LED：看我照亮21世紀

馬迪

2014年的諾貝爾物理獎一反過去“根本看不懂”的常態(tài)，頒發(fā)給了人民群眾喜聞樂見的藍光LED發(fā)明者們，可謂是相當接地氣。說到LED，人們已經(jīng)相當熟悉，大到街頭的大屏幕、紅綠燈，小到幾乎所有電子產(chǎn)品上都有配置的指示燈，我們的生活早已經(jīng)離不開LED了。但它真的像瑞典皇家科學院所說的“開啟了一場照明革命，將照亮21世紀”那么偉大嗎？

獨領風騷的藍光LED

Light Emitting Diode，縮寫為LED，譯為發(fā)光二極管，是一種半導體組件。早在1927年便有人發(fā)現(xiàn)了將電壓加在某種半導體做的二極管上，它就會發(fā)光。而二極管的材料不同，發(fā)出的光也不同。1961年，兩個美國人發(fā)現(xiàn)砷化鎵在加上電流時會發(fā)射紅外光，他們注冊了專利并將這種技術投入應用。次年，第一個紅色可見光LED被發(fā)現(xiàn)，再過10年，也就是1972年，第一個黃光LED被發(fā)現(xiàn)，同時，LED的亮度被提高了10倍。

紅光和黃光LED登場雖早，姍姍來遲的藍光LED卻成了最大的贏家。因為作為三原色之一，沒有藍光LED，白光燈就無法制造出來。整整30年間，藍光LED的研究進展甚微，成為卡住整個LED照明顯示產(chǎn)業(yè)的瓶頸。直到20世紀90年代初期，中村修二等人用氮化鎵制出了亮度很高的藍光LED，才補足了光譜上最后一塊缺口。可以說，是藍光LED讓LED從紅綠色的小指示燈走向“照亮全世界”的光明大道。這也是為何藍光LED研究能夠獲得諾貝爾獎的原因。

點亮21世紀的新型光源

由于LED對電流的通過非常敏感，極小的電流就可以讓它發(fā)光，而且體積小、壽命長，能夠長時間閃爍而不損壞，因此早期廣泛用于電子產(chǎn)品的指示燈。我們在電子產(chǎn)品上看到的綠豆般大小能夠快速閃爍的指示燈，一般都是由LED做成的。

藍光LED問世后，事情的進展就順利多了——藍光LED配合黃色熒光粉制成的白光照明大行其道，LED開始作為照明燈在各個領域大顯身手：便攜燈具、汽車用燈、路燈、水底燈、建筑裝飾照明、投影儀光源、以及特殊工作照明和軍事運用等，LED還逐漸走入家庭，已有取代白熾燈和熒光燈的趨勢。

LED的另一個重要角色是作為背光光源，具有壽命長、發(fā)光效率高、無干擾和性價比高等特點，已廣泛應用于各種電子產(chǎn)品中，如筆記本電腦、手機、平板電視、顯示器、電子手表？？不勝枚舉。隨著電子產(chǎn)品日趨小型化和輕薄化，LED背光源優(yōu)勢更顯著。LG推出的最新款LED電視厚度只有6.9mm，不到一支鉛筆的厚度，很大程度上也要歸功于LED。

LED被譽為“21世紀的新型光源”，優(yōu)勢十分明顯。第一當然是發(fā)光效率高，也就是節(jié)能。以每個電力輸入單位（以瓦特計）帶來的光通量（以流明計）來做橫向比較可以發(fā)現(xiàn)，白熾燈的效率只有16流明/瓦特，熒光燈也不過70流明/瓦特。而最近LED創(chuàng)造的紀錄超過了300流明/瓦特。而由于全球電力的近1/4都用在照明上，LED將為節(jié)約資源貢獻良多。

第二個優(yōu)點是需要的電壓很低，幾個伏特就行了。廉價的本地太陽能就能給LED燈供電，對全球15億無法接通電網(wǎng)的人們來說無疑是極好的。

第三個優(yōu)點是壽命長，白熾燈的壽命是1000小時左右，熒光燈可用1萬小時，LED的壽命則高達10萬小時（10年以上）。事實上，作為指示燈的小型LED常常超期服役，有的甚至能用30年。

新的研究從未止步

LED雖然號稱長壽，但用于照明的高亮度LED卻因為產(chǎn)生熱量過高，可能會犧牲好幾年的使用壽命。美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員最近宣布，他們已經(jīng)利用一種石墨泡沫材料制成散熱片，導熱性能據(jù)說遠優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬散熱片，甚至能讓高亮度LED的運作溫度降到像儀表板LED指示燈那樣的水平，使它們用得更久。研究人員認為，LED運作溫度降10度，就能讓其使用壽命延長1倍。

近年來，基于LED的可見光通信技術（Visible Light Communications，VLC）進展神速，只要在任何的LED中增加一個微芯片，便可讓它變成無線網(wǎng)絡發(fā)射器，這就是Li-Fi。微芯片控制LED燈泡的明滅，將二進制數(shù)據(jù)編碼成光信號：燈亮表示1，燈滅表示0。每秒數(shù)百萬次的閃爍只有光敏接收器才能探測，裸眼根本無法察覺。在打開電燈的同時，也就連上了互聯(lián)網(wǎng)，豈不美哉。

另外，LED開關時速度慢的問題也得到了解決。為了實現(xiàn)基于LED的光通信，美國杜克大學研究人員最新研制出超快LED，打破了熒光分子發(fā)射光子的速度紀錄，是普通級的1000倍，朝著實現(xiàn)超快速LED邁出了重要一步。

就像芯片界信奉摩爾定律一樣，LED界有自己的海茲定律，即每過10年，1個流明的成本就降低10倍。如果這個定律繼續(xù)成立，到了2020年，LED將成為全世界都用得起的最便宜的光源，全世界用于照明的耗電將減少一半。“對全人類帶來巨大益處的發(fā)明”這樣的評價并不為過。