Nobelova cena za fyziku do Japonska za modrou světelnou diodu
Letošní Nobelovu cenu za fyziku získala trojice vědců Isamu Akasaki a Hiroši Amano z Japonska a Šúdži Nokamura (americký vědec rovněž s japonskými kořeny – obr. 1) za vynález modré světelné diody. Tolik stručná zpráva ze zasedání Švédské akademie věd. Naskýtá se logická otázka, proč toto ocenění bylo uděleno právě až nyní za modrou diodu, když princip světelných diod je znám již od počátku 20. Století (v roce 1907 britský vědec H. J. Roud jako první pozoroval elektroluminiscenci polovodičů, o čemž informoval odbornou veřejnost svým krátkým dopisem redakci časopisu Electrical World, ruský vědec O. V. Losev v období 1924 až 1941 publikoval množství článků – např. v časopise Philosophical Magazine – podrobně popisujících funkci zařízení emitujících světlo na bázi elektroluminiscence a první diodu vyzařující viditelné světlo představil Američan Nick Holonyak již před více než 50 lety a je považován za otce moderních LED světelných zdrojů).
Obr. 1. Súdži Nakanura – jeden z nositelů Nobelovy ceny za fyziku 2014
Až do vynálezu modrých světelných diod se na trhu uplatňovaly především LED zdroje nejdříve s červenou a později se zelenou barvou světla. Pro své technické parametry (vysoká čistota světla, miniaturní rozměry, dlouhý život, malý příkon, malé napájecí napětí a přijatelný jas, ale poměrně malý světelný tok) se uplatňovaly především pro signální účely v průmyslu a automobilech a pro dekorační účely v obchodech aj., kde s úspěchem nahradily trpasličí žárovky, doutnavky, dekorační a barevné žárovkyky, tužkové barevné zářivky atd.
Rozvoj technologie výroby polovodičových čipů a vývoj nových, vysoce čistých materiálů pro jejich výrobu umožnily dále zlepšovat jejich vlastnosti, zejména měrný výkon, a rozšiřovat jejich sortiment o další barvy. Objevily se světelné diody žluté, fialové a rovněž světelné diody zářící v ultrafialové a infračervené oblasti spektra.
Stále však šlo o světelné zdroje vyzařující ve velmi úzkém (několik desítek nanometrů) spektrálním pásmu (obr. 2), což v určitých oblastech použití představuje velkou výhodu (např. nezaměnitelnost barev zejména v signalizaci), ale zároveň značně omezuje možné oblasti jejich využití a přímo vylučuje použití pro účely všeobecného osvětlení. Zdokonalování světelných diod pokračovalo díky usilovnému hledání nových vysoce čistých materiálů a díky vývoji nových nákladných technologií výroby v mnoha firmách v technicky vyspělých zemích, ale dlouhou dobu nebyly na trhu světelné diody bílé barvy.
Obr. 2. Porovnání spektrálního složení energie barevných diod a bílé diody
Z principu funkce světelné diody totiž nelze získat bílé světlo. Teprve vývoj světelných diod s modrou barvou světla znamenal doslova převrat v oblasti LED světelných zdrojů a nastartoval jejich nečekaně bouřlivý rozvoj, protože umožnil vytvořit světelný zdroj na bázi LED s tolik potřebnou bílou barvou světla (obr. 3). Tu lze získat dvěma způsoby a při obou je funkce modré diody nezastupitelná. První spočívá v klasickém přímém míšení světla červené, zelené a modré diody, druhý způsob využívá fosforescenci luminoforů buzených světlem modré diody. Současné špičkové světové firmy vkládají do tohoto oboru ohromné investice, které se projevují v neustálém zvyšování měrného výkonu základní jednotky všech LED zdrojů – polovodičového čipu, kde současná špičková hodnota pro bílou barvu v laboratorních podmínkách již přesáhla 230 lm/W. Zvládnutí sériové výroby a postupné snižování výrobních nákladů následně umožnily rozvoj výroby bílých LED zdrojů vytvořených z jednotlivých čipů v dalších výrobních firmách, kde výrobci svítidel a světelných přístrojů mohou uplatnit svou invenci při jejich sestavování do konkrétního konečného výrobku při podstatně nižších investičních nákladech.
Hodnoty měrného výkonu takto sestavených světelných zdrojů (ve tvaru klasických, dekoračních a reflektorových žárovek, lineárních a kompaktních zářivek, výbojek o malém příkonu atd.) v současné době již přesáhly 100 lm/W, a při výrazně lepších provozních vlastnostech tak překonaly velkou většinu konvenčních světelných zdrojů s podobnými kolorimetrickými parametry. Autor je přesvědčen, že nejde o poslední slovo.
Obr. 3. Spektrální složení energie bílých diod
Modré světelné diody tedy stojí u kolébky bílých světelných diod, které umožnily rozšířit jejich použití do nejrůznějších dříve nepředstavitelných aplikačních oblastí, včetně průmyslových hal a uličního osvětlení. Postupně vytlačily a v blízké budoucnosti jistě nahradí ještě spoustu dalších konvenčních světelných zdrojů, které se tak stanou jen exponáty technických muzeí. Pro světelné techniky je určitě příjemné, že nejvyššího světového ocenění za zásluhy o rozvoj fyziky se v letošním roce dostalo právě vědcům, kteří se zasloužili o rozvoj jim tak blízkého oboru.