Šiandien jis šviečia beveik kiekvienuose namuose, bet mokslininkai 30 metų negalėjo jo sukurti: mažas išradimas pakeitė pasaulį

Įjungiame šviesą kambaryje, pasižiūrime į telefono ekraną ar vakare įžiebiame šventines girliandas – ir nė nesusimąstome, kad už daugelio šių technologijų slypi išradimas, kuris ilgą laiką atrodė beveik neįmanomas. Mėlynam šviesos diodui sukurti prireikė dešimtmečių, o jo istorija baigėsi Nobelio premija ir milijoniniu ginču teisme.

Šiandien šviesos diodai, dažniausiai vadinami LED, mums tokie įprasti, kad sunku įsivaizduoti, jog viena jų spalva kadaise buvo rimtas galvosūkis mokslininkams. Raudoni diodai jau švietė įvairiuose prietaisuose, vėliau atsirado ir žali, tačiau ryškios, efektyvios mėlynos šviesos išgauti ilgai nepavyko.

Tai nebuvo vien spalvos klausimas. Būtent mėlynas diodas atvėrė kelią praktiškoms baltos šviesos LED lemputėms, kurios dabar naudojamos namuose, biuruose, gatvėse ir automobiliuose.

Prie šio proveržio prisidėjo ne vienas žmogus. Japonijoje dirbę mokslininkai Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ir Shuji Nakamura 2014 metais už efektyvių mėlynų šviesos diodų išradimą buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija.

Raudona šviesa jau buvo, o mėlynos teko laukti dešimtmečius

Pirmasis matomą raudoną šviesą skleidžiantis LED buvo sukurtas 1962 metais. Vėliau pasirodė ir kitų spalvų diodai, tačiau mėlyna ilgai nepasidavė, nors jos siekė tiek universitetų mokslininkai, tiek didelės technologijų bendrovės.

Iš šalies problema gali atrodyti paprasta: jeigu yra raudonas ir žalias diodai, kodėl nepagaminus tokio paties mėlyno? Tačiau LED spalva nepriklauso vien nuo plastikinio gaubtelio. Ją lemia medžiaga, iš kurios pagamintas pats šviesą skleidžiantis puslaidininkis.

Kaitrinėje lemputėje elektros srovė įkaitina siūlelį, o šis ima švytėti. LED veikia kitaip: elektros krūviams judant puslaidininkyje ir elektronams susijungiant su vadinamosiomis skylėmis, dalis energijos išspinduliuojama šviesos pavidalu.

Mėlynos šviesos fotonai turi daugiau energijos nei raudonos. Todėl reikėjo tinkamų puslaidininkių, turinčių didesnį energijos tarpą. Viena perspektyviausių medžiagų buvo galio nitridas, tačiau jį pagaminti pakankamai kokybišką ir sukurti tinkamas elektrines savybes buvo nepaprastai sunku.

Kliūtys ilgai atrodė tokios didelės, kad kai kurie tyrėjai abejojo, ar praktišką mėlyną LED apskritai pavyks sukurti iki XX amžiaus pabaigos. Mokslininkams teko ne tik auginti kokybiškus medžiagos sluoksnius, bet ir išmokti juose valdyti elektros krūvių judėjimą.

Mėlynas LED

Proveržis atėjo iš Japonijos: lemtinga šviesa sužibo 1993-iaisiais

Prie galio nitrido tyrimų daug metų dirbo Isamu Akasaki ir Hiroshi Amano. Jų darbai padėjo įveikti esmines kliūtis: išauginti geresnės kokybės sluoksnius ir sukurti diodui būtiną puslaidininkio tipą, kuriame elektros krūvį perneša vadinamosios skylės.

Tuo metu kitoje vietoje tyrimus tęsė Shuji Nakamura. Jis dirbo Japonijos bendrovėje „Nichia“, kuri, palyginti su didžiaisiais pasaulio elektronikos gamintojais, buvo gerokai mažesnė. Nakamura ieškojo būdų, kaip galio nitrido pagrindu pagaminti ryškų ir pakankamai ilgai veikiantį mėlyną diodą.

Vienas svarbių žingsnių buvo geresnės kokybės puslaidininkio sluoksnių gamyba. Taip pat reikėjo sukurti sudėtingesnę kelių sluoksnių struktūrą ir panaudoti indžio turintį junginį, kad diodas skleistų ryškesnę mėlyną, o ne vien violetinę šviesą.

Bandymų metu Nakamura vieną dar ne itin ryškų diodą paliko įjungtą per naktį. Kitą rytą sugrįžęs į laboratoriją jis rado jį vis dar šviečiantį. Vėlesni bandymai parodė, kad toks įrenginys gali veikti ilgiau nei tūkstantį valandų – tai buvo svarbus ženklas, jog technologija turi ateitį.

1993 metų lapkritį „Nichia“ paskelbė apie ryškų mėlyną LED. Kitais metais technologija toliau tobulėjo, o mėlynieji diodai tapo vis ryškesni. Prasidėjo kelias nuo laboratorinio pasiekimo iki gaminio, kurį buvo galima naudoti daugelyje prietaisų.

Svarbu tai, kad ryškių mėlynų LED istorija neapsiriboja vieno žmogaus darbu. Akasaki ir Amano tyrimai padėjo svarbius pagrindus, o Nakamura ir kiti specialistai prisidėjo prie technologijos tobulinimo bei praktinio pritaikymo.

Kodėl mėlynas diodas svarbus, jei namuose dažniausiai naudojame baltą šviesą?

Baltą šviesą galima gauti keliais būdais. Vienas jų – sumaišyti raudoną, žalią ir mėlyną šviesą. Dėl to visų trijų spalvų diodai tapo svarbūs ekranams ir kitoms technologijoms, kurioms reikia atkurti įvairias spalvas.

Tačiau daugelyje įprastų baltų LED lempučių naudojamas kitas sprendimas. Jų viduje yra mėlyną šviesą skleidžiantis diodas ir specialus sluoksnis – fosforas, kuris dalį mėlynos šviesos paverčia kitų spalvų šviesa. Šiai susimaišius su likusia mėlyna šviesa, mūsų akys mato baltą arba gelsvai baltą apšvietimą.

Būtent todėl mėlyno diodo reikšmė gerokai didesnė, nei gali pasirodyti žiūrint į jo spalvą. Be šio proveržio dabartinės plačiai naudojamos baltos LED lemputės nebūtų atsiradusios tokia forma.

LED lemputės tapo populiarios ir dėl energijos vartojimo. Kaitrinė lemputė didelę dalį energijos išskiria šilumos pavidalu, o LED įrenginiai šviesą paprastai gamina efektyviau. Jie taip pat gali veikti ilgiau, nors konkrečios lemputės tarnavimo trukmė priklauso nuo jos kokybės, konstrukcijos ir naudojimo sąlygų.

Paprastam gyventojui tai reiškia mažesnes apšvietimui sunaudojamos elektros sąnaudas ir retesnį lempučių keitimą. O miestams, įmonėms ir įstaigoms, naudojančioms daugybę šviestuvų, skirtumas gali būti dar reikšmingesnis.

Mėlynų diodų technologija svarbi ir ekranams. Jie naudojami įvairiuose ekranuose bei jų apšvietimo sistemose, nors ne visi telefonų ar televizorių ekranai veikia vienodai. Šviesos diodus taip pat galima pamatyti automobilių žibintuose, šviesoforuose, reklaminiuose ekranuose ir daugybėje smulkių elektroninių prietaisų.

Už išradimą – kukli premija, o vėliau milijoninis ginčas

Nors mėlynojo LED technologija tapo komerciškai labai svarbi, Nakamura ir jo buvusios darbovietės santykiai ilgainiui pašlijo. Iš pradžių už vieną su išradimu susijusį patentą jam buvo sumokėta 20 tūkst. Japonijos jenų. Vėliau mokslininkas paliko bendrovę ir kreipėsi į teismą dėl atlygio už savo darbą.

2004 metais Tokijo apygardos teismas nurodė „Nichia“ išmokėti Nakamurai 20 mlrd. jenų. Tai buvo jo pareikšto reikalavimo suma. Bendrovė su sprendimu nesutiko, o ginčas persikėlė į apeliacinę instanciją.

Galutinė baigtis buvo kitokia. 2005 metais šalys pasiekė susitarimą: bendrovė sutiko sumokėti apie 843,9 mln. jenų, įskaitant palūkanas. Šis susitarimas apėmė ne tik vieną ginčytą patentą, bet ir kitus Nakamurai dirbant bendrovėje sukurtus išradimus.

Mokslininkas neslėpė nusivylimo, kad galutinė suma gerokai mažesnė už tą, kurią anksčiau buvo nurodęs apygardos teismas. Savo ruožtu bendrovė pabrėžė, kad kuriant technologiją prisidėjo daugiau žmonių ir kad įmonė taip pat prisiėmė tyrimų bei gamybos riziką.

Ši istorija sukėlė platesnes diskusijas apie tai, kaip turėtų būti atlyginama darbuotojams už išradimus, kurie jų darbdaviams atneša didžiulę komercinę naudą.

Praėjus metams po ginčo, mėlynas šviesos diodas tapo ne išskirtine laboratorijos naujiena, o kasdienės aplinkos dalimi. Kai kitą kartą įjungsite LED lemputę, jos skleidžiama balta šviesa gali būti sukurta naudojant mėlyną diodą – technologiją, kurios mokslininkams nepavyko įveikti beveik tris dešimtmečius.