Redakcja: Jakie były okoliczności wynalezienia niebieskiej diody LED?

Prof. Piotr Perlin: Kiedy starano się znaleźć materiał emitujący światło widzialne, istniało kilka istotnych przeszkód technologicznych, które uniemożliwiały osiągnięcie tego celu. W żarówce edisonowskiej światło emitowane jest poprzez podgrzanie do wysokiej temperatury wolframowego drucika, w którym płynie prąd. W przeciwieństwie do niego dioda LED (elektroluminescencyjna) może być zimna, a przy tym jest w stanie z równie wysoką wydajnością emitować światło o dobrze określonym kolorze. Problem polegał na tym, że w oparciu o półprzewodniki znane w latach 70. i 80. nie dało się uzyskać świecenia w tym zakresie widzialnym, który dla nas z wielu względów jest najważniejszy. Uzyskiwano świecenie w podczerwieni, brakowało natomiast światła widzialnego, a ono oferowało wiele nowych możliwości, z jakich nie zawsze zdawano sobie sprawę.

Jedną z opcji była konstrukcja już nie diod elektroluminescencyjnych, ale laserów półprzewodnikowych, które świeciłyby np. światłem niebieskim. Tych laserów użyto w odpowiednim czasie do zapisu wideo. Telewizja wchodziła wówczas w standardy wysokiej rozdzielczości, a ludzie przyzwyczaili się już do nagrywania filmów. Istniejące płyty DVD nie mogły jednak pomieścić filmów w dostępnych na telewizorach rozdzielczościach obrazu i to stanowiło dużą przeszkodę. Nie było jeszcze szczególnie rozwiniętego internetu, tak więc myślało się o rozpowszechnianiu filmów przy użyciu tak konwencjonalnych metod, jak sprzedaż płyt. Najprostszy pomysł, jaki wtedy się pojawił polegał na tym, że światło o krótszej długości fali można w większym stopniu skupić. W fizyce istnieje zasada, że krótsze i bardziej energetyczne światło o krótszej fali możemy skupić do mniejszej plamki i w związku z tym jesteśmy w stanie zapisać więcej informacji na jednym, powiedzmy umownie, centymetrze kwadratowym nośnika.

To była pierwsza motywacja Japończyków, aby wytworzyć przyrządy świecące światłem widzialnym. Wcześniej znane materiały tego nie potrafiły, a grupę materiałów mogących emitować światło o bardzo różnych kolorach widzialnych dla ludzkiego oka stanowiły tzw. półprzewodniki azotkowe. Ta rodzina materiałów okazała się bardzo udana, ale i trudna. Dzięki wytrwałości, geniuszowi oraz świetnym pomysłom, Japończykom jako pierwszym udało się przezwyciężyć te fundamentalne dla rozwoju technologii emiterów problemy. Równolegle, materiały świecące i diody elektroluminescencyjne świecące w kolorach niebieskim, zielonym i ultrafioletowym okazały się niezmiernie ważne, ponieważ użyto ich m. in. do świateł sygnalizacyjnych. To, co w tej chwili widzimy na ulicach, światła zielone i czerwone, sygnalizujące możliwość przejazdu, są już od bardzo dawna oparte na diodach LED. Następnie pojawił się pomysł, że jeżeli używamy takiej diody świecącej np. światłem niebieskim albo fioletowym, to tego rodzaju światło może pobudzić do świecenia substancje zwane luminoforami. Jeżeli np. niebieską diodą elektroluminescencyjną będziemy świecić na żółty luminofor i zmieszamy te światła razem, dostaniemy światło białe. Tak powstały białe diody elektroluminescencyjne. Jednocześnie samo istnienie diod LED spowodowało rewolucję w kilku miejscach, wywierając chociażby wpływ na monitory komputerowe.

Zastanówmy się teraz, jak działają telewizory? Są one w tej chwili podświetlane światłem LED-owym. Te źródła światła oferują całkowicie nieporównywalną sprawność w stosunku do żarówki edisonowskiej, która świeci przede wszystkim w podczerwieni, natomiast emituje naprawdę bardzo mało światła widzialnego. Tymczasem diody elektroluminescencyjne potrafią mieć niezwykle wydajności, które ciągle jeszcze w jakimś stopniu rosną. Oszczędności z tym związane to jedna sprawa, a druga to fakt, że tego typu źródła światła są bardzo funkcjonalne. Dają możliwość uzyskania wielu barw oraz ich zmiany, a także można je łączyć z detektorami ruchu. Świat powoli odchodzi od tej pierwotnej pochodni czy świeczki. Diody elektroluminescencyjne lubią być zimne, a przy tym doskonale i w ultrawydajny sposób emitują światło.

Jak japońscy naukowcy doszli do stworzenia wynalazku?

Za tym, co postrzegamy jako optoelektronikę LED-ową stoją nowe materiały. Już koniec poprzedniego wieku, a już na pewno wiek obecny, można określić jako wiek materiałów. W przypadku elektroniki rolę odgrywa przede wszystkim krzem, a w przypadku optoelektroniki był to kiedyś głównie arsenek galu i jego związki. Jak już jednak wcześniej powiedziałem, brakowało takich materiałów, które byłyby w stanie dostarczyć nam platformę do stworzenia emiterów działających w zakresie widzialnym. Te materiały teoretycznie znano od dawna, od lat 60. badano je dość intensywnie i wiedziano, że azotek galu to materiał, który powinien się do tego nadawać. Ten podstawowy półprzewodnik był jednak bardzo trudny do wytworzenia.  

Oglądaj całość