌های QLED نمونه‌ای از کاربرد این فناوری هستند که کیفیت تصویر بالاتری نسبت به LEDهای سنتی ارائه می‌دهند.

فصل ششم: مواد به‌کاررفته و ساختار داخلی LED

دیود نورافشان یا LED هرچند در ظاهر یک قطعه کوچک و ساده به نظر می‌رسد، اما درون آن ترکیبی پیچیده از مواد نیمه‌رسانا، لایه‌های رسانا، فسفرها و پوشش‌های محافظ وجود دارد که همه با دقتی بالا کنار هم قرار گرفته‌اند تا نور تولید شود. شناخت این ساختار داخلی و مواد مورد استفاده اهمیت زیادی دارد، زیرا کیفیت نور، راندمان، طول عمر و حتی قیمت تمام‌شده یک LED به همین عوامل وابسته است.

۱. نیمه‌رساناهای اصلی در ساخت LED

قلب اصلی هر LED از یک ماده نیمه‌رسانا تشکیل شده است. این نیمه‌رسانا همان بخشی است که پدیده الکترولومینسانس در آن اتفاق می‌افتد. انتخاب نوع نیمه‌رسانا تعیین می‌کند که LED چه رنگ نوری تولید خواهد کرد.

• فسفید گالیوم (GaP): بیشتر برای تولید LEDهای سبز و زرد در نسل‌های قدیمی استفاده می‌شد.

• آرسنید گالیوم (GaAs): برای تولید LEDهای مادون قرمز و قرمز اولیه کاربرد داشت.

• فسفید آرسنید گالیوم (GaAsP): ترکیبی از دو ماده که نور قرمز و نارنجی ایجاد می‌کند.

• نیترید گالیوم (GaN): مهم‌ترین ماده در LEDهای مدرن است. با این ماده می‌توان نور آبی و فرابنفش تولید کرد. کشف کارایی بالای GaN یکی از نقاط عطف تاریخ LED محسوب می‌شود.

• نیترید ایندیوم-گالیوم (InGaN): ترکیبی از گالیوم و ایندیوم است که امکان تولید LEDهای سبز تا آبی را فراهم می‌کند.

• فسفید آلومینیوم-گالیوم-ایندیوم (AlGaInP): برای تولید LEDهای قرمز، نارنجی و زرد با راندمان بالا به‌کار می‌رود.

این مواد به‌صورت لایه‌های بسیار نازک در مقیاس نانومتر روی یک بستر (Substrate) قرار می‌گیرند.

۲. بستر یا زیرلایه (Substrate)

بستر همان سطحی است که لایه‌های نیمه‌رسانا روی آن رشد می‌کنند. انتخاب بستر مناسب اهمیت زیادی دارد، زیرا بر کیفیت کریستال‌ها، انتقال حرارت و راندمان LED اثر مستقیم می‌گذارد.

• سافایر (Al₂O₃): یکی از رایج‌ترین بسترها در LEDهای آبی و سفید است.

• کاربید سیلیسیم (SiC): رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به سافایر دارد و به همین دلیل برای LEDهای توان بالا مناسب‌تر است.

• سیلیکون (Si): در برخی موارد به دلیل ارزان بودن استفاده می‌شود، اما مشکلاتی مانند عدم تطابق شبکه بلوری دارد.

۳. لایه فعال (Active Layer)

این همان بخش اصلی LED است که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و فوتون آزاد می‌کنند. جنس و ضخامت این لایه تعیین‌کننده طول‌موج نور تولیدی است. در LEDهای مدرن معمولا از لایه‌های چندگانه InGaN یا AlGaInP به‌عنوان لایه فعال استفاده می‌شود.

۴. لایه‌های تماس فلزی

برای اینکه جریان الکتریکی بتواند وارد نیمه‌رسانا شود، باید در دو طرف LED لایه‌هایی از فلز قرار گیرد. این فلزها معمولا از طلا، نقره یا آلومینیوم ساخته می‌شوند و وظیفه دارند هم رسانایی الکتریکی بالایی داشته باشند و هم تا حد امکان مانع خروج نور نشوند.

۵. فسفرها و پوشش‌های تبدیلی

در LEDهای سفید، نور آبی تولیدشده توسط نیمه‌رسانا باید به نور سفید تبدیل شود. برای این کار از موادی به نام فسفر استفاده می‌شود. فسفرها نور آبی را جذب کرده و بخشی از آن را به رنگ‌های سبز و قرمز تبدیل می‌کنند. ترکیب این رنگ‌ها در نهایت نور سفید ایجاد می‌کند. کیفیت فسفر تأثیر مستقیمی بر شاخص بازتاب رنگ (CRI) و دمای رنگی نور دارد.

۶. عدسی و پوشش خارجی

روی LED معمولا یک عدسی پلاستیکی یا سیلیکونی قرار می‌گیرد که نور را متمرکز یا پخش می‌کند. این عدسی علاوه بر شکل‌دهی به زاویه تابش، نقش محافظ در برابر رطوبت و ضربه نیز دارد. در LEDهای باکیفیت از پوشش‌های مقاوم در برابر اشعه فرابنفش و حرارت بالا استفاده می‌شود تا طول عمر LED افزایش یابد.

۷. مدیریت حرارتی در ساختار داخلی

همان‌طور که در فصل‌های قبل گفته شد، حرارت دشمن اصلی LED است. به همین دلیل در طراحی داخلی آن، لایه‌هایی برای انتقال حرارت از محل پیوند نیمه‌رسانا به بستر و سپس به هیت‌سینک در نظر گرفته می‌شود. جنس این لایه‌ها معمولا از مواد با رسانایی حرارتی بالا مانند مس یا آلومینیوم است.

۸. بسته‌بندی (Packaging)

بسته‌بندی LED نه تنها ظاهر آن را مشخص می‌کند، بلکه بر ویژگی‌های فنی نیز تأثیرگذار است. بسته‌بندی می‌تواند زاویه تابش را تغییر دهد، دفع حرارت را بهبود دهد و مقاومت LED را در برابر شرایط محیطی افزایش دهد. بسته‌بندی‌ها در انواع DIP، SMD و COB وجود دارند و انتخاب نوع مناسب بسته به کاربرد انجام می‌شود.

۹. ساختار داخلی LEDهای خاص

برخی LEDها ساختار ویژه‌ای دارند. برای مثال در LEDهای RGB سه لایه فعال مجزا وجود دارد که هرکدام رنگ متفاوتی تولید می‌کند. در LEDهای فرابنفش، لایه فعال به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که فوتون‌هایی با انرژی بالاتر از نور مرئی منتشر کند. همچنین در LEDهای توان بالا، ساختار داخلی به‌طور خاص برای انتقال سریع حرارت به هیت‌سینک طراحی شده است.

نتیجه‌گیری

دیودهای نورافشان (LED) به عنوان یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای فناوری نیمه‌رسانا، تحولی عمیق در صنعت روشنایی و الکترونیک ایجاد کرده‌اند. بررسی مشخصات فنی و تکنولوژیکی آن‌ها نشان می‌دهد که این قطعات کوچک در عین سادگی ظاهری، درون خود ساختاری پیچیده و علمی دارند. از انتخاب مواد نیمه‌رسانا مانند نیترید گالیوم و ترکیبات آن، تا طراحی لایه‌های فعال، بسته‌بندی پیشرفته، مدیریت حرارتی و استفاده از فسفرهای با کیفیت، همه عواملی هستند که کیفیت، بازده و طول عمر یک LED را تعیین می‌کنند.

مزایای متعدد LEDها از جمله بهره‌وری انرژی بالا، طول عمر طولانی، تولید گرمای کمتر، تنوع در رنگ و دمای نور، مقاومت مکانیکی و سرعت پاسخگویی بالا باعث شده است که امروزه در تمامی حوزه‌ها از روشنایی خانگی و شهری گرفته تا تجهیزات پزشکی، خودرو، نمایشگرها و صنایع پیشرفته کاربرد پیدا کنند.

در کنار این مزایا، چالش‌هایی مانند مدیریت حرارت، هزینه تولید بالا در برخی مدل‌ها، و نیاز به فسفرهای با کیفیت همچنان وجود دارد، اما روند تکامل فناوری نشان می‌دهد که این مشکلات به مرور کاهش می‌یابند. آینده LEDها به سمت کارایی بیشتر، رنگ‌های دقیق‌تر، کوچک‌تر شدن ابعاد و ادغام با فناوری‌های نوین مانند اینترنت اشیا (IoT) در حرکت است.

به طور کلی، LEDها دیگر تنها یک منبع نور ساده نیستند، بلکه نمایانگر ترکیبی از علم مواد، الکترونیک، اپتیک و مهندسی حرارت هستند و نقش آن‌ها در زندگی روزمره و آینده صنعت روشنایی غیرقابل انکار خواهد بود.