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藍光LED引發第二次照明革命

來源:科技日報網址:http://www.telluslies.com瀏覽數:1953 
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  現在,我們隨處可見LED(發光二極管)的“倩影”:它在我們的電腦前面閃爍;在城市的霓虹燈中展露其燦爛的笑臉;它是黑暗中新型手電里的一束光;也組成了廣場中央的電視墻……城市和世界的光彩來自于科學家的心血。

  據諾貝爾官方網站消息,日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二因發明“高亮度藍色發光二極管”榮膺2014年諾貝爾物理學獎,諾貝爾獎評選委員會在聲明中表示,三位獲獎者在發明新型高效、環境友好型光源,即藍光LED方面做出了巨大的貢獻。借用藍光LED,白光可以以新的方式被創造出來。使用LED燈,我們可以擁有更持久和高效的燈光代替原來的光源,不僅能為人類節省大量能源,也能照亮全球更多地方。

  藍光LED,姍姍來遲

  1907年,在英國馬可尼電子公司工作的英國工程師亨利·約瑟夫-勞德第一次在一塊碳化硅晶體里觀察到電致發光現象。他在一塊碳化硅晶體的兩個觸點之間施加了電壓,結果發現:在低電壓下,可以看到黃光;而在高電壓下,可以看到更多顏色的光,這種“電致發光”現象也奠定了LED被發明的物理基礎。

  1962年,美國通用電氣公司34歲的普通研究人員尼克·何倫亞克發明了可以發出紅色可見光的LED,他的名字也隨LED的紅光一起紅了起來。由于何倫亞克的發明后來得到了廣泛的應用,所以一般稱他為“發光二極管之父”。1972年,何倫亞克的學生喬治·克勞福德站在巨人的肩膀上,發明了第一顆橙黃光LED,其亮度是先前紅光LED的10倍,這標志著LED向提高發光效率方向邁出的第一步。

  到了20世紀70年代末期,LED已經出現了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色,并被用于機器儀器的顯示光源,但依然沒有藍光LED。由于光的三原色中包含有紅、綠、藍,藍色光源的缺失,使得照明的白色光源總是無法獲得。藍光LED的市場價值巨大,也是當時世界性的攻關難題,引無數科學英雄競折腰。

  1973年,當時在日本松下電器公司東京研究所的赤崎勇最早開始了藍光LED的研究。后來,赤崎勇和天野浩在名古屋大學合作進行了藍光LED的基礎性研發,1989年首次研發成功了藍光LED。

  1993年,在日本日亞化工(Nichia Corporation)工作的39歲的中村修二終于發明了基于氮化鎵和銦氮化鎵的具有商業應用價值的藍光LED,從而引發了照明技術的新革命。憑借此項發明,他榮獲2006年千禧科技獎,這相當于科技界的諾貝爾!不久之后,人們在藍光LED的基礎上加入黃色熒光粉,就得到了白色光LED,利用這種熒光粉技術可以制造出任何顏色光的LED(如紫色光和粉紅色光)。藍光和白光LED的出現拓寬了LED的應用領域,使全彩色LED顯示、LED照明等應用成為可能。

  年輕有為 前途無量

  目前,照明技術正在經歷一場前所未有的變革,也就是從燈泡和熒光燈到LED的變革。1879年,美國發明家托馬斯·愛迪生發明了燈泡,1882年初春,第一批實用的白熾燈終于問世了,它給千家萬戶帶來了光明和歡樂,白熾燈是愛迪生對人類最輝煌的貢獻之一。但愛迪生發明的白熾燈也有缺點,就是其效率很低,約等16流明/瓦,相當于僅有4%的電能轉化為光能。1900年,彼得·庫珀-休伊特于發明了熒光燈,其效率高達70流明/瓦。目前的白光LED則超過300流明/瓦,

  被用于照明的白光LED常常建立在高亮度的藍光LED的基礎之上,后者能激發一個熒光磷,這樣藍色的光被轉化成白色的光。這些高質量的LED的壽命長達10萬小時,相比之下,熒光燈的壽命是其十分之一,而白熾燈的壽命為其百分之一。白光LED的成本逐漸降低,市場也在急遽擴張。在不久的將來,三色LED可能會取代藍光LED和熒光磷的組合用于高亮度照明,這一技術將使得我們可以對顏色組成進行動態控制?,F在,我們在LED市場上就能看到各種新奇的顏色,如淺綠色和粉紅色等。

  另外,鑒于照明占據全球整個電能消耗的20%—30%,而新的白光LED的能耗僅為普通燈泡的十分之一,所以,白光LED的使用能為人類節省大量的能源。同時,由于LED的壽命長達10萬個小時,和白熾燈泡的1000個小時以及熒光燈的1萬個小時相比,LED又幫助節省了材料的消耗。

  今天,基于氮化鎵的LED已經成為很多手機、平板電腦、計算機監視設備、電視屏幕等的背照液晶顯示器的關鍵技術。發出藍光和紫外線的氮化鎵二極管激光器也被用于高密度的DVD內,大大促進了音樂、圖片和電影存儲技術的發展。未來,人們或許可以使用發紫外線的氮化鎵鋁/氮化鎵LED來凈化水,因為紫外線可以殺死細菌、病毒以及微生物的DNA。另外,世界上缺乏電網的人口將超過15億,LED燈的出現給他們帶來了希望,因為LED的低功耗,一些當地的廉價太陽能就足以為其供電。

  盡管只有20歲,但藍光LED給人類帶來了極大的福祉,也實現了諾貝爾獎創始人阿爾弗雷德·諾貝爾為人類造福的遺愿,得獎可謂實至名歸。諾貝爾獎評選委員會在關于獲獎成就的聲明中指出:“白熾燈照亮了20世紀,那么21世紀將是被LED燈照亮的?!?/span>

  LED到底能發展多遠,不得而知。也許某天就能開發出能發X射線的LED。早期的LED只能應用于指示燈、計算器顯示屏和數碼手表,但現在開始出現在超亮度的領域。大功率LED器件是目前新興的LED產品,主要被用在照明方面,但這項技術目前還不是很成熟,主要是因為大功率LED雖然亮度高,但發熱量也大,“身價不菲”。

  從1907年半導體PN結發光理論的提出,到今天LED技術的無處不在,期間經歷了一個多世紀,包括赤崎勇、天野浩和中村修二等在內的無數科學家為LED的發展付出了巨大的心血,LED所帶來的經濟效益和社會效益將是無法比擬的。

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