சனி, 30 ஆகஸ்ட், 2014

ஒளிஉமிழ் சில்லிலிருந்து (LED) வெவ்வேறு நிறங்கள் சாத்தியமா? சாத்தியமாக்கும் கதைநாயகனாக நிறமாற்றி உமிழ்வான்கள் (Phosphors):

(க) முன்னுரை:

இவ்வறிவியல் கட்டுரையை, ஒரு ஒப்பீட்டு அட்டவணையுடன் துவங்கினால் சிறப்பாய் அமையும். கீழ்காணும் அட்டவணையானது, ஒரு குறிப்பிட்ட ஒளிரும் திறனை விளக்குகளில் இருந்து பெறுவதற்கு பழமையான வெப்பஒளிரிக்கும், ஒளிஉமிழ் சில்லுக்கும் எவ்வளவு மின்திறன் தேவையென்பதை விளக்குகிறது. இதன் மூலம், ஒளிஉமிழ் சில்லின் தேவையும், இன்றியமையாமையும் நமக்கு புலப்படும்.

அட்டவணை 1: குறிப்பிட்ட மின்திறனில் விளக்கு ஒளிர்வதற்கு தேவையான மின் ஆற்றலுக்கான ஒரு ஒப்பீட்டு தொகுப்பு.
மின்திறன் (லுமென்ஸ்-lm)
வெப்ப ஒளிரி (Incandescent)
ஒளிஉமிழ் சில்லு (LED)
2600 lm
150 W
25-28 W
1600 lm
100 W
16-20 W
1100 lm
75 W
9-13 W
800 lm
60 W
8-12 W
450 lm
40 W
6-9 W


குறிப்பிட்ட நிற கண்ணாடிகளை பயன்படுத்தி, நமக்குத் தேவையான நிற ஒளிகளை, வெப்ப ஒளிரிகளிடமிருந்து பெற இயலும். ஆனால், பல்வேறுபட்ட சிறப்புகளுடைய அந்த ஒளிஉமிழ் சில்லிலிருந்து நாம் விரும்பும் குறிப்பிட்ட நிறங்களை பெறுவது என்பது சாத்தியமற்றது. எனவே, ஒளிஉமிழ் சில்லிலிருந்து வரும் ஒரே வகையான நிறமுடைய ஒளியை, நிறமாற்றி உமிழ்வான்களின் உதவியுடன், வேறொரு நிறமாக மாற்றி நாம் விரும்பும் வண்ணசூழலை உருவாக்க முடியும் (படம் 1).

 படம் 1: ஒரே அலைநீள ஒளியை உறிந்து, வெவ்வேறு நிறங்களை வெளிப்படுத்தும் நிறமாற்றி உமிழ்வான்கள். (அ & இ) இயல்பான ஒளியில் அதன் பிம்பம்; (ஆ & ஈ) புற ஊதா ஒளியில், அதாவது 256 nm அலைநீளத்தில் அதே நிறமாற்றி உமிழ்வான்களின் பிம்பம். 


(உ) அடிப்படை தொழில்நுட்பம்:

நிறமாற்றி உமிழ்வான் என்பது ஒளிர்வான் (Luminescence) வகையை சேர்ந்ததே. இன்னும் குறிப்பிட்டு சொல்லப்போனால், ‘உடனுமிழ் ஒளிர்வான்’ தத்துவத்தின் அடிப்படையில் செயல்படுவது எனலாம்.

ஒளிர்வானை அதன் ஒளிரும் திறனைப்பொருத்து இரண்டு முக்கிய பிரிவுகளாக பிரிக்கலாம்,
உடனுமிழ் ஒளிர்வான் (Fluorescence)
காலம்தாழ்துமிழ் ஒளிர்வான் (Phosphorescence)


(உ.க) உடனுமிழ் ஒளிர்வான் (Fluorescence)
படம் 2(க) ல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, ஒரு பருப்பொருளின் மீது ஒளியை பாய்ச்சும்பொழுது, அது தனக்கான பண்புகளின் அடிப்படையில் ஒளியை உறிந்து, உடனே அதனை உமிழ்ந்துவிடும் நிலைக்கு பெயர்தான் உடனுமிழ் ஒளிர்வான். இந்த நிகழ்வானது, ஒளிகற்றைகள் அந்தப் பருப்பொருளில் படும் வரைதான் நிகழும். ஒளிபடுவதை நிறுத்திவிட்டால், ஒளிர்வதையும் நிறுத்திக்கொள்ளும்.

எடுத்துக்காட்டாய் நாம் சாலையில் ஏதேனும் உந்துவண்டிகளில் பயணிக்கும்பொழுது, அவ்வண்டியின் முகப்புவிளக்கொளி பட்டவுடன், மிகவும் அதிக வெளிச்சத்துடன் ஒளிரும் சாலையோர தகவல் பலகைகளை சொல்லலாம்.

படம் 2: உடனுமிழ் மற்றும் காலம்தாழ்த்துமிழ் ஒளிர்வான்களின் தத்துவார்த்த செயல்பாடுகள்.


(உ.௩) காலம்தாழ்துமிழ் ஒளிர்வான் (Phosphorescence)
அதேபோல் (படம் 2(ங)) ஒரு பருப்பொருளின் மீது பாய்ச்சப்பட்ட ஒளியானது, அப்பொருளுக்கான பண்புகளின் அடிப்படையில் அவ்வொளிக்கற்றைகளை உறிந்து, உடனே அதனை உமிழ்ந்து விடாமல், சிறிது காலம் தாழ்த்தி உமிழ்வதுவே, காலம்தாழ்துமிழ் ஒளிர்வானின் பண்பு. உடனுமிழ் ஒளிர்வானில் இல்லாத ஒன்றாக, இதன் கூடுதல் சிறப்பு என்னவென்றால், ஒளிக்கற்றைகளை பாய்ச்சுவதை நிறுத்தியபின்பும் கூட, ஒளிஉமிழும் பண்பை பெற்றிருத்தல் ஆகும்.

எடுத்துக்காட்டாய், நாம் ரேடியம் வாட்ச் என சொல்லிக்கொள்ளும், இருளில் ஒளிரும் கடிகாரங்களை கூறலாம். அந்த இருளில் ஒளிரும் தன்மையானது இது போன்ற காலம்தாழ்த்தி உமிழ்ந்து ஒளிர்வான் பண்புகொண்ட பொருளால்தான் உருவாக்கப்படுகிறது. அந்த கடிகாரத்தில் தடவப்பட்ட காலம்தாழ்த்தி உமிழ்ந்து ஒளிரும் பொருளானது, தன் மீது ஒளிபடும்பொழுது அதனை உறிந்துகொண்டு, சிறிது காலம் தாழ்த்தி அதனை உமிழும். இதுவே அதன் இருளில் ஒளிரும் தன்மைக்கான காரணம் மற்றபடி இதில் ரேடியம் கிடையாது, ரேடியம் என்பது கதிரியக்கம் கொண்ட ஒரு தனிமம். அதனை கடிகாரத்திற்குளோ அல்லது வேறுமாதிரியான பொதுபயன்பாட்டிற்கோ உட்படுத்த முடியாது.
மேற்படி பார்க்கப்பட்டவைகளில், உடனுமிழ் ஒளிர்வான் தொழில்நுட்பத்தின் அடிப்படையிலேயே, இந்த நிறமாற்றிகள் உருவாக்கப்படுகின்றன.

(௩) நிறமாற்றி உமிழ்வான்களின் வகைகள்:

ஒளிஉமிழும் சில்லில் பயன்படுத்தப்படும் நிறமாற்றி உமிழ்வான்களை உருவாக்க தேவைப்படும் மூலப்பொருட்களைப் பொருத்து அதனை மூன்று வகைகளாக பிரிக்கலாம்,
(.க) கரிமப்பொருட்களையும் (Organic), பல்கூட்டு மூலக்கூறுகளையும் (polymer) பயன்படுத்தி உருவாக்கப்படும், கரிமவேதி நிறமாற்றி உமிழ்வான்கள் (Organic Phosphors)
(.உ) அரியவகைத் தனிமங்கள் (Rare-Earth Elements) எனக்கூறப்பெறும் உள் இடைநிலைத்தனிமங்கள் (f-Block Elements) பொதிக்கப்பட்ட (Doping) கனிம படிகங்களை பயன்படுத்தி உருவாக்கப்படும், கனிமவேதி நிறமாற்றி உமிழ்வான்கள் (Inorganic Phosphors)
(௩.௩) அணுஒத்த மூலக்கூறு நிறமாற்றி உமிழ்வான்கள் (Quantum Dots Phosphors)


(௪) நிறமாற்றி உமிழ்வான்களின் முக்கியத்துவம்:

செயற்கை எனும் சொல்லாடலை அறிந்திருக்கும் முன்னரே, பல கோடி ஆண்டுகளாக இயற்கை ஒளி நல்கும் கதிரவனையே பார்த்து பழகிவிட்ட நம் கண்கள், இப்பொழுதும் அவ்வெண்ணொளியையே விரும்புகின்றது. மேலும், வெண்நிறமானது, பலநிறங்களின் சேர்க்கையாய் அமைவதால், அது நம்மின் புலன்களுக்கு ஏதுவாயும் அமைகிறது. அப்படிப்பட்ட வெண்ணிறத்தை நாம் நேரடியாய் ஒளிஉமிழும் சில்லில் இருந்து பெற இயலாது. இப்படிப்பட்ட நிலையில்தான் நமக்கு தேவையான நிறங்களை பெறும் பொருட்டு நிறமாற்று ஒளிர்வானின் தேவை உருவானது.
பெரும்பாலும், வெண்ணொளிகளை பெறுவதற்கு பல முறைகள் கையாளப்படுகின்றன,

(௪.க) ஒளிஉமிழ் சில்களை மட்டும் பயன்படுத்தி உருவாக்கப்படும் வெண்ணொளி:
சிவப்பு, பச்சை மற்றும் நீல நிற ஒளிஉமிழும் சில்களை ஒன்றாக இணைத்து வெள்ளை நிறத்தைப் பெறுவது (படம் 3). ஆனால் இதில் ஒவ்வொரு சில்லுக்கும், வெவ்வேறு மின்திறன் தேவைப்படுவதால், இதன் பயன்பாடு தரமான வெண்ணிற ஒளி உற்பத்திக்கு அவ்வளவு வெற்றியை பெற்றுத்தரவில்லை.
படம் 3: (அ) சிவப்பு-R, (ஆ) பச்சை-G மற்றும் (இ) நீள-B நிறங்களை வெளிப்படுத்தும் ஒளிஉமிழ் சில்களை ஒன்றாக இணைத்து பெறப்படும் வெண்ணொளி (ஈ). 

(௪.உ) நிறமாற்றி உமிழ்வான்களை (Phosphors) பயன்படுத்தி வெண்ணொளியைப் பெறுதல்:
(௪.உ.க) ஒரு நிறத்தை வெளிப்படுத்தும் ஒளிஉமிழும் சில்லை பயன்படுத்தி, அதன் மீது அந்த ஒரு நிறத்தை மட்டும் உறிந்து, முறையே சிவப்பு, பச்சை மற்றும் நீல (RGB) நிறங்களாய் மாற்றும் நிறமாற்று உமிழ்வான்களின் கலவைகளை பயன்படுத்துதல் (படம் 4-க). இதுவும் பல வகை இடையூறுகளால் தேவையான வெண்ணிறத்தை பெறுவதில் சிக்கலை உருவாக்குகிறது.
(௪.உ.உ) கரிம-நிறமாற்றி உமிழ்வான், குவாண்டம் டாட்ஸ் போன்றவைகளின் பயன்பாடு. ஆனால் இதன் வெப்பத்தினால் உருவாகும் நிறத்தணிக்கை, இப்பொழுதையநிலையில் இதனையும் பயனற்றதாக்கிவிடுகிறது.

படம் 4: (க) ஆ-நீலம், இ-பச்சை மற்றும் ஈ-சிவப்பு நிறங்களை வெளிப்படுத்தும் நிறமாற்றி உமிழ்வான்களை அ-ஒளிஉமிழ் சில்லின் மீது பொதித்து, அதன் மூலம் வெண்ணொளியைப் பெறுதல்; (ங) மஞ்சள் நிறத்தை உமிழும் ஊ-YAG:Ce3+ எனும் நிறமாற்றி உமிழ்வானை, அ-நீல நிற ஒளிஉமிழ் சில்லின் மீது பொதித்து அதன் மூலம் வெண்ணொளியைப் பெறுதல். 

(௪.உ.) நீல நிற ஒளிஉமிழும் சில்லில், மஞ்சள் வண்ணத்தை வெளிப்படுத்தும் ‘நிறமாற்றி உமிழ்வான்களைபயன்படுத்துதல் (படம் 4-ங). இந்த வகைதான், நாம் தற்பொழுது வீடுகளிலும், அலுவலகங்களிலும் பயன்படுத்திவரும் வெண்ணொளி உமிழும் சில்லுகள். இதில் பயன்படுத்தப்படும் சில்லிலிருந்து வரும் நீலநிறமும், அந்நீல நிறத்தை உறிந்து ‘நிறமாற்றி உமிழ்வான்களிலிருந்துவெளிப்படும் மஞ்சள் நிறமும் இணைந்து உருவாகுவதே இந்த வெள்ளை நிறம்தான். இதில், மஞ்சள் நிற ‘நிறமாற்றி உமிழ்வானாகசீரியத்தால் (Ce3+) செரிவூட்டப்பட்ட யுட்ரியம் அலுமினியம் கார்னேட் (YAG) எனும் வேதிப்பொருள்தான் பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஆனால் இந்த YAG:Ce3+ லும், பலவகையான குறைகள் இருக்கவே செய்கின்றது. அதில் முக்கியமாய், உமிழப்படும் மஞ்சள் நிறத்தில் பச்சை நிறம் அதிகம் கலந்திருப்பதாலும், போதுமான சிவப்பு நிற குறைபாட்டாலும், நீல ஒளிஉமிழும் சில்லுடன் இணைந்து இதிலிருந்து வெளிப்படும் நிறமானது தண்மையான வெள்ளை நிறமாய் (cold-white light) அமைந்துவிடுகிறது. ஆனால், மனிதனின் கண்கள் உட்பட அனைத்து புலன்களுக்கும் வெம்மையான வெள்ளை நிறமே (warm-white light) இதமாய் அமைகிறது.


இவற்றிற்கு மாற்றாய், வெம்மையான வெள்ளை நிறத்தை கொணரும் பொருட்டு தேவையான அளவும் ‘அதிக அலைநீளம் கொண்ட சிவப்பு நிறம் கலந்த மஞ்சள் நிறத்தை கொடுக்கவல்ல ‘நிறமாற்றி உமிழ்வான்களை உருவாக்க, உலக அரங்கில் பலவிதமான ஆராய்ச்சிகள் நிகழ்ந்தபடியாய் உள்ளது.

(௫) சிவப்பு நிறத்தை உள்ளடக்கிய மஞ்சள் நிறத்தை கொடுக்கும் ஒளிமாற்றி உமிழ்வான்கள்:

சிவப்பு நிறத்தை தேவைக்கேற்ப உள்ளடக்கி, மஞ்சள் நிறத்தை கொடுக்கும் ‘ஒளிமாற்றி உமிழ்வான்களைபெரும்பாலும் “அரியவகைத் தனிமங்கள் (Rare-Earth Elements) எனக்கூறப்பெறும் உள்-இடைநிலைத்தனிமங்கள் (f-Block Elements) பொதிக்கப்பட்ட (Doping) கனிம படிகங்களை பயன்படுத்தி உருவாக்கப்படும், கனிமவேதி நிறமாற்றிகள் (Inorganic Phosphors) (.உ) மூலம் பெறப்படுகின்றன.

தன்னுடைய உறியும் மற்றும் உமிழும் நிறமாலைப்பண்புகளானது (Absorption and Emission Spectral Properties) அகன்ற அலைவரிசையில் (Broad Bands) அமையப்பெற்றதால், Eu2+ அயனியானது ஒரு சிறந்த செரிவூட்டப் பயன்படும் கருவியாய் ‘நிறமாற்றி உமிழும்பொருட்களில் பயன்படுகிறது.

இந்த பண்பிற்கு மிகமுக்கியக் காரணமாய் அமைவது அதன் எதிர்மின்னயனி 4f7 என்ற இயல்பு நிலையிலிருந்து (Ground State) (இ), 4f65d1 என்ற கிளர்வுற்ற நிலைக்கு (Excited State) (ஈ) பயணிப்பதால்தான். இப்படியாய் பயணிப்பதற்கான ஆற்றலை அது ‘அகன்ற அலைவரிசையில்உறிந்துகொள்கிறது (உ). மீண்டும், அந்த நிலைப்பு தன்மையற்ற கிளர்வு நிலையடைந்த எதிர்மின்னயனியானது மீண்டும் இயல்பு நிலைக்கு திரும்பும்பொழுதும் ‘அகன்ற அலைவரிசையில் நிறங்களை உமிழுகிறது (எ).
படம் 5: ஈரோப்பியம் (Eu2+) அயனியின் ஒளிஉமிழ்வுக்கான காரணத்தை விளக்கும் படம். (அ) இயல்புநிலை, (ஆ) கிளர்வுற்ற நிலை, (இ) இயல்பு நிலையிலுள்ள எதிர்மின்னயனி-4f7, (ஈ) எ-இல் காட்டப்பட்டுள்ள படி அகன்ற அலைவரிசையில் ஒளியை உறிந்து (உ) கிளர்வுற்ற நிலையடையும் எதிர்மின்னயனி-4f65d1 (ஆ) பின் அதனை அதே அகன்ற அலைவரிசையில் ஒளியை உமிழ்ந்து (ஊ) இயல்பு நிலைக்கு திரும்பும் எதிர்மின்னயனி.

இப்படிப்பட்ட பண்புகளுடைய Eu2+ அயனிகளைக்கொண்டு, சிலிக்கேட், நைட்ரேட், ஆக்சிநைட்ரேட், அலுமினேட், சல்ஃபேட், மற்றும் பல்வேறுபட்ட கனிம படிகங்களை (inorganic crystals) செரிவூட்டுவதன் மூலம் நாம் பல்வேறு பண்புகளுடைய ‘நிறமாற்றி உமிழ்வான்களைஉருவாக்கமுடியும்.

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

2 கருத்துகள்:

  1. For the first time reading a research article in Tamil. It is well written��. Learnt lot of new words in Tamil that we often use. I felt very close to my heart while reading in Tamil. I think everyone can understand these complex research if written in Tamil except the technical words. Good job. I tried to write these comments in Tamil, but it took soo long to type with a mobile phone so did in English��

    பதிலளிநீக்கு
    பதில்கள்
    1. மிக்க நன்றி அன்பு...
      உங்களின் கட்டுரைகளும் வரவேற்கப்படுகின்றன...
      நம் அழகுதமிழில் அறிவியல் கட்டுரையும், காதல்-கவிதைபோல்தான், படிக்கும் பொழுதெல்லாம் இனிக்கும்...

      நீக்கு