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LED灯:几经波折,终光耀世界

2016-1-14 10:16:55

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作者:胖瓜来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-12-30


LED灯从理论到应用,经历了几代科学家的努力,而这种新光源的明天还在不断书写着新的故事。

  爱迪生发明白炽灯的故事几乎众人熟知,熟悉到已经缺乏新鲜感了。爱迪生的白炽灯在诞生后统治了世界一百多年,而在当代被人们追捧的则是电光源的新秀——LED灯。这是一个我们常常看见的词,意思是“发光二极管灯”,它的诞生,还有一段波折的传奇故事呢。谁能想到,如今万众瞩目的新光源曾经是被人们抛弃过好几次呢?

LED灯饰(网络图)

LED灯饰(网络图)

  1907年,英国物理学家朗德(H.J. Round)在研究碳化硅晶体时,意外地发现,当电流通过碳化硅时,碳化硅会发出暗淡的黄色光。

  爱迪生发明的钨丝灯之所以能发光,是因为电流在通过钨丝时产生极高的热量,温度可以达到2000摄氏度以上;钨丝处于高温的白炽状态时,就如同烧红的铁一样发出光来。从这里我们可以明白,钨丝灯有两个非常致命的缺点:首先,它的能量利用率不高。光只是钨丝发热时的“副产品”,大部分的电能都被热量消耗掉了;其次,高温会不断蒸发钨丝上的钨原子,白炽灯的寿命会很短。

  而碳化硅发光的原理则完全不同:出于某种特殊的物理结构,电子可以直接激发光线,直接跳过了“高温”这一步。敏锐的朗德立即想到了利用碳化硅作为新光源的意义,但它的光实在是太弱了,恐怕只有盲人才能忍受在这样的光线下阅读。在几年的努力研究后,一无所获的朗德最终放弃了这项研究。

英国物理学家朗德(网络图)

英国物理学家朗德(网络图)

  一晃十年过去了,20世纪20年代后期,两位德国科学家重新把这项研究从科学界的“垃圾堆”里翻了出来,他们使用的不再是碳化硅,而是锌硫化物和铜中提炼出的黄磷。和碳化硅一样,黄磷也拥有特殊的物理结构,能在电子的激发下发出可见光。这些物质统称为“发光二极管”,也就是LED。不幸的是,两位科学家把情况想得太过乐观了,在花费了大量时间精力之后,最终他们也没有战胜这过分暗淡的光线。千里马易寻,而伯乐难得,LED的美丽光芒,就这样又被埋没了起来。

  弹指一挥间,到了50年代,随着时代的发展和科技的进步,各大科技公司纷纷投身到了LED灯的研究中。经过许多人的不懈努力,终于在1962年8月8日,美国通用电气公司开发出了世界上第一种可实用的红光LED。又过了10年,人类又制造出了第一个黄光LED,而且这个时候的LED灯的亮度被提高了10倍。

  大家或许已经注意到了,LED灯,根据材质的不同,只能发出单色的光。砷化镓二极管能发出红光,碳化硅二极管能发出黄光,后来人们又发现磷化镓二极管能够发出绿光,但人类最需要的,是白光。想要合成白光,仅靠红光、黄光、绿光是不够的,人们还需要蓝光。

常见的LED手电筒(网络图)

常见的LED手电筒(网络图)

  寻找蓝光LED的道路是崎岖的,也是漫长的。60年代末,日本学者赤崎勇就开始研究基于氮化镓基础上的蓝光LED,这项研究一直兢兢业业地进行了近30年,他和学生天野浩为蓝光LED的研究做出了许多贡献,在他们的研究基础上,1994年,在日亚化工工作的中村修二用烟氮化镓制造出了亮度很高的蓝光LED灯。他们也凭借这项研究成功,获得了2014年的诺贝尔物理学奖。

  蓝光LED的出现,立即给人类带来了白光LED灯,它最大的优点当然是发光效率高:一个白炽灯电能转化为光能的转化率只有10%左右,而LED灯可以达到60%,利用率比节能灯还高;第二,它寿命长达10万个小时,可以使用10年以上,而白炽灯的寿命只有1000小时左右;第三,LED灯需要的电压很低,几伏特就足够了,安全可靠。

2014年诺贝尔物理学奖得主:从左到右赤崎勇、天野浩、中村修二(网络图)

2014年诺贝尔物理学奖得主:从左到右赤崎勇、天野浩、中村修二(网络图)

  目前,因为造价较贵,家用的LED灯还不普及,但LED灯早已广泛渗入到我们的生活中。从手电筒上小巧明亮的LED灯,到街头的红绿灯,再到液晶电视机采用的、更加明亮鲜艳的背光LED灯,我们无时不刻在享受着前人智慧的成果。人们推算,到了2020年,LED光源将成为最便宜的光源,假如届时它能够在全世界普及,那人类用于照明的耗电将减少一半。

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