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,

(௩.க) கரிமப்பொருட்களையும் (Organic), பல்கூட்டு மூலக்கூறுகளையும் (polymer) பயன்படுத்தி உருவாக்கப்படும், கரிமவேதி நிறமாற்றி உமிழ்வான்கள் (Organic Phosphors)

(௩.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.௩) நீல நிற ஒளிஉமிழும் சில்லில், மஞ்சள் வண்ணத்தை வெளிப்படுத்தும் ‘நிறமாற்றி உமிழ்வான்களை’ பயன்படுத்துதல் (படம் 4-ங). இந்த வகைதான், நாம் தற்பொழுது வீடுகளிலும், அலுவலகங்களிலும் பயன்படுத்திவரும் வெண்ணொளி உமிழும் சில்லுகள். இதில் பயன்படுத்தப்படும் சில்லிலிருந்து வரும் நீலநிறமும், அந்நீல நிறத்தை உறிந்து ‘நிறமாற்றி உமிழ்வான்களிலிருந்து’ வெளிப்படும் மஞ்சள் நிறமும் இணைந்து உருவாகுவதே இந்த வெள்ளை நிறம்தான். இதில், மஞ்சள் நிற ‘நிறமாற்றி உமிழ்வானாக’ சீரியத்தால் (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 உமிழ்வான்களை’ பெரும்பாலும் “அரியவகைத் தனிமங்கள் (Rare-Earth Elements) எனக்கூறப்பெறும் உள்-இடைநிலைத்தனிமங்கள் (f-Block Elements) பொதிக்கப்பட்ட (Doping) கனிம படிகங்களை பயன்படுத்தி உருவாக்கப்படும், கனிமவேதி நிறமாற்றிகள் (Inorganic Phosphors) (௩.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 உமிழும்’ பொருட்களில் 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 அலைவரிசையில்’ உறிந்துகொள்கிறது (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 உமிழ்வான்களை’ உருவாக்கமுடியும்.

சக்திவேல்

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

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)