A kék LED feltalálói és a fizikai Nobel-díj: a felfedezés, ami elhozta a fehér LED-világítást

A kék LED-et három japán kutató, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano és Shuji Nakamura alkotta meg a 80-as és 90-es években, és épp ezért a munkáért vehették át 2014-ben a fizikai Nobel-díjat. Az indoklás szerint „a hatékony kék fénykibocsátó diódák feltalálásáért” járt nekik az elismerés, mert ezek nyitották meg az utat a fényes, mégis energiatakarékos fehér fényforrások felé. A kék dióda volt az a hiányzó láncszem, amely nélkül a mai fehér LED-világítás meg sem született volna.

Mit tudott a kék LED, amiért Nobel-díj járt érte?

Piros és zöld LED-ek már az 1960-as évek óta léteztek. A kék viszont évtizedeken át dacolt a kutatókkal, holott éppen ez a szín hiányzott ahhoz, hogy a három alapszínből (piros, zöld, kék) fehéret lehessen keverni. A Svéd Királyi Tudományos Akadémia nem véletlenül emelte ki 2014-ben a felfedezést: az emberiség az általa megtermelt villamos energia tetemes részét világításra fordítja, és a LED ezt a fogyasztást drámaian visszametszette. A gyakorlati hozadék óriási.

A Nobel-bizottság egyetlen mondatban foglalta össze, miért is súlyos ez a felfedezés: a 20. századot az izzólámpa világította meg, a 21. századot pedig a LED fogja.

Miért volt ördögi feladat a kék fény?

A kék fény fizikailag „drágább”, mint a piros. A kék fotonok nagyobb energiájúak, vagyis az elektronoknak jóval szélesebb tiltott sávon (band gap) kell átugraniuk, ehhez pedig különleges félvezetőre van szükség. A legesélyesebb jelölt a gallium-nitrid (GaN) volt. Csakhogy ebből évtizedekig egyszerűen nem sikerült senkinek elég tiszta, hibamentes kristályt növesztenie. A nagy energiájú kék fénynél már egy-egy kristályhiba is komoly hatékonyságveszteséget okozott, ráadásul a GaN-ból p-típusú (pozitív töltéshordozós) réteget készíteni szinte reménytelennek látszott. Márpedig ilyen réteg nélkül nincs működő LED.

Nem csoda, hogy sok nagy labor lemondott a gallium-nitridről, és más anyagokkal próbálkozott. A három díjazott viszont nem tágított mellőle, és végül ez a kitartás döntötte el a versenyt.

Akasaki és Amano áttörése

Isamu Akasaki és tanítványa, Hiroshi Amano a Nagojai Egyetemen dolgozott. Az első nagy fordulat 1986-ban jött: zafír hordozóra felvitt alumínium-nitrid réteg segítségével végre kiváló minőségű gallium-nitrid kristályt sikerült növeszteniük. 1989-re a másik nagy bökkenőt is megoldották, előállítottak egy p-típusú GaN-réteget. Ez volt a kirakós addig hiányzó darabja. 1992-re már be is mutatták az első, fényesen kéklő diódájukat.

Nakamura, aki a gyakorlatba átültette

Shuji Nakamura akkoriban egy kis japán vegyipari cégnél, a Nichiánál dolgozott. A kristálynövesztő berendezést maga építette és csiszolgatta, majd 1992 és 1993 között gyökeresen átalakította az egész eljárást. 1993-ban indium-gallium-nitrid (InGaN) felhasználásával megszületett az első nagy fényerejű kék LED, amely nagyságrendekkel ragyogóbb volt minden korábbi kísérletnél. Ez volt az első kék dióda, amelyet tényleg lehetett éles helyzetben használni, és a Nichia már 1994-ben elindította a sorozatgyártást.

Hogyan lesz a kék LED-ből fehér fény?

Fehér fényt alapvetően kétféleképpen állíthatunk elő:

• Piros, zöld és kék LED keverésével – a három alapszín együtt fehéret ad ki. Ehhez a kék volt az utolsó hiányzó láncszem.
• Kék LED-del és foszforréteggel – ma a fehér LED-ek túlnyomó többsége így épül fel. Egy kék LED-chipre sárgás foszforréteg kerül: a foszfor a kék fény egy részét hosszabb hullámhosszú fénnyé alakítja, és ahogy ez összekeveredik a megmaradó kékkel, a szemünk fehéret lát.

Akármelyik utat választjuk, a kiindulópont mindig a kék dióda. Pontosan ezért igaz, hogy nélküle nem létezne sem fehér LED-izzó, sem LED-panel, sem okostelefon-kijelző.

Miért számít mindez a mai LED-világításban?

A kék LED feltalálása nem pusztán tudománytörténeti kuriózum. Minden egyes korszerű LED fényforrás ennek köszönheti a létét. Egy mai fehér LED nagyjából az izzólámpa energiájának 20–25%-ából ugyanannyi fényt ad, ráadásul akár 25–50-szer tovább is bírja. És mivel világszerte a villamosenergia-fogyasztás közel 15–20%-a világításra megy el, a LED-re váltás globális léptékben hatalmas megtakarítást jelent.

Ha szívesen elmélyülnél a témában, érdemes elolvasnod, hogyan fejlődött a LED-technológia, vagy hogy a LED gyökerei egészen 1907-ig nyúlnak vissza. Vásárlás előtt pedig sokat segít, ha tisztában vagy vele, mit jelent a színhőmérséklet, és hogyan kell olvasni az energiacímkéket.

Gyakran ismételt kérdések

Ki találta fel a kék LED-et?

A hatékony kék LED három japán kutató nevéhez fűződik: Isamu Akasaki és Hiroshi Amano a Nagojai Egyetemen, Shuji Nakamura pedig a Nichia vállalatnál dolgozott rajta. Munkájukért 2014-ben közösen kapták meg a fizikai Nobel-díjat.

Mikor kapott a kék LED Nobel-díjat?

2014-ben, „a hatékony kék fénykibocsátó diódák feltalálásáért, amely lehetővé tette a fényes és energiatakarékos fehér fényforrásokat”.

Miért kellett a kék LED a fehér fényhez?

Mert fehéret csak a piros, a zöld és a kék együtteséből lehet kikeverni, és épp a kék volt a hiányzó alapszín. A mai fehér LED-ek nagy része egyébként úgy oldja meg, hogy egy kék LED-chipre foszforréteget visznek fel, és az állítja elő a fehér fényt.