走近诺贝尔奖（三）LED点亮未来

杨先碧

人工点火开始了人类照明领域的第一次革命，而爱迪生发明电灯被公认为是照明领域的第二次革命。现在，环保、节能的LED则标志着第三次照明革命的到来。由于在LED照明上的贡献，三名科学家获得了2014年诺贝尔物理学奖。

自从爱迪生发明电灯的100多年来，人类已经走出黑暗，习惯了有灯光照明的夜晚。时至今日，人们不再仅仅满足于在夜晚看得见，而是要求灯光更加美观，而且更加节能。从第一颗灯泡点亮这个世界，到LED灯掀起新的节能浪潮，人类对照明技术的探索经历了漫长的发展历程。今天我们已经有了家用LED灯、LED电视，有了北京“水立方”和上海“世博轴”的LED景观照明系统。

与传统光源相比，LED光源具有节能、耐久和美观等优势。红光LED和绿光LED早已发明，但长期以来，制造蓝光LED成为一个难题，缺少了三原色中的蓝色，就无法获得可用于照明、且让人们感受舒适的白色LED光源。3名科学家发明了一种蓝色发光二极管（LED），他们因此获得了2014年度诺贝尔物理学奖。他们分别是美籍日裔科学家中村修二和日本科学家赤崎勇、天野浩。

另辟蹊径

LED是英文LightEmittingDiode的缩写，意思是发光二极管，是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件。利用LED制成的灯泡叫LED灯，是电力照明史上继白炽灯、荧光灯之后又一突破性产品。1962年，世界上第一支LED诞生，它一出现就显示出体积小、寿命长、安全低压、节能环保的优势，作为一种新型照明手段进入了科学家的视野。

既然LED早在1962年就诞生了，为何如今我们日常生活中的灯泡还多数都不是LED灯呢？这是因为LED诞生之初并不适合日常照明。最初，LED只是作为电器中的指示灯和户外大型的电子显示板，或者用在装饰领域充当辅助光源的角色。最早发明的LED只能发出红光，随后有了绿光LED。LED要用于日常照明，必须得发出不刺激眼睛的白光。照明用的白光需要用红光、绿光和蓝光调和而成，但是如何制造蓝光LED一直是个大难题。

直到30多年后，即20世纪90年代，这个难题才被中村修二、赤崎勇和天野浩这3名日本科学家攻克。诺贝尔奖委员会主席、瑞典查尔姆斯理工大学的皮尔·德尔辛教授介绍了此次获奖成果的来之不易，他说：“有趣的是，很多大公司此前都曾尝试做这件事，但他们都失败了。但这几个人就是坚持着不肯放弃，他们一次又一次地实验，并最终取得了成功。”

曾经有很多人研究蓝光LED，当时大多数研究者选择了氧化锌和硒化锌作为发光材料。出于“做比较少人做的题目才有发展机会”的想法，中村修二选择了另一种材料——氮化镓。和他做同样选择的还有名古屋大学的赤崎勇师徒。早在1973年，当时在松下电器公司东京研究所的赤崎勇最早开始了蓝光LED的研究。后来，赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行了蓝光LED的基础性研发，1989年他们首次成功研发出了蓝光LED。而中村修二则是让蓝光LED的发光强度逐渐增大，最终于1993年发明出了高亮度LED，让LED具有了开发成日常照明工具的潜质。

节能环保

LED灯和白炽灯在外观上有些类似。白炽灯靠灯丝发光，而LED灯靠半导体晶片发光。一盏白炽灯只有一根灯丝，而一盏LED灯有几十个方块状半导体晶片。LED灯内的发光半导体晶片由三部分组成：P型半导体、N型半导体和活性层。给半导体晶片通电之后，N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴被推向活性层，电子和空穴结合在一起，然后以光子的形式发出能量，结果就产生明亮的光线了。我们不用担心半导体中的电子和空穴会耗尽，因为在电流的作用下，电子和空穴会源源不断地产生，LED灯就可以持续地发光了。

如今，我们家中几乎很难看到白炽灯的身影了，用得比较多的是紧凑型荧光灯，也就是通常所称的“节能灯”。大多数紧凑型荧光灯在外观上和白炽灯、LED灯不太相同，它的灯泡是几根U形灯管，或是一根螺旋形灯管。这种荧光灯是在原来的长长的日光灯管基础上缩小的一种荧光灯。既然我们已经有了荧光灯这种节能灯，为何还要制造和使用LED灯呢？这是因为荧光节能灯的灯管中充填了低压汞蒸气，从而会导致汞污染。紧凑型荧光灯破碎后可使周围空气中的汞浓度达到每立方米10～20毫克，这个浓度会使人出现头昏、咳嗽、发烧、呼吸困难和记忆力明显减退等症状。如果把废弃紧凑型荧光灯作为垃圾埋到地下，那么，一支紧凑型荧光灯所含的汞就能直接造成180吨地下水的污染。

荧光节能灯将逐渐被淘汰，除了它不环保容易造成污染外，还有一个重要的原因，那就是它的节能效果也远不如LED灯好。LED灯所产生的光谱中没有紫外线、红外线，没有热量和辐射，不会产生过多的光污染和热污染，属于典型的绿色照明光源。如果计算照明效率用“流明每瓦”为单位，那么，油灯的效率是0.1；白炽灯的效率是16，荧光灯的效率是70，LED灯的效率是300。由此可见，LED灯是目前最节能的灯具。

用途广泛

如今，LED灯用途越来越广泛，除了用于日常照明外，还常用于户外和舞台的装饰性照明，因为它们可以发出多彩光线。2014年11月23日至12月25日，位于东京中目黑地区（目黑川是东京著名的赏樱胜地）的一段目黑川河道笼罩在LED发出的蓝光中，吸引了大批市民前来参观。这是中目黑地区的目黑川首次进行灯光装饰，约40万个LED发出的蓝光映照在水面上，将目黑川染成了蓝色的梦幻世界。

另外，由于LED灯具有节能、光线柔和、开关速度快等优点，它们也逐渐用于电视机、电脑、手机等的显示照明。我们熟知的LED电视机、LED显示屏，用的就是LED灯来照明。在美国纽约时代广场，安装了一块世界上面积最大、分辨率最高的LED广告显示屏。这块显示屏由2400万组LED构成，面积与一座足球场相当，分辨率高达2400万像素。

不仅如此，LED照明成为了艺术家们的时尚道具。艺术家将LED照明融入更多艺术性设计和时尚的元素，使其成为时尚艺术的常用工具。美国伯明翰和旧金山相继举行了固态照明艺术项目，用不同的LED照明来实现多样的时尚效果。美国纽约弗拉蒂伦广场也出现了时尚的LED照明艺术，在这里的互动LED照明雕塑为人们带来了艺术性的时尚照明，时尚的设计也使其成为一道靓丽的风景。照明设计师蒂洛森设计了16个独立的照明控制区，通过调整不同光色的变化，在照明效果方面有了更加多样化的表现。

由于LED灯几乎不发热，人们甚至把它作为装饰品穿在身上。不少服装设计师已经在衣服中插入柔性、可控制的LED灯，可以根据假日、地点、情绪改变衣服的颜色和花纹，也可以为了匹配另一个服装或配件而做出适时的改变。

LED的用途不仅体现在服装的装饰性方面，在服装的功能性方面它也将发挥巨大的作用。众所周知，夜晚是交通事故多发时段。自带灯光的汽车在夜间比较醒目，但是没有自带灯光的自行车在夜间很容易发生道路安全问题。尤其是在傍晚和晚上，如果司机没看清楚，骑自行车的人很容易被汽车撞倒。一位英国中央圣马丁艺术与设计学院的毕业生专门为行人和骑自行车的人设计了一款带有LED灯的马甲，当有汽车靠近时可以不停闪烁，从而更容易被汽车司机看到，以避免事故发生。

LED灯对人们的日常照明具有变革性的影响。同样，LED照明技术对于航天工程也具有极大的推动作用。随着我国航天工程水平的不断提高，如宇航员出舱活动、飞船空间停靠和交会对接等航天任务，对空间光源和照明系统提出了迫切需求。由于LED具有低能耗、低工作电压、高光效、体积小、重量轻和可靠性好等特点，使LED光源应用于航天照明独具优势。

前景光明

统计资料表明，我国目前每年用于照明的电力接近2500亿度，如果其中三分之一采用LED灯照明，那么，每年可节电800亿度左右，相当于三峡电站的年发电量。美国能源部门预测，如果美国日常照明全部用LED灯，每年节约电费可达600亿美元。由于LED灯具有节能环保、长寿命、免维护和易控制等优点，LED灯进入日常照明领域已是大势所趋。

目前，不少国家都在推广LED灯，一些国家已把LED照明产业列入国家发展计划。中国发起了“国家LED照明工程”，美国启动了“彩虹”计划，日本启动了“21世纪光”计划。LED灯还将帮助全球超过15亿人告别没有照明的时代，因为LED灯更低的能耗将让采用当地小型太阳能电站的电力实现照明成为可能。

100万年前，人类祖先用火照亮夜晚。1.7万年前，古人发明了油灯。100多年前，爱迪生发明的电灯引发电力照明革命。正如诺贝尔评奖委员会所说的那样，如果说白炽灯泡点亮了20世纪，那么21世纪将闪耀在LED灯之下。

2014年诺贝尔物理奖获奖者简介：

赤崎勇：1929年生于日本鹿儿岛县知览町，日本国籍。他毕业于京都大学理学部化学专业，获名古屋大学工学博士学位，曾担任松下电器产业公司东京研究所基础研究室主任、名古屋大学教授和名城大学教授等职，现任名城大学终身教授、名古屋大学特聘教授。

天野浩：1960年生于日本静冈县滨松市，日本国籍。他毕业于名古屋大学工学部电子工学专业，获得名古屋大学工学博士学位，曾任名城大学教授，2010年起至今任名古屋大学教授。

中村修二：1954年生于日本爱媛县濑户町，美国国籍。他毕业于德岛大学工学部，曾在德岛县日亚化学工业公司担任技术员，获得德岛大学工学博士学位。目前，他是美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校教授。