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开发蓝光LED揭开“新照明时代”

杨文凯 (发表日期:2014-11-07 19:16:49 阅读人次:492 回复数:0)

  赤崎、天野、中村获颁诺贝尔物理学奖

  
开发蓝光LED揭开“新照明时代”

  
作者:山尾升

  
译文:杨文凯

  
瑞典皇家科学院10月7日宣布,2014年诺贝尔物理学奖颁发给名城大学(名古屋市)的赤崎勇终身教授(85岁)、名古屋大学的天野浩教授(54岁)、美国加利佛尼亚大学圣塔芭芭拉分校的中村修二教授(60岁、美国籍)三人。授奖理由是他们发明了高效节能、有利环境的柔和的蓝色发光二极管(LED)。在学问研究领域是师生关系的赤崎和天野成功开发了很多年里被认为是不可能的蓝光LED,而中村则开发出了量产技术、在世界上首次实现了LED的产品化,他们的巨大贡献受到了高度评价。

  
由于蓝光LED的实现,与已经开发出来的红色和绿色一起组成了“光的三原色”,使得用LED制造发光产品成为可能,除了白色照明、手提电话、十字路口的信号灯以外,户外的全彩色大屏幕显示器等也得以实现了商品化。瑞典皇家科学院宣布授奖理由时指出:“这项发明是革命性的,白炽灯照亮了20世纪,而LED将照亮21世纪”——对三位日本研究者的业绩给予了极高评价。

  
本次日本人荣获诺奖,自2012年因开发了人工多功能干细胞(iPS细胞)而荣获诺贝尔医学生理学奖的京都大学山中伸弥教授以来、包括美国芝加哥大学的美籍名誉教授南部阳一郎在内,共计22人(医学生理学奖2人、物理学奖10人、化学奖7人、文学奖2人、和平奖1人)。日本人获颁物理学奖,也是2008年南部阳一郎教授和高能加速器研究机构名誉教授小林诚、名古屋大学特别教授益川俊英获奖后,相隔六年的再次获奖。

  
极其困难的蓝光LED的开发及其突破口

  
LED是通电后能够发光的半导体结晶(半导体素子),高亮度的红色与绿色LED在1960年代早期就被开发出来了,但波长更短的蓝色LED及其实用技术的开发被认为“20世纪中非常困难”。因为作为蓝色LED的材料,制造氮化镓的半导体结晶技术是极其困难的。

  
开发蓝色为什么如此困难呢?人的眼睛对蓝色感应比较迟钝,所以蓝色必须比红色和绿色发出更强烈的光。能够满足这种要求的元素组合几乎没有,为数极少的候补之一而受到世界众多研究者关注的氮化镓的半导体结晶技术尤其困难。

  
京都大学理学部出身的赤崎勇在民间企业松下电器产业(现 Panasonic)工作的1973年,就开始研究开发蓝色LED所必须的氮化镓,这已是40年以前的事了。当时,几乎所有的企业和研究者都转向研究容易结晶的“硒化锌”,选择研究“氮化镓”意味着在学术界处于孤立。从民间企业研究所转职到大学的赤崎在1985年担任名古屋大学教授的时候,考虑以蓝宝石制作基板,终于成功取得了被认为很困难的高品质的结晶。4年后,制造氮化镓半导体的要素技术“PN结合”也获得成功,蓝色LED的技术基盘得到确立。在名古屋大学的学部时代就选择蓝色LED作为研究课题的天野俊英随后进入了赤崎研究室,追随并支持了恩师的研究和实验,经历过无数次实验的失败和其后各种创意功夫,终于取得实验成功,做出了高品质的结晶。由此,世界上首次出现明亮的蓝色,从而证明了制造蓝色LED是可能的。

  
同时授奖对三人业绩给予了正确评价

  
另一方面,出身于四国爱媛县、在地方的国立德岛大学学习的中村修二在当地的荧光材料生产商“日亚化学工业”(位于德岛县阿南市)从事技术工作时代,就开始追寻赤崎等人研究的足迹,着手开发使用氮化镓的蓝光LED制品。在进入公司10年后的1989年,中村向公司顶层直接反映了研究和开发的重要性,表示“与大企业做相同的事肯定不行”。他获得3亿日元的研究资金后开始研究蓝色发光的细节听起来像故事,但是“生来不惧失败的性格”支撑着在德岛地区孤独的研究和开发。在开发蓝光LED的过程中,中村排除了模仿他人,也不读其他研究者的论文,唯有一门心思地投入研究和实验。在长达一年半的时间里,中村独自沉湎于从实验到实验的日子,终于编制出了使结晶体能够在蓝宝石基板上细薄均匀成长的独特的结晶培育法。1993年,蓝光LED首次成功实现了产品化。

  
面向产品化的技术开发,中村所在的日亚化学工业先行一步,而赤崎等人的技术由丰田汽车集团的“丰田合成”公司(爱知县清须市)在2年后的1995年实现了产品化。为此,两家公司围绕着技术发明的所有权,展开了旷日持久的法律诉讼。这个过程中,在产业社会里停滞不前的蓝光LED却得到快速普及。而且,赤崎又开发了通过氮化镓半导体制造蓝色激光的技术,根据这项技术,“蓝光镭射”光碟播放机得到了实用化。

  
随着蓝光LED市场规模不断扩大,赤崎和中村越来越有名,两人的关系也变得微妙起来。一方面,在谁的贡献度更高的比较中,中村会获得积极评价,而有时候赤崎也会一起获得表彰。为此,在专业领域内,谁将获得诺贝尔奖受到广泛关注。在本次授奖决定后,一生从事研究工作、其诚实人格广为人知的赤崎向记者表示:“3人一起获奖,太好了。”长年以来,坚持于纯粹研究并实现了蓝色发光的赤崎、天野师徒,与致力于实现蓝光实用化的中村都做出了重大业绩,3人中缺了谁,都不会有现在的LED。诺贝尔奖委员会的瑞典皇家科学院同时给3人授奖,对3位研究者的业绩给出了正确的评价。

  
人类掌握了“新光源”

  
“人类掌握了新光源”。如果按照瑞典皇家科学院在本次诺贝尔物理学奖的授奖理由中所说“21世纪将被LED照亮”,我们认为赤崎、天野、中村3人发明的蓝光LED,揭开了人类新的照明时代绝不为过。

  
概括地说,发光二极管LED是通过电流就会发光的半导体,略称LED是“Light Emitting Diode”头一个字母组合。在蜡烛、煤气灯、白炽灯、荧光灯之后,LED被称为“第四代照明光源”。LED具有寿命长、耗电少、小型化的专长特点,基本原理是1962年由美国人研究者发明的。LED真正达到实用程度的明亮的红色、绿色、蓝色,全部由日本人研究者在1993年之前成功开发并实现了产品化。截至最后,最困难的蓝色LED开发成功,“光的三原色”齐备,使得合成任何颜色的光源都成为可能。

  
LED与迄今为止所有光源不同,不是靠电气改变热量而发光,而是直接发光照亮,成为看点。篝火、蜡烛、煤气灯等靠燃烧的热量发光,在19世纪后半期发明的白炽灯让电流通过灯丝发热而发光。世界性的美国发明王、托马斯爱迪生设立的通用电气公司(GE)在1930年代实现了荧光灯实用化,荧光灯把电能变为光能方面比白炽灯更高效,通过玻璃管内的电极而发热。与此相对,LED比荧光灯的效率更高许多、消费电力少、使用寿命长。LED不使用对人体有害的水银就完成发光,是最大的优点。

  
大型家电品牌介绍称,LED照明的消费电力只有白炽灯的八分之一程度,比荧光灯少三分之一左右。LED的寿命为2-4万小时,是白炽灯的20倍以上,可以长期使用。如今,既省电又长寿的照明,伴随着人们越来越高的环保意识和节电意识而在一般家庭迅速普及,同时便利店、超市等为了节省经费也纷纷换用LED照明。去年建成的东京晴空塔的夜光照明,就使用了包括蓝光在内的近2000台LED照明器具。

  
二极管是何物?给人类带来了多大利益

  
所谓二极管,是一种通过单向电流来连接两种半导体的元部件。发光二极管(LED)就像名称所言,电子在移动中产生的一部分能量作为光释放出来。在人眼可见的光源中,红光的能量最低,依次按黄、绿、蓝、紫的顺序提升能量。因为最后发明了蓝色LED,白色光源才得以形成——把“光的三原色”红绿蓝光重叠在一起,就会形成自然的白光。在白色LED电灯泡中,也有使用蓝色LED与黄色荧光物质的商品。

  
LED的使用方法不仅限于照明,在薄型的宽屏电视机、智能手机、车站设置的液晶屏幕等背后发亮的背光灯中也广泛使用,这对于节省电力和延长寿命等都做出了贡献。根据民间调查公司报告,全世界LED照明器具的市场规模在2013年约为1兆3000亿日元,约占整个照明市场的两成以上。今后,随着亚洲新兴国家等需要的扩大,预计在2020年会达到5兆5000亿日元,占到市场全体的六成左右。

  
瑞典皇家科学院在此前发布的授奖理由中也指出,“世界消费电力的四分之一用于照明,LED对节约资源贡献极大”,“对于世界上还没有享用到电气恩惠的15亿人口来说,如果能利用太阳光发电,就可使用LED来提高生活品质,这为他们提供了巨大希望。”

  
而且,在诺贝尔物理学奖的发表会见中,专家们向媒体说明本次发明的意义时强调:“创设人阿尔弗雷德·诺贝尔的初衷是希望把奖授予那些能为人类提供福利的发明。这项发明具有非常优异的实用性,如果诺贝尔泉下有知,一定也会感到高兴的。”

  
日本研究者发明“蓝光”的理由

  
那么,为什么是日本的研究者发明了蓝光?制造半导体和LED的大学专家指出,“开发蓝光LED,如何干净地做出半导体晶体是最重要的,如果不具备各种充分条件是不行的”。就像在蓝光LED研究领域坚守40年、对自己的信念一以贯之坚持研究的赤崎教授,就像自述经过了1500回实验失败的天野教授那样,靠着苦心孤诣、矜矜业业地付出努力的日本人的研究模式,才可能与有价值的发明联系起来。

  
三位日本人研究者开发了蓝色LED,不仅为LED照明普及带来的节能做出了贡献,也在信息技术和电力控制等各种领域中为改变世界带来了可能性。

  
在波长很短的蓝光之下,可以在很少的面积中记录大量信息。为此,发展了蓝光LED技术、使用青紫色镭射激光的蓝光镭射影碟机,相比于使用红光镭射的CD和DVD,其记忆容量获得飞跃性增长、功能也大幅提升,让消费者和利用者备感欣慰。而且,小型化 、高性能的投影机在应用中也不断进步,IT器具深入到了生活的各个方面,其对“无所不在的网络世界”的贡献更值得期待。

  
此外,在电动汽车和下一代送电网(智能电网)等控制大电力的电子设备领域,蓝光LED也是颇有希望的,将与LED照明一起,成为人类实现低碳社会的关键性技术。专门从事半导体化学的日本人研究者表示:“在各种支撑起21世纪社会的技术中,这是日本在世界上最先进的领域,今后会在降低成本和提高性能方面获得更大进展。”

  
三人的获奖感言显示出不同个性

  
日本在今年,以理化学研究所的年轻女性研究者为中心、在权威的英国科学杂志上发表了STAP细胞论文,却出现了许多令人难以置信的不正当疑惑被发觉,在最尖端的科学、医疗领域围绕着研究方式和研究伦理等问题发生了重大讨论。不过,个人性格和研究模式迥异的三位日本人研究者获颁诺贝尔物理学奖,还是证明了日本研究水平之高和研究领域之广。最后,我介绍一下三人在记者会见上的发言,并从中去思考研究者应该有的姿态。

  
最年长的赤崎在名古屋市的名城大学召开了记者会见时认为“这是至高的荣誉”,他同时谦逊地表示:“诺贝尔奖是拥有漫长传统、审查慎重的重要奖项。即使周围都给予了很高评价,我并不认为自己的研究工作已经达到了值得授奖的水平。”在会见中,被问及对后进的年轻研究者有何赠言时,赤崎回答说:“不要受制于流行,自己想做的事才是最重要的。做自己喜欢的事,即使暂时出不了成果,也能让研究继续下去。”赤崎教授以前就说过“愚直”、“正因为喜欢才会变得擅长”这样的话。本次即使获得了具有崇高荣誉的诺贝尔奖,他追求理想的研究者的生存方式没有丝毫动摇。

  
赤崎的弟子天野教授正在法国出差,他获奖后就在当地的研究所出席了记者会。他说:“时至如今,我依然认为这可能是一个妄想,但确实授奖了”,内心的感受是“难以置信”、“如在梦中”。天野把恩师赤崎教授称为“使用氮化镓研究LED的先驱”,称赞中村教授是“制造技术的专家”。他谦虚地表示:“与他们相比,我也被加入授奖,不知何德何能。”对于有关日本的科学技术已经落后于世界最先进水平的指责,天野强调“日本的物理学领域并非落后,而是一点一点地在逐渐积累进步。特别在电子电器领域,绝不悲观”。

  
以美国西部为据点,在加利佛尼亚州大学圣塔芭芭拉分校的大学校园内面对内外记者时,中村教授把自己的研究动力归结为“愤怒”。他说,“至今还不时感到愤怒,我把愤怒转化为研究的动力”,表达了一个“充满斗争性的研究者”的感想。记者的提问集中在日本与美国在研究文化上的区别,中村教授指出“美国的研究者拥有追求美国梦的自由,技术工作者也能够创业”,对于把研究和产业紧密结合的美国最先进技术领域的研究环境和学术风土给予了极高评价。有关自己的研究成果,中村说:“LED的节能技术对于缓和地球温暖化进程发挥作用。有了太阳能光板和LED,发展中国家也可以利用了。”中村与以前工作过的日亚化学工业公司之间,围绕着蓝光LED的发明价值因为公司只给了2万日元奖金而发生了诉讼。2004年1月,东京地方裁判所判定,作为发明代价的一部分,日亚化学工业应该向中村支付200亿日元。此后,诉讼因日亚化学提出抗诉而转移至东京高等裁判所,最终双方达成和解,由日亚化学向中村支付了8亿多日元的和解金。中村支付了裁判费用后,把剩余的和解金用于LED在非洲的普及活动。

  
三人的业绩掀起了“光的革命”,鼓励后来人

  
在爱迪生创设的通用电气GE集团中专门从事照明事业的“GE LIGHTING”的最高经营责任者马里鲁斯.西露贝斯塔指出:“诺贝尔奖委员会选择了三位研究者划时代的工作业绩,是最适合不过了”,“他们的伟大成功,使得蓝光与红光LED和绿光LED合在一起,从根本上改变了21世纪的世界照明方式”。

  
10月8日的中国《京华日报》使用了整个头版,详细报道了三位日本人获得诺贝尔物理学奖的理由和背景。北京大学物理学院现代光学研究所所长称赞说,“三位的最大贡献是引发了能源革命,我们学会对本次颁奖决定表示赞同。”他进而说:“蓝光LED的发明,从学术观点来看是非常困难的,物理学不是桌面上的空谈,必须对人类作出贡献。这十年以来LED的快速发展,正是对三位研究成果的确认。”在这里介绍了立场不同的专家的发言,都对三人的研究业绩给出了积极的评价。

  
正如“世纪性发明”的文字所显示,极其困难的蓝光LED的发明,难道不是在全世界研究者都不看好其前景而纷纷放弃的过程中,却由坚持信念的赤崎及其学生天野,还有苦心孤诣投身研究的在野技术工作者中村不断下功夫使之产品化,最终结出硕大果实,掀起了“光的革命”吗?本次获颁诺贝尔物理学奖的三人走过的艰苦卓绝的研究脚步和各自独特的人生姿态,一定会对后进的研究者和理科学生带来重大激励。

  
2014.11

  

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