蓝光LED掀起照明的新篇章

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  蓝光LED的诞生
  LED最早起源于1961年,美国德州仪器公司发展以磷化铟镓材料合成的LED,其放光波长范围为近红外线。1962年,奇异公司发展的红色发光二极体,因其转化效率差且发光波长远离可见光范围,因此未被广泛应用,仅用作指示灯。1991年,美国HP公司与日本东芝公司研发的绿色发光二极体,因缺少蓝光LED,无法利用三色原理组合成白光照明光源。
  直到1993年,日本的中村修二成功开发出具高亮度的蓝光发光二极体。相较于传统的日光灯与白炽灯泡,LED不仅体积小、环保、省电,寿命更是长达10万小时,且因其低耗电的特性,对于电力缺乏的发展中国家,无疑是一大福音,现今环保意识与节能观念逐渐提升,发光二极体已跃升为21世纪照明与显示器的新光源。
  发明蓝光LED的科学家们
  2014年的诺贝尔物理奖揭晓,颁给发展蓝光LED的三位教授,分别为任教于名城大学的赤崎勇教授、名古屋大学的天野浩教授,以及美国加州大学的中村修二教授。
  赤崎勇和天野浩
  赤崎勇教授出生于日本鹿儿岛县,于名古屋大学取得工学博士,曾服务于松下电器与名古屋大学,现为名城大学终身教授。其学生天野浩教授,出生于日本静冈县,主要研究III族的氮化。1986年,赤崎勇与天野浩首次成功于蓝宝石基板上,以“低温沉积缓冲层技术”合成高质量的氮化镓晶体,并于1989年以氮化镓的p/n结构完成了蓝色发光二极体,于20世纪80年代末期又成功合成p型氮化镓半导体。
  中村修二
  中村修二教授出生于日本爱媛县,1979年取得德岛大学工学硕士,后任职于日亚化学,1987年赴美国佛罗里达大学进修一年,1988年回国后致力于开发蓝色LED。当时氮化镓并不受重视,被大家视为一项不可能成功长出p型半导体的材料,多数科学家致力于硒化锌(ZnSe)材料的研究。中村的研究过程相当艰辛。两年后,中村成功于低温下合成氮化镓薄层,并在几年后又成功研制了含铟的氮化镓,1993年,世界第一颗高亮度蓝色LED成功地商品化,使中村也被称为“蓝光之父”。1999年,中村发明了蓝紫半导体激光,也完成了在日亚化学的所有任务。2000年后他在美国加州大学圣塔芭芭拉分校担任教授一职。
  这三位伟大的科学家,不仅对于自己的研究相当执着,更勇于背负极大风险,选择了常人认为不可能成功的氮化镓材料,即使资源匮乏,必须自己架设仪器,他们仍然不因此而放弃,历经数以千次实验的失败,依然坚持自己的信念,最后才得以成功发展蓝光LED,也因此得到了2014年的诺贝尔物理奖。
  革命性的照明装置
  为了将LED运用于照明装置,可使用红、绿与蓝三种颜色的LED组成白光。这虽然可以解决过去无法产生白光的问题,但此装置也有许多缺点,不仅成本过高,而且三种LED的寿命不同,如果其一损坏,就必须淘汰此装置。因此,世界各国的科学家也积极寻找解决方法,而此问题的答案为——荧光粉。
  作为发光二极体基础材料的无机粉体被称为荧光粉,此材料具有高光能转换效率与高色彩饱和度,合成与加工步骤简易,主要可分为主体晶格与活化剂两个部分,主体晶格为荧光粉体的主要晶体结构,并提供活化剂的配位环境,其将影响活化剂放光特性。活化剂则为掺杂在主体之离子,为主要发光中心,通常为稀土元素。而最著名的荧光粉莫过于1996年日亚化学揭示的铈掺杂钇铝石榴石(简称YAG),此荧光粉可被蓝光LED激发(波长为460纳米)。而YAG所放出的黄光,经适当调控荧光粉添加量,可得到由蓝光LED晶片所放出的蓝光,加上YAG黄色荧光粉所放出的黄光,即可形成白光。此装置不仅成本低,更可避免使用三种不同颜色LED所面临的各自寿命不同的问题。
  LED照明装置改良
  蓝光LED的发明,搭配黄色荧光粉即可产生白光,可以解决照明的问题。然而,此装置有一个致命的缺点——即当照明时无法显示出物体真正的颜色。其中最大的原因是此装置缺少红色区域的光谱,为了改善此缺点,科学家便开发了红色荧光粉,目前放光特性良好的红光荧光粉主要以氮化物或氮氧化物为材料。未添加红色荧光粉的发光装置,色温较高,属于冷白光;而添加红色荧光粉的发光装置,色温较低,属于暖白光。
  LED未来展望
  据统计,若台湾1/4的白炽灯泡与传统日光灯替换为白光LED,则每年可省下约110亿千瓦时的电力,相当于核电厂一年的发电量,因此,作为日后照明的主要光源,如何提升LED亮度与降低成本势必成为一大课题。另外,现代手机、平板电脑与大型LED电视的普及,也使LED更普遍地用于背光面板。因为蓝光LED的发明,使得今日的世界可以运用电脑控制,使LED发出数百万种颜色的光,因此,大到路上随处可见的大型LED展示板、红绿灯,小到荧幕的背光系统,都有LED的身影。另外,现代常利用电脑控制LED放光的强度与颜色来模拟日照,来进行温室植栽,因此我们常可以在同一时间看到不同季节的花卉。
  赤崎勇、天野浩和中村修二教授不仅发明了蓝光LED,也发明了蓝光激光,使资料储存领域有重大突破,因蓝光激光的波长比红外线短,可于相同的资料储存面积储存更多资料。白光LED的出现,对人类的历史有着无可比拟的重要性,白炽灯泡照亮了19世纪,荧光灯管照亮了20世纪,而21世纪,将是LED的时代。
  TIPS
  为什么诺贝尔奖特别颁给蓝光LED的发明呢?
  早期由于红色发光二极体波长的限制,多只能用作交通号的警示灯,或LED看板的显示,用途受限,且无法用于照明设备。然而,当蓝光LED被发明后,科学家便可以利用红、绿与蓝三种颜色的LED自由调配所需的颜色。
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