Chi ha brevettato per primo un metodo per produrre LED blu ad alta luminosità?
doc-9169
Alla fine degli anni' 80, le scoperte chiave nella crescita epitassiale GaN e nel doping di tipo p hanno inaugurato l' era moderna dei dispositivi optoelettronici basati su GaN. Basandosi su questa base, il Dr. Moustakas dell' Università di Boston ha brevettato un metodo per produrre LED blu ad alta luminosità utilizzando un nuovo processo in due fasi. Due anni dopo, nel 1993, i LED blu ad alta luminosità sono stati nuovamente dimostrati da Shuji Nakamura di Nichia Corporation utilizzando un processo di crescita del nitruro di gallio simile a quello del Dr. Moustakas. Sia il Dr. Moustakas che il Sig. Nakamura hanno ottenuto brevetti separati, il che ha confuso la questione di chi era l' inventore originale (in parte perché sebbene il Dr. Moustakas abbia inventato il suo primo, il Dr. Nakamura ha depositato per primo).
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doc-9176
Le perdite di efficienza dei LED basate sul fosforo sono dovute alle perdite di calore dovute allo spostamento degli Stokes e ad altri problemi di degradazione legati al fosforo. La loro efficacia luminosa rispetto ai LED normali dipende dalla distribuzione spettrale della luce risultante e dalla lunghezza d' onda originale del LED stesso. Ad esempio, l' efficacia luminosa di un tipico LED bianco a base di fosforo giallo YAG varia da 3 a 5 volte l' efficacia luminosa del LED blu originale a causa della maggiore sensibilità dell' occhio umano al giallo che al blu (come modellato nella funzione di luminosità). Grazie alla semplicità di fabbricazione, il metodo al fosforo è ancora il metodo più popolare per produrre LED bianchi ad alta intensità. La progettazione e la produzione di una sorgente luminosa o di un apparecchio di illuminazione che utilizza un emettitore monocromatico con conversione del fosforo è più semplice e meno costosa di un complesso sistema RGB, e la maggior parte dei LED bianchi ad alta intensità attualmente presenti sul mercato sono fabbricati con conversione della luce fosforosa.
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doc-9178
I LED bianchi possono essere realizzati anche con il rivestimento di LED vicino all' ultravioletto (NUV) con una miscela di fosfori a base di europio ad alta efficienza che emettono rosso e blu, più rame e zinco solfuro (ZnS: Cu, Al) color alluminio che emette verde. Questo è un metodo analogo al funzionamento delle lampade fluorescenti. Questo metodo è meno efficiente rispetto ai LED blu con YAG: Ce fosforo, in quanto lo spostamento Stokes è più grande, quindi più energia viene convertita in calore, ma produce luce con migliori caratteristiche spettrali, che rendono il colore migliore. Grazie alla maggiore emissione radiativa dei LED ultravioletti rispetto a quelli blu, entrambi i metodi offrono una luminosità paragonabile. Si teme che la luce UV possa fuoriuscire da una sorgente luminosa difettosa e causare danni agli occhi o alla pelle umana.
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doc-9162
Il primo LED blu ad alta luminosità è stato dimostrato da Shuji Nakamura di Nichia Corporation nel 1994 ed era basato su InGaN. In parallelo, Isamu Akasaki e Hiroshi Amano a Nagoya stavano lavorando allo sviluppo dell' importante nucleazione GaN su substrati di zaffiro e alla dimostrazione del doping di tipo p del GaN. Nakamura, Akasaki e Amano hanno ricevuto il premio Nobel 2014 per la fisica per il loro lavoro. Nel 1995, Alberto Barbieri del Laboratorio Universitario di Cardiff (GB) ha studiato l' efficienza e l' affidabilità dei LED ad alta luminosità e ha dimostrato un LED a "contatto trasparente" con ossido di stagno indio (ITO) su (AlGaInP/GaAs).
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doc-9160
Il primo LED a spettro visibile (rosso) è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak, Jr., mentre lavorava in General Electric Company. Holonyak prima riportato il suo LED nel giornale Applied Physics Lettere Fisica Applicata il 1 dicembre 1962. M. George Craford, un ex studente laureato di Holonyak, ha inventato il primo LED giallo e migliorato la luminosità dei LED rosso e rosso-arancio di un fattore dieci nel 1972. Nel 1976, T. P. Pearsall creò i primi LED ad alta luminosità e ad alta efficienza per le telecomunicazioni in fibra ottica inventando nuovi materiali semiconduttori specificamente adattati alle lunghezze d' onda di trasmissione delle fibre ottiche.
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doc-9171
Alla fine degli anni' 90, i LED blu sono diventati ampiamente disponibili. Hanno una regione attiva costituita da uno o più pozzi InGaN quantum inseriti tra strati più spessi di GaN, detti strati di rivestimento. Variando la frazione In/Ga relativa nei pozzetti quantistici InGaN, l' emissione luminosa può in teoria variare da viola a ambra. Il nitruro di gallio all' alluminio (AlGaN) di varia frazione di Al/Ga può essere utilizzato per la produzione di rivestimenti e strati quantici per LED ultravioletti, ma questi dispositivi non hanno ancora raggiunto il livello di efficienza e maturità tecnologica dei dispositivi InGaN/GaN blu/verde. Se in questo caso viene utilizzato GaN non legato per formare gli strati attivi del pozzo quantistico, il dispositivo emetterà luce ultravioletta con una lunghezza d' onda di picco centrata intorno ai 365 nm. I LED verdi prodotti dal sistema InGaN/GaN sono molto più efficienti e luminosi rispetto ai LED verdi prodotti con sistemi di materiali non al nitruro, ma i dispositivi pratici mostrano ancora un' efficienza troppo bassa per le applicazioni ad alta luminosità.
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doc-9173
La luce bianca può essere formata mescolando luci di diverso colore; il metodo più comune è quello di usare rosso, verde e blu (RGB). Quindi il metodo è chiamato LED bianchi multicolori (talvolta denominati LED RGB). Poiché questi hanno bisogno di circuiti elettronici per controllare la miscelazione e la diffusione di colori diversi, e poiché i singoli LED a colori hanno tipicamente schemi di emissione leggermente diversi (che portano a variazioni di colore a seconda della direzione) anche se sono realizzati come un' unica unità, questi sono raramente utilizzati per produrre illuminazione bianca. Tuttavia, questo metodo ha molte applicazioni a causa della flessibilità di miscelazione di colori diversi, e in linea di principio, questo meccanismo ha anche una maggiore efficienza quantistica nella produzione di luce bianca.
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doc-9175
Questo metodo prevede il rivestimento di LED di un unico colore (principalmente LED blu in InGaN) con fosfori di diversi colori per formare luce bianca; i LED risultanti sono chiamati LED a base di fosforo o LED bianchi convertiti in fosforo (pcLEDs). Una frazione della luce blu subisce lo spostamento Stokes trasformandosi da lunghezze d' onda più corte a lunghezze d' onda più lunghe. A seconda del colore del LED originale, è possibile utilizzare fosfori di colori diversi. Se vengono applicati diversi strati di fosforo di colori distinti, lo spettro emesso viene ampliato, aumentando di fatto il valore dell' indice di resa cromatica (CRI) di un determinato LED.
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doc-9186
Un filamento LED è costituito da più dadi LED collegati in serie su un substrato longitudinale comune che formano una barra sottile che ricorda un filamento a incandescenza tradizionale. Questi vengono utilizzati come alternativa decorativa a basso costo per le lampadine tradizionali, che in molti paesi vengono gradualmente eliminate. I filamenti richiedono una tensione piuttosto alta per illuminare alla luminosità nominale, permettendo loro di lavorare in modo efficiente e semplice con le tensioni di rete. Spesso un raddrizzatore semplice e limitatore di corrente capacitiva sono impiegati per creare una sostituzione a basso costo per una lampadina tradizionale senza la complessità di creare un convertitore di corrente alta e a bassa tensione, che è richiesto dai LED monoblocco. Di solito sono imballati in un involucro sigillato con una forma simile a quella delle lampade che sono stati progettati per sostituire (ad es. una lampadina) e riempito con azoto inerte o anidride carbonica per eliminare efficacemente il calore.
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doc-9161
I primi LED commerciali sono stati comunemente utilizzati come sostituti di lampade ad incandescenza e indicatori al neon, e in display a sette segmenti, prima in apparecchiature costose come attrezzature di laboratorio ed elettroniche di prova, poi in apparecchi come televisori, radio, telefoni, calcolatrici e orologi (vedi elenco degli usi del segnale). Fino al 1968, i LED visibili e a infrarossi erano estremamente costosi, dell' ordine di 200 USD per unità, e quindi poco pratici. La Monsanto Company è stata la prima organizzazione a produrre in serie LED visibili, utilizzando il fosfuro di arseniuro di gallio (GaAsP) nel 1968 per produrre LED rossi adatti per gli indicatori. Hewlett Packard (HP) ha introdotto i LED nel 1968, utilizzando inizialmente GaAsP fornito da Monsanto. Questi LED rossi erano abbastanza luminosi da poter essere utilizzati solo come indicatori, in quanto l' emissione luminosa non era sufficiente per illuminare un' area. Le letture nelle calcolatrici erano così piccole che le lenti in plastica sono state costruite sopra ogni cifra per renderle leggibili. Più tardi, altri colori divennero ampiamente disponibili e apparvero in apparecchi e attrezzature. Negli anni' 70 Fairchild Optoelectronics produceva dispositivi LED di successo commerciale a meno di cinque centesimi ciascuno. Questi dispositivi impiegavano chip di semiconduttori composti fabbricati con il processo planare inventato dal Dr. Jean Hoerni alla Fairchild Semiconductor. La combinazione di lavorazione planare per la fabbricazione di trucioli e metodi di confezionamento innovativi ha permesso al team di Fairchild, guidato dal pioniere dell' optoelettronica Thomas Brandt, di ottenere le necessarie riduzioni dei costi. Questi metodi continuano ad essere utilizzati dai produttori di LED.
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doc-9185
I LED digitali-RGB sono LED RGB che contengono la propria elettronica di controllo "intelligente". Oltre all' alimentazione e alla messa a terra, questi dispositivi forniscono collegamenti per l' inserimento dati, l' uscita dati e talvolta un segnale di clock o strobo. Questi sono collegati in una catena a margherita, con i dati del primo LED proveniente da un microprocessore, che può controllare la luminosità e il colore di ogni LED indipendentemente dagli altri. Sono utilizzati quando è necessaria una combinazione di controllo massimo e minima elettronica visibile, come stringhe per le matrici natalizie e LED. Alcuni hanno anche frequenze di aggiornamento nella gamma kHz, permettendo per le applicazioni video di base.
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