[影音] 大师讲座:中村修二《崭新光明大道》

[影音] 大師講座:中村修二《嶄新光明大道》

[影音] 大师讲座:中村修二《崭新光明大道》中村修二被誉为蓝光LED之父,是2014年诺贝尔物理学奖得主。

台湾大学特邀现任职于美国加州大学圣塔芭芭拉校区中村教授,来台大演讲进行一场公开演讲,全程以英文讲述。

◕ 讲题:Road toward the new light–the history of the bright blue LEDs

◕ 时间:104年9月3日15:00

◕ 地点:台大集思会议中心 国际会议厅

讲座侧写:

「在台北闹区的夜晚,闪烁的广告看板跑着特价的消息,开着大灯的车子从身旁驶过,回到家,开灯点亮一室的光明, 边看着60吋LED电视中的节目边吃着晚餐,逐渐洗脱整天疲惫。」

以上场景日复一日地发生在你我身边。在白光LED (light emitting diode)普及到日常生活前,虽然一样是「灯火通明」,但发光的方式与效率却截然不同。这一切的巨大改变都要归功于三位研究者:赤崎勇、天野浩与中村修二的努力。他们三位在1980年代发明了蓝光二极体(Blue LED),为光的三原色,也就是红色、绿色与蓝色,补上了最后一块拼图,使得白光LED能在黑暗中大放光明。因此他们在2014年以发明蓝光LED获得诺贝尔物理学奖。这次台大邀请中村修二教授以亲身参与的第一手经验,来介绍蓝光二极体的发展史,并与听众分享他的独特经验。

2014年的三位日本籍诺贝尔物理学奖得主,赤崎勇与天野浩是製造出P型氮化镓(GaN)磊晶体的关键人物。而中村修二立足于赤崎勇与天野浩等人的研究,提出正确的理论解释并利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition)长成高品质氮化镓铟(InGaN)晶体,使蓝光LED能够用较简单的方式发光,大幅提高蓝光LED的实用性,中村修二也因此被誉为「蓝光之父」。

人类电灯的演进,从二十世纪的白炽灯、日光灯到二十一世纪的白光LED灯,发光方式有着飞越性的改变。LED,或是发光二极体,发光的原理是利用半导体材料中,电子和电洞在发光层(emitting layer)结合而产生单色光。改变发光层的材料则可以产生不同颜色的光。由于一个LED元件仅能产生一种颜色的光,所以如果要产生白光,便需要结合不同颜色的光源。最容易产生白光的方式是结合蓝光和黄光,但是要产生最高品质的白光,则是需要结合光的三原色,也就是红光、绿光与蓝光蓝。自从蓝光LED发明之后,蓝光LED的发光效率逐渐提昇,也连带使白光LED的效能持续提高,亮度目前已可达300lm/W,约是一般白炽灯的二十倍、日光灯管的四倍。若广泛地使用发光效率良好的白光LED为照明设备,根据估计,在2030年时可以省下46%的电力,从2010到2030年约可省下2500亿美元,并可减少1亿8500万吨的二氧化碳排放量。有些偏远地区利用燃烧的方法照明,不但危险,而且成本相当高,每年的照明成本高达150美金。如果把LED灯泡太阳能板跟电池整合在一起,不但安全耐用,而且可以大幅降低照明成本至一年仅3美元,将可为全世界15亿偏远地区的人口带来照明希望。

中村先生认为LED的发展可以分为三个阶段:

早在1960年代,就有人提出硒化锌(ZnSe)和氮化镓( GaN)是实现蓝光LED的可能方法,当时的主流方法是把硒化锌晶体长在砷化镓(GaAs)基板上,品质较氮化镓良好。当时氮化镓的瓶颈在于当时的技术无法在蓝宝石基板上长出高品质的氮化镓磊晶。在1990年间,赤崎勇与天野浩以低温缓冲层技术製作出高品质氮化镓磊晶,并以注入脉冲电流的方式首度观察到元件受激发后的光现象;接着中村利用「Two-flow双流式有机金属化学气相沉积(two-flow MOCVD)」的磊晶技术,成功长出高品质的铟氮化镓(InGaN)单晶。1994年,又研发出在InGaN蓝光LED晶粒上涂上萤光活性物质,藉由活性物质吸收部分或全部蓝光(波长460nm)以产生黄光(波长555nm)。由于黄光是蓝光的互补色,所以黄光可和蓝光产生白光,成为製造白光LED的另外一种方法。

中村先生除了发明高亮度蓝光二极体外,亦是青紫色雷射二极体的发明者。雷射二极体又名半导体雷射,是指利用二极体(diode)做成的雷射,其原理是原子内部的电子在不同能阶状态跃迁,跃迁的过程会伴随着光的吸收和辐射。根据不同的材质,雷射二极体可以放出不同波长的光子,蓝光雷射的主要材质即是氮化镓铟。雷射二极体的消耗功率小,且输入电流与输出光功率为线性关係,因此可藉由改变输入电流来控制输出光的强度,降低调製器的成本。除此之外,雷射二极体亦有体积轻巧、使用寿命长、经济效益高等优点。中村先生认为未来所有的照明元件都将在氮化镓基板上,使得雷射二极体成为照明革命发展的第三阶段,也将是未来照明世界的主流。

中村先生回想起开发蓝光LED的过程时表示:「我从未想过我会用氮化镓发明蓝光LED。」他在攻读博士班时,因为希望发表更多的学术成果,因此选择较少人涉足的蓝光二极体作为研究领域,在经过许多努力后,才有了现在的成功。他强调:「No risks, no rewards」。他认为成功的要素,要先有勇于冒险犯难的精神,加上思考上的创意与弹性,具备良好的沟通能力,并与具有多样性风格的团队合作。个人必须要能自由思考,与别人想的不一样。具备上述条件后,就不断地认真尝试。他以自身经验分享美日教育上的差异,从小日本学生便很用功读书、準备各级学校的入学考试,以便能考上好学校并进入好公司,而美国人从小就有多元化科目的学习,如:程式语言、商业课程等实用性的科目,也有较多机会能学到发表与旁人沟通的技巧,因此能持续地发展个人特质。在如此差异下,日本教育下的学生丧失了在複杂社会的「生存技能」。他认为过度强调礼节与规範的日本教育,限缩了日本学生的思考与冒险精神,使大家只愿意走安全的路,不愿意与别人不同。求职只想进大公司走安稳的生活,政府在政策上对于大公司也有着较多的支持,更助长了日本人不敢创新的情形。

中村修二教授有别于传统日本学者的印象,显得随兴许多。立着他随意地站在讲台上,开着西装外套的扣子,少了领带拘束、甚至还立起了衬衫的领子讲到有趣之处,语调提高,语速加快,一个多小时的演讲与座谈,除了经验传承,也使听众初窥诺贝尔奖得主的思维与创新。

主办单位:国立台湾大学
赞助单位:科技部、台达电子文教基金会、晶元光电、隆达电子、亿光电子
承办单位:台湾大学科学教育发展中心

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