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憑什麼得諾貝爾獎?要你看到藍光LED的與眾不同

南宮簫笛哥
・2015/07/31 ・2445字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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$ 0.41US$ 0.99US$ 9.97US$ 4.35US$ 31.50
瓦數60149.58.59.4
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$ 342US$ 80US$ 54US$ 48US$ 54
總成本US$ 360US$ 93US$ 77US$ 73US$ 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!

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南宮簫笛哥
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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,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。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)。

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「數」養生活就從今天開始!談談數學教育的跨領域思維 ft. 數感實驗室賴以威老師【科科聊聊 EP.58】

PanSci_96
・2021/09/24 ・2816字 ・閱讀時間約 5 分鐘

賴以威老師近年來不餘遺力的推廣數學教育,他與數感實驗室的團隊前進校園,設計好玩好學的國小實驗課、以身作則的舉辦教師研習、還配合國中課業需求推出必修課與題本,業務早已超過數感實驗室剛成立時的規模。一路走來雖然秉持一貫的教育理念,但在教育現場實現了多少?改變了什麼?本集泛泛泛科學邀請賴以威老師談談數學教育的探究、實作與跨領域思維!

不餘遺力地推廣數學教育的賴以威老師。圖/賴以威 提供
  • 02:03 數感實驗室的數學教育

數感實驗室」一開始是賴以威老師與太太 Stacy 於 2016 年成立的粉專,主要刊登數學文章,不過後來發現都是大人在看,粉專並沒有適合小朋友的數學教育,夫妻倆便著手開發好用、好學、好玩的數學課程,從知識切入,跨領域整合數學、科學、歷史、人文、藝術等領域。

延伸閱讀:數學風箏│巨大化,正四面體風箏!在家防疫DIY【數學實驗課】國小數學實驗課 秋季視訊班

開發好玩又好學的數學課程。圖/賴以威 提供
  • 05:50 以威老師如何做到跨域整合?

以威老師表示最原始的動力當然是興趣使然,除此之外還跟他在博士班培養出來的能力有關:研究方法、定義問題、找資料、實現概念,這些能力不僅限於研究,更一路演變成他後來從事科普的技能。下關鍵字、判別可信度、延伸搜尋、產生內容…這些都需要經驗累積。「只講科學不講故事很可惜」,他認為科普內容都要帶出科學背後的意義,所有科學事件都是一個故事,可以多面向探討,自然而然的做到跨領域。

  • 11:20 108 課綱期望學生達到的素養是否太強人所難?

以威老師坦承 108 課綱講求的探究活用精神是他到研究所才掌握的能力,這樣要求國高中生似乎其困難。但是以前的教學觀念不一定要蕭規曹隨,小孩能否學會什麼都是可以討論的,「探究活用」是看待知識的態度,的確有可能在國高中階段就學會。

延伸閱讀:數感盃

  • 16:12 我們該以什麼態度看待新課綱?

如果我們把新課綱定義為培養好奇心,為了滿足好奇心,學生必須主動探究知識,而不是被動學習。好奇心就是這個時代學習的重要因素。當課堂不再是知識的唯一管道,老師不一定得擔任教學角色,當老師必須做的事變少了,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。

老師不一定得擔任教學角色,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。圖/賴以威 提供
  • 18:21 實務上有這麼理想嗎?

在數感實驗室舉辦的教師研習中,團隊遇過非常積極的老師、也遇過只習慣過去教法而否定新教法的老師,賴以威覺得這都在所難免,數感只能做更多研習,讓更多老師認同教學理念,並提供材料幫助老師無痛轉換。而家長與孩童方面,偶而也會有人反應都沒算到數學題目,對新教法不甚理解,這些都需要慢慢溝通。參與新課綱的人很多:老師、家長、學生、政府、大學、民間團體…我們都需要勾勒出共同的理想。

  • 23:55 何謂「數感」?

團隊認為數感分成「察覺關聯」與「應用數學分析決策」兩個層次。對不熟悉的人來說還是要輔以大量舉例才有機會了解,對孩童來說得花更多時間領會。所以團隊鼓勵大家來參加數感實驗室的活動,從機器人輸入輸出的參數體會函數概念、蓋紙房子學習錐體柱體與建蔽率、還有這次的四面體風箏與曲線刺繡都是數感的一種!

追蹤:數感活動

孩童正製作的四面體風箏也是數感的一種!圖/賴以威 提供
  • 28:10 人人有數感

Uber 饗食方案划算嗎?集點卡可以省多少錢?股票會賺嗎?人們平日的決策過程都是數感的表現,但是很多人卻把自己會的數學當作常識,自己不會的數學當做數學。其實,只要有算就是數學,意識到更多生活方面都可以應用數學還可以幫助我們過更好的生活。當你不排斥其他領域,就能夠處理更多知識、解決更多問題。

  • 31:57 教學理念與升學表現的平衡

一昧在教學中強調好奇心又太過理想化,尤其國中生有升學壓力必須顧及學業表現。數感團隊也在拿捏,從強調好奇心的數學課向升學的方向靠攏。像是數感的國中課程就有許多建立數學情境的素養題目:講求平均值的區間測速、二十進位的瑪雅數字、正負數計算高鐵票價,這樣同時培養了探究實作的素養也搭配學校課程幫助課業表現。

延伸閱讀:不需要測速照相機就能抓超速?區間測速原理大解析- PanSci 泛科學

  • 38:13 數感實驗室的課程設計

數感實驗室目前堆出的課程有國小與國中兩種,國小數學實驗課以引發好奇心為主,國中必修課與生活情境連結幫助課業提升。

其中九年級非選實戰題考驗著把文字轉換為數學問題的能力,是學生最缺乏也最難教的,甚至很多高中生都還再學習。從這點來看,有老師認為七年級題本也可以給高中生做。當然數感也希望盡快開發出對應完整學程的課程讓所有學生直接使用。

另外題本也可視為科普文章,大人也可以寫喔。y 編回憶起學生時代的題目才發現都沒搞懂,因為以前的教學沒有連續的思維養成,希望現在的題本可以整合以前學習的片段知識。

  • 43:12 更多關於數感的資訊

追蹤數感實驗室官網,獲取精選文章、影片、課程與活動資訊、題本、還有賴以威老師親簽書籍喔!

節目的最後,以威老師也分享疫情期間的線上課程其實比較辛苦,但有些功能如軟體模擬、分組、Jamboard、延伸閱讀等等也是實體課程做不到的。另外線上課程不限地點皆可參加,連家人都可旁聽,這些特性都必須好好把握的。


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