Göze beyaz görünen o ışık, aslında mavi bir çığlığın sarı bir toz katmanında yankılanarak yavaşlamasından başka bir şey değil.
Bir LED üretim tesisinde, mavi ışığın çıplak haliyle bir odayı aydınlatmasını izlediğiniz an vardır. Gözünüze çarpan şey duvarların rengi değil, aydınlatılan nesnelerin garip, ruhsuz, neredeyse mora çalan bir düzlüğe gömülmesidir. Her şey tanıdık ama bir o kadar da huzursuz edicidir. Sonra bir operatör, seramik kadar kırılgan, incecik bir tabakayı bu mavi çipin üzerine yerleştirir.
Işık hala aynı yarı iletkenden çıkmaktadır. Fakat odaya yayılan şey, artık bir cerrah lambasının soğukluğu değil, bir ampulün sıcak, sarmalayan beyazıdır. Bütün sihir, ortalama bir insan saçı telinin çapından daha ince olan o tabakanın içinde döner.
Olayın özü, enerji alışverişinde gizli bir asimetridir. Elinizde iki top olduğunu düşünün. Biri küçücük, sert bir misket. Diğeri ağır, içi kum dolu bir bovling topu. Misketi var gücünüzle bovling topuna fırlattığınızda, misket büyük bir gürültüyle sekmez. Aksine, enerjisini kum tanelerine aktararak onları titreştirir ve kendisi neredeyse olduğu yerde kalakalır, çılgınca titreşen bir kum yığınına dönüşür.
LED fosforunun yaptığı da tam olarak budur. Yarı iletken çipten fırlayan yüksek enerjili mavi foton (misket), fosfor tabakasındaki nadir toprak iyonuna (bovling topu) çarpar. Foton enerjisini iyona aktarır, iyon bu enerjiyi bir süre taşır ve sonra daha düşük enerjili, daha uzun dalga boylu bir foton olarak geri salar. Mavinin bir kısmı sarıya, kırmızıya, yeşile dönüşür. Gözümüz bu karışımı beyaz olarak algılar. Kayıp enerji ise ısı olarak kaybolur. O yüzden fosfor katmanı, bir LED ampulün en sıcak noktasıdır.
### Tozun anatomisi, bir granülün içinde ne var
Fosforu anlamak için bir fosfor granülünün içine bakmak gerekir. Çoğunlukla itriyum alüminyum granat (YAG) adı verilen, yapay olarak büyütülmüş bir kristal ev sahibidir. Ev sahibi kristalin kafes yapısı, özünde şeffaf ve atıldır. Işığı kendi başına dönüştüremez. Dönüşümü başlatan, bu kristal kafese bilinçli olarak yerleştirilen, yüzde üç ila beş oranındaki seryum iyonlarıdır (Ce³⁺). Seryumun elektron bulutu öyle bir konfigürasyona sahiptir ki, mavi bir foton tarafından uyarıldığında, enerjiyi nanosaniyeler içinde sarı bir foton olarak geri verir.
Sürenin kısalığı (yaklaşık 60 ila 70 nanosaniye) kritiktir. Yüksek güçlü bir LED'de, bir fosfor iyonu saniyede milyonlarca kez uyarılıp ışıma yapabilir. Bozunum süresi bir an için bile uzasa, yeni gelen fotonlar boşa gider ve verimlilik hızla düşer.
Peki neden özellikle seryum? Cevap, 4f ve 5d orbitalleri arasındaki enerji farkının, mavi bir fotonun enerjisine (kabaca 2,7 elektronvolt) neredeyse birebir denk gelmesinde yatar. İtriyum alüminyum granat kafesi içindeki seryum iyonunun 5d orbitalleri, kristal alan tarafından yarılarak iki seviyeye ayrılır. Mavi foton, elektronu 4f taban durumundan bu yarılmış 5d seviyelerinden birine çıkarır. Elektron burada duramaz. Önce titreşimsel gevşeme ile 5d'nin en alt seviyesine kayar, ardından 4f taban durumuna geri düşerken sarı ışığı yayar.
Aradaki titreşimsel gevşeme adımı, soğurulan foton ile yayılan foton arasında yaklaşık 0,2 elektronvoltluk bir Stokes kayması yaratır. İşte bu kayma, yayılan ışığın tekrar soğurulmasını engelleyen doğal bir tuzaktır. Stokes kayması olmasaydı, üretilen sarı foton hemen yanındaki başka bir seryum iyonu tarafından yutulur ve ışık paketten asla çıkamazdı.
Granül boyutu da en az kimyası kadar belirleyicidir. Tipik bir YAG, Ce fosfor tozunda ortalama parçacık çapı 10 ila 15 mikrometre aralığında tutulur. Parçacık 5 mikrometrenin altına indiğinde, yüzey alanı hacme oranla aşırı büyür. Yüzeydeki seryum iyonları, kristal kafesin koruyucu simetrisinden yoksun kalır ve enerjilerini ışık yerine ısı olarak boşaltmaya başlar. Parçacık 20 mikrometrenin üzerine çıktığında ise granülün iç kısımlarında üretilen sarı fotonlar, dışarı çıkmadan önce granül içinde defalarca saçılır ve soğurulma ihtimalleri katlanır. Optimum boyut, bu iki kayıp mekanizmasının kesiştiği yerde, yüzey kusurları ile hacimsel soğurma arasındaki hassas dengede bulunur.
### Sıcaklığın kıskacında kuantum verimliliği
Bir fosforun masadaki teknik föyünde yazan kuantum verimliliği (QE) rakamı, oda sıcaklığında ve düşük uyarım altında ölçülür. Kabaca yüzde 95'in üzerinde bir iç kuantum verimliliğinden bahsedilir. Fakat gerçek dünya, özellikle de bir LED çipinin üzeri, bir laboratuvar küveti değildir. Çalışan bir LED'in bağlantı sıcaklığı 85 santigrat dereceye ulaştığında ve üzerindeki fosfor katmanı 120 dereceyi aştığında, seryum iyonlarının termal olarak titreşmesi artar. Titreşen iyon, soğurduğu enerjiyi ışık olarak değil, ısı olarak (fonon) çevresine aktarmaya başlar. Buna "termal sönümleme" denir.
Yüksek sıcaklıklarda, kuantum verimliliği yüzde 70'lerin altına, yetersiz soğutma durumunda yüzde 50'lere kadar gerileyebilir. Kaybolan her foton, sistemin ısı yükünü daha da artırarak bir kısır döngü başlatır. O yüzden bir LED'in ömrü, aslında büyük oranda fosfor tabakasının sıcaklık yönetim becerisine bağlıdır. Termal sönümlemenin fiziksel kökeni, konfigürasyonel koordinat diyagramında saklıdır. Seryum iyonunun 4f taban durumu ile 5d uyarılmış durumunu temsil eden iki parabolik eğri, belirli bir enerji seviyesinde kesişir. Sıcaklık arttıkça, uyarılmış durumdaki elektronun titreşim enerjisi yükselir ve bu kesişim noktasına ulaşma olasılığı katlanarak artar.
Kesişim noktasına varan elektron, ışık yaymadan doğrudan taban durumuna geri döner. Tüm enerji, kristal kafese bir fonon dalgası olarak boşalır. YAG, Ce için bu kesişim enerjisi yaklaşık 0,6 elektronvolttur. Bağlantı sıcaklığı her 10 derece arttığında, ışımasız geçiş olasılığı kabaca iki katına çıkar. 150 santigrat derecenin üzerinde ise sönümleme o kadar hızlanır ki, fosfor neredeyse hiç ışık üretemez hale gelir. Yalnızca mavi çipin çıplak ışığı geçer.
Termal sönümleme eşiğini yukarı çekmek için fosfor kimyasında ince ayarlar yapılır. Seryum konsantrasyonunu yüzde 3'ten yüzde 1'e düşürmek, iyonlar arası enerji transferini azaltarak sönümleme eşiğini 10 ila 15 derece yukarı iter. Ancak bu kez de mavi ışığın yeterli kısmı soğurulamaz. Paketten çıkan ışık soğuk ve mavimsi olur. Alternatif yol, ev sahibi kristali değiştirmektir. Lutesyum alüminyum granat (LuAG) gibi daha ağır bir ev sahibi, seryumun 5d orbitallerini biraz daha yukarı çekerek Stokes kaymasını büyütür ve kesişim enerjisini 0,7 elektronvolta yükseltir. Maliyet, kilogram başına birkaç yüz dolardan birkaç bin dolara sıçrar ama termal kararlılık belirgin biçimde iyileşir.
### Bir bulamacın seramiğe yolculuğu
Mikron altı fosfor tozu, çipin üzerine gelişigüzel serpilmez. Uygulama sürecinin kendisi, nihai rengin tutarlılığını belirleyen en kritik adımdır. İlk olarak toz, silikon veya epoksi bir taşıyıcı reçine ile karıştırılarak viskoz bir bulamaç haline getirilir. Buradaki karışım oranı, rengin sıcaklığının (CCT) milimetrik ayarıdır. Ağırlıkça yüzde 8 fosfor yüklemesi, tipik bir 5000K soğuk beyaz paket üretirken, yüzde 14'e çıkmak renk sıcaklığını 2700K sıcak beyaza kaydırır. Bulamaç, robotik bir dağıtıcı (dispenser) ile çipin üzerine bırakılır.
Ardından gelen çökelme (sedimantasyon) süreci yönetilmezse, ağır fosfor granülleri dibe çöker, reçine üstte kalır. Yoğunluk farkı (YAG, Ce için yaklaşık 4,5 gram/santimetreküp, silikon reçine için yaklaşık 1,1 gram/santimetreküp) ve parçacık çapı, Stokes yasasına göre çökelme hızını belirler. On mikrometrelik bir granül, düşük viskoziteli bir reçinede dakikalar içinde milimetrelerce yol alabilir. Sonuç, katmanın altının sarı, üstünün mavi olmasına yol açan korkunç bir renk ayrışmasıdır. Bunu engellemek için bulamaç, yüzey gerilimi ile kılcal kuvvetleri kullanarak kendi kendini düzleyecek şekilde formüle edilir. Reçineye eklenen tiksotropik ajanlar (genellikle dumanlı silika), bulamaç hareketsizken viskoziteyi aniden yükselterek çökelmeyi durdurur.
Dağıtıcı iğnesinden geçerken uygulanan kesme kuvveti viskoziteyi düşürür, bulamaç akar. Çip yüzeyine ulaştığında kesme kuvveti kalkar, viskozite sıçrar ve granüller oldukları yerde kilitlenir.
Bazı ileri uygulamalarda ise sıvı tamamen aradan çıkarılır. 600 santigrat derecenin üzerinde sinterlenerek doğrudan ince bir seramik plaka haline getirilir. Sinterleme sırasında granül sınırları birbirine kaynar, gözenekler kapanır ve ortaya çıkan plaka teorik yoğunluğun yüzde 99,9'una ulaşır. Tozdan plakaya giden bu yol, aradaki reçineyi ve onun zamanla sararmasından kaynaklanan ışık kaybını ortadan kaldırır. 000 saat yaşlandırıldığında ışık akısının yüzde 5 ila 10'unu kaybederken, seramik plaka aynı koşullarda kaybı yüzde 1'in altında tutar. Maliyet, kilogram başına birkaç yüz dolardan birkaç bin dolara sıçrar ama renk kararlılığı on yıllar boyunca neredeyse hiç bozulmaz. Otomotiv farları ve stadyum aydınlatmaları gibi yüksek güvenilirlik isteyen uygulamalarda seramik fosfor plakaları artık standarttır.
### Aynalar neden bu kadar pürüzsüz
Fosforun mavi ışığı dönüştürürken yaptığı bir başka şey daha vardır. Işığı her yöne, ama özellikle geriye, çipe doğru saçar. Geri saçılan sarı ışık, çip tarafından emilir ve kaybolur. Kaybı önlemek için çip ile fosfor arasına, sadece mavi ışığı geçiren ama sarı ışığı bir ayna gibi ileri yansıtan bir dikroik kaplama yerleştirilir. Kaplama, aralarında yalnızca birkaç yüz nanometre boşluk bulunan, titanyum dioksit ve silisyum dioksit gibi kırılma indisleri farklı malzemelerin onlarca katman halinde üst üste buharlaştırılmasıyla oluşur.
Dikroik aynanın çalışma prensibi, ince film girişimidir. Her bir katman çifti, hedef dalga boyunun dörtte biri kalınlığında tasarlanır. Mavi ışık için (yaklaşık 450 nanometre), titanyum dioksit katmanı 45 nanometre, silisyum dioksit katmanı 75 nanometre kalınlığındadır. Mavi foton bu katmanlardan geçerken yapıcı girişime uğrar ve iletilir. Sarı foton (yaklaşık 560 nanometre) ise yıkıcı girişime uğrar ve geri yansıtılır. Katman sayısı arttıkça yansıtma keskinliği yükselir.
Tipik bir LED paketinde 20 ila 30 katman çifti kullanılır ve sarı ışığın yüzde 95'ten fazlası ileri yansıtılır. Kaplamanın toplam kalınlığı 3 mikrometreyi geçmez. Yani fosfor tabakasının kendisinden bile incedir.
İşte bu ayna sayesinde, az önce bahsettiğimiz kuantum verimliliğindeki düşüşe rağmen, paketten dışarı çıkan toplam ışık akısı (lümen) kabul edilebilir seviyelerde tutulur. Paket verimliliği denilen bu son duvar aşıldığında, günümüzde soğuk beyaz bir LED'den watt başına 200 lümenin üzerinde ışık almak standart hale gelmiştir. Rakam, bir ampulün tarihinde ilk kez, enerjinin yarısından fazlasını ısıya değil ışığa çevirdiğimiz anlamına gelir. Dikroik kaplamanın bir sınırı vardır, açıya bağımlılık. Kaplama, yalnızca dik geliş açısında (0 derece) optimum çalışır. Fosfor granüllerinden saçılan ışık ise her açıdan gelir.
Geliş açısı 30 dereceyi aştığında, yansıtma bandı maviye kayar ve sarı ışığın bir kısmı kaçmaya başlar. Yüksek güçlü paketlerde, bu açısal kaybı telafi etmek için çipin etrafına kavisli yansıtıcı duvarlar eklenir. Duvar, kaplamayı geniş açıyla terk eden ışınları tekrar dik açıya yakın bir şekilde kaplamaya geri gönderir. Paket verimliliğindeki son yüzde 5'lik kazanç, işte bu geometrik optimizasyonun eseridir.
### Sarı tozun mavi çip ile nikahı
1993 yılının sonlarında, Japonya'nın Anan şehrindeki Nichia Chemical Industries laboratuvarında, Shuji Nakamura'nın geliştirdiği parlak galyum nitrür (GaN) mavi LED, şirketin vitrinini aydınlatıyordu. Fakat ışık ne kadar parlak olursa olsun, maviydi. Aydınlatma sektörü, beyaz olmadıkça bu buluşu ciddiye almayacaktı. Nichia'nın bir başka araştırmacısı, fosfor uzmanı Yoshinori Shimizu, yıllardır floresan lambalar için geliştirilen nadir toprak fosforlarını biliyordu. Elindeki seryum katkılı itriyum alüminyum granat (YAG, Ce) tozunu mavi çipin üzerine reçineyle yapıştırdı. Mavi ışık, incecik sarı toz tabakasının içinden geçerken, tarihte ilk kez yarı iletken bir kaynaktan istikrarlı ve parlak beyaz ışık elde edildi.
Shimizu ve Nakamura, 1996'da bu buluşu ticarileştirdi. Aydınlatma sektörünün yüz yıllık akkor ve floresan saltanatı, işte o an, bir tutam sarı toz ile sona erdi.
Bir LED paketinin toplam ışık akısını belirleyen sadece çipin verimliliği değildir. Fosfor dönüşümündeki kayıplar zincirini görmek, bu disiplinin neden birkaç ondalık basamak üzerine kurulu olduğunu açıklar.
Sayılar temsili, mantık gerçek.
| Kalem | Değer |
|---|---|
| Çipin ürettiği toplam mavi ışık gücü (radyometrik) | 1000 mW |
| Çipten kaçan mavi ışık (fosfor katmanına çarpmadan önce) | 950 mW |
| Fosfor tarafından soğurulan mavi ışık | 850 mW |
| Fosforun ortalama kuantum verimliliği (ısıl kayıplar dahil) | %88 |
| Fosforun ürettiği toplam sarı ışık gücü | 748 mW |
| Geri saçılarak çip tarafından emilen sarı ışık | 97 mW |
| Paketten dışarı çıkan sarı ışık gücü | 651 mW |
| Paketten dışarı çıkan artık mavi ışık gücü | 100 mW |
| Toplam çıkan ışık gücü | 751 mW |
| Göz duyarlılığına göre (lümen eşdeğeri) | yaklaşık 260 lm |
Tabloda, çipin ürettiği her 1000 mW'lık ışınım gücüne karşılık paketten yalnızca 751 mW çıkabildiğini görüyoruz. Şimdi duyarlılık bükümünü ekleyelim. Fosforun konsantrasyonu hedeften yalnızca %5 saptığında, soğurulan mavi ışık miktarı 850 mW'tan 810 mW'a düşer. Durumda üretilen toplam sarı ışık gücü 680 mW'a geriler. Paket, gözle görülür biçimde soğuk ve mavimsi olur. Tutarlı bir 3000K sıcak beyaz ışık elde etmek için, seri üretimde fosfor bulamacının viskozitesinin ve dağıtıcı hacminin milisaniye hassasiyetiyle kontrol edilmesi şarttır. Bir milyon LED için, her bir paketteki fosfor miktarı miligramın onda biri seviyesinde tutarlı olmak zorundadır.
Birincisi, beyaz ışık doğada neredeyse hiç yoktur. Yıldızlar ve akkor teller dışında, malzemelerin kendiliğinden geniş bir tayfta beyaz ışıması son derece nadirdir. Bir LED'in fosfor katmanı, endüstriyel ölçekte bir tayf mühendisliği yaparak, mavi bir lazeri doğal olmayan bir renk bütünlüğüne kavuşturur.
İkincisi, fosfor bir dönüştürücü değil, bir darboğaz yöneticisidir. Her fotonun enerji kaybettiği bu sarı katman, sistemin verimliliğini belirleyen ana ısıl direnç noktasıdır. Daha iyi bir LED yapmak, çoğu zaman daha iyi bir ısı yayıcı tasarlamak değil, ısıyı üreten bu katmanı daha ince ve daha yoğun yaparak ısıyı katmandan dışarı atabilmektir.
Üçüncüsü, bu toz katmanı, fiziksel dayanıklılığın kendisidir. On yıl boyunca hiç durmadan çalışan bir LED ampulün içindeki fosfor granülü, milyar kere milyar uyarılma döngüsünden sonra hala ilk günkü rengini vermeye devam eder. Gözün beyaz diye isimlendirdiği o sıcak parıltı, aslında bir seramik tozunun atomik seviyedeki tükenmez sabrıdır.