Co mają ze sobą wspólnego karton mleka i żarówka? Na pierwszy rzut oka niewiele. Jednak obydwa przedmioty łączy więź, której źródłem jest fizyczna zależność. To przez nią mleko nieschowane do lodówki szybciej przestaje być smaczne, zaś żarówka starego typu przepala się prędzej niż nowoczesne produkty.
W uproszczeniu zależność ta sprawia, że im rzeczy są cieplejsze, tym prędzej się psują. I choć uczeni byli jej świadomi od setek lat, to jako pierwszy wyznaczył ją dopiero Svante Arrhenius, szwedzki fizyk i chemik, wyróżniony Nagrodą Nobla w 1903 r. – To dzięki tej zależności jesteśmy w stanie wyliczyć, czy żarówka, dzisiaj bardziej dioda LED, będzie nam służyła dwie godziny czy dwadzieścia tysięcy godzin – tłumaczy prof. Krzysztof Górecki z Uniwersytetu Morskiego w Gdyni.
Kluczowa w tym względzie jest więc możliwość dokładnego pomiaru temperatury, z jaką pracuje urządzenie (w tym wypadku chodzi o urządzenia oparte na półprzewodnikach). Takie dwa wynalazki opracował prof. Górecki wraz ze swoimi współpracownikami: prof. Januszem Zarębskim, dr. Pawłem Góreckim i dr. Przemysławem Ptakiem.
Nie trzeba rozbierać
Kiedy Arrhenius umierał w 1927 r., Gdynia była jeszcze raczkującym projektem, a zespół budynków, w których mieści się główny kampus uczelni prof. Góreckiego, nie istniał – oddano je do użytku trzy lata po śmierci noblisty. I chociaż nie można stąd dostrzec Bałtyku – ten przywilej ma tylko Wydział Nawigacji stojący na tym samym nabrzeżu co „Dar Pomorza” i ORP Błyskawica – to widać Sea Tower, najwyższy gmach mieszkalny w mieście. – A skąd go nie widać? – kwituje z przekąsem uczony.
W przeciwieństwie do oglądania budzącego mieszane uczucia budynku obserwacja procesów cieplnych zachodzących wewnątrz półprzewodników nie jest łatwa. Komponenty te rzadko kiedy występują „nagie”, a rozebranie oznaczałoby ich zniszczenie. – Taki układ może być np. zatopiony w żywicy. Jeśli go z niej wyjmiemy, pomiar nie będzie już przypominał realnych warunków pracy, bo ważna jest interakcja między półprzewodnikiem a otoczeniem. A my potrafimy zajrzeć do jego środka, nie rozbierając go – tłumaczy prof. Górecki.
Układy, o których mowa, zna praktycznie każdy z nas. Chodzi o diody LED, w których świecącym elementem jest właśnie półprzewodnik, oraz o układy przekształcania energii elektrycznej. Znajdziemy je m.in. w zasilaczach do laptopów, gdzie odpowiadają za zamianę prądu zmiennego (tego z gniazdka) na stały, „strawny” dla komputera.
Czego nie udało się przekształcić
Jak tłumaczy profesor, aparatura służącą do tych pomiarów bywa dość skomplikowana. Największą przewagą konkurencyjną nowej metody jest to, że mógłby ją z marszu obsłużyć praktycznie każdy absolwent technikum. Bazuje ona na pomiarze napięcia – i to na powszechnie stosowanym sprzęcie laboratoryjnym. – To jednak wystarczy do tego, żeby dokładnie wyliczyć temperaturę elementów półprzewodnikowych – tłumaczy uczony.
To pomiar napięcia i wzory matematyczne sformułowane przez zespół badawczy umożliwiły zajrzenie w głąb urządzeń opartych na półprzewodnikach bez konieczności ich rozbierania: temperaturę mierzy się między dwoma ściśle określonymi punktami, czyli np. na wejściu i na wyjściu – i na tej podstawie dopiero wnioskuje z dużą dokładnością, co dzieje się w środku.
– Dioda LED przekształca energię elektryczną w światło. Układ sterowania mocą zmienia np. prąd zmienny na prąd stały. W obydwu procesach mamy do czynienia ze stratami, które objawiają się pod postacią ciepła. Teraz wchodzimy na scenę my: naszym zadaniem jest oszacować, ile jest energii, której nie uda się efektywnie przekształcić, a następnie tak zaprojektować cały element, aby skutecznie odprowadzić ciepło i żeby nie skracać czasu życia elementu – tłumaczy prof. Górecki.
Z ośmiu do jednego
Teraz widać, przed jakim wyborem stoją producenci elektroniki. Wiedzą, jak podczas pracy nagrzewa się np. dioda LED; wybierając układ chłodzący, są więc w stanie sterować również długością jej życia (o ile oczywiście założymy, że droższy będzie taki układ, który odprowadzi więcej ciepła). – Mówimy o bardzo wymiernych wielkościach. Przypuśćmy, że wzrost temperatury o 8 stopni Celsjusza skróci czas życia urządzenia o połowę, ale już o 24 stopnie – do jednej ósmej. A to jest różnica między ośmioma tysiącami godzin działania bez awarii a tysiącem – tłumaczy profesor.
Dlatego naukowcy od dawna mierzą się z procesami cieplnymi zachodzącymi wewnątrz różnych materiałów. Żeby jednak zadanie nie było zbyt proste, procesy te nie zachodzą w liniowy sposób. To znaczy, że jeśli zwiększymy moc urządzenia o jeden wat, to temperatura wewnątrz wzrośnie o 10 stopni Celsjusza, ale jeśli dodamy jeszcze jeden wat mocy, to temperatura wzrośnie o inną wartość, np. 9 lub 11 stopni.
– Podczas projektowania układów elektronicznych przy zastosowaniu komputera rozwiązywane są złożone układy równań nieliniowych, co wymaga dużej mocy obliczeniowej, dlatego naukowcy od lat opracowują „skróty”, to znaczy takie ich uproszczenia, dzięki którym liczenie trwa krócej, a jednocześnie uzyskuje się bardzo dobre przybliżenia rzeczywistych wyników. Takie, z którymi mogą pracować inżynierowie – mówi prof. Górecki. Doświadczenie w pracy z takimi modelami okazało się nieocenione również przy opracowywaniu opisanych wyżej wynalazków. Aby lampy LED mogły świecić jak najdłużej. ©℗
Jak skutecznie ocenić innowacyjność rozwiązania OPINIA
Piotr Mierzwiński, specjalista ds. własności intelektualnej, Kancelaria JWP Rzecznicy Patentowi
Niektóre wynalazki wydają się na pierwszy rzut oka wręcz oczywiste. Trzeba się im dopiero bliżej przyjrzeć, by dostrzec ich innowacyjną naturę. Potrzebne do tego szczegóły znajdziemy w opisie patentowym, który – o ile jest prawidło sformułowany – ujawnia istotę rozwiązania w sposób umożliwiający znawcy w danej dziedzinie odtworzenie wynalazku. Jest to nazywane dostatecznym ujawnieniem.
Wciąż jednak źródłem sporów pozostaje to, co wie i co powinien umieć znawca w danej dziedzinie. Znawca jest pojęciem umownym, modelem, który służy do oceny poziomu wynalazczego, czyli tego, czy wynalazek nie wynika w sposób oczywisty ze stanu techniki. Ostatnią, ale najistotniejszą cechą wynalazku jest nowość, która w największym skrócie oznacza, że dotąd nie znano takiego rozwiązania. W czasach błyskawicznego postępu często zdarza się jednak, że jednocześnie powstaje wiele podobnych rozwiązań. Dlatego przed podjęciem decyzji o dokonaniu zgłoszenia patentowego warto wykonać badanie stanu techniki, czyli przejrzeć, jakie wynalazki tego rodzaju już powstały na świecie.
Czytając opis wynalazku, musimy pamiętać, że jest on adresowany do znawcy. Rozwiązanie przygotowane przez zespół z Uniwersytetu Morskiego w Gdyni umożliwia pomiar mocy promieniowania optycznego diody LED. Układ może zostać również wykorzystany w badaniach charakterystyk termicznych innych przyrządów półprzewodnikowych.
Na pierwszy rzut oka procedura opisana przez wynalazców może wydawać się banalna. Ale sam fakt wykorzystania znanych praw i zależności przez wynalazek nie przekreśla możliwości uznania go za posiadający poziom wynalazczy. Kluczem jest tutaj porównanie mocy termicznej w zakresie przewodzenia oraz w zakresie wstecznym. Nie jest bowiem oczywiste, że moc cieplna w obu kierunkach przewodzenia jest taka sama.
Jak słusznie twierdzą autorzy, wynalazek może mieć zastosowanie w badaniach eksperymentalnych półprzewodnikowych źródeł światła, zarówno diod LED, jak i całych modułów LED, oraz może być także przystosowany do badań parametrów cieplnych innych przyrządów półprzewodnikowych, takich jak tranzystory. Ma zatem wszelkie cechy pozwalające uznać go za innowacyjne rozwiązanie. ©℗
