分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

憑什麼得諾貝爾獎?要你看到藍光LED的與眾不同

2014年諾貝爾物理學獎頒給了藍光LED的發明,但是其他顏色LED卻沒有獲得諾貝爾獎的肯定。

你會不會覺得很奇怪?筆者曾聽過物理天龍人說 (註:指的是從大學到博士都唸物理系,後來變物理系教授的血統純正物理人),諾貝爾獎應該頒給創新並被實驗證實的概念:但是LED這個概念不但幾十年前就有,之後也還有紅光的LED產品;藍光LED不但不創新,產品推出也較慢,為什麼可以獲獎?

source:Adam Greig

source:Adam Greig

發光二極體(light emitting diode,縮寫為LED),是由半導體所做成的發光元件。藍光LED的氮化鎵材料系統(GaN,InGaN)在1990年代才開始研發,元件結構的確跟譬如砷化鎵材料系統(AlGaAs, GaAsP)的紅光LED一樣,只是工程上做不做的出來,發光效率高不高而已。在藍光LED問世之前,紅光、黃光LED已經先做出來,而且還有紅光半導體雷射被拿來當投影筆。

但問題就在於,生活中很少把紅光拿來照明。我們喜歡用白光當作照明的光源,而白光可以由藍光、綠光、紅光三原色組成。難道就只是藍光LED是最後做出來的,因為終於可以混色成白光所以割稻尾,案情有這麼單純嗎?

source:wikipedia

source:wikipedia

藍光,不只是三原色之一

你或許會猜得到,當藍光、綠光、紅光LED都有時,就可以把他們湊起來發出白光;但你想不到的是:藍光LED目前與其他顏色的光材料不同,整合的成本會非常高。雖然科學家正致力於利用氮化銦鎵中,以調配銦跟鎵比例的方式來合成各種可見光的LED,但是技術還不成熟。

其實,假如現在只有藍光的LED發明出來,科學家還是可以製造白光的。

了解這件事,我們首先要有一個關於光的科學概念:二十世紀初光電效應及黑體輻射實驗中,科學家發現光的量子能量跟光強度沒有關係,只跟光的頻率(frequency)成正比而已。光是電磁波一種,在可見光中「紅橙黃綠藍靛紫」的彩虹排列中,頻率愈高,表示光能量也愈高。所以三原色中的藍、綠、紅三種顏色,藍色的能量是最高的。

source:wikimedia

source:wikimedia

藍光能量最高又怎樣?答案是它容易在發光材料裡產生低能量的綠光或紅光。當電子在發光材料裡面受到高能量的光由基態(ground state)激發到激發態(excited state)時,電子會在材料裡撞到其他電子或原子而損失能量。最後當較低能量的電子回到基態時,放出較低能量的光。所以科學家可以很容易的找到材料,受藍光激發後,會放出綠光或紅光。

目前市面上的白光LED燈泡,其實沒有用到紅光LED,而只有藍光LED而已,但燈泡裡面舖了會發黃光的螢光粉。當藍光LED放出藍光時,在燈泡裡面同時會激發螢光粉產生其他顏色的光,最後就可以混成白光。科學家也正致力研發如何混成各式色調的白光。

科學走入民間,需要有工程的思維

要讓技術變成商品走入人們的生活裡,就不能只有科學的思維。兩個同樣好的產品,價錢差別也不大的話,人們習慣了一個產品後,為什麼要換另一個產品?所以LED燈泡一定要比我們常使用的白熾燈泡、省電燈泡優越,才會有市場。雖然LED燈泡還有繼續改良進步的空間,但諾貝爾物理獎的委員們,已經看到了未來照明市場慢慢會被LED燈泡所取代了!

白熾燈泡 省電燈泡 LED (Cree) LED (飛利浦) LEDNovation
售價 US$ 0.41 US$ 0.99 US$ 9.97 US$ 4.35 US$ 31.50
瓦數 60 14 9.5 8.5 9.4
發光效率 14.3流明/瓦 55.4流明/瓦 84流明/瓦 94.1流明/瓦 86.2流明/瓦
壽命
(六小時/天)
0.46年 4.6年 11.4年 4.6年 22.8年
20年電成本 US$ 342 US$ 80 US$ 54 US$ 48 US$ 54
總成本 US$ 360 US$ 93 US$ 77 US$ 73 US$ 86

來源:維基百科

在LED燈泡還沒問世之前,我們都知道省電就要用省電燈泡,所以省電燈泡是LED燈泡市場上很強勁的對手。由上表來看,要達到差不多亮度所需的電,白熾燈泡是60瓦,但LED燈泡9瓦左右與省電燈泡14瓦比起來,LED燈泡雖然有比較省,但是售價卻差好幾倍。雖然電費比較省,但是精打細算的人們,就會考慮買貴的東西是不是能用的比較久,讓省下的電費彌補買貴的價差,才符合總經濟效益。所以我們看一下每天6小時,20年總成本的比較,LED還是比省電燈泡省一些,所以才會有市場。

source:wikipedia

source:wikipedia

從上面的表,你還會發現一件有趣的事,三家LED燈泡公司有不同的策略,其實LED的壽命要超過20年技術上是沒什麼問題的,只是製造成本很高而已。壽命長的LED燈也許可以用在車燈或是戶外照明,但飛利浦公司想要主打家用市場,用了比較差但是成本低的技術,結果使用壽命與省電燈泡差不多,但大幅降低了售價,增加人們購買的意願。

你想想,家裡的燈泡是不是每天只有晚上開著,用4年跟用20年換一次燈泡你的感覺有很強的不同嗎?但是售價差7倍是不是就影響你的購買選擇了!所以科學技術與人類購買思維是很不同的,很多時候最好的產品並不會賣的最好,廠商有時候不是不會做好產品,只是為了降低成本影響人們購買選擇,另一方面產品早點壞,讓消費者再買反而賺更多!

哎呀好像扯遠了,講到這,你是不是有被說服藍光LED真的比其他顏色重要?雖然物理天龍人認為藍光LED是「工程」貢獻不是「物理」貢獻。可是諾貝爾沒有「工程」獎啊!所以筆者認為它獲諾貝爾物理獎是實至名歸,對人類的生活影響層面很廣。我們期待技術的發展,能進一步再提升LED燈泡的用電效率與製造成本,節能減碳對地球友善些!

延伸閱讀:

ad3

問答是人類最原始的知識互動方式,也是文明火箭推進的燃料,更是茫茫知識大海中的羅盤
為什麼蘋果會落下?為什麼人類不能飛?所有偉大的事物,都萌芽於一個最初的問題。
我們全新推出的問答平台——泛答,讓大家用最輕鬆直接的方式挖掘最有價值的知識。

受夠了虛實難辨的假新聞?懷疑自己困在同溫層?想念那個充滿好奇的內心自我?
來泛答吧,跟我們一起用問答打破現狀,用問答找回專屬於你的知識。

關於作者

南宮簫笛哥

林宮玄

任職於中研院物理所,雷射光譜實驗室負責人,生物影像核心設施管理負責人。擔任過國立臺灣大學、國立臺灣師範大學、美國麻省理工學院博士後研究員,工業技術研究院南分院工程師。曾被戲稱南宮博士,擅長簫及竹笛,故稱南宮簫笛哥 (「人講瘋豬哥」台語諧音)。