LED TEKNOLOJİSİNİN GELİŞİMİ ve YAYGINLAŞMASI

led_teknolojiBugünlerde her yerde kullanıldığını gördüğümüz LED (Light Emitting Diode) aslında tesadüfen bulunduğuna dair pek çok rivayetler olan bir ışık diyottur. LED, yeniçağın ekonomik ve uzun ömürlü bir enerji elemanıdır. Bir aydınlatma elemanı olarak tanımlamak çok basit olabilir, çünkü elektronik aletlerin ve pek çok sektörün şekil ve tasarım değişikliğini sağlayan önemli bir buluştur. Getirdiği şekil değişikliklerinin yanı sıra son derece uzun ömürlü, darbe direnci yüksek ve oldukça düşük enerji tüketimine sahiptir.

Yarı-iletken, silikon maddeden yapılan, diyot temelli, ışık yayan bir elektronik devre elemanı olan LED, 1920’lerde Rusya’da icat edildi ve 1962 yılında Amerika’da pratik olarak uygulanabilen elektronik bir bileşen haline getirildi. Oleg Vladimirovich Losev adlı bir radyo teknisyeni radyo alıcılarında kullanılan diyotların ışık yaydığını tesadüfen fark etti ve 1927 yılında bir Rus gazetesinde LED hakkında buluşlarını yayınladı.

LED, üzerinden akım geçtiğinde, ışığın temel parçası olan foton açığa çıkararak ışık verir. LED şebekeye bağlı iken doğru çalışma akımını sağlamak için kontrol gerektirir. LED’in verimi artan sıcaklık ile azalır. İyi bir ısı dağılımı düzgün çalışması için önemlidir. 50,000 saatlik ortalama ömrü ile LED’ler uzun çalışma süreleri için uygundur. Kontrol elemanlarına doğrudan ve hızlı tepki verebilirler.

LED’lerin gelişiminde, daha kompakt şekiller, daha yüksek bir ışık akışı ve daha iyi ışık etkinliğinin yanı sıra daha ekonomik bir üretim süreci üzerinde çalışmalar devam etmektedir.

Bu gelişim sürecinde bir başka amaç da üretim ile ilgili renk farklılıklarının azaltılmasıdır. Üreticiler ışık akışı ve hakim dalga boyunda LED sıralamak için onlara kod ve bir derece verirler. Bu sıralamaya binning denir.

LED’ler dar bant radyasyonu üretirler. Işık yoğunluğu azaldıkça renk sıcaklığı sabit kalır. Aydınlatma için kullanılan LED’ler UV (Ultra Viyole) veya kızılötesi radyasyon üretemezler.

Gerilim katot ve anot uygulandığında, LED bariyer tabakasına ikinci ışığı yayar. Elektronlar enerji seviyesini fotonlar yoluyla değiştirilebilir. Üretilen ışığın dalga boyu yarı iletken malzemelere bağlıdır.

LED’ler, germanyum veya silisyum maddesine galyum fosfit veya galyum arsenit fosfit enjekte edilmesiyle elde edilir.

LED’e doğru yönde polarma uygulandığında oluşan elektron ve oyuk hareketi birleşim yüzeyinde ışık meydana getirir.

Standart LED’lerde de normal diyotlarda olduğu gibi anot ve katot olmak üzere iki uç bulunur ve devreye doğru polarma altında bağlanırlar.

LED’in ayaklarından uzun olanı (veya içteki küçük parça) anottur.

LED’ler ortalama 2V.luk besleme geriliminde maksimum 30mA akım sınırında çalışmalarına rağmen, bu sınır zorlanmamalı ortalama 20-25mA civarında çalışmaya tabii tutulmalıdır.

Üç renkli LED’lerde LED (Tri-color LED) katot ucu ortak kullanılmak üzere toplam üç bacak bulunur. Bu tür LED’ler şekilde görüldüğü gibi yeşil ve kırmızı olmak üzere iki adet LED birleşiminden oluşsa da yeşil ve kırmızı bir arada kullanıldığında sarı renk de oluşacağından üç renkli LED olarak anılırlar.

90’lı yıllarda, mavi renkli LED’lerin keşfiyle birlikte, Kırmızı-Yeşil-Mavi (RGB) birleşiminden beyaz dahil tüm renkler elde edilmiştir. Bugünkü LED’ler tüm renklerde olabilmektedir. Kırmızı, yeşil ve mavi LED’lerin farklı ışık yoğunlukları ayarlamak için kontrol edilebilir.

LED TEKNOLOJİSİ NEDEN ÖNEMLİ?

Enerjinin sadece yüzde 2’sini ışık olarak yayan geleneksel ampuller watt başına 16 lumen, floresan lambalar ise 70 lm/Watt ışık yayarken, mevcut LED aydınlatmalar 300 lm/Watt gibi etkileyici bir performansa sahiptir. Dünya genelinde üretilen elektriğin yaklaşık yüzde 25’inin aydınlatma için harcandığına dikkat çekilmekte ve LED teknolojisi sayesinde ciddi ölçüde tasarruf sağlanacağına inanılmaktadır. Bugün toplam üretilen enerjinin, aydınlatmaya kullanılan payı ülkemizde yüzde 20 iken, ABD’de yüzde 17’dir.

1 yıllık kullanım süresi içinde 25W’lık bir LED lamba ile 25W’lık bir akkor lamba kıyaslandığında:

  • %80 oranında bir kazanç edilir,

  • Toplam 8.48 kg Karbondioksit (CO2) salımına engel olunmuş olur.

LED teknolojisinin gelecekte elektriğe erişimi olmayan yaklaşık 1.2 milyar insanı da karanlıktan kurtarması ümit ediliyor. Güneş enerjili LED aydınlatmaların, gaz lambalarından doğada yakılan odun ateşine kadar farklı kaynakların kullanıldığı aydınlatmaların yerini alması bekleniyor.

Temiz aydınlatma teknolojileri geliştiren Lumina Project ağının kurucusu Evan Mills’e göre, bir kiraz büyüklüğündeki LED, çok düşük enerjiyle 100 gaz lambasına eşit aydınlık oluşturabilir.

Aydınlık için fosil yakıtlardan yararlanılması, her yıl 4 milyon insanın ölümüne neden olan hava kirliliğine neden oluyor. LED’lerin az gelişmiş ülkelerde bu sorunun önüne geçebilmesi için, hızla düşen LED fiyatlarının daha da düşmesi gerekiyor. Gelişmiş ülkelerdeki gibi enerji altyapısına sahip olmayan ülkeler, güneş enerjili LED sayesinde gündüzleri bataryalarda depolanacak enerjiyle geceleri beyaz LED ile aydınlanabilecekler.

İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Planlaması ve Yönetimi Anabilim Dalı Başkanı olan Prof. Dr. Sermin Onaygil’e göre enerji tüketimindeki artış̧ oranı yıllık yüzde 4,3 olarak açıklanan Türkiye, enerji ihtiyacının yaklaşık yüzde 75’lik bölümüne dış kaynaklardan sağlayan bir ülkedir. Yüzde 97’si ithal edilen doğalgazın yaklaşık yüzde 50’lik bölümü elektrik enerjisi üretiminde kullanılmaktadır. Türkiye’de de genel enerji tüketimi içinde elektrik enerjisinin payı sürekli artmaktadır. 1970 ile 2008 yılları arasındaki artış̧ oranı ortalama yıllık yüzde 8,7 olarak açıklanmaktadır. Artan elektrik enerjisi talebinin karşılanabilmesi için, mevcut kurulu enerji üretim sistemlerinin 2020 yılına kadar en az iki katına çıkartılması gerektiği de ifade edilmektedir. Aydınlatma sistemleri elektrik enerjisi tüketen tesisatlardır. Üretilen enerjinin en az %20’si aydınlatmada kullanıldığı bilinmektedir. Enerji temininde, özellikle elektrik enerjisi üretiminde yaşanan sorunlar göz önüne alındığında, aydınlatmada gerçekleştirilebilecek enerji tasarrufunun önemi kendiliğinden ortaya çıkmaktadır.

LED’İN KULLANIM ALANLARI

Aydınlatma

Günümüzde halihazırda cadde, sokak, park, karayolları ve yerleşim yerlerdeki dış aydınlatmalarda genellikle metal halinde ve cıva buharlı armatürler ve projektörler kullanılmaktadır. LED’li dış aydınlatmayla yaklaşık %75’lere varan elektrik enerjisi tasarrufu kısa bir sürede LED sisteminin yatırım masraflarını karşılayacaktır. 50.000 saate ulaşan uzun kullanım ömürleri, düşük enerji tüketimi, azaltılmış Karbondioksit (CO2) salınımı, düşük bakım maliyetleri ve açısı ayarlanabilir beyaz ışık vermeleri LED sistemlerini dış aydınlatmalarda da kullanımı hızlı bir şekilde yaygınlaştırmıştır. Hatta yavaş yavaş iç aydınlatma için ürünler de geliştirilmeye başlanmıştır.

LED’lerde mavi ışığın kullanılabilmesi ile Kırmızı-Yeşil-Mavi (RGB) aydınlatma mümkün olmuş ve birçok sektörde uygulama alanı bulmuştur. Özellikle Aydınlatma, sinyalizasyon ve mimari aydınlatma alanlarında diğer ışık kaynaklarının yerini hızla almaya başlamışlardır. LEDlerin düşük enerji sarfiyatının en önemli nedeni kayıplarının az olmasıdır. Ayrıca ömürleri oldukça uzun olan bu diyotlar diğer ampuller gibi flaman taşımadıklarından dolayı hemen her koşulda sorunsuz kullanılabilirler. Bugün ulaşılan aydınlatma değerleri beyaz renk için 140 Lümen/Watt gibi oldukça yüksek bir değerle floresant lambaları geçmiş bulunmaktadır. Bazı prototiplerde 180 lümen/Watt oranına ulaşılmıştır. LEDler üzerlerine, yaydıkları ışığın frekansı ile aynı veya daha yüksek bir frekansta ışık düşürüldüğünde fotodiyot özelliği gösterirler.

LCD Ekranlarda LED Kullanımı

Kyocera firmasının geliştirdiği LCD ekranlarda konvansiyonel soğuk-katot floresan lambalar yerine LED kullanılarak ekranın arka ışıklandırma sistemini sağladı. Bu tür ekranlar günümüzde endüstriyel uygulamalarda, fabrikalardaki büyük üretim kontrol ekranlarında, medikal sistemler gibi geniş ve sağlıklı görüntü verebilen ekran uygulamalarında büyük avantaj sağladı. Çünkü bu tür LCD ekranlar LED teknolojisi sayesinde kurşun, cıva gibi zehirli maddeler içermemekte, çevirici (inverter) gerektirmemekte, cam-tüpler içermediğinden yüksek kararlılık ve yüksek tepkime gücü sınaması ile birlikte daha az ısı yaymaktadırlar.

TIP’ta Kullanımı

Zararlı ultraviyole (UVA-UVB) ışını veya kızıl ötesi ışın içermeyen LED, deriden emilen ışık enerjisi hücre aktivite ve metabolizmasını uyarır. Kırışıklık oluşumunda, ciltte bulunan kolajen liflerde önemli rol oynar. İlerleyen yaşla birlikte bu lifler azalır ve yapıları bozulur. Kolajen üretimini arttırdığı gösterilen kırmızı LED ışığı cilt yenileme tedavisinde etkinliği kanıtlanmış bir yöntemdir. Mavi LED ışığı ise, akne tedavisinde tercih edilmektedir. Alman bilim adamlarının yaptığı araştırmaya göre her gün haftalık periyotlarla yüksek şiddetteki LED ışığına maruz bırakılan insanlarda kırışıklıkların azaldığı saptanmıştır.

Seracılıkta LED Kullanımı

Bitkiler, çeşitli dalga boyundaki ışığa karşı insanlardan farklı bir duyarlılığa sahiptir. İnsan gözü tarafından görülebilen ışığın sadece bir kısmı (400 ile 700 nm arasında dalga boyuna sahip olan ışıklar) bitkilerin büyümesine (fotosentez) yardımcı olur. Theodore Engelmann ışık spektrumu ile fotosentez arasındaki ilişkiyi bilimsel olarak deneylerle kanıtlamıştır.

Sera ve çiçek yetiştiriciliğinde bitkilerin olgunluk derecelerine göre farklı renkte LED kullanılmaktadır (Led Grow Light, LGL). Yetiştirme ışıklarını iç mekânda kullanmak için dikkatlice incelemek gerekir, çünkü bu seracılık girişimini başarıya ulaştırabilecek en önemli etkendir. Eğer olgun bir domates ağacınız varsa veya meyve, çiçek gibi şeyler üretmek isteniliyorsa; bitkinin düzgün şekilde serpilmesi isteniliyorsa kırmızı/turuncu spektrumu kullanmalıdır.

Akıllı Ev Ve Şehirlerin Ana Ürünü Olacak

Sıvı kristal ekran (LCD) teknolojisinin gelişmesini sağlayan LED, mobil cihaz ve televizyon gibi elektronik ürünlerde çok büyük gelişim yaşanmasını sağladı. Akıllı telefonlarda kullanılan flaştan televizyon aydınlatmalarına ve dekor ışıklarına kadar yayılan LED, hayatı kolaylaştırmasının yanı sıra elektronik cihaz tasarımlarında da etkin bir rol oynadı.

ABD Enerji Enformasyon İdaresi’nin verilerine göre LED’ler ampullere oranla 30 kat daha uzun ömürlü. Mevcut LED ampullerin birçoğu, 50 bin saate kadar kullanım süresine sahip. Bu süre, her gün 4 saat açık tutulması halinde bir ampulün 17 yıl kullanılabileceği anlamına geliyor.

Enerji etkinliğini ve yeşile uyumu esas alan binalarda kullanılan LED, yavaş yavaş sokak aydınlatmalarının da yerini alıyor. Araştırma firması Navigant’a göre, 2014’te şehirlerin aydınlatılması için 13.2 milyon LED ampul kullanılırken, bu sayının 2023’te 116 milyona çıkması bekleniyor. Şehir planlaması ve yeni nesil konutlardaki öneminin artması, LED’in enerji kullanımını optimum kılacak ve elektrik hırsızlığının önüne geçecek akıllı şebekelerle uyumunu da güçlendirecek.

Yeşil Enerji Etkisi

LED teknolojisi, su kaynakları giderek azalan ve geri dönüşüme giderek daha fazla ihtiyaç duyacak olan dünyanın geleceğini güvenliğe alabilir. Nobel Komitesi, morötesi LED’lerin bakterilerin, virüslerim ve mikroorganizmaların DNA’sını yok edebildiğini, böylece kirli suların temizlenmesinde geleneksel yöntemlere göre çok daha büyük rol oynayacağını belirtti.

Bilim insanları, bilgisayarlar aracılığıyla LED’lerin ışığını kontrol edebilmeleri sayesinde, bitki büyümesini tetikleyen belli spektrumları da ortaya çıkarabiliyor. Bu sayede seralarda daha etkin üretim yapılırken, bitki büyümesi kontrollü yapılabilmesini sağlıyor.

LED Kullanılan Diğer Alanlar

Optik-LED Anahtarlar, bir cisme değmeden onu algılamak için kullanılır. Son yıllarda anahtarlı sistemlerde LED kullanılmaya başlanmıştır.

Opto Electronic Systems Lab’tan bir bilim adamı, bu olayda tavanda Mavi-LED kullanılarak yapıldığını belirtti. Bu yolla 2Mps internet hızına ulaştıklarını ve düzgün bir şekilde online video izleyebildiklerini açıkladı. Açıklamalarına göre internet sinyalinin bilgisayara ışık yardımıyla transfer edildiği belirtildi.

LED ışık rüzgârları, ateş böceğinin ışık çıkarmasına dayanıyor. Yapı bir türbin ile LED modüllerden oluşmaktadır. Rüzgâr altında hareket eden esnek türbinler LED modülleri sayesinde ışık yayarak çevre aydınlatmasında kullanılıyor. Kendi güçlerini kendileri ürettiklerinden otonom sistemlerdir.

MAVİ LED 2014 YILINDA NOBEL ÖDÜLÜ ALDI

2014 Yılı Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen Japon bilim insanları İsamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura’nın geliştirdiği mavi LED, aydınlatma teknolojilerinde dünyanın aradığı enerji tasarrufuna cevap vermesinin yanı sıra, elektriğe erişimi olmayan 1.2 milyar insanı da aydınlatacak teknoloji olarak ortaya çıkıyor.

Nobel Komitesi, “aydınlatma teknolojisinde temel bir dönüşüme kapı aralayacağını” belirttiği mavi LED teknolojisini geliştiren üç Japon bilim insanını 2014 Yılı Nobel Fizik Ödülü’ne layık gördü.

İsamu Akasaki, Hiroshi Amano ile Shuji Nakamura, ilk kez 1980’li yıllarda binlerce deneme yaparak yarı iletkenlerden mavi ışık elde etmeyi başardı. Üç bilim insanı, 90’lı yıllarda mavi LED teknolojisini daha da ileriye götürdü. Kırmızı ve yeşil LED üretilmesinin ardından geliştirilen mavi LED sayesinde, yarı iletkenlerle beyaz ışığın oluşturulmasının önünü açıldı.

SONUÇ OLARAK

IHS Technology tarafından hazırlanan rapora göre, LED adaptasyonu 2014 yılında en yüksek seviyeye çıkmış durumdadır. Enerji tasarrufuna duyulan büyük ihtiyaç ve geri dönüşümün güçlenmesi, LED’lerden elde edilen aydınlık arttıkça fiyatların da düşmesini sağlıyor. Devletlerin de teşvikiyle, LED lambaların diğer teknolojilere kıyasla en yüksek bireysel gelire sahip ürün halini alması bekleniyor.

Bilindiği üzere, ülkemizde de 2008’den itibaren Enerji Bakanlığı EN-VER adlı proje ile, enerji verimliliği için bir kampanya başlatmış ve tasarruflu lamba kullanımını teşvik etmişti. Şimdi LED teknolojisinin yaygınlaşması ve ucuzlaması ile bu alanda da teşviklerin verilmesi gerekmektedir. LED kampanyası, Türkiye’nin 2023 Enerji vizyonuna da uygun düşecektir. Günümüzde yeni ışık kaynağı veya önemli bir teknoloji elemanı olarak LED’ler artık hayatımızın ayrılmaz bir teknoloji ürünü olacaktır.

Ekim 2014, Kayseri