Nemkoherens fényforrások 1. Termikus és lumineszcens sugárzók BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY BEVEZETÉS Fényforrások a fotonikában: információ bevitelére, továbbítására és rögzítésére szolgáló fotonok létrehozása (emissziója), információ megjelenítése. Fényforrások az emberiség szolgálatában: világítás (a nappal világos időszak mesterséges meghosszabbítása). Fényforrások csoportosítása a fényemisszió fizikája alapján: nem-koherens források, koherens források. Témák: Fizikai alapok, fényforrások radiometriai és fotometriai jellemzése Termikus gerjesztésű fényforrások Gázkisüléses fényforrások Lumineszcens fényforrások 2/48
BEVEZETÉS (FOLYTATÁS) Irodalom: Mojzes-Kökényessi: Fotonikai anyagok és eszközök Csuti Schanda: Világítástechnika 95 (7-8) 221 (2002) Borsányi János: kvk.bmf.hu/konf2008/doc/eloadasok/03.ppt Lajtha-Szép: Fénytávközlő rendszerek és elemeik (5. Fénydetektorok fizikája és technológiája, valamint 6. Fényadók fizikája és technológiája fejezetek) 3/48 RADIOMETRIA ÉS FOTOMETRIA Radiometriai egységek: a sugárzás által vitt energiára vonatkoznak, ezek az SI mértékrendszer részei. Fotometriai egységek: Ezek az emberi szem által érzékelt spektrális tartományra és az ember fényérzetére vonatkoznak. CIE (Commission International d Eclairage): Emberi szem standardizált érzékenységi görbéje szerint a relatív érzékenység maximuma λ = 0,550 µm-nél van, (sárgás-zöld), itt 1 watt sugárzási teljesítmény 680 lumennel egyenértékű (1 lm megfelel 1,47 mw-nak). A relatív érzékenység 0,380 µm-nél (ibolya) és 0,780 µm-nél (vörös) válik nullává. 4/48
AZ EMBERI SZEM ÉRZÉKENYSÉGI GÖRBÉJE ÉS A FÉLVEZETŐK 5/48 FÉNY ÉS FÉLVEZETŐ E = hν = hc/λ E [ev] = 1,24/λ [µm] = 1240/λ [nm] E a kölcsönhatás karakterisztikus energiája, pl. tiltott sáv, szennyezési centrum ionizációs energiája, stb. Példa: látható zöld fény λ = 500 nm, E = 2,48 ev szilícium tiltott sáv E = 1,12 ev, fotoválasz küszöbhullámhossza λ = 1107 nm 6/48
RADIOMETRIA ÉS FOTOMETRIA Mennyiség Radiometria Fotometria Fényáram W lumen Fényerősség W/szteradián kandela Megvilágítás W/m 2 lux = lumen/m 2 Fényerősség egységnyi térszögbe kibocsátott fényáram Egy kandela erősségű fényforrás 4π lument bocsát ki. A kandela (cd) mai definíciója (1979): Annak a fényforrásnak az erőssége, mely adott irányba 540x10 12 Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki és sugárerőssége 1/683 W/szteradián. Az adott frekvencia 556 nm hullámhossznak (zöld fény) felel meg. Az így definiált kandela az SI rendszerben alapegység. 7/48 FÉNYFORRÁSOK CSOPORTOSÍTÁSA Fényforrások Hőmérsékleti sugárzók (izzólámpák) 1930-as évek Kisüléses fényforrások Félvezető-alapú fényforrások LED-ek 1990-es évek hagyományos 1880-as évek kisnyomású nagynyomású halogén 1950-es évek fénycső indukciós lámpa kisnyomású nátriumlámpa higanylámpa hagyományos kompakt fémhalogén lámpa nagynyomású nátriumlámpa Színek a működési elv alapján xenon lámpa 8/48
FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Ősidők óta használnak különböző fényforrásokat és világítótesteket, de csak a XX század elején jelentek meg az első tűrhető hatásfokú fényforrások. Jó fényhasznosítás, elfogadható élettartam: izzószálas fényforrások. Az izzólámpát 1879-ben találta fel Thomas A. Edison. Azt fejlesztették tovább a Tungsram mérnökei és kutatói, Hamala Sándor, Juszt Ferenc és Bródy Imre, akik a szénszálat volfrámszálra cserélték, az izzó buráját pedig kriptongázzal töltötték fel. Az új izzólámpával akkoriban kb. 75%-os árammegtakarítást értek el és az izzó fényereje is nagyságrendekkel nagyobb lett. Millner Tivadar nevéhez fűződik a magas hőmérsékleteken is megfelelő mechanikai tulajdonságokkal bíró, alaktartó volfrámszál technológiájának tudományos megalapozása és megvalósítása. 9/48 FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Az izzószálas megoldásnál is hatékonyabbak a kis- és nagynyomású gázkisülőlámpák: fém-halogén és nagynyomású nátrium-lámpák (100-150 lm/w). A fénycsövek számos területen a világítás fő eszközeivé váltak. Korszerű fénycső fényhasznosítása 90 lm/w. Izzólámpák új családja: halogén-izzólámpa (15-20 lm/w). 10/48
FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS A fényforrások fényhasznosításának fejlődése. Fényforrás fényárama Elfogyasztott elektromos teljesítmény 11/48 FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Szilárdtest fényforrások: Komoly áttörést végül a viágítódiódák (LED) jelentették. 70-es évek közepe: 1 lm/w 80-as évek vége: 10 lm/w, ekkor vált versenyképessé a hagyományos fényforrásokkal. A LED-ek közel monokromatikus (kvázi-monokromatikus) sugárzást hoznak létre így pl. jelzőfényként sokkal jobban hasznosítják az elektromos energiát, mint a hagyományos fényforrások különböző fényszűrő optikákkal. 12/48
INFRAVÖRÖS LED-EK SPEKTRUMA Surface emitting InP/InGaAsP LEDs produced by LPE. 9-diode LED set covering emission in 1.1 to 1.8 µm range. 13/48 NAGYTELJESÍTMÉNYŰ LED (5 W) Lumileds Lighting: Light from Silicon Valley 14/48
TERMIKUS GERJESZTÉSŰ FÉNYFORRÁSOK Az izzó testek kb. 550 o C felett világítanak. Jelenleg az emberiség túlnyomórészt termikus gerjesztésű fényforrásokat használ általános világításra. Pl. az EU-ban használt fényforrások 85 %-a a hagyományos izzólámpa (kb. 2007 évi adat). A világításra elhasznált villamosenergia a megtermelt villamosenergia számottevő része. Hagyományos izzólámpák Halogén töltésű izzólámpák 15/48 HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS Az anyagi testek hőmérsékletüktől függően elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A kibocsátott EM (fény) energia a hőmérséklettel emelésével rohamosan (az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) nő. A sugárzás spektruma a teljes (0, ) tartományra kiterjed, és a spektrális maximum helye hullámhosszban az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos. Alapvető fizikai törvények: Planck féle sugárzási törvény Wien féle eltolódási törvény Stefan-Boltzmann törvény (Rayleigh-Jeans törvény) 16/48
TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA (Raleigh-Jeans) 17/48 TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA 18/48
TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA Mivel a hőmérséklet csökkentésével a kisugárzott energia rohamosan csökken, ezért pl. egy szobahőmérsékletű (300 K) 1 m 2 felületű tárgy néhány ezer évente emittál egy látható tartománybeli fonont. A testek bizonyos T hőmérsékleten elkezdenek láthatóan világítani mint pl. egy kályha vagy kemence. Draper pont vagy hőmérséklet az, ahol a testek elkezdenek halvány vörösen világítani (kb. 798 K). 1000 K hőmérsékletű test vörösnek, 6000K-n pedig fehérnek látszik. Még magasabb hőmérsékleteken pedig kéknek. 19/48 PLANCK FÉLE SUGÁRZÁSI TÖRVÉNY 2hν 3 1 I(ν,T)dν = ( ) dν c 2 exp(hν/kt)-1 I(ν,T)dν egységnyi felületről időegység alatt egységnyi térszögbe a ν és a ν + dν frekvenciatartományban a T hőmérsékletű sugártó (pontosabban fekete test sugárzó) által kisugárzott energia 20/48
WIEN FÉLE ELTOLÓDÁSI TÖRVÉNY hc λ m = 4,965kT A hőmérséklet növekedésével a maximumhoz tartozó hullámhossz csökken. 21/48 WIEN FÉLE ELTOLÓDÁSI TÖRVÉNY 22/48
STEFAN-BOLTZMANN TÖRVÉNY A termikus sugárzó által kisugárzott energia (egységnyi felületről, egységnyi idő alatt) arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) I = σ T 4 Itt σ a Stefan-Boltzmann állandó. 23/48 SZÍNHŐMÉRSÉKLET Hőmérséklet (K) Fényforrás 1700 Gyufaláng 1850 Gyertyaláng 2700-3000 Izzólámpa 3350 Stúdió CP fény 3400 Sudiólámpák 4100 Holdfény, xenon lámpa 5000 Horizont nappali fényben 5500-6000 Nappali fény, elektronikus villanó 6500 Nappali fény, borús 9300 Katódsugaras monitor A színhőmérséklet az emberi színérzéken alapul. 24/48
IZZÓLÁMPA FELÉPÍTÉSE Az izzólámpák leggyakrabban egy körtealakú és egy menetes fejből állnak. A burában középen egy spiralizált volfrám szál van vékony volfrám vagy molibdén tartókra felfüggesztve. 1 üvegbúra 2 vákuum vagy iners gáz (Ar, N 2 ) 3 volfrámszál 4 árambevezető 5 árambevezető 6 állvámy 7 üveg állvány 8 elektromos kontaktus 9 menetes fej 10 szigetelés 11 elektromos kontaktus 25/48 IZZÓLÁMPA MŰKÖDÉSE Az izzószál magas hőmérséklete (2500-3100 C) következtében elektromágneses energiát sugároz, főként infravörös és kisebb részben látható fény tartományban. A volfrám jól közelíti az ideális feketetest tulajdonságait, ezért sugárzása nagyon közel esik a Plancktörvényből számolhatóval. Ebből adódóan a szál hőmérséklete egyértelműen megadja mind a kapott fény spektrumát, mind az elérhető maximális fényhasznosítást. A magas hőmérséklet egyúttal alacsony élettartamot is jelent, a megnövekedett párolgás miatt. Az elpárolgott volfrám a búrafalon lecsapódik, és rontja annak fényáteresztő képességét. A búra anyagát tekintve leggyakrabban lágyüveg, halogénizzók esetén keményüveg vagy kvarc. A búrát leszivattyúzzák, miáltal a szál és búra között javul a hőszigetelés. 26/48
KRIPTON LÁMPA Gáztöltésű lámpa: a gázatmoszféra alapvető célja, hogy meggátolja a W transzportját (volfrám párolgás), illetve az elpárolgott volfrámot visszajuttassa a szál testébe. Kriptonlámpa: Bródy Imre Hatásfoka jobb mint az argon-nitrogén töltésű lámpáé és hosszabb az élettartama. Fizikai (gázkinetika) háttér: Ne-N 2 -Ar-Kr sorrendben nő a mólsúly, és ezzel csökken a hővezetési együttható. 90 % Kr + 10 % N 2 : fehérebb fény, jobb fényhasznosítás 27/48 HALOGÉNLÁMPA A lámpa burájába halogén elemet (jód vagy bróm) juttatnak, többnyire szerves formában, pl.: dibróm-metán formájában. A spirál apró vastagságegyenetlenségei helyenként magasabb ellenállást eredményeznek. Ezeken a helyeken a hőmérséklet magasabb, a volfrám jobban párolog tovább gyorsítva a szál elvékonyodását. A halogén izzólámpákban az elpárolgott volfrám és a gáztérben jelenlévő halogén reakcióba lép és volfrám-jodidot (pontosabban volfrám- oxijodidot) alkot. A vegyület az izzószál környezetében elbomlik és a volfrám lerakódik a melegebb részeken. Ez a körfolyamat lehetővé teszi az izzószál hőmérsékletének emelését, ami kedvez a fényhasznosításnak, de növeli a kibocsátott UV sugárzást is. Ahhoz, hogy a halogén körfolyamata beinduljon, elengedhetetlen, hogy a bura elérjen egy bizonyos hőmérsékletet. Ezen a hőmérsékleten a lágyüvegek már képlékenyek, ezért a burát keményüvegből, vagy kvarcból készítik. 28/48
WOLFRÁM-HALOGÉN KÖRFOLYAMAT WI 2 WI 2 WI 2 burafal hőmérséklete a WI 2 kondenzációs hőmérséklete felett! reakciózóna I 2 I 2 I 2 W W W párolgás diffúzió T csökken hidegebb zóna W + nx WX n melegebb zóna 29/48 HALOGÉNLÁMPÁK TULAJDONSÁGAI Fényhasznosítás valamivel jobb Élettartam szélesebb határok közé tervezhető Jó fényminőség Bizonyos határok között szabályozható Nincs búrafeketedés Magasabb falhőmérséklet Naphoz közelálló színvisszaadás Drágább, mint a hagyományos izzó Törpefeszültség alkalmazása esetén segédeszközre (transzformátorra) van szükség. 30/48
GÁZKISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK Fizikai alapok: gázon vagy gőzök áram folyik át sugárzási jelenségek lépnek fel. A sugárzás az ütközések következtében magasabb energiaállapotokba gerjesztett vagy esetleg ionizált atomokból ered. A gázkisülés spektruma sávos/vonalas szerkezetű. A gázkisülésre vonatkozó gyakorlati követelmények: önnfentartó jó a hatásfoka színvisszaadása meggfelelő jól technologizálható, gyártható megfelelő élettartam Kisnyomású fényforrások Nagynyomású fényforrások 31/48 GÁZKISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK Működés alapja: ívkisülés, felhevített elektródból elektronok lépnek ki, ezek ütköznek a közeg atomjaival, és gerjesztik sugárzás hν ill. ionizálják őket. A + + e - Gerjesztett és ionizált anyag (plazma): Higanygőz fénycső, higanylámpa Nátriumgőz nátriumlámpa Egyéb fémek gőze fémhalogén lámpák Gáz xenonlámpa 32/48
KISNYOMÁSÚ FÉNYFORRÁSOK Nyomás: néhány száz Pa, áram: néhány A. Az ionizáció elektronütközésekből ered. Elektron-semleges atom ütközés: rugalmas ütközés, az atom gerjesztődik a kinetikus energia rovására, az atom ionizálódik, Az ionizációs valószínűség az elektronenergiától függ. Az atomok ionizációs energiái 10 néhány 10 ev nagyságúak. 33/48 FÉNYCSÖVEK A fénycsövek kisnyomású gázkisülési lámpák. A fémek (Hg) gőznyomása nagyságrendben 0,001 mbar, a Hg-é konkréten 0,005 mbar, a kisüléskor emittált UV sugárzást (Hg ún. rezonanciavonala 254 nm) fénypor alakítja át látható fénnyé. A fényporok a beeső nagyobb energiájú (rövidebb hullámhosszú) sugárzás hatására belső elektron energiaszintek közötti átmenetek révén látható tartománybeli fényt emittálnak (lumineszcencia). Ezek általában foszforvegyületek, vagy foszfort is tartalmazó keverékek. Fluoreszcencia: rövid lecsengésű folyamat Foszforeszcencia: hosszú lecsengésű folyamat Halofoszfát fénypor emissziós spektruma 34/48
FÉNYPOROK Fényük spektrális eloszlása akkor jó, ha egy hullámhossz környékén maximális az intenzitás, több maximum nincs, vagy kicsik. Általában keverékel, leggyakrabban foszforvegyületek, vagy foszfort is tartalmazó keverékek. Színes in-line TV képcső: háromsávos fénypor, melyeknek keskeny piros, kék és zöld sávú maximumai vannak. Piros: ittrium-oxid + Eu 3+ Kék: bárium-magnézium + aluminát + Eu 2+ Zöld: cérium-aluminát + Tb 3+ 35/48 KOMPAKT FÉNYCSŐ Kisnyomású Hg-gőz Fénypor: ritka földfémekkel aktívált (jobb fényhasznosítás és színvisszaadás) Méretcsökkentés: több csődarab egymás mellett. Normállámpa foglalat! 36/48
NAGYNYOMÁSÚ KISÜLŐLÁMPÁK Fényhasznosítás (lm/w) Élettartam (h) Higanylámpa 30-50 16.000 Nátriumlámpa 90-150 28.500 Fémhalogén lámpa 100 10-20.000 higanylámpa fémhalogén lámpa nátriumlámpa 37/48 SZILÁRDTEST FÉNYFORRÁSOK, LUMINESZCENCIA A fénykibocsájtás és a világítás a lumineszcencia jelenségén alapul. A félvezetőkben a hibahelyek (szennyezők, adalékok, rácshibák) energiaszintjei szintén részt vesznek az optikai átmenetekben. A hibahelyek által a tiltott sávban létrehozott energiaszintek az abszorpciós és emissziós folyamatokban egyaránt részt vehetnek. Ha az elektron egy magasabb energiájú állapotba való gerjesztés után az alapállapotba visszakerülve a többletenergiáját sugárzás kibocsátásával veszti el, akkor a jelenséget lumineszcenciának nevezik. 38/48
LUMINESZCENCIA A gerjesztés módjától függően beszélhetünk foto-, katodo- és elektrolumineszcenciáról, mikor is a gerjesztés elegendően rövid hullámhosszúságú fénnyel, nagyenergiájú elektronsugárzással, illetve elektromos térbeli ütközési ionizációval, vagy injektált töltéshordozókkal történik. A gyakorlat számára a legfontosabb a pn átmenetben végbemenő töltéshordozó-injekció által keltett elektrolumineszcencia, mely a fénykibocsátó diódák illetve a lézerek alapvető működési mechanizmusát jelenti. 39/48 INJEKCIÓS LUMINESZCECIA foton emisszió vezetési sáv alja kiürülési tartomány szabad elektron p-tip Fermi nívó n-tip. Fermi nívó szabad lyuk vegyérték kötési sáv teteje az átmenetre helyezett feszültség 40/48
ELEKTROLUMINESZCENS VILÁGÍTÁS Az injekciós lumineszcenciát először szilícium-karbidon (SiC) Losev figyelte meg 1923-ban (O. V. Losev, Telegrafija i telefonija bez uprodov, 18, p. 45, 1923). SiC kristályra tűkontaktust helyezett, azon egyenáramot átfolyatva tapasztalta azt, hogy a kontaktus alatt a kristáy világítani kezd. Az injekciós elektrolumineszcens világítás szabadalma: magyar elsőbbség (Tungsram Rt. Újpest)! SiC elektrolumineszcens fényforrás (a mai világítódiódák őse ): Szigeti György és Bay Zoltán US patent No. 2,254,952 (1942) Bay Zoltán: szobra van Újpesten Szigeti György: emléktábla és bronz mellkép Csillebércen 41/48 ELEKTROLUMINESZCENS ANYAGOK, ZnS ZnS: széles tiltott sávja miatt inkább a dielektrikumokhoz sorolható. Leggyakoribb alkalmazási területe a lumineszcens elemek, képernyők gyártása. Finom porból vagy porlasztással készült rétegekbe vagy cinkfelesleget, vagy olyan aktivátorokat vezetnek be, amelyek biztosítják a megfelelő színű kisugárzást: 0,0001-3% Ag, Cu, Mn. Egy másik alkalmazási terület az infravörös tartományban áttetsző optikai elemek gyártása. Vegyület Olvadási pont K Tiltott sáv ev Elektron mozgékonyság m 2 /Vs Lyuk mozgékonyság m 2 /Vs ZnS 2103 3,7 0,014 0,0005 CdS 2023 2,4 0,024 0,005 CdSe 1531 1,8 0,06 0,005 HgSe 1073 0,6 1,8-42/48
ZnS ELEKTROLUMINESZCENS SPEKTRUMA ZnS:Mn narancsszínű-sárga ZnS:Cu zöld Elektromos térerő: 10 8 V/m azaz 1 µm vastag rétegen 100 V 43/48 ELEKTROLUMINESZCENS KRISTÁLY EGYSZERŰSÍTETT SÁVKÉPE fénypor szigetelõ réteg szigetelõ réteg 44/48
ELEKTROLUMINESZCENS CELLA ZnS elektroluminescens cella (Destriaux cella) felépítése. A cellára váltóáramot kapcsolva lehet a világítást gerjeszteni. 45/48 ELEKTROLUMINESZCENS KÉPMEGJELENÍTŐ 46/48
KATÓDLUMINESZCENCIA Elektronsugaras gerjesztés, vákuum: TV képernyők és számitógép monitorok (DE: technológiai váltás!) Színes TV képcső (árnyékmaszk, három elektronsugár, három fényporréteg)) Kék Kék Vörös ZnS:Ag ZnCdS:Cu,Al Y 2 O 3 :Eu 47/48 Ellenőrző kérdések Mi a radiometria és a fotometria? Rajzolja fel vázlatosan az emberi szem érzékenységi görbéjét! Vázolja a Wien-féle eltolódási törvényt grafikonon! Mi a szöveges megfogalmazása a törvénynek? Mutassa be az izzólámpa működését! Térjen ki a gáztöltés szerepére! Vázlatosan ismertesse a kisnyomású gázkisülőlámpák működését! Mi az injekciós lumineszcenca? Mutassa be a folyamatot sávszerkezet ábrán! 48/48