Enemmän valoa

Led on lyhenne sanoista light-emitting diode, valoa antava diodi. Se on puolijohdekomponentti, jossa kerrosrakenteet on suunniteltu ja rakennettu niin, että sen lävitse kulkeva sähkövirta saa aikaan värillistä valoa. Yksinkertaista?

– Se, että saat kotiisi lampun, joka toimii ledeillä ja hohtaa kivaa valoa, on monta kertaa monimutkaisempi juttu kuin valmistaa hehkulamppu, jossa on vain yksinkertainen metallilanka, professori Filip Tuomisto oikaisee.

Yksi mutkista on ihmissilmää miellyttävän valkoisen valon tuottaminen. Fysiikan Nobelilla hiljattain palkittujen Isamu Akasakin, Hiroshi Amanon ja Shuji Nakamuran 1990-luvulla kehittämä sininen led on hyvä alku, mutta se ei yksin riitä.

– Ideaali olisi yhdistää sininen jo aiemmin kehitettyyn punaiseen ja vihreään. Vihreät ledit eivät kuitenkaan ole riittävän tehokkaita, joten on keksittävä muuta, Tuomisto kertoo.

Nykyään valkoinen valo toteutetaan niin, että sinisen ledin päälle tulee fosforikerros, joka muuttaa osan sinisestä valosta punaiseksi ja keltaiseksi. Kolmen värin yhdistelmä näyttää valkoiselta, mutta samalla valoa menee hukkaan ja hyötysuhde heikkenee.

– Tehokkaan vihreän ledin kehittäminen tekisi fosforin tarpeettomaksi.Toinen haaste on selvittää, miksi ledien teho heikkenee tietyn virrantiheyden ylittyessä. Kolmas liittyy puolestaan siihen, miten puolijohdemateriaalissa syntyvä valo saadaan mahdollisimman tehokkaasti ulos. Ratkaisua voi etsiä kikkakolmosilla. Tai sitten pitää oikeasti ymmärtää, miksi led käyttäytyy tietyllä tavalla, miksi sillä on tietyt optiset ja sähköiset ominaisuudet, Tuomisto selittää.

Atomien tarkkuudella

Ledin ymmärtäminen vaatii materiaalien tarkkaa tuntemista. Filip Tuomisto tutkii erityisesti puolijohdemateriaalien pistevirheitä, eli poikkeamia niiden atomitason rakenteessa.

– Jokin atomi voi puuttua tai olla väärässä paikassa, ja nämä virheet määrittävät pitkälti puolijohteen ja siten myös ledin ominaisuudet, hän selittää ja nostaa tärkeimmäksi vakanssivirheiden, eli puuttuvien atomien, tutkimusmenetelmäksi positroniannihilaatiospektroskopian.

Atomitason kidevirheille, niiden laadulle ja määrälle poikkeuksellisen herkkää menetelmää alettiin kehittää Otaniemessä jo vuonna 1958, ja puolessa vuosisadassa on otettu jättiharppaus eteenpäin.

– Olemme maailman ykkösiä menetelmän kehittämisessä sekä käytössä, ja tehneet sen kanssa yhteistyötä muun muassa tuoreiden nobelistien kanssa, Tuomisto hymyilee.

Materiaalitutkimuksen lisäksi Aalto-yliopisto panostaa myös ledien valmistusmenetelmien ja rakenteiden tutkimiseen. Ensimmäiset reaktorit hankittiin 1990-luvulla, ja infrastruktuuria on parannettu sen jälkeen mittavilla laiteinvestoinneilla. Aalto onkin Suomessa ainoa paikka, jossa on mahdollista valmistaa led-komponentteihin tarvittavia puolijohdemateriaalikerroksia alusta loppuun asti.

– Kun aloitin väitöskirjan tekemisen vuonna 2004, meitä oli pari kaveria puuhailemassa sinisten ledien kanssa. Nyt meillä on Micronovassa koossa porukka, joka pystyy kontrolloimaan koko ketjun kaasupullosta aina valmiiseen lediin asti ja tekemään töitä maailman huippujen kanssa, Amanon ja Nakamuran tutkimusryhmissä työskennellyt tutkija Sami Suihkonen kertoo.

Iso riski, iso mahdollisuus

Sekä Tuomisto että Suihkonen painottavat, miten tärkeää on, että ledien kehittämiseen tarvittava monipuolinen osaaminen ja tekniikka löytyvät saman katon alta.

– Monet kokeet jäisivät tekemättä ilman tiivistä yhteistyötä, Sami Suihkonen kiteyttää.

– Meidän ei tarvitse tyytyä tutkimaan valmistajien ledejä, vaan voimme tehdä niitä itse ja siksi kokeilla myös eksoottisempia rakenteita, Tuomisto lisää.

Viime vuosina Aallon tutkijat ovat selvittäneet muun muassa, mistä käytön aikainen komponenttien heikkeneminen johtuu. Heikkeneminen on merkittävä ongelma paitsi ledeissä myös laserdiodeissa, joita käytetään esimerkiksi blu-ray-levyissä.

– Nitridimateriaaleille tekemämme kokeet osoittavat, että syy löytyy vakanssivirheisiin varastoituneesta ylimääräisestä vedystä. Kun laserdiodiin johdetaan riittävän paljon virtaa, vety lähtee liikkeelle ja aikaisemmin harmittomat vakanssivirheet alkavatkin heikentää materiaalin ominaisuuksia.Tutkimustulos on niin merkittävä, että se uutisoitiin myös alan kansainvälisissä ammattilehdissä, Filip Tuomisto kertoo.

Voisiko tehokas vihreä ledikin syntyä juuri Aallossa?

– Tietenkin voi, mutta ei se hirveän todennäköistä ole, Tuomisto ja Suihkonen nauravat.

– Toisin kuin yritysmaailmassa, meillä on mahdollisuus kokeilla monimutkaisia juttuja ja korkean riskin ideoita. Onnistumisen todennäköisyys on pieni, mutta jos kaikki menee nappiin, voimme saavuttaa todella suuria asioita.

Positiivinen kierre

Led on hehkulamppua ja loisteputkea energiatehokkaampi ja kestävämpi vaihtoehto, mutta siihenkin liittyy ympäristöhaasteita. Yksi niistä on ylikuumenemisen estävä jäähdytyselementti, jonka materiaalina käytetään yleensä alumiinia. Sen valmistaminen ja prosessointi kuluttaa luonnonvaroja ja vie runsaasti energiaa.

– Jos pystymme valmistamaan tehokkaampia ledejä, saman valomäärän tuottamiseen tarvitaan vähemmän sähköä, jolloin kuumeneminen vähenee ja myös alumiinia tarvitaan vähemmän, Sami Suihkonen selittää.

Kodeissa ledit ovat jo yleisiä, mutta toimistoissa, kaupoissa ja kaduilla hohtavat vielä loistelamput ja halogeenit. Syy tähän on raha. Kun hankinnan ja käytön kulut lasketaan yhteen, ledin ero esimerkiksi loisteputkeen on niin pieni, ettei vaihtaminen ole taloudellisesti kannattavaa. Siksi myös edullisempien valmistusmenetelmien kehittäminen ledeille on tärkeää.

– Jos ledien hinta saadaan vähänkin alaspäin, tilausmäärät kasvavat, jolloin valmistuksesta tulee tehokkaampaa ja hinnat laskevat entisestään. Syntyy positiivinen kierre, jonka ansiosta valaistuksen sähkönkulutus pienenee, Suihkonen maalailee.

Kyse on globaalistikin isosta asiasta: valaistus nielee arviolta viidenneksen maailmassa tuotetusta sähköstä. Ledien avulla kulutus on mahdollista nipistää murto-osaan nykyisestä.

– Energiankulutusta pitää vähentää kaikilla sektoreilla, jotta pystymme jatkossakin elämään tällä planeetalla, Filip Tuomisto muistuttaa.

Artikkeli on alun perin julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 12 (issuu.com).