تشكل المصابيح الموفرة للطاقة LED نقلة نوعية في مجال التقنية، مما كان له الأثر الإيجابي في انخفاض كمية الطاقة المستهلكة خصوصاً في المنازل كونها تجمع الألوان الأساسية التي تتطلب طاقة ضئيلة.
كما تتميز التقنية بأنه يتم من خلالها إصدار جميع الألوان عن طريق التحكم بكثافة اللون على انفراد, ولإصدار اللون الأصفر، ينخفض اللون الأزرق ويبقى الأحمر والأخضر، لتكون صور شاشات التلفاز بدقة أعلى، إضافة إلى أنه يمكن تركيب جميع الألوان عند دمج الألوان الأساسية ضمن الألوان الموجودة وهي الأزرق، الأخضر، والأحمر.
وقال باحث في مجال الطاقة الكهربائية لـ «اليوم»، إن إصدار الضوء من النقاط الكمومية المكونة من مادة الكادميم سيلينيد-كادميوم كبريتيد، تعد من أعلى الكفاءات المستخدمة إلى هذا اليوم، حيث إن كل الإلكترون في النقاط الكمومية تحول طاقتها إلى ضوء بدلا من تحويلها إلى طاقة أخرى كطاقة حرارية أو ذبذبات في داخل الذرات.
كفاءة إصدار الضوء
قال لـ «اليوم» الباحث السعودي في هندسة تقنية النانو في جامعة واترلو كندا، عبدالله بن سعود عباس: «إن كفاءة إصدار الضوء من النقاط الكمومية المكونة من مادة الكادميم سيلينيد-كادميوم كبريتيد (Cadmium Selenide-Cadmium Sulfide) تعد من أعلى الكفاءات إلى هذا اليوم.
وأضاف: إن كل الإلكترون في النقاط الكمومية تحول طاقتها إلى ضوء (بدل من تحويلها إلى طاقة أخرى كطاقة حرارية أو ذبذبات في داخل الذرات)، وهذه القدرة جعلت من هذا النوع من النقاط الكمومية الأشهر في تصنيع LEDs؛ مما جعل هذه المواد تستخدم في الأجهزة الحديثة كالتلفاز.
وزاد عباس: «إن الضوء له انبعاث حاد ويكون له لون محدد جدا، بعكس الرقائق أو المواد العضوية، فتلك تصدر انبعاثا يكون فيه اندماج بعض الألوان الأزرق مع قليل من الأخضر، ولم يقف العلماء بإيجاد حلول أخرى». وخلال عدة بحوث، تم تصنيع مصابيح تسمى Compact Fluorescents مشابه للنوع الأول ولكن تتطلب طاقة أقل بكثير (١٣-١٥ واط فقط)، وطريقة عملها مقارب، حيث يتم تمرير تيار عال جدا، خلال أنبوب يحمل مادتي الأرقون والزئبق (تكون بشكل بودرة)، وبهذا يتم تفاعل المواد لفترة بسيط ومن ثم ترجع إلى حالتها الطبيعية، وخلال رجوعها يتم إصدار الطاقة المكتسبة من التيار كضوء.
واسترسل: الآن المعروف أن «الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن يمكن تحويلها من صورة لأخرى»، ولكي يتم تفاعل المادتين، يجب تمرير تيار كهربائي عال جدا لكي يسخن النحاس بشكل كاف، ولذلك يبقى هناك تضيع للطاقة، حيث إن تكلفة استخدام ٣٠ مصباحا من هذا النوع يكلف تقريبا ٢٦٠ ريالا لكل عام، ومدة حياتها تقريبا سنة كاملة أكثر بكثير من النوع الأول.
وأكد أن معظم الناس والمنازل الحديثة يستخدمون هذا النوع من المصابيح، ولكن استخدام هذين النوعين من المصابيح سيتوقف خلال السنوات القادمة؛ بسبب اكتشاف نوع جديد من المصابيح أكثر جودة.
ومع تقدم التكنولوجيا وتصنيع أجهزة متطورة، تم اكتشاف طرق لتصميم المواد خلال الترسيب أو(deposition) كشرائح نحيفة جدا أو رقائق (thin film) مما أدى لاستخدام مواد صلبة (تجنبا للمواد بشكل بودرة)، وهذا النوع من المصابيح يسمى بالصمام الثنائي الباعث للضوء (أو LEDs, إل إي ديز)
المصابيح البيضاء والتيار
وتابع الباحث في هندسة الكهرباء: «من المعروف أن معظم المصابيح المتواجدة هي المصابيح البيضاء أو ما تسمى بـ Incandescent، وهذه المصابيح تتطلب مرور تيار عال خلال مادة موصلة كالنحاس، مما ينتج طاقة حرارية كافية يجعل النحاس يضيء، وهذه الطاقة تكون تقريبا ٦٠ واط (جوال الآيفون يحتاج ١٠ واط فقط ليشحن!)، مما جعل العالم يبحثون لحلول أخرى؛ لأن معظم الطاقة المقدمة (من القابس الكهربائي) تضيع كطاقة حرارية (وهذا هو سبب الحرارة العالية عند لمس المصباح).
وواصل «عباس» حديثه «علاوة على أن كفاءة هذا النوع من المصابيح تعد ضئيلة جدا، وتكلفة استخدام ٣٠ مصباحا من نفس النوع يكلف ما يقارب ١١٠٠ ريال لكل عام (او ٣٢٥ دولارا أمريكيا )، وزيادة على كل هذه التكلفة، مدة حياتها تقريبا ٥٠ يوما، وحتى لو كان سعرها منخفضا فإنها تسبب في الإسراف بالطاقة الكهربائية بشكل هائل».
وأبان، لم يقف العلماء عند إيجاد حلول أخرى خلال عدة بحوث، حيث تم تصنيع مصابيح تسمى Compact Fluorescents مشابهة للنوع الأول ولكن تتطلب طاقة أقل بكثير (١٣-١٥ واط فقط)، طريقة عملها مقاربة، حيث يتم تمرير تيار عال جدا خلال أنبوب يحمل مادتي الأرقون والزئبق، وبهذا يتم تفاعل المواد لفترة بسيط ومن ثم ترجع إلى حالتها الطبيعية من خلال رجوعها يتم إصدار الطاقة المكتسبة من التيار كضوء.
والمعروف أن «الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن يمكن تحويلها من صورة لأخرى» لكي يتم تفاعل المادتين، ويجب تمرير تيار كهربائي عال جدا لكي يسخن النحاس بشكل كاف، ولذلك يبقى هناك تضيع للطاقة، وتكلفة استخدام ٣٠ مصباحا من هذا النوع يكلف تقريبا ٢٦٠ ريالا لكل عام، مدة حياتها تقريبا سنة كاملة (أكثر بكثير من النوع الأول).
وأشار إلى أن معظم الناس والمنازل الحديثة يستخدمون هذا النوع من المصابيح، ولكن استخدام هذين النوعين من المصابيح سيتوقف خلال السنوات القادمة؛ بسبب اكتشاف نوع جديد من المصابيح، ومع تقدم التكنولوجيا وتصنيع أجهزة متطوره، تم اكتشاف طرق لتصميم المواد خلال الترسيب (أو deposition) كشرائح نحيفة جدا أو رقائق (thin film)؛ مما أدى لاستخدام مواد صلبة تجنبا للمواد بشكل بودرة، وهذا النوع من المصابيح يسمى بالصمام الثنائي الباعث للضوء (أو LEDs، إل إي ديز)
مرور التيار خلال الرقائق
وتابع «عباس»: «عند وضع رقائق بشكل معين وبمواد معينة، من الممكن تمرير تيار (مكون من الكترونات) خلال الرقائق ويتم اسقتطاب الالكترونات بمادة توجد في وسط الشرائح فتخسر الالكترونات طاقتها بشكل طاقة ضوئية (حالة تعرف بـ photon emission)، وبهذه الطريقة كل ما يحتاج هو مرور التيار ضئيل مقارنة للمصابيح الأخرى».
وتم اكتشاف LEDs من قبل العالم هنري جوزيف، عام ١٩٠٧، ولاحظ العالم أنه عند مرور التيار خلال الرقائق، أصدر ضوءا، ومن ذلك العام تم اكتشاف طرق لتصنيع LEDs لتنتج ألوانا متنوعة كالأحمر، الأخضر، البرتقالي، والأصفر، ومن المعروف أن الألوان الأساسية ضمن الألوان الموجودة هي الأزرق، الأخضر، والأحمر؛ لأنه عند دمج هذه الألوان الثلاثة من الممكن تركيب جميع الألوان.
وأضاف كانت هناك عقوبات واجهت العلماء لتصنيع اللون الأزرق، لأن المادة التي تنتج اللون الأزرق تتطلب طرقا معقدة جدا، ليتم ترسيبها بشكل رقائق ذات كريستال واحد (single crystal)، ومنذ اكتشاف الألوان الأخرى عام ١٩٧١، تم اكتشاف اللون الأزرق عام ١٩٩٣، حيث استغرق ما يقارب ٣٠ عاما وكان الاكتشاف من قبل العالم الياباني شوجي ناكامورا».
وقال باحث الطاقة «عباس»: «اكتشف الياباني شوجي أنه باستخدام جهاز Molecular Beam Epitaxy (جهاز مختص بتصنيع رقائق تحت حرارة وضغط معين، ويكلف الجهاز المليون دولار أمريكي أو أكثر)، ومن الممكن تكوين الرقائق بشكل كريستال واحد تحت حرارة وضغط معين».
واسترسل: بعد عامين بدأ بيع اللون الأبيض في السوق، وساهم هذا الاكتشاف في تغير الاقتصاد العالمي مما أدى لتقديم جائزة نوبل للعالم شوجي ناكامورا عام ٢٠١٤ لاكتشافه لـ LED الأزرق، باستخدام المصباح الأبيض المصنع من الإل إي دي يستخدم تقريبا ٦-٨ واط فقط مما يكلف خلال عام كامل مبلغ تقريبا ١١٢ ريالا أو(٣٢ دولارا أمريكيا)، وعلاوة على ذلك مدة حياتها خمس إلى ست سنوات، حيث شكل فرقا كبيرا عن المصابيح التقليدية.
استخدام إل إي دي كمصباح
وزاد: «لم يتوقف استخدام الـ إل إي دي فقط كمصباح، ولكن تم استخدامها في الشاشات (كشاشات التلفاز والأجهزة المحمولة)، وهذا أيضا أدى إلى انخفاض كمية الطاقة المستهلكة، لأن بجمع ثلاثة الألوان الأساسية (التي تتطلب طاقة ضئيلة)، يتم إصدار جميع الألوان عن طريق التحكم بكثافة اللون على انفراد لإصدار اللون الأصفر، ينخفض اللون الأزرق ويبقى الأحمر والأخضر. وبعد اكتشاف هذه الرقائق (والتي تعد بحجم الميكروميتر) بدأ استخدام بعض المواد العضوية بدلا من استخدام الرقائق لأن تصنيع الرقائق (خاصة اللون الأزرق) يتطلب معامل مخصصة وأجهزة تكلف ما يقارب مليون دولار أو أكثر.
وشدد «عباس» على أن كل ما يتطلب باستخدام المواد العضوية هو مواد كيميائية ومعامل بسيطة لتركيب المواد وترسيبها بطرق سهلة، وشركة سامسونج هي من أوائل الشركات التي أدخلت الـ إل إي دي المصنعة من المواد العضوية في أجهزة التلفاز والجوالات باستخدام المواد العضوية، حيث كانت مساهمة في تخفيض تكلفة استهلاك الطاقة الكهربائية ولكن مدة حياة المواد العضوية تعد أقل من الرقائق، وذلك بسبب عدم استقرار المواد العضوية عند وجود حرارة أو ضوء لفترة طويلة.
وزاد: هنا تأتي قدرة تقنية النانو بالتلاعب بخصائص المواد، والنانو وحدة قياس متري بحيث 1 نانومتر يساوي 1 جزيء من البليون من المتر (أو جزيء من المليون من الميليمتر)، وعند تقليص المواد إلى الحجم النانوي، تختلف خواص المواد بشكل عظيم من ناحية فيزيائية (مثلا: لون الذهب يصبح أحمر عندما يكون قطر الجسيم النانوي للذهب 10 نانومتر).
ومن ناحية كيميائية (مثلا: يزداد معدل التفاعل للجسيمات النانوية بشكل كبير مقارنة بالمواد السائبة أو الكبيرة)، ومن المواد النانوية مشهورة الاستخدام في تصنيع مثلا الخلايا الشمسية والـ LEDs تعرف بالنقاط الكمومية (Quantum Dots), ومن أهم ميزات النقاط الكمومية أنه يمكن التلاعب بقطرها بحيث يتم امتصاص موجه معين من الضوء، وعند امتصاص الضوء، تكتسب الإلكترونات طاقة ومن ثم تخسرها كضوء بموجة معينة».
إصدار الضوء من النقاط الكمومية
وقال «عباس»: كل ذلك حفز الباحثين وأنا منهم للبحث في هذا المجال، حيث إن كفاءة إصدار الضوء من النقاط الكمومية المكونة من مادة الكادميم سيلينيد-كادميوم كبريتيد (Cadmium Selenide-Cadmium Sulfide) تعد من أعلى الكفاءات إلى هذا اليوم، حيث إن كل الإلكترون في النقاط الكمومية تحول طاقتها إلى ضوء (بدلا من تحويلها إلى طاقة أخرى كطاقة حرارية أو ذبذبات في داخل الذرات).
وأكد أن هذه القدرة جعلت من هذا النوع من النقاط الكمومية الأشهر في تصنيع LEDs، مما جعل هذه المواد تستخدم في الأجهزة الحديثة (كالتلفاز من شركة سامسونج Super Ultra High Definition (SUHD) TV) هو أن الضوء له انبعاث حاد بحيث يكون له لون محدد جدا (بعكس الرقائق أو المواد العضوية، فتلك تصدر انبعاثا يكون فيه اندماج بعض الألوان الأزرق مع قليل من الأخضر).
تنقل الإلكترونات بين النقاط الكمومية
وأشار «عباس» قائلا: «حاليا أبحث في دراسة تنقل الإلكترونات بين النقاط الكمومية، لنتحكم بسرعة اصدار الضوء من النقاط الكمومية، مع مجموعة باحثين بجامعة كاليفورنيا بيركلي بأمريكا تحت إشراف البروفسور بول أليفساتس المشهور لاكتشافه النقاط الكمومية (مع البروفيسور لويس برس) عام ١٩٨٥ ميلادي، مع أنه لم يتم وضع LEDs المصنعة من النقاط الكمومية في السوق ولكن في السنوات القادمة سيتم إصدارها وسيكون سوقها عاليا جدا لكفاءتها العالية، لاستقرارها لسنوات عدة، وقلة استهلاكها للطاقة الكهربائية «.
وأوضح «عباس»: «الطاقة الكهربائية تعد من أهم الطاقات (كالطاقة الميكانيكية والكيميائة) المتواجدة في الطبيعة بدون الطاقة الكهربائية، لكنا نعيش في ظلام دامس خلال غياب الشمس.
وتم اكتشاف المصباح الكهربائي عام ١٨٧٩ ميلادية من قبل العالم طومس اديسون، وهناك اعتقادات أنه تم اكتشافه من قبل ذلك، ولكن المهم في الموضوع أنه تم اكتشاف المصباح وجعل يستخدم للجميع, حيث كان العالم طومس اديسون يختبر إنتاج الطاقة الكهربائية من خلال استخدامه لمصباح ضوئي.
واكتشف أنه عند مرور تيار كهربائي، والتيار هو حركة الالكترونات خلال أسلاك موصلة كالنحاس بواسطة أسلاك موصلة إلى المصباح، حيث لاحظ أنه ينتج ضوءا وكلما كان التيار أقوى، كان الضوء أقوى، ومن حين اكتشاف المصباح الكهربائي، كانت هناك عدة أبحاث، ولا تزال حتى اليوم لتطوير فعالية المصباح وتخفيض قيمة».
عبدالله عباس يقوم بدمج الألوان الأساسية لتركيب جميع الألوان
توليد الطاقة الكهربائية مهم جدا لتحقيق الرفاهية
