Işık Yayan Diyotlar (LED)
Işık yayan diyotların (LED’ler) temeli, 20. yüzyılın başında Rus fizikçisi Oleg Vladimirovich Losev tarafından atılmıştır. 1927 yılında Losev, ışık yayan diyot ön numune için ilk patenti almıştır. 1960’lı yıllarda Amerikalı bilim insanı Nick Holonyak, kırmızı renkli LED’leri üretmiştir. Kırmızı renkli LED’in üretilmesi sonrası gelişen teknolojiyle ve tekniklerle birlikte turuncu, sarı ve yeşil renkli LED’ler piyasaya sürülmüştür. 1980’lerin sonunda ve 1990’ların başında, Japon araştırmacılar Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura, GaN (galyum nitrür) tabanlı mavi LED’lerin geliştirilmesiyle çığır açmıştır. Akasaki ve Amano, GaN kristallerinin epitaksiyel büyütme tekniklerini geliştirerek malzemenin kristal kalitesini artırmıştır. Nakamura ise indiyum galyum nitrür (InGaN) kullanarak daha yüksek verimli mavi LED’ler üretmeyi başarmıştır. Bu çalışmalar, 2014 yılında Nobel Fizik Ödülü ile onurlandırılmıştır. 1993 yılında, ilk ticari mavi LED, Nichia Corporation tarafından piyasaya sürülmüştür. Mavi LED’ler, fosfor kaplama ile birleştirilerek beyaz ışık üreten enerji tasarruflu LED lambaların geliştirilmesini sağlanmıştır. Bu, aydınlatma sektöründe devrim yaratarak geleneksel akkor ampullerin yerini almıştır. Morötesi (UV) LED’ler ise 2000’li yıllarda hızla gelişmiştir. Akasaki ve Hirayama gibi araştırmacılar, AlGaN tabanlı malzemeler kullanarak derin UV LED’lerin verimliliğini artırmıştır. 2009 yılında, UV-C dalga boylarında yüksek verimlilik sağlayan cihazlar geliştirilmiştir. UV LED’ler, su arıtma, yüzey sterilizasyonu ve biyomedikal uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır. Şekil 1’de UV, mavi, yeşil ve kırmızı ışığın dalga boyu, frekansı ve bant aralığı verilmiştir.
Şekil 1. UV, mavi, yeşil ve kırmızı ışığın dalga boyu, frekansı ve bant aralığı [1]
LED’in Çalışma Prensibi
LED’lerin çalışma prensibi, p-n bağlantısına dayanmaktadır. Direkt bant aralığına sahip bir yarıiletken malzeme kullanılarak, elektronların yüksek enerjili durumdan düşük enerjili duruma geçerken foton (ışık) yayması sağlanmaktadır. Enerji bant aralığına bağlı olarak, yayılan ışık UV’den kızılötesine kadar değişen dalga boylarına kadar değişebilmektedir. Tablo 1, literatürde yer alan UV, mavi, yeşil ve kırmızı ışık emisyonu için gerekli olan büyüme yöntemini, malzeme kombinasyonunu ve p-n bağlantılarını göstermektedir.
Tablo 1. UV, mavi, yeşil ve kırmızı ışık emisyonu için kullanılan büyüme yöntemi, malzeme kombinasyonu ve p-n bağlantıları [1]
| Kategori | UV | Mavi | Yeşil | Kırmızı |
| Büyütme Metodu |
|
|
|
|
| Grup Kombinasyonu
(III, IV, VI) |
|
|
|
|
| Üretimde Kullanılan Bağlantı Tipleri |
|
|
|
|
LED’lerin üretiminde daha iyi optimum performans elde etmek için Tablo 1’de de görüldüğü gibi çeşitli büyütme yöntemleri kullanılmaktadır. MOCVD, cihaz geliştirmeye elverişli koşullar sağlayarak LED büyümesi için yaygın olarak kullanılmaktadır. MOCVD, safir ve silikon dahil olmak üzere çeşitli alt tabakalar üzerinde GaN tabanlı LED yapıların büyümesinde farklı emisyon dalga boyları elde etmek için kullanılmaktadır. MBE, ZnO katmanlarının yüksek kaliteli epitaksiyel katmanlar üretme yeteneğiyle bilinmektedir. LPE, LED üretiminde kullanılan bir başka yöntemdir ve InAs/InAsPSb /InAs/InAsPSb gibi çok katmanlı yapıların büyümesi için potansiyel sunmaktadır. MOCVD ve HVPE gibi yöntemler, yüksek kaliteli yarı iletken filmler ve nanoyapıların üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özetle, LED üretiminde büyütme yönteminin seçimi, cihazların performansını ve özelliklerini belirlemede çok önemlidir. MOCVD, MBE veya LPE gibi kullanılan her teknik, LED’leri belirli uygulamalara göre uyarlamak için kullanılabilecek farklı avantajlar sunmaktadır.Morötesi ve Mavi Işık Yayan Diyotların Uygulama Alanları
Tarımda Kullanımı
LED aydınlatmanın bitkilerde üretkenliği önemli ölçüde artırabileceği yaygın olarak araştırılmıştır. Aydınlatmanın yoğunluğu, süresi ve spektral özellikleri, bitkilerin büyüme ve gelişiminin kapsamını ve karakterini belirlemede kritik faktörlerdir. UV-A ve mavi ışık gibi ışık spektrumunun çeşitli bölgelerine sahip LED aydınlatma, fitokimyasalların biyosentezini etkileyebilmekte ve bitki gelişimini büyüme, uzama, dallanma, çiçeklenme ve fide aşamalarında iyileştirebilmektedir. Bu teknoloji, geleneksel yöntemlere kıyasla çevre dostu ve enerji verimli bir alternatif sunarak, bitki büyümesini optimize ederken kimyasal pestisit kullanımını azaltmaya katkıda bulunmaktadır. LED’lerin kontrollü spektral özellikleri sayesinde, tarım ve sera uygulamalarında bitkilerin savunma mekanizmalarını desteklemek için hedefe yönelik aydınlatma stratejileri geliştirilmektedir.
Şekil 2. Tarımda UV-LED ve Mavi Işık Uygulamaları
Üretilen veya işlenen gıdalar, genellikle mikroorganizmalar tarafından doğal bozulma ve kontaminasyona maruz kalmaktadır. Bu, gıda tedarik zinciri boyunca meydana gelmekte ve yüksek düzeyde gıda israfına ve tüketici güvenliğinin tehlikeye atılmasına neden olmaktadır. Mikrobiyal aktiviteyi azaltmak ve ürünün raf ömrünü iyileştirmek için yeni bir termal olmayan yüzey dezenfeksiyon yöntemi olan ışık yayan diyot teknolojileri kullanılabilmektedir. Gıdalar genellikle ısı, dondurma, kimyasal koruyucular modifiye atmosfer paketleme ve yenilebilir kaplama ile saklanmakta veya işlenmektedir. Bu işlemler, kimyasal ve fiziksel değişiklikler nedeniyle kaliteyi azaltabilmektedir. UV-ışık bu yöntemlere alternatif olarak kullanılan termal olmayan teknolojilerden biridir.
Şekil 3. UV-LED ile gıdaların raf ömrünün arttırılması
Su Arıtma
UV LED’ler, diğer geleneksel UV kaynaklarına kıyasla benzersiz özelliklere sahiptir. Özellikle su arıtımı ve mikrobiyal dezenfeksiyon kullanımı için iyileştirilmiş dezenfeksiyon uygulamalarına yönelik yüksek bir talep vardır. UV LED’ler, klora dirençli ve ihmal edilebilir miktarda yan ürün üreten patojenleri etkisiz hale getirmede oldukça etkili olabilmektedir. Mevcut arıtma ünitelerine kolayca sonradan takılabilmektedir. UV LED’lere dayalı su arıtma prototipi ve sterilizasyon sistemleri, 210 ila 365 nm aralığındaki dalga boyları kullanılarak gösterilmiştir. Çok sayıda çalışma, bakteriyofajları, bakterileri ve virüsleri etkisiz hale getirmede farklı dalga boylarının etkinliğini araştırmıştır. Cheveremont ve ark. tarafından yapılan önemli bir araştırma , atık su arıtımında UV-A ve UV-C’nin birleştirilmesiyle elde edilen güçlü mikrobiyal azalmayı vurgulamıştır. Dahası, 280/365 ve 280/405 nm’nin belirli kombinasyonları, mezofilik bakterileri önemli ölçüde azaltmada oldukça etkili olduğunu kanıtlamıştır.
UV-LED’in geleneksel dezenfektanlara ve diğer UV kaynaklarına kıyasla su arıtımı ve patojen inaktivasyonu için daha iyi bir alternatif olacağı sonucuna varılmıştır. UV-LED’ler cıva içermediğinden, sonuç toksik olma sorunları yoktur. Sağlam ve kompakt yapıları nedeniyle daha dayanıklıdırlar ve nispeten kullanımı daha kolaydır. Çeşitli alanlarda gelecekteki uygulamalar için UV LED’lerin verimliliğini, maliyetini ve ömrünü iyileştirmek için büyük bir potansiyel vardır.
Şekil 4. Su Arıtmada UV-LED kullanımı [2]
Mikrobiyal Dezenfeksiyonda UV LED’ler
UV-C ışığı, mikroorganizmaları etkisiz hale getirmek için oldukça etkili bir yöntemdir. Bu süreç, mikropların genetik materyallerine ve protein yapılarına zarar vererek çalışmaktadır. Örneğin, UV ışığı, virüs ve bakterilerin DNA veya RNA’sında timin dimeri adı verilen bir hasara yol açmaktadır. Bu, genetik materyalin kendini kopyalamasını engeller ve mikroorganizmaları etkisiz hale getirmektedir. Aynı zamanda, UV ışığı proteinleri bozarak hücrelerin işlevlerini kaybetmesine neden olmaktadır. Bu süreçler, mikropların hayatta kalamayacağı bir ortam yaratmaktadır.
Özellikle 207-222 nm aralığındaki UV-C ışığı, hem mikropları öldürebilecek kadar güçlüdür hem de cilt ve göz gibi insan dokularına zarar vermeyecek kadar güvenlidir. Bu özellik, UV-C LED’lerinin dezenfeksiyon uygulamalarında kullanımını hem etkili hem de güvenli bir seçenek haline getirmektedir.
Şekil 5. UV LED’lerin mikrobiyal dezenfeksiyonda kullanımı[3]
Mavi ve UV LED’lerin Avantajları
- Yüksek Enerji Verimliliği
- Geleneksel dezenfeksiyon yöntemlerine kıyasla enerji tüketimi oldukça düşüktür.
- Düşük güç tüketimi ile uzun ömürlü kullanım sağlamaktadır.
- Çevre Dostu ve Kimyasal Gereksinim Olmaması
- Kimyasal dezenfektanlara ihtiyaç duymadan yüzeyleri ve hava ortamını dezenfekte edebilmektedir.
- Çevreye zararlı atık üretimi minimumdur.
- Geniş Spektrumlu Antimikrobiyal Etki
- Hem bakterilere hem de virüslere karşı etkilidir.
- SARS-CoV-2 gibi virüslerin inaktivasyonunda umut verici bir teknolojidir.
- Güvenli Kullanım
- 207-222 nm UV-C ışığı, insan cildi ve gözlerine zarar vermeden mikropları etkisiz hale getirebilmektedir.
- Doğru dalga boylarında kullanıldığında hem etkili hem de güvenlidir.
- Taşınabilirlik ve Esneklik
- Kompakt yapıları sayesinde farklı alanlarda kolayca kullanılabilmektedir.
- Taşınabilir cihazlar için idealdir.
- Uzun Ömür ve Düşük Bakım Maliyeti
- Geleneksel ampullere kıyasla LED’ler çok daha uzun ömürlüdür.
- Yedek parça veya sık bakım gereksinimi yoktur.
- Gıda ve Sağlık Sektörlerinde Uygunluk
- Mavi LED’ler, gıdaların besin değerlerini koruyarak raf ömrünü uzatmaktadır.
- UV LED’ler tıbbi cihazların ve yüzeylerin sterilizasyonunda etkili bir araçtır.
- Hızlı Dezenfeksiyon Süreci
- Kısa sürede etkili sterilizasyon sağlar, özellikle hızlı sonuç gerektiren durumlarda kullanışlıdır.
- Düşük Isı Üretimi
- Çalışma sırasında minimum ısı üretir, bu da enerji tasarrufunu artırır ve çeşitli yüzeylerde kullanımını güvenli hale getirmektedir.
Bu özellikler, mavi ve UV LED’lerin sağlık, gıda, su arıtma ve endüstriyel uygulamalar dahil birçok alanda tercih edilmesini sağlamaktadır.
CÜNAM’ın Projeleri
Yarı iletken aydınlatma teknolojileri alanında yenilikçi çalışmalarımıza odaklanarak önemli katkılar sunmaktayız. Günümüzde artan uygulama alanları ve yeni teknolojik gelişmeler doğrultusunda, yüksek verimli LED yapılarının tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu büyük bir stratejik önem taşımaktadır. Bu kapsamda, TÜBİTAK 1007 kapsamında 113G103 numaralı “LED Çip Prototipi Geliştirilmesi” isimli proje ile ileri seviye LED teknolojileri üzerine çalışmalar yürütülmüş, TÜBİTAK 1003 kapsamında 115-E-109 numaralı “Akıllı Ekranlarda Arka Aydınlatma İçin Yüksek Verimli LED’lerin Tasarımı, Üretimi ve Karakterizasyonu” isimli proje ile akıllı ekranlar için enerji verimliliği yüksek çözümler geliştirilmiştir. Ayrıca, CÜBAP kapsamında F-488 numaralı “Safir Alttaş Üzerine Mavi LED Yapısının MOCVD ile Büyütülmesi ve Yapısal Karakterizasyonu” ve CÜBAP kapsamında F-493 numaralı “Safir Alttaş Üzerine MOCVD ile Büyütülen Mavi LED Yapısının Elektriksel Karakterizasyonu” isimli projeler ile LED yapıların büyütme ve cihaz karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Yürütülen bu projeler, yüksek performanslı LED’lerin geliştirilmesi ve endüstriye entegrasyonu konusunda önemli bir bilgi birikimi sağlamıştır.
Referans
[1] Bhattarai, T., Ebong, A., & Raja, M. Y. A. (2024, May). A Review of Light-Emitting Diodes and Ultraviolet Light-Emitting Diodes and Their Applications. In Photonics (Vol. 11, No. 6, p. 491). MDPI
[2] https://www.wahlwater.com/UV-vs-UV-LED-Systems–Comparison_b_52.html