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域的第一次革命，而愛迪生發明電燈被公認為是照明領域的第二次革命?，F在，環保、節能的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，三名科學家獲得了2014年諾貝爾物理學獎。

自從愛迪生發明電燈的100多年來，人類已經走出黑暗，習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，而且更加節能。從第一顆燈泡點亮這個世界，到LED燈掀起新的節能浪潮，人類對照明技術的探索經歷了漫長的發展歷程。今天我們已經有了家用LED燈、LED電視，有了北京“水立方”和上海“世博軸”的LED景觀照明系統。

與傳統光源相比，LED光源具有節能、耐久和美觀等優勢。紅光LED和綠光LED早已發明，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名科學家發明了一種藍色發光二極管（LED），他們因此獲得了2014年度諾貝爾物理學獎。他們分別是美籍日裔科學家中村修二和日本科學家赤崎勇、天野浩。

另辟蹊徑

LED是英文LightEmittingDiode的縮寫，意思是發光二極管，是一種能將電能轉化為光能的半導體電子元件。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品。1962年，世界上第一支LED誕生，它一出現就顯示出體積小、壽命長、安全低壓、節能環保的優勢，作為一種新型照明手段進入了科學家的視野。

既然LED早在1962年就誕生了，為何如今我們日常生活中的燈泡還多數都不是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，或者用在裝飾領域充當輔助光源的角色。最早發明的LED只能發出紅光，隨后有了綠光LED。LED要用于日常照明，必須得發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名日本科學家攻克。諾貝爾獎委員會主席、瑞典查爾姆斯理工大學的皮爾·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。”

曾經有很多人研究藍光LED，當時大多數研究者選擇了氧化鋅和硒化鋅作為發光材料。出于“做比較少人做的題目才有發展機會”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合作進行了藍光LED的基礎性研發，1989年他們首次成功研發出了藍光LED。而中村修二則是讓藍光LED的發光強度逐漸增大，最終于1993年發明出了高亮度LED，讓LED具有了開發成日常照明工具的潛質。

節能環保

LED燈和白熾燈在外觀上有些類似。白熾燈靠燈絲發光，而LED燈靠半導體晶片發光。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體晶片。LED燈內的發光半導體晶片由三部分組成：P型半導體、N型半導體和活性層。給半導體晶片通電之后，N型半導體中的電子和P型半導體中的空穴被推向活性層，電子和空穴結合在一起，然后以光子的形式發出能量，結果就產生明亮的光線了。我們不用擔心半導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生，LED燈就可以持續地發光了。

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“節能燈”。大多數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上縮小的一種熒光燈。既然我們已經有了熒光燈這種節能燈，為何還要制造和使用LED燈呢？這是因為熒光節能燈的燈管中充填了低壓汞蒸氣，從而會導致汞污染。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頭昏、咳嗽、發燒、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。

熒光節能燈將逐漸被淘汰，除了它不環保容易造成污染外，還有一個重要的原因，那就是它的節能效果也遠不如LED燈好。LED燈所產生的光譜中沒有紫外線、紅外線，沒有熱量和輻射，不會產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（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發出的藍光中，吸引了大批市民前來參觀。這是中目黑地區的目黑川首次進行燈光裝飾，約40萬個LED發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燈具有節能、光線柔和、開關速度快等優點，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照明成為了藝術家們的時尚道具。藝術家將LED照明融入更多藝術性設計和時尚的元素，使其成為時尚藝術的常用工具。美國伯明翰和舊金山相繼舉行了固態照明藝術項目，用不同的LED照明來實現多樣的時尚效果。美國紐約弗拉蒂倫廣場也出現了時尚的LED照明藝術，在這里的互動LED照明雕塑為人們帶來了藝術性的時尚照明，時尚的設計也使其成為一道靚麗的風景。照明設計師蒂洛森設計了16個獨立的照明控制區，通過調整不同光色的變化，在照明效果方面有了更加多樣化的表現。

由于LED燈幾乎不發熱，人們甚至把它作為裝飾品穿在身上。不少服裝設計師已經在衣服中插入柔性、可控制的LED燈，可以根據假日、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的用途不僅體現在服裝的裝飾性方面，在服裝的功能性方面它也將發揮巨大的作用。眾所周知，夜晚是交通事故多發時段。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與設計學院的畢業生專門為行人和騎自行車的人設計了一款帶有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?，對空間光源和照明系統提出了迫切需求。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光源應用于航天照明獨具優勢。

前景光明

統計資料表明，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，每年可節電800億度左右，相當于三峽電站的年發電量。美國能源部門預測，如果美國日常照明全部用LED燈，每年節約電費可達600億美元。由于LED燈具有節能環保、長壽命、免維護和易控制等優點，LED燈進入日常照明領域已是大勢所趨。

目前，不少國家都在推廣LED燈，一些國家已把LED照明產業列入國家發展計劃。中國發起了“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地小型太陽能電站的電力實現照明成為可能。

100萬年前，人類祖先用火照亮夜晚。1.7萬年前，古人發明了油燈。100多年前，愛迪生發明的電燈引發電力照明革命。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者簡介：

赤崎勇：1929年生于日本鹿兒島縣知覽町，日本國籍。他畢業于京都大學理學部化學專業，獲名古屋大學工學博士學位，曾擔任松下電器產業公司東京研究所基礎研究室主任、名古屋大學教授和名城大學教授等職，現任名城大學終身教授、名古屋大學特聘教授。

天野浩：1960年生于日本靜岡縣濱松市，日本國籍。他畢業于名古屋大學工學部電子工學專業，獲得名古屋大學工學博士學位，曾任名城大學教授，2010年起至今任名古屋大學教授。

中村修二：1954年生于日本愛媛縣瀨戶町，美國國籍。他畢業于德島大學工學部，曾在德島縣日亞化學工業公司擔任技術員，獲得德島大學工學博士學位。目前，他是美國加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校教授。