走近諾貝爾獎（三）LED點亮未來

楊先碧

人工點火開始了人類照明領(lǐng)域的第一次革命，而愛迪生發(fā)明電燈被公認為是照明領(lǐng)域的第二次革命。現(xiàn)在，環(huán)保、節(jié)能的LED則標志著第三次照明革命的到來。由于在LED照明上的貢獻，三名科學(xué)家獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎。

自從愛迪生發(fā)明電燈的100多年來，人類已經(jīng)走出黑暗，習(xí)慣了有燈光照明的夜晚。時至今日，人們不再僅僅滿足于在夜晚看得見，而是要求燈光更加美觀，而且更加節(jié)能。從第一顆燈泡點亮這個世界，到LED燈掀起新的節(jié)能浪潮，人類對照明技術(shù)的探索經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程。今天我們已經(jīng)有了家用LED燈、LED電視，有了北京“水立方”和上?！笆啦┹S”的LED景觀照明系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)光源相比，LED光源具有節(jié)能、耐久和美觀等優(yōu)勢。紅光LED和綠光LED早已發(fā)明，但長期以來，制造藍光LED成為一個難題，缺少了三原色中的藍色，就無法獲得可用于照明、且讓人們感受舒適的白色LED光源。3名科學(xué)家發(fā)明了一種藍色發(fā)光二極管（LED），他們因此獲得了2014年度諾貝爾物理學(xué)獎。他們分別是美籍日裔科學(xué)家中村修二和日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩。

另辟蹊徑

LED是英文LightEmittingDiode的縮寫，意思是發(fā)光二極管，是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體電子元件。利用LED制成的燈泡叫LED燈，是電力照明史上繼白熾燈、熒光燈之后又一突破性產(chǎn)品。1962年，世界上第一支LED誕生，它一出現(xiàn)就顯示出體積小、壽命長、安全低壓、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，作為一種新型照明手段進入了科學(xué)家的視野。

既然LED早在1962年就誕生了，為何如今我們?nèi)粘Ｉ钪械臒襞葸€多數(shù)都不是LED燈呢？這是因為LED誕生之初并不適合日常照明。最初，LED只是作為電器中的指示燈和戶外大型的電子顯示板，或者用在裝飾領(lǐng)域充當輔助光源的角色。最早發(fā)明的LED只能發(fā)出紅光，隨后有了綠光LED。LED要用于日常照明，必須得發(fā)出不刺激眼睛的白光。照明用的白光需要用紅光、綠光和藍光調(diào)和而成，但是如何制造藍光LED一直是個大難題。

直到30多年后，即20世紀90年代，這個難題才被中村修二、赤崎勇和天野浩這3名日本科學(xué)家攻克。諾貝爾獎委員會主席、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的皮爾·德爾辛教授介紹了此次獲獎成果的來之不易，他說：“有趣的是，很多大公司此前都曾嘗試做這件事，但他們都失敗了。但這幾個人就是堅持著不肯放棄，他們一次又一次地實驗，并最終取得了成功。”

曾經(jīng)有很多人研究藍光LED，當時大多數(shù)研究者選擇了氧化鋅和硒化鋅作為發(fā)光材料。出于“做比較少人做的題目才有發(fā)展機會”的想法，中村修二選擇了另一種材料——氮化鎵。和他做同樣選擇的還有名古屋大學(xué)的赤崎勇師徒。早在1973年，當時在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(xué)合作進行了藍光LED的基礎(chǔ)性研發(fā)，1989年他們首次成功研發(fā)出了藍光LED。而中村修二則是讓藍光LED的發(fā)光強度逐漸增大，最終于1993年發(fā)明出了高亮度LED，讓LED具有了開發(fā)成日常照明工具的潛質(zhì)。

節(jié)能環(huán)保

LED燈和白熾燈在外觀上有些類似。白熾燈靠燈絲發(fā)光，而LED燈靠半導(dǎo)體晶片發(fā)光。一盞白熾燈只有一根燈絲，而一盞LED燈有幾十個方塊狀半導(dǎo)體晶片。LED燈內(nèi)的發(fā)光半導(dǎo)體晶片由三部分組成：P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和活性層。給半導(dǎo)體晶片通電之后，N型半導(dǎo)體中的電子和P型半導(dǎo)體中的空穴被推向活性層，電子和空穴結(jié)合在一起，然后以光子的形式發(fā)出能量，結(jié)果就產(chǎn)生明亮的光線了。我們不用擔(dān)心半導(dǎo)體中的電子和空穴會耗盡，因為在電流的作用下，電子和空穴會源源不斷地產(chǎn)生，LED燈就可以持續(xù)地發(fā)光了。

如今，我們家中幾乎很難看到白熾燈的身影了，用得比較多的是緊湊型熒光燈，也就是通常所稱的“節(jié)能燈”。大多數(shù)緊湊型熒光燈在外觀上和白熾燈、LED燈不太相同，它的燈泡是幾根U形燈管，或是一根螺旋形燈管。這種熒光燈是在原來的長長的日光燈管基礎(chǔ)上縮小的一種熒光燈。既然我們已經(jīng)有了熒光燈這種節(jié)能燈，為何還要制造和使用LED燈呢？這是因為熒光節(jié)能燈的燈管中充填了低壓汞蒸氣，從而會導(dǎo)致汞污染。緊湊型熒光燈破碎后可使周圍空氣中的汞濃度達到每立方米10～20毫克，這個濃度會使人出現(xiàn)頭昏、咳嗽、發(fā)燒、呼吸困難和記憶力明顯減退等癥狀。如果把廢棄緊湊型熒光燈作為垃圾埋到地下，那么，一支緊湊型熒光燈所含的汞就能直接造成180噸地下水的污染。

熒光節(jié)能燈將逐漸被淘汰，除了它不環(huán)保容易造成污染外，還有一個重要的原因，那就是它的節(jié)能效果也遠不如LED燈好。LED燈所產(chǎn)生的光譜中沒有紫外線、紅外線，沒有熱量和輻射，不會產(chǎn)生過多的光污染和熱污染，屬于典型的綠色照明光源。如果計算照明效率用“流明每瓦”為單位，那么，油燈的效率是0.1；白熾燈的效率是16，熒光燈的效率是70，LED燈的效率是300。由此可見，LED燈是目前最節(jié)能的燈具。

用途廣泛

如今，LED燈用途越來越廣泛，除了用于日常照明外，還常用于戶外和舞臺的裝飾性照明，因為它們可以發(fā)出多彩光線。2014年11月23日至12月25日，位于東京中目黑地區(qū)（目黑川是東京著名的賞櫻勝地）的一段目黑川河道籠罩在LED發(fā)出的藍光中，吸引了大批市民前來參觀。這是中目黑地區(qū)的目黑川首次進行燈光裝飾，約40萬個LED發(fā)出的藍光映照在水面上，將目黑川染成了藍色的夢幻世界。

另外，由于LED燈具有節(jié)能、光線柔和、開關(guān)速度快等優(yōu)點，它們也逐漸用于電視機、電腦、手機等的顯示照明。我們熟知的LED電視機、LED顯示屏，用的就是LED燈來照明。在美國紐約時代廣場，安裝了一塊世界上面積最大、分辨率最高的LED廣告顯示屏。這塊顯示屏由2400萬組LED構(gòu)成，面積與一座足球場相當，分辨率高達2400萬像素。

不僅如此，LED照明成為了藝術(shù)家們的時尚道具。藝術(shù)家將LED照明融入更多藝術(shù)性設(shè)計和時尚的元素，使其成為時尚藝術(shù)的常用工具。美國伯明翰和舊金山相繼舉行了固態(tài)照明藝術(shù)項目，用不同的LED照明來實現(xiàn)多樣的時尚效果。美國紐約弗拉蒂倫廣場也出現(xiàn)了時尚的LED照明藝術(shù)，在這里的互動LED照明雕塑為人們帶來了藝術(shù)性的時尚照明，時尚的設(shè)計也使其成為一道靚麗的風(fēng)景。照明設(shè)計師蒂洛森設(shè)計了16個獨立的照明控制區(qū)，通過調(diào)整不同光色的變化，在照明效果方面有了更加多樣化的表現(xiàn)。

由于LED燈幾乎不發(fā)熱，人們甚至把它作為裝飾品穿在身上。不少服裝設(shè)計師已經(jīng)在衣服中插入柔性、可控制的LED燈，可以根據(jù)假日、地點、情緒改變衣服的顏色和花紋，也可以為了匹配另一個服裝或配件而做出適時的改變。

LED的用途不僅體現(xiàn)在服裝的裝飾性方面，在服裝的功能性方面它也將發(fā)揮巨大的作用。眾所周知，夜晚是交通事故多發(fā)時段。自帶燈光的汽車在夜間比較醒目，但是沒有自帶燈光的自行車在夜間很容易發(fā)生道路安全問題。尤其是在傍晚和晚上，如果司機沒看清楚，騎自行車的人很容易被汽車撞倒。一位英國中央圣馬丁藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院的畢業(yè)生專門為行人和騎自行車的人設(shè)計了一款帶有LED燈的馬甲，當有汽車靠近時可以不停閃爍，從而更容易被汽車司機看到，以避免事故發(fā)生。

LED燈對人們的日常照明具有變革性的影響。同樣，LED照明技術(shù)對于航天工程也具有極大的推動作用。隨著我國航天工程水平的不斷提高，如宇航員出艙活動、飛船空間?？亢徒粫拥群教烊蝿?wù)，對空間光源和照明系統(tǒng)提出了迫切需求。由于LED具有低能耗、低工作電壓、高光效、體積小、重量輕和可靠性好等特點，使LED光源應(yīng)用于航天照明獨具優(yōu)勢。

前景光明

統(tǒng)計資料表明，我國目前每年用于照明的電力接近2500億度，如果其中三分之一采用LED燈照明，那么，每年可節(jié)電800億度左右，相當于三峽電站的年發(fā)電量。美國能源部門預(yù)測，如果美國日常照明全部用LED燈，每年節(jié)約電費可達600億美元。由于LED燈具有節(jié)能環(huán)保、長壽命、免維護和易控制等優(yōu)點，LED燈進入日常照明領(lǐng)域已是大勢所趨。

目前，不少國家都在推廣LED燈，一些國家已把LED照明產(chǎn)業(yè)列入國家發(fā)展計劃。中國發(fā)起了“國家LED照明工程”，美國啟動了“彩虹”計劃，日本啟動了“21世紀光”計劃。LED燈還將幫助全球超過15億人告別沒有照明的時代，因為LED燈更低的能耗將讓采用當?shù)匦⌒吞柲茈娬镜碾娏崿F(xiàn)照明成為可能。

100萬年前，人類祖先用火照亮夜晚。1.7萬年前，古人發(fā)明了油燈。100多年前，愛迪生發(fā)明的電燈引發(fā)電力照明革命。正如諾貝爾評獎委員會所說的那樣，如果說白熾燈泡點亮了20世紀，那么21世紀將閃耀在LED燈之下。

2014年諾貝爾物理獎獲獎?wù)吆喗椋?/p>

赤崎勇：1929年生于日本鹿兒島縣知覽町，日本國籍。他畢業(yè)于京都大學(xué)理學(xué)部化學(xué)專業(yè)，獲名古屋大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，曾擔(dān)任松下電器產(chǎn)業(yè)公司東京研究所基礎(chǔ)研究室主任、名古屋大學(xué)教授和名城大學(xué)教授等職，現(xiàn)任名城大學(xué)終身教授、名古屋大學(xué)特聘教授。

天野浩：1960年生于日本靜岡縣濱松市，日本國籍。他畢業(yè)于名古屋大學(xué)工學(xué)部電子工學(xué)專業(yè)，獲得名古屋大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，曾任名城大學(xué)教授，2010年起至今任名古屋大學(xué)教授。

中村修二：1954年生于日本愛媛縣瀨戶町，美國國籍。他畢業(yè)于德島大學(xué)工學(xué)部，曾在德島縣日亞化學(xué)工業(yè)公司擔(dān)任技術(shù)員，獲得德島大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。目前，他是美國加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授。