Fialové čipy technológie LED vnášajú do domu slnečné svetlo

Zvykli sme si pozorovať objekty za slnečného svetla i v rôznych formách umelého osvetlenia, predsa však iba slnečné svetlo je z hľadiska svetelného priemyslu považované za dokonalý zdroj svetla. Slnko vyžaruje svetlo v širokom spektre, od fialovej cez zelenú a žltú až k červenej, ktorých vzájomná kombinácia v nás vytvára dojem bieleho svetla. Napriek tomu, že je pravdou, že počas dňa mení slnko z pohľadu pozorovateľa svoju farbu v závislosti od svojej aktuálnej polohy na oblohe, je tento jav spôsobený iba rozptylom svetla v atmosfére, takže v skutočnosti k žiadnym zmenám v spektre vyžarovaného svetla nedochádza.

Pokiaľ ide o vnímanie farieb, už pred 40 rokmi bol zavedený tzv. index podania farieb (Colour Rendering Index - CRI), ktorý slúži ako ukazovateľ kvality svetla emitovaného zdrojom, napríklad lampou. Hodnota CRI rovnajúca sa 100 znamená dokonalú reprodukciu farieb, ktorá je porovnateľná s tým, keď na pozorovaný objekt dopadajú slnečné lúče. Napríklad volfrámové halogénové lampy majú CRI 100, ale na úkor veľmi malej účinnosti, pretože väčšina energie, ktorú spotrebujú, je použitá na produkciu tepla a nie svetla.

Národný inštitút štandardov a technológií (NIST) neskôr definoval nový parameter Color Quality Scale (CQS), ktorý je presnejšou alternatívou CRI ako ukazovateľ kvality svetla. CQS sleduje, akým spôsobom svetlo osvetľuje 15 štandardizovaných pastelových farieb, na rozdiel od ôsmych farieb, s ktorými pracuje CRI. CQS sa používa na prekonanie nepresností CRI systému, ktorý nedokáže príliš dobre predpovedať sýtosť farieb, na ktorú je ľudské oko najcitlivejšie. Aj napriek tomu ale CRI zostáva naďalej najpoužívanejším parametrom na vyjadrenie kvality svetla.

Môže byť kvalitné svetlo zároveň úsporné?
S tým, ako svet smeruje k obmedzeniu energetickej spotreby a emisií CO2, rastie dopyt po energeticky úsporných zdrojoch svetla. Stále častejšie predpisy vyžadujú, aby sa do nových budov inštalovali výhradne energeticky úsporné svetlá. Firmy a spotrebitelia čeliaci špirále účtu za energie taktiež očakávajú vyššiu účinnosť od komerčného i domáceho osvetlenia.

V uplynulých rokoch sa hojne ujali kompaktné žiarivky, z ktorých niektoré dosiahli relatívne vysoké hodnoty CRI. I napriek tomu ale trpia množstvom nedostatkov: najmä pomalým zahrievacím časom (ktorý sa navyše postupným opotrebovaním predlžuje) a prítomnosťou ortuti v ich konštrukcii. Ortuť je silne jedovatý ťažký kov, ktorý predstavuje nebezpečenstvo zvlášť po tom, keď žiarivka dosiahne koniec svojej životnosti.

Zmienené nedostatky viedli k rapídnemu rozvoju nových druhov osvetľovacích systémov, vrátane LED lámp. LED lampy sa rýchlo vypínajú a zapínajú, sú až päťnásobne účinnejšie než konvenčné typy žiaroviek a majú veľmi dlhú životnosť – až 50 tisíc hodín pri normálnych prevádzkových podmienkach. Tieto výhody  viac než kompenzujú vyššie počiatočné náklady na ich zaobstaranie.

Obrázok č. 1: Biele svetlo je simulované použitím modrého LED čipu pokrytého žltým fosforom

LED, alebo diódy emitujúce svetlo, sú polovodičové čipy, ktoré priechodom elektrického prúdu vytvárajú svetlo, a to spravidla veľmi efektívne. Prvé rozšírené LED čipy mali červenú farbu, takže sa používali hlavne ako indikátory stavu v elektronických zariadeniach. Dnešné LED lampy na všeobecné osvetlenie simulujú biele svetlo. Biele svetlo obsahuje kompletné spektrum farieb viditeľných ľudským okom. LED lampy vytvárajú vernú napodobeninu bieleho svetla dvoma spôsobmi. Prvým z nich je kombinácia výstupov červeného, zeleného a modrého LED čipu v rámci jedného zariadenia, ktoré produkuje svetlo. Táto metóda je však trocha zložitá a nákladná. Druhý spôsob, ktorý sa dnes používa najbežnejšie, je vytvorenie LED čipu produkujúceho modré svetlo a jeho pokrytie vrstvou žltého fosforu (pozri obrázok č. 1), ktorá dokáže posunúť spektrum vyžarovaného modrého svetla tak, že vyzerá ako biele.

 LED lampy vyrobené touto procedúrou dosahujú hodnotu CRI okolo 80, čo je prijateľný výkon pre mnoho druhov použitia, napriek tomu, že chýba výstup v zelenej a červenej časti spektra (pozri obrázok č. 2). To môže napríklad vyvolať jav, že sa červené jablko javí príliš monotónne, až takmer dohneda, keď je touto LED lampou osvetlené. Podobný jav môžeme pozorovať aj pri koži, čo môže vyvolať až nelichotivý dojem.

Malý krok vo vlnovej dĺžke, veľký skok v CRI
Obrázok č. 2: Slabý zelený a červený výstup lámp založených na modrom LED čipe narúša naše vnímanie farieb pri takto osvetlených predmetoch

V súčasnosti sa už začínajú objavovať na trhu LED lampy s CRI až 98. Tie sú založené na princípe fialového čipu, ktorý produkuje svetlo s približne o 10 % kratšou vlnovou dĺžkou než modré čipy. Produkciou fialového svetla s čipmi postavenými na substráte nitridu gália pokrytého vrstvou červeného, zeleného a modrého fosforu (pozri obrázok č. 3) vynašla firma Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) unikátnu metódu, ako vytvoriť svetlo porovnateľné so slnečným svitom. Táto technológia sa nazýva VxRGB.

 Pre ľudské oko je prakticky nemožné rozlíšiť medzi týmto svetlom a slnečným svitom. Je to dané tým, že svetlo vytvárané touto metódou obsahuje široké spektrum farieb (pozri obrázok č. 4) a zároveň sú jednotlivé farby vyvážené naprieč celým spektrom.

Laditeľné biele svetlo
Obrázok č. 3: Fialový LED čip pokrytý vrstvou ‘VxRGB’ prostredníctvom červeného, zeleného a modrého fosforu dosahuje hodnotu CRI viac ako 90

Ďalšou charakteristikou bieleho svetla je farebná teplota, ktorá je definovaná v stupňoch Kelvina (K). Tá sa vzťahuje na zjavnú farbu svetla ako takého a nie na jeho schopnosť verne zobrazovať farby. LED lampy a iné úsporné lampy sú spravidla popisované slovami „teplá biela“ a „studená biela“. Teplá biela je ľahko žltkastá až červenkastá a jej teplota je medzi 2700 K a 3000 K. Naproti tomu studená biela presahuje 5000 K a je ladená ľahko do modra.

 V niektorých situáciách je žiaduca možnosť ladiť teplotu bieleho svetla, rovnako ako sýtosť farby. Maloobchody, múzeá, kancelárie, pohostinské či zdravotnícke zariadenia, divadlá a pod., to všetko sú miesta, kde ľudia ocenia flexibilitu laditeľného svetla. Dokonca i v domácnosti vám môže prísť vhod studené svetlo počas odpoludnia na osvetlenie pracoviska, zatiaľ čo k večeru dáte prednosť teplejšiemu svetlu na navodenie relaxačnej atmosféry.

Obrázok č. 4: Fialový čip vyvinutý firmou MCC produkuje svetlo širokého spektra
Budúce osvetľovacie systémy Verbatim založené na technológii VxRGB vyvinuté materskou spoločnosťou MCC ponúknu túto flexibilitu použitím doplnkových elektronických riadiacich obvodov. Dôležité je, že vysoké hodnoty CRI dokážu byť zachované naprieč celou škálou farebných teplôt, a rovnako tak je zachovaná i úroveň osvetlenia (meraná v lúmenoch). Tieto lampy bude navyše možné stmievať bez toho, aby tým utrpelo CRI. Túto dosiaľ nevídanú flexibilitu ocenia najmä profesionálni osvetľovači, ktorí môžu vytvoriť „slnečný svit vnútri“ a dokonca i napodobniť zmenu dopadu slnečných lúčov v priebehu celého dňa.