FotonMag

V poslední době se objevuje poměrně mnoho snah přinést výraznější inovace – ne-li rovnou revoluci – v odvětví polovodičových technologií a jejich nákladné výroby. Nejnověji se o slovo přihlásili vědci z Hong Kong University of Science and Technology. Vyvinuli první svého druhu micro-LED “displej”, který vyzařuje hluboké ultrafialové záření (DUV) pro účely tzv. bezmaskové litografie.

Litografické stroje jako takové jsou zásadním vybavením při výrobě čipů. Pomocí krátkovlnného záření dokážou „vypálit“ takřka libovolné rozložení integrovaných obvodů. Zpravidla se přitom používá reflexní maska, jež umožňuje vytvořit konkrétní obrazce na desce pokryté foto-senzitivním substrátem, tzv. fotorezistem. Tradičně se jako zdroj záření používají rtuťové lampy a UV LED, které však mají řadu nevýhod, jako je značná velikost zařízení, nízké rozlišení vypalovaného obrazce, vysoká spotřeba energie, nízká světelná efektivita a nedostatečná hustota optické síly.

Tyto obtíže alespoň částečně překonává nový prototyp sestavený hongkongským výzkumným týmem. Podařilo se jim provést litografii bez masky s vylepšenou optickou efektivitou (záření dopadá jen tam, kam má, neztrácí se přes masku), lepší distribucí tepla, vysokým rozlišením obrazce, nižším operačním napětím, menší velikostí zařízení a rychlou expozicí.

Profesor Hoi-Sing Kwok, pod jehož supervizí výzkum probíhal, k tomu dodal: „V posledních letech se nízkonákladová a vysoce přesná technologie bezmaskové litografie stala aktivním bodem výzkumu a vývoje, a to díky její schopnosti upravit expoziční obrazce, poskytnout rozmanitější možnosti customizace a šetřit náklady za přípravu litografických masek.“

Výzkum byl publikován v prestižním časopise Nature Photonis pod názvem High-Power AlGaN Deep-Ultraviolet Micro-Light-Emitting Diode Displays for Maskless Photolithography. Od zveřejnění si již získal značné uznání ze strany průmyslu a je v považován za jeden z největších pokroků v oblasti tzv. „polovodičů třetí generace“ za uplynulý rok. Tým vědců se do budoucna chystá vylepšovat svůj prototyp a dosáhnou vyššího rozlišení displeje 2K až 8K.

Zdroje: ledinside.com, nature.com

Prezentace výsledků projektu v rámci programu OPPIK

V letech 2019 – 2020 společnost ARIGA s.r.o. realizovala projekt Elektromobilita v rámci programu Nízkouhlíkové technologie, který spadá pod Operační program podnikání a inovace pro konkurenceschopnost (2013 – 2020). Společnost ARIGA s.r.o. získala celkovou dotaci ve výši 337500,- Kč.

Implementace inovativní technologie čisté mobility ve společnosti ARIGA s.r.o. proběhla zakoupením elektromobilu značky Tesla. Pořízený vůz je využíván pro pracovní cesty z provozovny ve Středočeském kraji. Slouží jak pro obchodní cesty k odběratelům či dodavatelům, tak například i pro operativní přesun zboží v rámci firmy. Jeho použití se ukázalo jako poměrně široké, univerzální, navíc z hlediska provozních nákladů i jako velmi ekonomické.

Ač na začátku zaměstnanci přistupovali k vozu s obavami zejména kvůli kratšímu dojezdu vůči autům se spalovacím motorem, z praktické zkušenosti se ukázalo, ze většinou není třeba během cest v okruhu zhruba 200 km řešit nabíjení, vůz zvládne trasu tam i zpět bez nabíjecí zastávky, přičemž tyto výjezdy tvoří absolutní majoritu použití elektromobilu. Při poměrně častých cestách do větších měst je naopak řidiči vítáno bezproblémové parkování vzhledem k výhodám pro majitele elektromobilů v rámci parkovacích zón. U realizovaných cest se ukázala jako velmi spolehlivá síť nabíječek výrobce vozu, jenž zajišťuje rychlý přesun při delších cestách, které vyžadují nabíjení.

Oceňujeme, že ve firmě můžeme používat elektromobil, jenž nezatěžuje životní prostředí lokálními emisemi, je tichý a můžeme tak přispět ke zlepšení prostoru, ve kterém všichni žijeme.

Rádi bychom v budoucnosti instalovali ve firmě i fotovoltaické panely, které by nám umožnily nejenom skutečně bezemisní provoz elektromobilu, ale zároveň by nám zabezpečily po většinu roku i nezávislost na dodávce elektřiny z rozvodné sítě a to zejména s ohledem na neustále rostoucí ceny energií.

Název programu ze kterého byl projekt podpořen:
Operační program podnikání a inovace pro konkurenceschopnost, program podpory Nízkouhlíkové technologie, Výzva IV programu podpory Nízkouhlíkové technologie – Elektromobilita.

Název projektu v rámci programu:
Elektromobilita – ARIGA s.r.o.

Jméno žadatele:
ARIGA s.r.o.

Termín realizace:
23. 4. 2019 – 27. 3. 2020.

Způsobilé výdaje:
Pořízení 1 ks vozidla – elektromobilu v kategorii BEV, celkem 450000,- Kč.

Popis projektu:
Projekt žadatele ARIGA s.r.o. v rámci IV. Výzvy programu podpory NUT zavedl do činnosti podniku inovativní technologie (TRL 9) čisté mobility. V rámci způsobilých výdajů byl pořízen 1x elektromobil pro vlastní potřebu. Projekt je realizován ve Středočeském kraji.

Při výběru displeje – ať už do domácnosti, společnosti nebo veřejného prostoru – hraje významnou roli jejich spotřeba energie. U displejů se pro účely srovnávání používá jednotka Watt na metr čtvereční (W/m²). Podívejme se, jak si v tomto parametru vedou dvě v současnosti nejpoužívanější displejové technologie.

U čím dál populárnějších LED displejů je každý jeden pixel (respektive subpixel) tvořen samostatnou světelnou diodou, jež vyzařuje světlo. Díky tomu mohou mít displeje vysoký jas, takže je lze dobře využít i ve venkovních aplikacích, například v reklamě nebo na stadionech.

Spotřeba konkrétního displeje se bude výrazně lišit dle rozlišení, zvolené úrovně jasu, zobrazovaném obsahu (více pohybu a světlých bodů = více spotřeby) a rozteče pixelů (čím jsou rozestupy mezi jednotlivými LED čipy kratší, tím více se jich vleze na danou plochu, a tedy roste i spotřeba energie). Obecně se spotřeba LED displejů pohybuje někde mezi hodnotami 100 až 1000 W/m². Typická venkovní reklama mívá kolem 300-400 W/m², zatímco vnitřní displeje s vysokým rozlišením mohou mít kolem 200-300 W/m².

LCD displeje vedle toho využívají technologii tekutých krystalů, které samy nevyzařují světlo, pouze jej modulují. Proto musí mít podsvícení – kdysi se používala speciální zářivková trubice CCFL, dneska už se používají bílé LED čipy.

Zde se spotřeba energie odvíjí primárně od toho, jak je proveden podsvícení a vrstva tekutých krystalů, nicméně i zde má značný vliv nastavení jasu a typ zobrazovaného obsah. Přesto je spotřeba těchto displejů obecně nižší. Větší displeje spotřebovávají 100-150 W/m², zatímco obyčejné domácí monitory mohou mít spotřebu i jen 20-30 W/m².

Na první pohled tedy mají značně nižší spotřebu LCD displeje, avšak je třeba se na to dívat z širší perspektivy. LED displeje totiž mají v mnoha ohledech mnohem lepší zobrazovací parametry, díky kterým je lze využívat i tam, kde LCD displeje selhávají.

LED displeje tedy sice mívají vyšší spotřebu (s ohledem na vyšší zobrazovací nároky), zato však jsou energicky efektivnější, jelikož dokáží lépe „hospodařit“ se světlem. Zaprvé vyzařují barevné světlo přímo ze samotných pixelů a nedochází tak k jeho ztrátám přes vrstvu tekutých krystalů a tranzistorů. A zadruhé při zobrazování černých ploch se mohou jednotlivé pixely jednoduše vypnout, kdežto u LCD displejů musí podsvícení svítit stále stejnou intenzitou po celou dobu. Pokud by se teoreticky měly LCD displeje svými zobrazovacími vlastnostmi vyrovnat LED displejům, pak by na tom zřejmě se spotřebou byly už o něco hůř.

Zdroje: ledinside.com, britannica.com, researchgate.net

V roce 2022 se tchajwanská společnost AUO stala prvním výrobcem displejů, který se připojil ke klimatické skupině RE100 – jedná se o mezinárodní iniciativu, kde se již 400 velkých firem připojilo k závazku využívat ve svých podnicích ze 100 % obnovitelné zdroje energie, a to do individuálně stanoveného roku.

Mezi další zapojené firmy patří například i technologičtí giganti Apple, Google, Meta, Microsoft a Samsung, automobilky GM, Hyundai a Kia nebo přední výrobce LED osvětlení Signify (Philips). Někteří svůj cíl již naplnili nebo jej splní do několika let, AUO se jej zavázala splnit do roku 2050.

V současnosti AUO vyrobila svou první řadu displejů s využitím 100 % obnovitelných zdrojů – použila vlastní solární panely a distribuční model „wheeling“. Displej vznikl v rámci partnerství s tchajwanským výrobcem počítačové techniky Acer, konkrétně se objevil v jeho „uhlíkově neutrálním“ notebooku Aspire Vero 16 v dotykové i bezdotykové variantě. Notebook mimo jiné využívá 60 % recyklovaných plastů, recyklovanou ocel a je dodáván ve 100% recyklovaných obalech. Displej i notebook také dostali certifikaci UL 3600, což je projekt vyhodnocující zapojení produktu do cirkulární ekonomiky.

Sama společnost AUO své zelené kroky zdůvodňuje mimo jiné tím, že si dnes čím dál větší význam získávají uhlíkové daně a uhlíková cla. Obnovitelné energie i materiály se pro podniky stávají „konkurenční arénou“, kdy je jejich zavádění globálními společnostmi takřka nezbytné pro udržení konkurenční výhody.

Zdroje: ledinside.com, auo.com, there100.org

TrendForce – výzkumný institut v oblasti polovodičů sídlící na Tchaj-wanu – zveřejnil ve své nejnovější zprávě zajímavý výhled pro globální trh s LED osvětlením. Odhaduje, že letos bude z celkového prodeje 13,5 miliard LED světel zakoupeno 5,8 miliard kusů jakožto sekundární náhrada (tzn. výměna již vysloužilého LED světla za nové). To je téměř třikrát více, než v roce 2022 – mimo jiné to značí, že první vlna nahrazování klasických žárovek/zářivek za úspornější LED se už blíží ke konci.

LED osvětlení je zpravidla stavěno na životnost 15 až 40 tisíc hodin, díky čemuž může sloužit zhruba 7 až 10 let. To znamená, že především LED světla pořízená mezi lety 2014 až 2016 se letos dočkají velkého sekundárního nahrazování. Tento trend bude pochopitelně dále jen růst. Jak dále předvídá TrendForce, prodeje takovýchto sekundárních náhrad poprvé překonají prodeje prvotních náhrad už v příštím roce 2025.

Právě díky těmto masivním náhradám se do budoucna očekává, že globální trh s LED osvětlením se dostane do mnohem stabilnější polohy, kde bude možno očekávat i jisté cyklické jevy. V takovémto prostředí pak pravděpodobně bude i mnohem více záležet na renomé jednotlivých značek a návratnosti zákazníků k nim, třeba i po těch dlouhých deseti letech. Odhaduje se, že LED technologie už momentálně tvoří kolem 70 % osvětlení na celém světě.

Ohledně sekundární náhrady se nicméně očekávají i jisté překážky. Mnoho domácností postrádá povědomí ohledně potřeby náhrady a jednoduše preferují nižší cenu nad kvalitou – dosud se do mainstreamu nedostaly novější koncepty světel, které jsou šetrnější k našemu zdraví i prostředí, například nižším podílem modré složky světelného spektra nebo třeba vyšším indexem podání barev (CRI).

Zdroj: ledinside.com

Začátkem listopadu 2023 se v Ženevě konala pátá schůzka stran Minimatské úmluvy o rtuti (COP-5), kde se sešli delegáti ze 147 zemí, včetně USA, Číny i drtivé většiny evropských států. Dohodli se na úplném vyřazení rtuťových zářivek do roku 2027 co do jejich výroby, exportu a importu. Úmluva dostala své jméno po japonské Minimatské zátoce, která byla již v polovině 20. století silně zamořena rtutí z odpadních vod, což způsobilo smrt tisíců lidí.

Možná vám mohlo uniknout, že už na předchozí čtvrté schůzi (COP-4) se rozhodlo o vyřazení jednopaticových kompaktních zářivek do roku 2025. Nové rozhodnutí se teď ale dotýká už i lineárních zářivek, se kterými se setkáváme spíše v průmyslu a veřejném prostoru. Výjimkou zůstávají jen některé speciální druhy zářivek, jako jsou například ultrafialové zářivky používané v soláriích nebo v průmyslu pro vytvrzování lepidel a barev.

Díky dohodě se očekává urychlení celosvětového nahrazování světelných zdrojů za LED, zvýšení jejich prodejů a v konečném důsledku také redukce emisí CO₂ – zářivky oproti některým lepším LED spotřebovávají téměř dvojnásobek energie, jak ukazuje přiložená grafika srovnávající jejich efektivitu vyzařování.

Vyřazování bude probíhat posupně v několika fázích v závislosti na množství rtuti, výkonu a typu jednotlivých produktů. Na přiložených grafech můžeme vidět předpokládané úspory emisí CO₂ a především pak odhadované úspory rtuti v jednotkách metrických tun, kde vidíme výrazný pokles až o necelou polovinu během několika následujících let.

Tady v Evropě i v jiných rozvinutých ekonomikách nás vyřazení zářivek nejspíš nemusí zas až tolik překvapovat, neboť je už docela běžně nahrazujeme za světelné diody právě kvůli vyšší efektivitě i příjemnějšímu světu. Co už tolik nevidíme je, že například africký region s méně regulovaným trhem se naopak stal pro „naše“ rtuťové zářivky odbytištěm a významnou hrozbou pro tamější ekosystémy i veřejné zdraví.

Zdroj: ledsmagazine.com

Přední japonský výrobce světelných diod, který v minulosti již mnohokrát přispěl k výraznému posunu světelných technologií kupředu, ohlásil další novinku. Jsou jí „HPS color“ LED s velice nízkou hodnotou barevné teploty 1800 K a mají sloužit zejména jako alternativa k vysokotlakovým sodíkovým výbojkám.

Ve světě LED takové hodnoty nejsou nijak běžné. Stávající LED osvětlení zpravidla míří nejníže k teplotě chromatičnosti 2700 K („teplá bílá“), což odpovídá starým wolframovým žárovkám, které byly ještě před svým zákazem oblíbené právě pro své příjemně vřelé světlo. Nové přírůstky v sériích 757 a 19 jdou tentokrát ještě o krok dál ke zmiňovaným sodíkovým výbojkám. Ty se díky svým vlastnostem dodnes používají zejména v indoor pěstování a díky nízkému světelnému znečištění také v okolí astronomických observatoří. Takto teplé osvětlení se rovněž může hodit například do kempů, neboť tolik nepřitahuje hmyz.

Nové diody přináší ve srovnání s výbojkami a zářivkami mnoho výhod. Hlavním problémem výbojek je obsah rtuti, což se LED samozřejmě netýká. Dalším významným parametrem je životnost, která je u lepších výbojek přes 20 000 h, zatímco LED od Nichia zaručuje 60 000 h. Výrazný rozdíl najdeme také v indexu podání barev (CRI) kdy LED dosahuje hodnot nad 70 Rₐ, zatímco sodíková výbojka má pouhých 5 Rₐ (ilustrativní srovnání na obrázku).

Výbojky se také velmi dlouho rozžínají (přes 5 minut) i zhasínají, což sice v mnoha aplikacích nehraje podstatnou roli, znemožňuje to však například použití pohybových čidel v méně frekventovaných oblastech. Ohledně světelné účinnosti jsou na tom oba zdroje světla zhruba obdobně, nová řada LED většinou dosahuje účinnosti kolem 125 lm/W, výbojky mají jen o pár jednotek až desítek méně. Výjimkou je pouze jeden produkt v nižší výkonnostní třídě ~0,2 W, který se může pyšnit solidní účinností 170 lm/W.

Zdroje: ledinside.com, led-ld.nichia.co.jp

Holandská společnost Signify, majitel značky Philips, oznámila novou řadu LED osvětlení MASTER UltraEfficient s velmi vysokou energetickou účinností. Ta je až o 50 % vyšší ve srovnání s předchozími modely výrobce, jedná se tedy o velmi prudký skok. Dle nových energetických štítků EU (aktualizovaných v roce 2021) řada UltraEfficient dosahuje nejvyšší energetické třídy A (dříve A++).

Podívejme se na konkrétní parametry. Nová řada osvětlení se pyšní velmi vysokou energetickou účinností 210 lm/W, což znamená, že za každý jeden watt dodaného příkonu vydá LED žárovka 210 lumenů světelného toku. Přitom účinnost stávajících průměrných LED světel, zejména těch levnějších, se pohybuje zhruba kolem polovičních hodnot, což v současnosti odpovídá energetické třídě E nebo F. Malé historické okénko: klasické wolframové žárovky měly energetickou účinnost pouhých 10 lm/W, zatímco kompaktní zářivky kolem 60 lm/W.

V portfoliu řady UltraEfficent najdeme celou řadu LED zdrojů pro různé využití v domácnosti i na pracovišti. Ekvivalenty klasických 40 W žárovek mají díky vysoké účinnosti reálný příkon pouhých 2,3 W. U 60 W ekvivalentů jsou to 4 W a u nejvyšších 100 W ekvivalentů 7,3 W. Vybírat lze z různých barevných teplot od velmi teplých 2700 K (srovnatelné s klasickou žárovkou) po chladnou bílou 4000 K (vhodnější pro práci a soustředění). Některé LED zdroje jsou navíc i stmívatelné

V řadě UltraEfficient nalezneme především designová LED světla v čirých baňkách různých tvarů s filamenty (oranžová „vlákna“), objevují se tam ale i obyčejnější produkty s mléčně bílým povrchem.

Ačkoli oficiální oznámení nové řady přišlo teprve nyní, světla jsou již několik měsíců v prodeji. Ve srovnání s průměrnými LED zdroji se pochopitelně jedná o poněkud dražší záležitost, na druhou stranu ale výrobce kromě energetické úspornosti slibuje také nominální životnost 50 000 h, tedy až násobně více než u průměrných produktů (standardem bývá 15 000 h). Na konci životnosti by měla žárovka vydávat alespoň 70 % světelného toku. Index podání barev (CRI) je 80.

Zdroje: ledsmagazine.com, lighting.philips.cz

Obnovitelná energie – zejména ta sluneční a větrná – se často potýká se skepticismem ohledně její úschovy. Standardní akumulátory nejsou udržitelným řešením, neboť světové zásoby lithia jsou velmi omezené a jeho těžba je navíc devastující pro životní prostředí. Zlom by nyní mohl přinést probíhající výzkum inženýrů z MIT. Ti se namísto akumulátorů zaměřili na tzv. superkondenzátory z těch nejobyčejnějších a nejlevnějších materiálů – cementu a sazí. O svém počinu informovali v recenzovaném časopise PNAS, který vydává americká Národní akademie věd Spojených států amerických (NAS).

Kondenzátor je v principu jednoduché zařízení, které sestává ze dvou vodivých desek ponořených do elektrolytu a oddělených nevodivou membránou. Při napojení kondenzátoru na napětí se u desek akumulují pozitivně a negativně nabité ionty, čímž vzniká elektrické pole. Takto nabitý kondenzátor pak v sobě dokáže udržet oba náboje po dlouhou dobu. V případě velmi vysokých hodnot nábojů se mluví o superkondenzátorech.

Takový superkondenzátor výzkumníci z MIT vytvořili přimícháním uhlíku do betonové směsi. Použity byly saze, jež mají přirozeně vysokou vodivost. Ulíková příměs tvoří zhruba 3 % celkového objemu.  Při procesu zasychání pak hydrofobní uhlík utváří v materiálu zajímavé struktury podobné propojeným drátům. Tyto struktury jsou navíc fraktálové – na hlavních větvích se tvoří menší větve na kterých se pak tvoří ještě menší větvičky. Celkový materiál se pak namočí nějakým standardním elektrolytem, jako je chlorid draselný (draselná sůl). Pokud se nyní dvě masy tohoto matriálu oddělí tenkým izolantem, například vzduchem, vznikne výkonný a velmi levný superkondenzátor.

Betonový superkondenzátor velkých rozměrů by například mohl sloužit jako základy domu. Podle propočtů by sazemi dopovaný beton o velikosti 45 metrů krychlových mohl poskytnout kapacitu k uložení 10 kW/h energie. To je množství, které průměrně spotřebuje domácnost za den. Jestli je ale něco takového proveditelného i v praxi, to se teprve ukáže. Výzkumníci doposud své betonové kondenzátory demonstrovali jen v malém měřítku, kdy s nimi úspěšně rozsvítili třívoltovou LED. Podle nich je však tato technologie velmi dobře škálovatelná a postupně tak chtějí navyšovat velikost až k oněm obřím 45 metrům krychlovým.

Zdroje: led-professional.com, www.pnas.org

Jeden z největších výrobců osvětlovací techniky na světě ams OSRAM uvádí na trh dvě nové červené LED určené pro hortikulturu, tedy vnitřní pěstování plodin. Rakouská společnost tak slibuje lepší efektivitu osvětlení v tomto neustále se rozšiřujícím odvětví, které je energeticky poměrně náročné.

Rakouský výrobce nahrazuje své stávající čipy RM5 novou generací 660 nm RM6 Hyper Red. Vyzařovací efektivita (tj. efektivita konverze elektrické energie na energii světelnou) RM6 teď již dosahuje hodnoty 78,8 %. Dominantní vlnová délka je 640 nm s vrcholem na hodnotě 660 nm.

Podle vyjádření mluvčího společnosti tak nová generace RM6 přinese oproti své předchůdkyni až 18 % ušetření nákladů nebo zvýšení výstupu o 21 %. Ohlášená novinka přichází v době, kdy jsou světové ceny energií na vysoké hodnotě. Pěstitelé upouštějí od investic do nového osvětlení a hortikulutrní LED tak nyní zažívají výrazný pokles prodejů. To vede LED průmysl k tomu, aby vzdělával pěstitele a veřejnosti ohledně výhod hortikulturního osvětlení, které v budoucnu může hrát svou roli i v zajištění potravinové bezpečnosti.

Vedle nového čipu RM6 společnost Osram vypustila i novou hortikulturní LED 640 nm Optimal model s dominantní vlnovou délkou 630 nm. Různé vlnové délky mohou mít ve vnitřním pěstování různý efekt na výnosnost, stejně jako na prevenci houbových a bakteriálních infekcí. To je nyní předmětem mnoha výzkumů a testování.

Zdroj: ledsmagazine.com