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新世界的光

2002-12-16 11:27 作者:鲁伊 2002年第49期
但这还远远不够。我们从彩电中看到的五色斑斓,其实都是由蓝、绿和红色三种荧光剂所生成的。同样道理,红光LED、绿光LED和蓝光LED结合在一起,就能构成彩虹光谱上绝大多数颜色的光。但是,蓝光在哪里?

这个南斯拉夫人手中拿着一盏由欧司朗公司生产的最早的白炽灯泡。早在1910年左右,这种白炽灯泡就在欧洲的一些家庭中被使用。爱迪生对它的改进则是要等到许多年之后的事。目前,作为最早的白炽灯生产商,欧司朗公司也是白光LED技术最热中的研究开发者之一

白光LED将彻底宣告爱迪生时代的终结

留声机、电报机、滚筒油印机、证券报价机,这些都是托马斯.爱迪生的伟大发明,虽然差不多都已经成了过时的老古董。实际上,现在,惟一还能提醒人们关于那个辉煌的爱迪生时代的,只有并非爱迪生本人发明,但却经他之手得以改进的白炽灯泡,仍然在世界各地被广泛应用。然而,随着缩写为LED的发光二极管(Light-emitting diodes)技术的不断完善,这仅存的辉煌也终将被更好、更亮、更节能的新光源所取代。

LED并不是一件新事物。40年前,研究人员发现,当给封装在透明环氧树脂中的半导体晶体通电时,电流会驱使负电子进入带正电的空穴。这一过程释放能量,生成光子,从而发出红光或绿光。不过,早期发光二极管所生成的光实在微弱,它们最多只能用于电子钟或是计算器上,成为一种时髦的装饰。直到十年之后,磷化铝镓铟(aluminum gallium indium phosphide)半导体晶体的发明才让发光二极管能够发出比较明亮的红光来。

但这还远远不够。我们从彩电中看到的五色斑斓,其实都是由蓝、绿和红色三种荧光剂所生成的。同样道理,红光LED、绿光LED和蓝光LED结合在一起,就能构成彩虹光谱上绝大多数颜色的光。但是,蓝光在哪里?

今年9月19日,日本东京地方裁判所的三村量一裁判长做出了一项判决,驳回现任加利福尼亚圣巴巴拉大学教授中村修二的转移专利权的诉讼请求,判定该专利权属于日亚公司(Nichia Corporation),而日亚公司可能将为此向中村修二支付20亿日元。有趣的是,中村修二在判决后表示不服判决,即使20亿日元的请求得到承认,也将坚决提起上诉。这官司变得如此热闹,原因就在于,双方争执的对象,正是中村修二在1993年为日亚公司工作时发明的蓝光LED的专利权。而在这蓝光LED专利权的背后,可能蕴含着高达每年2000亿日元的巨大商机。

不管中村和日亚公司的官司最终将如何峰回路转,这缕源自日亚实验室的微弱蓝光却在短短的十年内让我们的世界发生了巨大的变化。在大城市街头,你所见到的交通指示灯在你不经意间已然改头换面。在那些莹莹然的红绿灯之后,便是LED在施展着魔法。目前,仅在美国,就有50万个交通指示灯装备了LED。传统白炽灯至少要每年更换一次,而LED交通指示灯可以5到10年不必更换灯泡,而且它消耗的电量比传统的交通指示灯少了80%到90%。据一项统计,每年,这些新更换的交通指示灯加在一起,至少为美国节约了4亿千瓦小时的电量。

更重要的是,同传统白炽灯相比,LED属于冷光源,这也是它极其节能的主要原因。一个40瓦的白炽灯泡远不足以照亮一间20平方米的大屋子,这是因为,传统的白炽灯所消耗的电量通常只有不到5%真正转化为我们见到的光,其余的95%都被用来转化为人眼不可见的红外光线,以热的形式体现出来。

用比较专业的术语来讲,一个标准白炽灯,消耗每瓦电能,只能释放出15流明(Lumen,光通量单位,等于一支蜡烛照在半径1英尺球体表面上的光照度)的光,这无疑是极不经济的。而且,大量白炽灯泡的使用会显著提高室内温度,在夏季加重空调负担,增加大气中温室气体的排放量,再算上发电厂为发出那些被浪费的电能所产生的温室气体,实在只能用双重浪费来形容。

“如果能将LED取代办公室和家庭中的白炽灯……”这样想的人为数不少。然而,从技术上说,制造出能发出白光的LED,使它既能节约能源,同时又价廉物美,是一件非常困难的事情。包括通用电气、飞利浦照明和欧司朗-喜万年(Osram-Sylvania)在内的照明业巨头都在致力于白光LED的研发和市场化。

要生成白光LED,一种传统思路是将红光LED、绿光LED和蓝光LED结合起来。但这样做有点问题。红光LED将电能转化为光的效率比绿光LED和蓝光LED都高,为了让颜色均衡,必须制造比较复杂的电路。但美国桑地亚国家实验室(Sandia National Lab)固态照明系统的项目负责人杰瑞·西蒙斯认为,这未尝不是一件好事。

“这意味着更多的控制,”西蒙斯指出。比如,使用可以测量穿过窗户的光线强度的电子传感器,就能够依据时间不同对不同的二极管做出调整,使室内照明的颜色和强度保持一致。此外,它还能迅速更改一个房间的氛围,比如从宁静而略带忧郁的蓝色调,调整为温暖而舒适的红色调等。它还给远程遥控提供了可能。

在这种途径之外,还有一种取巧的获得白光的办法:在蓝光LED或发出紫外辐射的二极管外涂上一层在受到光照或辐射时发出白光的荧光剂。这有些类似我们日常使用的荧光灯。不过,使用高能的紫外光生成低能的可见光会导致30%左右的能量损失,而荧光剂的散射也会减弱光线强度。

最近,波士顿大学的弗雷德.舒伯特教授发现了第三条道路。它将蓝光LED和发出黄光的半导体结合在一起,蓝光和黄光组合成一种肉眼看来像是白色的光。这种“假白光”中没有红光成分,因此看上去不够真实,不适合用在博物馆或手术室等对光线要求严格的地方。但如果放在走廊或是户外用以照明,还是相当理想的。

在这些途径之外,通用电气全球研究中心光能转换项目正致力于研制使用有机聚合体而非半导体制成的发光二极管——OLED。目前,研制出的OLED的寿命还很短,而且消耗的电量也较多。但在很短时间里,它就会变得极为便宜,而且寿命也将大大延长。

实际上,白光LED技术的进展几乎可以用一日千里来形容。根据飞利浦照明和朗讯实验室合资公司Lumileds的首席技术执行官乔治.克拉福德的预测,到2007年底,价格比较公道、适合大规模投放市场、寿命更长、每瓦电能够释放75流明左右的白光LED灯就会被普遍应用。而从美国光电子产业发展协会的预测来看,到2020年底,白光LED将至少把美国全国用于照明所消耗的电量削减一半,节约1000亿美元,并从而减少2800万吨碳排放量。

白光LED对我们这个世界的益处可能还不止如此。最近,加拿大卡尔加里大学的光子学工程师艾尔文.翰礼德再次拜访一个位于尼泊尔博卡拉的村庄。要从加德满都赶到那里,得开上几小时的车,还要在崎岖的山路上步行两天。翰礼德到达村庄的时候发现,这里的村民还在使用着他2000年来到这里时留下的那些灯。每天只要有一个人花半小时的时间踩动发电机的踏板,就能为整个村庄的居民提供平均长达4个小时的照明时间。翰礼德的灯所使用的,正是LED。对那些仍然使用着昏暗的煤油灯的不发达国家中电网无法进入地区的居民来说,LED将意味着一个光明时代终于到来。

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