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LED燈:幾經波折,終光耀世界

2016/1/14 10:16:55

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作者:胖瓜來源:蝌蚪五線譜發布時間:2015-12-30


LED燈從理論到應用,經歷了幾代科學家的努力,而這種新光源的明天還在不斷書寫著新的故事。

  愛迪生發明白熾燈的故事幾乎眾人熟知,熟悉到已經缺乏新鮮感了。愛迪生的白熾燈在誕生后統治了世界一百多年,而在當代被人們追捧的則是電光源的新秀——LED燈。這是一個我們常常看見的詞,意思是“發光二極管燈”,它的誕生,還有一段波折的傳奇故事呢。誰能想到,如今萬眾矚目的新光源曾經是被人們拋棄過好幾次呢?

LED燈飾(網絡圖)

LED燈飾(網絡圖)

  1907年,英國物理學家朗德(H.J. Round)在研究碳化硅晶體時,意外地發現,當電流通過碳化硅時,碳化硅會發出暗淡的黃色光。

  愛迪生發明的鎢絲燈之所以能發光,是因為電流在通過鎢絲時產生極高的熱量,溫度可以達到2000攝氏度以上;鎢絲處于高溫的白熾狀態時,就如同燒紅的鐵一樣發出光來。從這里我們可以明白,鎢絲燈有兩個非常致命的缺點:首先,它的能量利用率不高。光只是鎢絲發熱時的“副產品”,大部分的電能都被熱量消耗掉了;其次,高溫會不斷蒸發鎢絲上的鎢原子,白熾燈的壽命會很短。

  而碳化硅發光的原理則完全不同:出于某種特殊的物理結構,電子可以直接激發光線,直接跳過了“高溫”這一步。敏銳的朗德立即想到了利用碳化硅作為新光源的意義,但它的光實在是太弱了,恐怕只有盲人才能忍受在這樣的光線下閱讀。在幾年的努力研究后,一無所獲的朗德最終放棄了這項研究。

英國物理學家朗德(網絡圖)

英國物理學家朗德(網絡圖)

  一晃十年過去了,20世紀20年代后期,兩位德國科學家重新把這項研究從科學界的“垃圾堆”里翻了出來,他們使用的不再是碳化硅,而是鋅硫化物和銅中提煉出的黃磷。和碳化硅一樣,黃磷也擁有特殊的物理結構,能在電子的激發下發出可見光。這些物質統稱為“發光二極管”,也就是LED。不幸的是,兩位科學家把情況想得太過樂觀了,在花費了大量時間精力之后,最終他們也沒有戰勝這過分暗淡的光線。千里馬易尋,而伯樂難得,LED的美麗光芒,就這樣又被埋沒了起來。

  彈指一揮間,到了50年代,隨著時代的發展和科技的進步,各大科技公司紛紛投身到了LED燈的研究中。經過許多人的不懈努力,終于在1962年8月8日,美國通用電氣公司開發出了世界上第一種可實用的紅光LED。又過了10年,人類又制造出了第一個黃光LED,而且這個時候的LED燈的亮度被提高了10倍。

  大家或許已經注意到了,LED燈,根據材質的不同,只能發出單色的光。砷化鎵二極管能發出紅光,碳化硅二極管能發出黃光,后來人們又發現磷化鎵二極管能夠發出綠光,但人類最需要的,是白光。想要合成白光,僅靠紅光、黃光、綠光是不夠的,人們還需要藍光。

常見的LED手電筒(網絡圖)

常見的LED手電筒(網絡圖)

  尋找藍光LED的道路是崎嶇的,也是漫長的。60年代末,日本學者赤崎勇就開始研究基于氮化鎵基礎上的藍光LED,這項研究一直兢兢業業地進行了近30年,他和學生天野浩為藍光LED的研究做出了許多貢獻,在他們的研究基礎上,1994年,在日亞化工工作的中村修二用煙氮化鎵制造出了亮度很高的藍光LED燈。他們也憑借這項研究成功,獲得了2014年的諾貝爾物理學獎。

  藍光LED的出現,立即給人類帶來了白光LED燈,它最大的優點當然是發光效率高:一個白熾燈電能轉化為光能的轉化率只有10%左右,而LED燈可以達到60%,利用率比節能燈還高;第二,它壽命長達10萬個小時,可以使用10年以上,而白熾燈的壽命只有1000小時左右;第三,LED燈需要的電壓很低,幾伏特就足夠了,安全可靠。

2014年諾貝爾物理學獎得主:從左到右赤崎勇、天野浩、中村修二(網絡圖)

2014年諾貝爾物理學獎得主:從左到右赤崎勇、天野浩、中村修二(網絡圖)

  目前,因為造價較貴,家用的LED燈還不普及,但LED燈早已廣泛滲入到我們的生活中。從手電筒上小巧明亮的LED燈,到街頭的紅綠燈,再到液晶電視機采用的、更加明亮鮮艷的背光LED燈,我們無時不刻在享受著前人智慧的成果。人們推算,到了2020年,LED光源將成為最便宜的光源,假如屆時它能夠在全世界普及,那人類用于照明的耗電將減少一半。

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