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？

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？

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。

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。

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：

• 科學月刊2014年12月號，<藍光LED掀起照明的新頁>。
• 物理雙月刊2015年2月號，物理諾貝爾獎專題報導。