扮靓全世界 蓝光LED为何能获诺贝尔奖

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2014-10-14 05:56:00  [  中关村在线 原创  ]     |  责编：赵悟省

1诺贝尔奖颁给LED团队

　　瑞典皇家科学院于10月7日将2014年的诺贝尔物理学奖颁发给了研发蓝光LED的团队，以表彰他们发明蓝色发光二极管，以及因此带来新型的节能光源。获得本次诺贝尔物理学奖的是赤崎勇（Isamu Akasaki，日本名古屋大学），天野浩（Hiroshi Amano，名古屋大学）和中村修二（Shuji Nakamura，美国加州大学圣巴巴拉分校，加利福尼亚州）。

　　熟悉数码产品的用户对LED应该不会陌生，LED光源用在手机、显示器和电视机的屏幕背光模组上，LED光源在专业的高亮手电上也是主流，并在道路和工矿等场合发挥着重要作用，近来也开始步入商业照明和家庭照明。

获得诺贝尔物理学奖的蓝光LED团队（图片源自CBC）

　　简单地说，LED主要是在照明方面起着重要作用，而蓝光LED则是组成白光LED的重中之重。瑞典皇家科学院甚至表示这项发明对于全球15亿得不到电力供应的人来说十分重要。诺贝尔奖对他们的表彰不仅是他们为高效照明带来的转型之路，还有在蓝光LED研究背后的巨大努力和艰辛。接下来笔者就从产品发展，LED照明优势，蓝光LED的重要性等不同的角度为您分析解答。

2蓝光LED提供重要基础

　　要解读蓝光LED的重要，我们需要先了解LED发光的原理。LED是特殊的二极管，和普通二极管一样由半导体芯片组成。半导体芯片是LED的核心，它附着在基底上，直接连接负极，正极则由导线连接阳极接柱，由反射碗增强芯片的照明效果，整个芯片被环氧树脂封装起来。

LED构造示意

　　简单来讲，发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而发出可见光。

LED发光原理示意

　　既然诺奖是颁发给了蓝光LED团队，那么我们就来看看蓝光LED重要在哪。LED的发光原理看似简单，但却经过漫长的发展才达到了今天的水平。

　　早期的LED只有红光和绿光两种，而只依靠这两种LED是无法提供照明功能的，即使有诸多的优势，LED也只能是空中楼阁，无法发挥作用。尽管在科学界和工业界都为此付出了巨大的努力，但在长达30年的时间里，蓝光LED都是一项艰巨的挑战。

　　赤崎勇与天野浩在名古屋大学一同奋斗，他们的研究成果将GaN外延层的质量提高，为蓝光LED提供了基础。此后，中村修二在日亚化学潜心研究，创造了新的获得高质量GaN的方法，还解决了制造蓝光LED的关键技术。

三颗不同颜色的LED（图片源自维基百科）

　　蓝光LED的另一个重要性是可以激发荧光粉材料发出黄绿光谱的光，而反过来黄绿色的光却不能激发蓝色的光，这也就意味着蓝光LED具有更多的功能，蓝光LED对高效照明发展的作用更直接。

3LED成为第四代电光源

　　照明作为我们生活中不可或缺的一部分，伴随着人类历史的演进而发展。最早的人造照明“工具”就是篝火等不同的火源，用火的能源利用效率非常低，照明效果也很有限，持续性不够好，因此在有了电之后就逐渐被电光源淘汰了。

不同型号的白炽灯（图片源自维基百科）

　　最早的电光源是白炽灯，一般认为由美国人托马斯·爱迪生（Thomas Alva Edison）于1879年所发明，通用电气（General Electric Company, GE）在1906年发明的一种制造电灯钨丝的方法，使得廉价制造钨丝的方法得到解决，钨丝电灯泡被使用至今。白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态发光，光效仍然很低，从2010年起逐步退出市场。

不同型号的荧光灯（图片源自维基百科）

　　1938年，美国通用电子公司的伊曼发明了荧光灯，在第二次世界大战之后作为新的照明灯具进入我们的日常生活中。荧光灯通电后在氩或氖气中激发内部的水银蒸气，形成等离子并发出短波紫外线，紫外线被荧光物质吸收后，发出可见的光。荧光灯的光效比白炽灯提高了很多，是目前家用照明的主力。

不同型号的高强度气体放电灯（图片源自维基百科）

　　高强度气体放电灯（High-intensity discharge，HID）的原理是将12V电压增压至23000V的超高电压，激穿填充在石英管内的氙气，使它发光；然后将电压转成85V左右，稳定持续供应氙气灯泡发光。

不同型号的LED灯（图片源自飞利浦）

　　半导体发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是在1961年，美国公司德州仪器（Texas Instruments）的Robert Biard与Gary Pittman首次发现了砷化镓（GaAs）及其他半导体合金的红外放射作用。1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克（Nick Holonyak Jr.）开发出第一种可实际应用的可见光发光二极管。

　　1993年，日本日亚化学工业（NichiaCorporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）成功把氮渗入，造出了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化镓（InGaN）、具有商业应用价值的蓝光发光二极管。

4LED高效长寿优势明显

　　电光源从第一代的白炽灯开始发展，到现在已经经历了多代产品，照明光源也从寿命和光效等多个方面得到了质的提升。与其他光源相比，LED还有很明显的优势。

不同光源的光效对比（油灯、白炽灯、荧光灯和LED灯。图片源自瑞典皇家科学院）

　　高光效更节能。光效指的是光源对能源的利用效率，光效越高，就越节能。以瑞典皇家科学院提供的数据，油灯的光效约为0.1流明/瓦，白炽灯的光效则在16流明/瓦，荧光灯的光效为70流明/瓦，LED灯的光效则可以达到300流明/瓦。

　　使用更安全。与白炽灯不同，LED灯是冷光源，在使用时发热更小，也不容易烫伤。LED灯不含铅、汞、镉等有害物质，而节能灯则要在灯管内填充汞蒸气，从长远来看还是LED灯对用户和环境更好。

不同灯具的能耗对比（每天使用4小时计算）

　　长寿命不可忽略。LED灯还有一个很大的优势就是寿命长：白炽灯的寿命约为1000至2000小时，荧光灯约为10000小时，LED灯的寿命则可以达到50000小时。也就是说，使用相同长的时间，需要的LED灯更少，也减少了用户更换灯具的麻烦。

光源种类

白炽灯

节能灯

 LED灯

光效（lm/W）

10-16

70

90-300

平均寿命（H）

1000-2000

8000-10000

30000-50000

耗电量（W）

15-200

3-150

1-20

工作电压（V）

220

220

4-36

协调控制

可协调

不易调光

多种形式

发热量

高

低

低

　　适合现代照明。LED是固态照明，所以稳定性也高，不容易受到影响，与其他灯具相比能够承受更大的震荡；此外LED的体积很小，使得LED灯的适用性更高，也易于做成多种形状，同时还可以利用不同的技术来改变LED灯的发光颜色，因此能够更好地为家庭照明增光添彩，更适合于现代的家庭照明。

　　LED灯由于价格较高，暂时未能占据家庭照明市场的主要份额，不过其优势较明显，目前的发展速度也很快，作为未来照明发展的主力产品获得诺贝尔奖也是情理之中。

5高效LED发展前景广阔

　　瑞典皇家科学院指出，全球约有20%的电力用在照明方面，高光效的LED可以有效提高能源利用率，从而减少能源消耗，长远来看对环境和发展都有重要作用。

武汉长江大桥高压钠灯（黄色光）替换为LED灯（白色光）（图片源自楚天都市报）

　　此外还有一个重要之处是LED照明也将为太阳能技术注入新的活力。太阳能目前的转换效率较低，因此很难用在高能耗的地方，即使是照明方面也只能提供辅助作用。瑞典皇家科学院表示，高光效的LED照明和太阳能相结合将可以无需外部电力的支持，这对于全球15亿得不到电力供应的人来说尤为重要。

不同照明产品让我们的家居生活更加美好（图片源自东团网论坛）

　　电光源的发展为环境的保护作出了贡献，光效的大幅提高让我们更加有效地利用资源，有害物质的减少使用也使得环境所承受的压力减轻。我们的照明在逐渐向低碳环保方向靠拢的同时，也可以预见在以后的发展中我们的照明将更加绿色。

全球LED照明市场快速发展

　　可以看出，蓝光LED团队对于高效照明乃至照明发展的贡献都是巨大的，获得诺贝尔物理学奖可以说是实至名归。高效照明也会继续发展下去，为我们提供更加便捷绿色的生活环境。

LED作为高效照明产品开始出现在我们的生活中，但其优势和蓝光LED的重要性还没有普及。瑞典皇家科学院为何将诺贝尔物理学将颁发蓝光LED团队，这里从不同角度为我们带来解析。

赵悟省

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