Ledien seuraava sukupolvi

Vuoden 2006 Millennium-voittaja Shuji Nakamura kehittää puolijohteiden valmistusmenetelmää, joka raivaa viimeisen esteen led-valaistuksen voittokululta. Millennium-palkitut valkoiset led-valot tuikkivat nykyisin kaikkialla – varsinkin jos virrankulutuksella on väliä. Kännykän taustavalo, led-televisiot, taskulamput ja laitteiden merkkivalot ovat kohteita, joissa pitkäikäinen ja sähköä säästävä led voittaa kilpailevat teknologiat.

Kodeissa tilanne on toinen. Edisonin vuonna 1879 keksimä ja EU-direktiivin juuri kieltämä hehkulamppukin on edelleen ledejä yleisempi valonlähde. Ei tosin kauan, mikäli se Suomessa vierailleesta valkoisen LED-valon kehittäjä Shuji Nakamurasta riippuu. Hän kertoi Helsingissä Talentum Eventsin Valaistus ’12 seminaarin kuulijoille, millainen ovat seuraavan sukupolven led, jota hänen tutkijaryhmänsä kehittää laboratoriossa. “Se on kooltaan vain yksi kymmenesosa nykyisiin kaupallisiin tuotteisiin verrattuna, mutta valoteho on sama”, professori Nakamura kertoo.

Miksi pienentää nuppineulan pään kokoista valonlähdettä entisestään? Vastaus on yksinkertainen. Nykyisin ledivalaisimien valotehon nostaminen on kallista. Ainoa keino on valaisimen led-sirujen lukumäärän lisääminen. Jos ledeistä saataisiin nykyistä kirkkaampia, valaisimet halpenisivat roimasti.

Led-siru kutistui kymmenesosaan

Nakamuran tutkijoiden viimeisin saavutus, sinistä valoa säteilevä led-siru, on kooltaan vain 0,1 mm2,. Viisi tällaista mikroskooppisen pientä sirua vastaa valoteholtaan 60 watin hehkulamppua. Sirun sisäinen hyötysuhde on huippuluokkaa, pienillä sähkövirroilla noin 52 %. Tutkijoiden valmistamien led-sirujen paras piirre on, että kun niihin syötettävä sähkövirta kymmenkertaistetaan, niiden hyötysuhde putoaa vain hieman.  Jos nykyledeille tehdään samoin, niiden valoteho wattia kohden putoaa romahdusmaisesti, samoin käyttöikä.

Tämä onkin nykyisten led-sukupolvien suurin ongelma: ne toimivat parhaiten pienillä sähkövirroilla. Tehokas yleisvalaistus vaatii kuitenkin paljon sähköä. Kun ledeille syötettävää sähkövirtaa kasvatetaan taskulamppuluokasta kattovalaistuksen tarpeisiin, niiden valotehokkuus wattia kohden alenee. Vaikka parhaiden ledien valotehokkuus, yli 200 lumenia/watti, on omaa luokkaansa loisteputkeen (noin 100 lumenia/watti) ja varsinkin hehkulamppuun (15 lm/watti) verrattuna, huippuarvoihin päästään vain alhaisilla virrantiheyksillä. Käytännön valaistussovelluksissa halvat loisteputket pärjäävät energiatehokkuudessa kalliille led-valaisimille niin hyvin, ettei lisähinnan maksaminen kannata.

Safiiri aiheuttaa ongelmia

Ilmiön selitys liittyy valkoisten ledien valmistustekniikkaan. Ledit, kuten muutkin puolijohteet, kasvatetaan ohuina kerroksina kiteisestä materiaalista valmistetulle kiekolle, substraatille. Ihanteellinen substraattimateriaali sinisten ja vihreiden ledien valmistukseen olisi sama galliumnitridi, jota sen pinnalle kasvatetaan. Kiteisessä muodossa sitä vain on kallis ja vaikea valmistaa.

Niinpä ledivalmistajat käyttävät substraattina jalokivenäkin tunnettua safiirikiekkoa. Safiirin ja galliumnitridin hilarakenne eroaa toisistaan. “Se aiheuttaa galliumnitridiin rakennevirheitä”, Nakamura kertoo.

Juuri hilarakenteen virheet rajoittavat GaN-ledien valotehoa ja käyttöikää. Kun ledien virtaa kasvatetaan, entistä pienempi osa sähköstä muuttuu valoksi, entistä suurempi osa taas haitalliseksi lämpöenergiaksi.

Uusi valmistusmateriaali ratkaisun avain

Nakamuran yliopiston UCSB:n tutkijat ovatkin jo kymmenen vuoden ajan kehittäneet menetelmää hyvälaatuisen GaN-substraattimateriaalin valmistamiseksi. Ratkaisu on jo lähellä. Tällaiselle alustalle valmistuivat myös UCSB:n tutkijoiden ennätyksellisen kirkkaat ledit.

Tutkijat ovat oppineet myös säätelemään galliumnitridikiekkojen kiderakenteen suuntaa. Tämä on tärkeää, koska kasvatettavien puolijohteiden rakenne- ja sähköiset ominaisuudet riippuvat kiderakenteen suunnasta.  Näin on päästy eroon safiirikiekoille kasvatettuja ledejä häiritsevistä sähkökentistä, jotka heikentävät niiden hyötysuhdetta suurilla virroilla.

Huhtikuussa 2012 esiteltiin ensimmäinen uuden teknologian kaupallinen sovellus. Startup-yritys Soraa kuvaa tuotettaan vallankumoukselliseksi, led 2.0:ksi. “Se on markkinoiden ensimmäinen led, joka on kasvatettu GaN-alustalle”, Nakamura kertoo.

Nakamura on yrityksen perustaja yhdessä UCSB:n professorikollegoidensa Steve DenBaarsin ja James Speckin kanssa. Yhtiön ensimmäinen tuote on  50 watin MR16-kantaisen halogeenilampun korvaava 12-wattinen led-lamppu. Uusi valmistusteknologia sallii entistä suuremmat virrantiheydet. Soraan led-lamppu tuottaa 5-10 kertaa enemmän valoa pinta-alayksikköä kohden kuin kilpailijansa, ja sietää niitä paremmin lämpenemistä.

Galliumnitridialustan käyttö valkoisten ledien valmistuksessa houkuttaa monia, mutta materiaalin jalostaminen valmistusprosessissa tarvittaviksi riittävän suuriksi kiekoiksi on vaikeaa. Tutkijoilla onkin käynnissä todellinen kilpajuoksu GaN-kiekkojen valmistusprosessin kehittämiseksi.

Maailman parhaina pidettyjä GaN-kiteitä valmistaa tällä hetkellä puolalainen Ammono -yritys. Kahden tuuman paksuisella kiekolla vain on hintaa urheiluauton verran. Asiakkaita ovat kalliiden sinisten laserdiodien valmistajat.

UCSB:n tutkijat etsivät keinoja painaa hintaa alas, led-valmistajien hyväksymälle tasolle. “Meidän tutkijaryhmämme kehittää GaN-kiteiden valmistusta, samoin monet muut, esimerkiksi japanilainen Mitsubishi Chemicals”, Nakamura kertoo. Laboratorio-oloissa GaN-kiekkoja pystytään jo hyödyntämään, mutta massavalmistuksessa hinta ratkaisee. “Kiteemme laatu on jo hyvä, mutta meidän pitää kasvattaa kiekkojemme kokoa.”

Halpa laser tulossa

Kesällä Nakamuran ryhmä esitteli myös samaa teknologiaa hyödyntävän laserdiodin, ensimmäisinä maailmassa. Violetin VCSEL-laserin valmistusprosessi on läheistä sukua ledien valmistukselle. “Laserdiodit ovat nykyisin hyvin kalliita”, Nakamura kertoo. Tutkijoiden toiveena on valmistaa erittäin halpoja puolijohdelasereita. Niille olisi käyttöä televisioiden lisäksi minikokoisissa projektoreissa tai jopa valaistuksessa.

Elokuussa 2012 led-valon kehittäjän tutkimuskiireet katkaisi viikon mittainen perheloma Suomessa.  Seminaariesitelmää ja Tekniikan Akatemian edustajien tapaamisia lukuun ottamatta Millennium-voittajalla ei ole sovittua ohjelmaa. “Nähtävyyksien katselua Helsingin seudulla”, Nakamura kertoo suunnitelmistaan.

Tämän vuoden Millennium-palkinto meni puoliksi suomalaissyntyiselle Linus Torvaldsille ja japanilaiselle Shinya Yamanakalle. Kumpi heistä on vuoden 2006 voittajan suosikki? “Yamanaka on hyvin kuuluisa Japanissa. Mutta ei minulla ole suosikkia, molemmat ovat hienoja tieteentekijöitä”, Nakamura vastaa.