Červenou a zelenou LED už vědci měli. Modrá jim ale dlouhá desetiletí unikala
Svítí v našich televizorech, monitorech, automobilech i domácnostech. Jsou malé, úsporné a vydrží pracovat dlouhé roky. LED diody dnes považujeme za naprostou samozřejmost. Málokdo ale tuší, že vývoj jedné z jejich barev představoval mimořádně obtížný technický problém, se kterým si vědci nedokázali poradit několik desetiletí. Nakonec jej vyřešil japonský inženýr, kterého zaměstnavatel zpočátku příliš nepodporoval. A přestože jeho objev pomohl vytvořit miliardový byznys, sám za něj původně dostal jen nepatrnou odměnu.
Hlavní výhodou LED diod je nízká spotřeba energie, dlouhá životnost a možnost vytvářet světlo různých barev. Jenže právě s barvami to dlouho nebylo tak jednoduché, jak by se mohlo zdát.
Zatímco červené a zelené LED diody se podařilo vyvinout už před mnoha desetiletími, dostatečně jasná modrá barva představovala pro výzkumníky téměř nepřekonatelnou překážku. A bez ní nemohlo vzniknout ani moderní bílé LED osvětlení v podobě, jakou známe dnes.
Zdroj: Grapetonix / CC BY 3.0
Proč vlastně nešlo vyrobit modrou LED diodu?
Historie viditelných LED diod sahá do roku 1962, kdy americký inženýr Nick Holonyak vyvinul první praktickou diodu vyzařující viditelné červené světlo. O několik let později následovaly také zelené LED diody. Zdálo by se tedy logické, že modrá přijde vzápětí. Jenže roky ubíhaly a výsledek stále nepřicházel. Deset let se změnilo ve dvacet a nakonec uplynula téměř tři desetiletí. Proč na tom tolik záleželo?
Červená, zelená a modrá tvoří základ takzvaného RGB modelu. Jejich vhodnou kombinací můžeme vytvářet širokou škálu barev včetně bílé. Dostatečně výkonná modrá LED navíc otevřela cestu k bílé LED, která využívá luminofor převádějící část modrého záření na světlo dalších barev. Bez modré složky by tedy vývoj moderního úsporného osvětlení vypadal úplně jinak.
Do hledání řešení se proto pustily velké technologické společnosti, například IBM, Bell Labs, General Electric, Sony, Toshiba nebo Panasonic. V sázce nebyl pouze vědecký úspěch. Šlo také o budoucí trh s obrovským ekonomickým potenciálem.
Mohlo by vás zajímat
Tvrdší oříšek, než by se mohlo zdát. Co bylo důvodem?
Abychom pochopili, proč vývoj LED s modrou barvou trval tak dlouho, musíme se krátce podívat na princip fungování LED diod. Klasická žárovka vytváří světlo zahříváním kovového vlákna. Velká část spotřebované elektrické energie se přitom mění na teplo. LED dioda funguje jinak. Je založena na polovodičovém materiálu, ve kterém může docházet k uvolňování energie v podobě světla.
Barva výsledného světla závisí především na energetických vlastnostech použitého polovodiče. Modré světlo má vyšší energii fotonů než červené nebo zelené. K jeho účinnému vytváření proto bylo nutné použít vhodné polovodičové materiály. A právě tady vědci naráželi na zásadní problém.
Materiály, které by umožnily vyrábět dostatečně jasné modré LED diody, se dlouho nedařilo připravovat v potřebné kvalitě. Jedním z nejslibnějších kandidátů byl nitrid galia, označovaný zkratkou GaN. Jeho zpracování však představovalo mimořádně náročný technologický úkol.
Zdroj: Sasun Bughdaryan / Unsplash
Průlom přišel z malé japonské firmy
Koncem osmdesátých let se do výzkumu modrých LED diod intenzivně pustil japonský inženýr Šúdži Nakamura (Shuji Nakamura). Pracoval ve společnosti Nichia, která byla ve srovnání s velkými technologickými koncerny poměrně malým výrobcem chemických materiálů. Podle dobových popisů se jeho výzkum zpočátku nesetkával s velkým pochopením. Někteří kolegové i nadřízení jej považovali za zbytečně nákladný a nejistý. Nakamura se ale nevzdal.
Postupně zdokonalil technologii výroby kvalitních polovodičových vrstev z nitridu galia a vyvinul praktické postupy, které umožnily lépe řídit jejich elektrické vlastnosti. Důležitou součástí úspěchu bylo také zvládnutí technologie vrstev potřebných pro účinné vyzařování modrého světla.
V roce 1993 se podařilo dosáhnout zásadního průlomu a Nichia představila vysoce svítivou modrou LED diodu. V následujících letech její parametry dále zlepšovala. Pro vývoj osvětlení šlo o okamžik, na který vědci čekali desítky let.
Mohlo by vás zajímat
Objev, který změnil způsob, jakým svítíme
S příchodem výkonných modrých LED diod se otevřely možnosti, které byly do té doby obtížně realizovatelné. Najednou bylo možné vytvářet bílé světlo mnohem efektivněji. Jedním z nejdůležitějších řešení se stala kombinace modré LED diody a luminoforu, který část jejího světla přeměňuje na jiné vlnové délky. Výsledkem je světlo, které vnímáme jako bílé.
Právě na tomto principu pracuje velká část běžných bílých LED světelných zdrojů. Oproti klasickým žárovkám dokážou LED diody využít elektrickou energii podstatně účinněji a zpravidla nabízejí také výrazně delší životnost. To má obrovský význam nejen pro naše domácnosti, ale také pro veřejné osvětlení, průmysl nebo dopravu.
Vývoj modrých LED navíc pomohl rozšíření dalších technologií, například moderních displejů. Význam objevu nakonec ocenila také Královská švédská akademie věd. V roce 2014 získali Nobelovu cenu za fyziku tři vědci: Isamu Akasaki, Hiroši Amano (Hiroshi Amano) a Šúdži Nakamura. Ocenění dostali za vývoj účinných modrých světelných diod, které umožnily vznik jasných a energeticky úsporných bílých světelných zdrojů.
Mohlo by vás zajímat
Myslíte, že nejlepší mobil je iPhone nebo Samsung? Otestovali jsme 27 telefonů a vítěz je jiný
Novinky
Firma vydělávala obrovské peníze. Vynálezce dostal zlomek
Příběh modré LED má ale také trpkou příchuť. Pro společnost Nichia znamenal Nakamurův úspěch mimořádnou obchodní příležitost. Už koncem roku 1994 vyráběla podle dobových údajů přibližně milion modrých LED diod měsíčně. Během několika následujících let se její obrat výrazně zvýšil.
Samotný vynálezce však zpočátku z finančního úspěchu příliš netěžil. Za svůj zásadní objev měl od zaměstnavatele dostat prémii pouhých 20 000 jenů, což tehdy odpovídalo přibližně 150 eurům. Nakamura v roce 2000 společnost opustil a následně zahájil právní spor o přiměřenou odměnu za své vynálezy. V roce 2004 mu japonský soud přiznal částku 20 miliard jenů, která tehdy představovala přibližně 150 milionů eur. Nichia se však odvolala a spor pokračoval.
Nakonec se obě strany v roce 2005 dohodly na mimosoudním vyrovnání ve výši přibližně 840 milionů jenů včetně úroků, tedy zhruba šesti milionů eur. Výsledná částka byla výrazně nižší než původní soudní rozhodnutí a vztahovala se na více Nakamurových vynálezů z období jeho působení ve firmě. Samotný vědec se s výsledkem příliš nespokojil. Podle jeho vyjádření peníze sotva pokryly náklady spojené s právním sporem.
Mohlo by vás zajímat
Kontroverzní výměna lamp v Praze: Obyvatelé se bouří a sepisují petici. Jak škodí bílé LED žárovky?
Novinky
Malý vynález, bez kterého by dnešní svět vypadal jinak
Když dnes rozsvítíme LED žárovku, zapneme televizor nebo se podíváme na světla moderního automobilu, pravděpodobně nás ani nenapadne, jak složitá cesta vedla k jejich vzniku. Přitom právě vývoj modré LED diody ukazuje, že i zdánlivě drobná technická součástka může mít mimořádný dopad.
Bez vytrvalosti několika vědců a jejich práce s polovodičovými materiály bychom dnes možná stále používali mnohem méně účinné způsoby osvětlení. A to je na celém příběhu možná nejzajímavější: Jedna malá modrá dioda dokázala změnit způsob, jakým dnes osvětlujeme svět.
Zdroj: NobelPrize.org (1), (2), Nichia
29 foto
