ஒளிஉமிழும் சில்லு (LED): ஒளி மங்கிய டங்ஸ்டன் பல்புகள் மாற்றப்படுவதற்கான நேரம்

தலைப்பறிதல்:

உலக அரங்கில், பொருளாதாரம் என்பது பல பரிணாம மாற்றங்களுக்கு உட்பட்டு, எண்ணிப்பார்க்க முடியா தொலைவில் பயணித்துக்கொண்டிருக்கிறது. அது அடிப்படைதேவைகளுக்காயன்றி, ஆடம்பரத்திற்கெனவாய் மாறி பல ஆண்டுகள் ஆகிவிட்டன. அந்த கொடிய நீரோட்டத்துடன் பயணிக்க விரும்பா யாவரும், இவ்வுலகில் வாழத் தகுதியற்றவர்களாய் மாறிவிடுவது கசப்பான உண்மையே.

இப்படிப்பட்ட சூழலுக்கு இட்டுச்செல்லும் தற்பொழுதைய உலக பொருளாதாரத்தில் மிக முக்கிய பங்கு வகிப்பவைகளாக மின்னணு எந்திரங்கள் திகழ்கின்றன. LED என சுருக்கமாய் அழைக்கப்படும் ஒளி உமிழும் சில்லின் வரவுக்குப்பின் உலக மின்னணு சந்தையில் மிகப்பெரிய மாற்றமே நிகழ்ந்துள்ளதெனலாம்.

மிகக்குறைந்த மின்னாற்றலின் உதவியால் நமக்கு தேவைக்கேற்ற ஒளியை நல்குவது மட்டுமல்லாது, விரும்பிய நிறங்களில், விரும்பிய வடிவங்களில் மாற்றிக்கொள்ள ஏதுவாய் இருப்பது இதன் கூடுதல் பலன். மேலும், இதன் வெப்பம் ஏற்படுத்தா பண்பும், ஏறக்குறைய 10ல் 1 பங்கு மட்டுமே தேவைப்படும் மின்னாற்றலும், 1000 மணிநேரத்திற்கு மேல் ஆற்றல் குறையாமல் ஒளிரும் தன்மையும், நாம் பாரம்பரியமாய் உபயோகப்படுத்திவந்த ‘வெப்பஒளிர்ப்பு விளக்குகளை (incandescent lamps)’ ஓரம் கட்டிவிட்டது. 2020 வாக்கில், இப்படிப்பட்ட வெப்பஒளிர்ப்பு விளக்குகளை நாம் முயன்றாலும் பார்க்கக்கூட முடியாது என்கிறார்கள் அறிவியலாளர்களும், பெரும் சந்தைகளை நிர்வகிக்கும் முதலாளிகளும். கூடுதலாய், ஒளிஉமிழும் சில்லின் பயன்பாடு விளக்குகளுடன் நின்றுவிடாமல், கணிப்பொறி, மிடுக்கு அலைபேசி (smart phones) மற்றும் தொலைக்காட்சித் திரைகள் என நீண்டுகொண்டே போகிறது.

வரலாறு:

1907: ஆங்கிலேய அறிவியலாளர் “ஹென்றி ஜோசப்”, ‘எதிர்மின்னயணி கிளர்ந்து ஒளிர்வானை’ (Electroluminescence) கண்டறிந்தார்.

1921: ருஷ்ய இயற்பியலாளர் “லொஸ்ஸிவ்”, மீண்டும் ஜோசப்பின் அந்த கூற்றை மெய்ப்பித்தார்.

1935: பிரான்ஸ் இயற்பியலாளர் “ஜார்ஜ்” ’சிங்க் சல்பைடு (ZnS)’-ல் ஏற்படும் ஒளிஉமிழ்வை கண்டறிந்து அதற்கு, ‘லொஸ்ஸிவ் லைட்’ என்றும் பெயர் சூட்டினார். இப்பொழுதைய நிலையில், “ஜார்ஜ்”-தான் ‘எதிர்மின்னயணி கிளர்ந்து ஒளிர்வான்’ நுட்பத்தின் தந்தையாகக் கருதப்படுகிறார்.

1950s: காலியம் ஆர்சினைடு (GaAs)-ன் உருவாக்கம்.

1962: சிவப்பு நிற ஒளியை உமிழும் காலியம் ஆர்சினைடு பாஸ்பைடு (GaAsP) என்ற இருமுனை மின்னோட்ட கடத்தியை (diode) அமெரிக்கரான ’நிக் ஹொலன்யாக்’ என்பவர் உருவாக்கினார். இதுவே இப்பொழுதைய LEDக்களின் முதல் வெற்றிப்படி.

1971: காலியம் பாஸ்பைடு (GaP) கண்டுபிடிப்பு, பல வண்ண ஒளிரும் சில்லுகளின் வளர்ச்சி.

1993: ஜப்பானியர் “நாக்கமுரா” பச்சைநிற ஒளியை உமிழும் இண்டியம் காலியம் நைட்ரைடு (InGaN)-யை உருவாக்கினார்.

1995: முதல் வெள்ளை நிற ஒளிஉமிழும் சில்லுவின் உருவாக்கம்.

1997: முதன் முதலில், சந்தைக்கு வரவு தந்த ஒளிஉமிழும் சில்லு.

2006: 100 lumens/W திறன் கொண்ட சில்லு உருவாக்கம்.

இன்று வரை: இன்னும் ஒளியின் ஆற்றலை அதிகரிக்கும் பொருட்டும், மக்களுக்கு உகந்த ‘வெப்பமிகு வெள்ளை நிற உமிழ்வுக்கும்’ (warm-white emission) பல ஆய்வுகள் நிகழ்ந்தவண்ணம் உள்ளன.

ஒளி உமிழும் சில்லின் அடிப்படை தொழில்நுட்பம்:

ஒளிர்வதற்கு தேவையான காரணிகளையும், ஒளிரும் தன்மையையும் கொண்டு ஒளிர்வானை (luminescence) நான்கு மிகமுக்கிய வகைகளாக பிரிக்கலாம்,

1. வெப்பமுறிந்து ஒளிர்வான் (Blackbody radiation) (உதாரணம்: டங்ஸ்டன் பல்ப்)

2. ஒளிமாற்றி ஒளிர்வான் (Photoluminescence) (உதாரணம்: ஃபுலுரசெண்ட் லேம்ப்)

3. எதிர்மின்புலம்தூண்டி ஒளிர்வான் (Cathodoluminescence) (உதாரணம்: பழைய வகை தொலைக்காட்சி பெட்டியின் திரை)

4. எதிர்மின்னயணி கிளர்ந்து ஒளிர்வான் (Electroluminescence) (உதாரணம்: LEDs)

இந்த மேற்கூறிய நான்கில், ‘எதிர்மின்னயணி கிளர்ந்து ஒளிர்வான்’ வகையை சேர்ந்ததே இந்த ஒளி உமிழும் சில்லு.

படம் 1: 450 nm அலைநீள-ஒளியை உமிழும் சில்லு, (க) விளக்குகளில் பொருத்துவதற்குமுன், (ங) சற்று பெரிதாக்கப்பட்ட உரு, (ச) ஒளி உமிழும் பொழுது.

ஒளிஉமிழும் சில்லு- செயல்படும் விதம்:

திட-நிலை குறைகடத்தி சாதனத்தின் (solid-state semiconducting devices) வகையை சேர்ந்த ஒளி உமிழும் சில்லு என்பது, நேரடியாக மின்னாற்றலை, ஒளியாற்றலாக மாற்றும் ஒரு கருவியாகும். இந்த குறைக்கடத்தியினூடே எதிர்மின்னயணி பயணிக்கும்பொழுது, உமிழப்படும் ஒளியே இந்த ஒளிஉமிழும் சில்லுவின் அடிப்படை. படம் 1ல், குறிப்பிட்ட 450 nm அலைநீள-ஒளியை உமிழும் சில்லுவை விளக்குகளில் பொருத்துவதற்கு முன் மற்றும் பின்னாலன உரு, புகைப்படங்களாய் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது,

படம் 2: ஒளிஉமிழும் சில்லு செயல்படும் விதம்: (க) உருவாக்கப்பட்டவுடன் அதன் வடிவம், (ங) செயற்பாட்டுக்கு தகுதிபடுத்தியபின் அதன் வடிவம். (அ) அடித்தள மூலக்கூறு (substrate), (ஆ & இ) n-வகை குறைக்கடத்தியாலான அடுக்கு, (ஈ) செயல்படும் பகுதி (active region), (உ) p-வகை குறைக்கடத்தியாலான அடுக்கு, (ஊ) n-னுடனான உலோக இணைப்பு, (எ) p-யுடனான உலோக இணைப்பு, (ஏ) ஒளி உமிழ்வு.

சரியான அடித்தள மூலக்கூறினை (படம் 2அ) தரவுசெய்தபின், அதன் மீது அதிநுண்ணிய அதாவது நானோமீட்டர் அளவில் n-வகை குறைகடத்தியாலான அடுக்கு (படம் 2ஆ) உருவாக்கப்படுகிறது. இதன் மீது மேலும் அதேபோன்றதொரு அடுக்கை உருவாக்கியபின் (படம் 2இ), ஒளிஉமிழ்வு நிகழ்த்தப்படும் பல்லடுக்குகளை கொண்ட ‘செயல்படும் பகுதி (quantum wells)’ (படம் 2ஈ) நிர்ணயிக்கப்படுகிறது. இப்பகுதியின் மீது p-வகை குறைகடத்தியாலான அடுக்கு (படம் 2உ) உருவாக்கப்பட்டு அதனை மின்னோட்டத்துடன் இணைக்கும் பொருட்டு, உலோகத்தாலான கடத்தி (படம் 2எ) அதனுடன் பொருத்தப்படுகிறது. இந்த மண்ணடுக்கு போன்ற அமைப்பு, ஒரு p-n சந்தி பொல செயல்படுகிறது. இதில் எதிர்மின்னயணி p-சந்தியிலிருந்து, n-சந்திக்கு கடத்தப்படவேண்டும், அதன்பொருட்டு படம் 2க-வில் வெள்ளை நிற கட்டத்தால் குறிக்கப்பட்டபடி, மிகவும் கவனமாக அந்த பகுதி துண்டிக்கப்படுகிறது (படம் 2ங). அப்படி துண்டித்தபின், அந்த n-சந்தியிலும் உலோகத்தாலான கடத்தி (படம் 2ஊ) பொருத்தப்படும். இப்பொழுது, p-சந்தியிலிருந்து, n-சந்திக்கு மின்சாரம் பாயும் பொழுது, மிகவும் ஆற்றல் வாய்ந்த ஒளியானது உமிழப்படுகிறது (படம் 2ஏ).

ஒளிஉமிழும் சில்லு- செயல்பாட்டு நுட்ப விளக்கங்கள்:

படம் 3: ஒளிஉமிழும் சில்லின் செயல்பாட்டு நுட்பம்: (க) ஒரு எளிய ஒளிஉமிழும் சில்லுவின் மின்சுற்று, (ங) பெரிது படுத்தப்பட்ட p-n சந்தி (இருமுனை மின்னோட்ட கடத்தி (diode)), (ச) ஒளிஉமிழும் சில்லுவில் ஏற்படும் மின்னிலை மாற்றத்தினை நுட்பமாக சித்தரிக்கும் படம். (அ) இருமுனை மின்னோட்ட கடத்தி (diode), (அ1) p-வகை குறைக்கடத்தி (சிவப்பு நிற கோளம்: எதிர்மின்னயணி), (அ2) n-வகை குறைக்கடத்தி (கருப்பு வட்டம்: எதிர்மின்னயணித்துளை), (இ) மின்தடை, (ஈ) ஒளி உமிழ்வு, (உ) கிளர்வுற்ற எதிர்மின்னிலை (conduction band), (ஊ) சாதாரண எதிர்மின்னிலை (valence band).

படம் 3, ஒளிஉமிழும் சில்லின் செயல்பாட்டு நுட்பத்தை பிரதிபளிக்கிறது. இதன்படி, p-சந்தியிலிருந்து, n-சந்திக்கு மின்சாரம் பாயும்பொழுது p-சந்தியில் முகாமிடும் எதிர்மின்னயணிகள், n-சந்தியிலுள்ள எதிர்மின்னயணித்துளைகளுடன் மறுசேர்க்கைக்கு (recombination) உட்படுகிறது. இப்படி கிளர்வு நிலையிலுள்ள p-சந்தி எதிர்மின்னயணிகள், n-சந்தியிலுள்ள எதிர்மின்னயணித்துளைகளால் ஈர்க்கப்பட்டு சாதாரண நிலையை அடையும்பொழுது, ஃபோட்டான் என சொல்லப்படும் ஒளியாற்றலானது, ‘செயல்படும்’ பகுதியினூடே வெளிப்படுகிறது. இப்படிப்பட்ட ஆற்றலை உருவாக்க மிகக்குறைவான மின்சாரம் இருந்தால் பொதுமானது. ஆதாவது, நாம் 80 வோல்ட் குண்டு பல்புகளிலிருந்து பெரும் ஒளியை 8 வோல்டில், ஒளிஉமிழும் சில்லுவிலிருந்து பெற்றுவிடலாம். ஏறக்குறைய நாம் செலவிடும் 10 ல் 1 பங்கு மின்சாரம் மட்டுமே போதுமானது.

ஒளி உமிழும் சில்லு- புள்ளி விவரம்:

28-150 Lumens/W (சுற்றத்தைப் பொருத்தது)

ஒளிஉமிழும் திறனின் வாழ்காலம்: 25,000 லிருந்து 100,000 மணிநேரம் வரை

நிற ஒருங்கினைப்பு குறியீடு (Color Rendering Index): 65-90 (வெள்ளை நிறத்திற்கு மட்டும்)

நிறத்தொடர்பு வெப்பநிலை (Correlated Color Temperature): 2540 லிருந்து 10000 K வரை (வெள்ளை நிறத்திற்கு மட்டும்)

மின்சார தேவை: 0.01-3 W

தீர்மானம்:

இக்கட்டுரையில், நாம் இப்பொழுது உலக மின்னணு சாதனங்களின் வரலாற்றையே திருத்தி அமைத்துள்ள ’ஒளிஉமிழும் சில்லு’- செயல்படும் விதம்பற்றியும், அதன் வரலாற்றையும், செயல்பாட்டு நுட்பத்தையும் தெரிந்துகொண்டோம். இதன்படி நாம், “ஒளிஉமிழும் சில்லுவின் அடுத்தகட்ட முன்னேற்றம் பற்றி உலக அரங்கில் நடைபெறும் ஆய்வும், அது கொணரப்போகும் முடிவுகளிலுமே எதிர்கால மின்னணு எந்திர வளர்ச்சி அடங்கியிருக்கிறது” என தீர்மானிக்கலாம். மேலும், வேதியியல், இயற்பியல், அதிநுண்ணணுவியல் போன்றவற்றில் முதுகலைப்பட்டம் பெறுபவர்கள், அடுத்தகட்டமாய் இது போன்றதொரு ஆய்வில் தங்களை ஆட்படுத்திக்கொண்டு முனைவர் பட்டம் பெற்றால், நல்ல எதிர்காலம் உங்களுக்கும், நம் தமிழ் சமூகத்திற்கும் கட்டாயம் உண்டு.

அடுத்த கட்டுரைக்கான துவக்க உரை:

அடுத்த மிகமுக்கிய விடயமாய் எஞ்சி நிற்பது, அந்த ஒளிஉமிழும் சில்லுவிலிருந்து, குறிப்பிட்ட நிறங்களை எப்படி பெருவதென்பதுவே. அதற்கு, ‘நிறமாற்றி உமிழ்வான்’ (phosphor) எனும் தொழில்நுட்பம் பயன்படுத்தப்படுகிறது. அதனை அடுத்து வரப்போகும் கட்டுரைகளில் மிகவும் விவரமாய் அலசுவோம்.

சக்திவேல்

(https://sites.google.com/site/sakthivelgandhi/home)