LED`lerin Spektrofotometride Kullanımı - MEMD

LED’lerin Spektrofotometride Kullanımı
Hüseyin Galip Yurttaş, Sercan Özdumanlar, Göknur Cambaz Büke, Celal Zaim Çil, [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected], Çankaya Üniversitesi,
Öğretmenler Cad. No:14, Yüzüncüyıl 06530 Balgat, Ankara, Türkiye
Özcan Kamışlı, [email protected], EKON Kontrol Sistemleri, İstanbul Yolu 14. Km Gersan San.
Sitesi, 2307. Sk. 1 No.28,06370 Ergazi, Ankara, Türkiye
A. Mithat Ertuğ, [email protected], EMGE, Ahi Evran Cad. 1211. Sk. No.14, 06370 Ostim, Ankara, Türkiye
Işık yayan diyotların (Light Emitting Diode-LED) ışık yayma modunda verici olduğu, fotodiyot veya güneş pili
modunda alıcı olduğu bir düzenek oluşturularak LED’lerin çeşitli ışık şiddetleri altında ürettikleri fotoakım
değerleri ölçülmüştür. Bu fotoakım değerleri verici ve alıcı LED’lerin yaydıkları ve hassas oldukları
dalgaboylarına ve ışık şiddetlerine göre karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada yapılan ölçümler değerlendirildiğinde,
LED’lerin düşük maliyetli spektrometrelerde ve spektrofotometri uygulamalarında kullanılabileceği
gösterilmiştir.
Anahtar kelimeler : LED, spektrometre, fotodiyot, fotoakım, spektrofotometre
1. Giriş
Spektrofotometri, genellikle bir malzemenin yansıma ya da geçirim özelliklerinin kantitatif ölçümünde kullanılır.
Spekrofotometride kullanılan spekrofotometre, gelen ışık yoğunluğunu dalgaboyunun fonksiyonu olarak ölçen
cihazdır. Genel olarak bir spektrofotometrede gerçekleşen olaylar dizisi kısaca şöyledir: Öncelikle bir ışık
kaynağı, test edilecek olan numunenin üzerine tutulur. Bu ışığın bir kısmı numuneden geçer bir kısmı ise geri
yansır. İncelenecek olan ışık (geçen veya yansıyan) bir monokromatörden (örneğin ışık filtresinden) geçirilir.
Monokromatör bu ışığı farklı dalga boylarına ayırır ve herbir dalga boyu işlenmek üzere fotodetektörler dizisi
(Charged coupled device-CCD, veya başka bir ışık sensörünün) üzerine iletilir.
Son zamanlarda LED’lerin ışık kaynağı olarak kullanılması [3] haricinde yeni kullanım alanları da çalışılmıştır
[4, 5, 6]. LED’lerin ışık kaynağı yerine dalga boyu seçici foto detektör olarak kullanımı şimdilik çok bilinen bir
çalışma olmasa da güzel bir mühendislik örneğidir. LED’lerin optik alıcı olarak çalışma ilkesi foto diyotlarla
benzerlik göstermektedir. Bununla birlikte LED’ler düşük maliyeti, küçük boyutu ve dayanıklılığı ile foto
diyotlara göre bazı avantajlara sahiptir. Alıcı LED’ler foto diyotlar gibi tıkanma yönünde kutuplamaya (reverse
biased) ayrıca dalga boyu seçiciliği için de herhangi bir filtreye ihtiyaç duymazlar ancak LED’ler alıcı modda
foto diyotlara göre düşük anahtarlama hızına sahiptir. Bazı araştırma grupları[7-10] güneş ışığı ve atmosferle
ilgili ölçümlerinde LED’lerin optik alıcı özelliğini kullanmışlardır. LED’in optik alıcı olarak kullanımı ve bu
alandaki performans karakteristiğini gösteren araştırmalar da mevcuttur [11].
LED alıcıların ızgara (lens) tabanlı veya Fabry-Perot filtre tabanlı tayf alıcılara oranla dalga boyu hassasiyeti
daha düşüktür. Uzaktan kontrol (remote sensing) gibi bazı belli başlı uygulamalar belirli bir bant aralığında dalga
boyu seçiciliğine ihtiyaç duyarlar. Ayrıca LED’lerin hammaddesi olan yarı iletkenlerin çok fazla çeşidinin
olması [3] LED’in istenilen bant aralığında üretilmesini kolaylaştırmaktadır.
Bu çalışmanın temel amacı, LED’lerin spektrometrede kullanım uygunluğunun araştırılmasıdır. Bu bağlamda
LED’ler hem monokromatik ışık kaynağı, hem de geçen veya yansıyan ışığın analizinde ışık sensörü olarak
düşünülmüştür. Bu çalışmada, kolaylıkla bulunabilen, farklı bant aralıklarında çalışan 6 çeşit LED kullanılmıştır.
Yukarıda belirtildiği gibi LED’lerin ihtiyaç duyulan bant aralıklarında üretilebilmesi, ileride LED’lerin optik
alıcı olarak kullanımını yaygınlaştıracaktır.
2. Deneysel Ölçümler
Bu çalışmada piyasada kolaylıkla bulunabilen 5 mm, yuvarlak, şeffaf lensli LED’ler kullanılmıştır. Alıcı ve
verici olarak kullanılan LED’ler aynı özelliklere sahiptir. Kullanılan LED’lerin dalga boyları ve üretici firmaları
Tablo 1 de verilmiştir.
Tablo1. Kullanılan LED’ler ve dalga boyları
Renk
Dalga Boyu (nm)
Üretici Firma
Kızılberisi
940
HB-LED
Kırmızı
630
HI-LED
Amber
605
WENRUN
Yeşil
525
HI-LED
Mavi
465
WENRUN
Mor
400
WENRUN
LED’lerin alıcı modda ışığa gösterdikleri tepki kısa devre fotoakımı ve açık devre foto gerilimi olmak üzere iki
şekilde incelenmiş, alıcı LED’lerin şiddeti değişen ışık kaynağı altında üzerlerinden geçen akım ölçülmüştür.
Işık kaynağı olarak gün ışığı renk veren LED dizisi kullanılmış, bu ışık kaynağının değişen ışık şiddeti ise
fotometre (Delta OHM phot probe) ile ölçülmüştür (Şekil 2). Aynı şekilde tek bir dalgaboyuna yakın bir dalga
boyunda ışık veren Tablo 1’de belirtilen verici LED’lerin ışık şiddeti(W/m2) – akım (mA) grafiği (Delta OHM
rad probe) radyometresi kullanılarak ölçülmüştür. Bu ölçümde fotometre yerine radyometre kullanılmasının
sebebi verici LED’ler arasında görünür ışık spektrumu (tayfı) içinde yer almayan kızılberisi ışık kaynağının
bulunmasıdır. Bilindiği üzere, fotometre tayftaki görünebilen bölgeye duyarlıyken, radyometre tüm tayftaki
ışıklara duyarlıdır.
Alıcı bir LED’in tüm tayfdan seçilen farklı LED’lere karşı hassasiyetini görmek için Şekil 1 de gösterilmiş olan
deney düzeneği tasarlanmış ve bu düzeneğe, aynı özelliklere sahip alıcı ve verici LED’ler karşılıklı olarak
yerleştirilmiştir. LED’ler arasındaki uzaklık ve LED’lerin yüksekliği sabitlenmiş, böylece geometrik
değişiklerden kaynaklanabilecek hataların önüne geçilmiştir. Ayrıca alıcı ve verici LED’ler arasına bir kılavuz
koyularak, gönderilen fotonlar dış etkilerden korunmuştur. Devrede bulunan anahtarlama (switch) sayesinde tüm
LED’ler birebir alıcı ve verici olarak kullanılmıştır. Alıcı LED’lerin kısa devre fotoakım değerleri nano-mikro
amperler seviyesinde olduğundan küçük akım değeri büyük bir direnç (1Mohm) üzerinden geçirilerek kısa devre
fotoakım değerine doğru orantılı gerilim değerleri alınmıştır.
Şekil1. Ölçümlerde kullanılan LED’ler ve deney düzeneği
3. Bulgular ve Değerlendirmeler
Fotometre ile ölçülen ışık şiddeti(lux)-fotoakım (mA) grafiği Şekil 2 de gösterilmiştir. Bu grafik LED’lerin
değişen ışık şiddeti altında kısa devre fotoakımının doğrusal olduğunu göstermekte olup, bu konuda yapılan
diğer çalışmalarla uyumludur [2]. Açık devre foto geriliminin ise ışık şiddetine doğrusal olarak bağlı olmadığı
daha önceki yapılan çalışmalarda gösterilmektedir [2]. Bu nedenle bu çalışmada doğrusal olmayan açık devre
gerilimi, normalizasyona uygun olmadığından ölçümlerde kısa devre fotoakımı kullanılmıştır.
Şekil 2. Alıcı LED’lerden farklı ışık şiddetlerinde(gün ışığı LED) geçen kısa devre foto akım değişimi
Seçilen verici LED’ler ışık tayfında yalnızca altı farklı dalga boyunda ışık yayabildiği için yapılan ölçümler
dalgaboyuna bağımlılık açısından yeterli çözünürlüğe sahip değildir. Bu nedenle alıcı LED’ler ile yapılan
ölçümlerdeki normalizasyon işlemi yanıltıcı sonuçlar verebilmektedir. Bu sorunu giderebilmek için
normalizasyon işlemi verici LED’lerde yapılmıştır. Verici LED’lerin akımları kontrol edilerek aynı ışık şiddetini
yaymaları sağlanmıştır (Şekil 3). Verici LED’ler, Şekil 3’te gösterilen grafikten belirlenen sabit ışık şiddetini
(6W/m2) verecek akımlarla çalıştırılmıştır.
Şekil 3. Verici LED’lerin akım(mA) - ışık şiddeti(W/m2) grafiği
Ölçümler sırasında verici LED’lerin profil etkilerinden ve saçılımlarından kaynaklanan farklılıkları minimize
etmek için Şekil-1’de gösterildiği gibi bir ışık hüzme kılavuzu kullanılmıştır. Bu kılavuz, dışarıdan ışık
geçirmemekle birlikte içeride de beyaz yüzeyi sayesinde daha fazla sayıda fotonun alıcı LED’e ulaşmasını
sağlamaktadır. Kılavuzla yapılan ölçümlerde kılavuzsuz ölçümlere göre yaklaşık iki kat fazla akım değerleri elde
edilmiştir (Şekil 4).
Şekil 4. Alıcı Kızılberisi LED’den ölçülen kılavuzlu ve kılavuzsuz foto akım değerleri
LED’lerin akım - gerilim grafiği Şekil 5a’da verilmiştir. Verici LED’ler 1. bölgede çalışırken, alıcı LED’ler 3.
veya 4. bölgede çalışmaktadır. 3. bölge fotodiyot, 4. bölge güneş pillerinin çalışma bölgesidir. Alıcı LED’lerin 3.
veya 4. bölgede çalışmasını tıkama yönünde kutuplama olup olmadığı belirler. Eğer tıkama yönünde kutuplama
varsa 3. Bölgede, yoksa 4. bölgede çalışır. Bu iki metot arasındaki farkı gözlemlemek için yapılan ölçümlerde
tıkama yönünde kutuplama gerilimi olarak 5 Volt uygulanmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda tıkama yönünde
kutuplama gerilimi uygulandığında fotoakımı yaklaşık 10nA daha fazla elde edilmiş olmakla birlikte iki metotta
da benzer sonuçlar gözlenmiştir (Şekil 5b).
Şekil 5. a) Diyot akım – gerilim karakteristiği
b) Kızılberisi LED’in ters besleme gerilimine göre fotoakım
değişimi
Kılavuz kullanarak verici LED’lerle alıcı LED’lerin bire bir aydınlatılması sonucu elde edilen kısa devre
fotoakım değerleri Tablo 2’de ve Şekil 6’da verilmiştir. Bu ölçümlerde alıcı LED’ler güneş pili bölgesinde
çalıştırılmış olup (4. Bölge) , (ters kutuplama gerilimsiz) verici LED’lere de Şekil 3’te gösterilen grafikten
belirlenen sabit ışık şiddeti (6 mW/m2) verecek farklı akımlar uygulanmıştır (Kızılberisi: 1,8 mA, Kırmızı: 2,7
mA, Amber: 5,3 mA, Yeşil: 2,1 mA, Mavi: 1,2 mA, Mor: 1,95 mA). Tablo 2’deki değerlerden alıcı LED’in
yalnızca kendisi ve kendinden daha küçük dalga boyuna sahip ışıklara maruz bırakıldığında akım geçirdiği
görülmektedir. Bu durum LED’lerin üretildiği yarı iletken malzemenin elektronik özelliği olan bant yapısıyla
açıklanabilir. Alıcı bir LED’e foton gönderildiğinde eğer bu fotonunun enerjisi alıcı LED’in bant aralığından
(band gap) büyükse, değerlik bandındaki (valance band) elektronlar iletim bandına (conduction band) çıkarak
elektron-boşluk çifti oluştururlar. Bu elektron-boşluk çiftleri devre üzerinde ters yönde ilerleyerek akım
oluştururlar. Eğer gelen foton enerjisi bant aralığından küçükse, elektron-boşluk çifti oluşmadığından akım
oluşmaz.
Tablo 2 LED’lerin verici ve 4. bölgede güneş pili modunda alıcı olarak kullanılması sonucunda ölçülen
fotoakım değerleri
* Ölçümler nA cinsindendir. Dalga boyları ise nm olarak verilmiştir.
Verici LED’den yolladığımız ışığın hiçbir enerji kaybı olmasa, enerji korunumundan (1), en yüksek fotoakımı
aynı renkteki alıcı ve verici LED’lerin etkileşiminden görmeyi beklerdik :
hc/λ = Eg
(1)
Burada h Planck sabiti, c ışık hızı, λ ışığın dalga boyu, Eg ise LED’in (yarıiletkenin) bant aralık enerjisidir.
Tablo 2 ve Şekil 6’da elde edilen sonuçlar ise çoğunlukla aynı renkteki verici LED’in enerjisinin elektron-boşluk
cifti oluşturmaya yetmediğini göstermektedir. Bunun yanı sıra eğer alıcı LED’in enerji bant aralığı, verici
LED’in gönderdiği ışığın enerjisinden çok küçükse, yine ölçülen akımın azaldığı gözlemlenmiştir. Bunun
sebebinin de yüksek enerjili elektronların enerjilerinin bir kısmının iletim bandında ısıya dönüşmesi olduğu
söylenebilir.
Sekil 6. LED’lerin verici ve 4. bölgede güneş pili modunda alıcı olarak kullanılması sonucunda ölçülen fotoakım
nokta grafiği
4. Sonuç
Bu çalışmada LED’lerin fotodiyot veya güneş pili bölgesinde alıcı olarak kullanımının uygunluğu optoelektronik
özellikleri test edilerek belirlenmiştir. Açık devre foto gerilimi ve kısa devre fotoakımı test edilmiş, kısa devre
fotoakımının kullanılmasının uygunluğu tespit edilmiştir. Alıcı LEDlerin kendi dalga boylarında değil,
kendilerinden daha küçük dalga boylarındaki (daha büyük enerjili) ışıklara daha hassas oldukları gözlenmiştir.
Birbirine eşdeğer özellikler sahip (matched) çeşitli dalga boylarında ki LED’lerin ışık yayarak (LED) verici
olduğu ve fotodiyot veya güneş pili modunda alıcı olduğu bir yapı içinde, akım üreten alıcı LED’lerden alınan
fotoakımın güçlendirilip sayısal işarete çevirilmesi ve bunun da bir masa üstü bilgisayara aktarılarak bilgisayar
ortamında analiz edilmesi ile düşük maliyetli bir spektrometrenin tasarlanabilmesinin ve bunların
spektrofotometri uygulamalarında kullanılabilmesinin mümkün olduğu belirlenmiştir.
5. Kaynakça
[1] Musayev E., “LED-LED Sistemlerinin Araştırılması”, Eleco2002, Bursa, 2002, syf.118-122 (2002)
[2] B. RayChaudhuri · C. Sen, Light Emitting Diode as Sensor for Miniature Multispectral Radiometer, Applied
Physics, 95: 141–144 (2009)
[3] S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, Eastern, New Delhi, (1987)
[4] I. Fryc, S.W. Brown, G.P. Eppeldauer, Y. Ohmo, LED-Based Spectrally Tunable Source for Radiometric,
Photometric and Colorimetric Application, Optical Engineering, 44: 111309 (2005)
[5] Y.L. Pan, V. Boutou, R.K. Chang, I. Ozden, K. Davitt, A.V. Nurmikko, Application of Light-Emitting
Diodes for Aerosol Fluorescence Detection, Optics Letters 28: 1707 (2003)
[6] N. Gros, A Novel Type of Tri-Colour Light-Emitting-Diode-Based Spectrometric Detector for Low-Budget
Flow-Injection Analysis, Sensors, 166 (2007)
[7] F.M. Mims III, Sun Photometer with Light-Emitting Diodes Asspectrally Selective Detector, Applied
Optics, 31: 6965 (1992)
[8] Y.B. Acharya, A. Jayaraman, S. Ramachandran, B.H. Subbaraya, Compact Light-Emitting-Diode Sun
Photometer for Atmospheric Optical Depth Measurements, Applied Optics, 34: 1209 (1995)
[9] F.M. Mims III, An Inexpensive and Stable LED Sun Photometer for Measuring the Water Vapor Column,
Geophysical Research Letters, 29: 20-1 (2002)
[10] Y.B. Acharya, Spectral and Emission Characteristics of LED and its Application to LED-Based SunPhotometry, Opt. Laser Technol. 37: 547 (2005)
[11] M. O’Toole, D. Diamond, Absorbance Based Light Emitting Diode Optical Sensors and Sensing Devices,
Sensors 8: 2453 (2008)