2014年ノーベル物理学賞の解釈：21世紀の照明革命

2014年10月7日、北京時間、ノーベル物理学賞が発表されました。 2014年のノーベル物理学賞は、2人の日本人科学者と1人の日系アメリカ人科学者が共同受賞した。彼らは、日本の名古屋大学の科学者である赤﨑勇氏と天野浩氏、そして日亜化学とカリフォルニア大学サンタバーバラ校に勤務していた日系アメリカ人科学者の中村修二氏である。

今年のノーベル物理学賞が発光ダイオードに関連していることは、日亜化学社からわかる。日亜化学は、日本の四国地方北東部の徳島市に所在する企業です。主に高効率・省エネの新LEDランプの開発を行っています。この3人の科学者の研究方向は青色発光ダイオードであり、全人類がより省エネなLEDランプを使用できるようにすることを目的としています。

従来の人工光源と比較すると、LED ライトは同じ効果を得るために必要なエネルギーが少なくなります。高効率で省エネな LED ライトは地球資源の節約に役立ちます。

青色LEDは環境に優しい光源です。日本の科学者たちは、20世紀は白熱電球の世界だったが、21世紀はLED照明の世界になると考えている。過去半世紀ほど、北米などの先進国・地域では赤色や緑色のLEDが広く使用されてきましたが、青色LEDはまさに革命的な照明技術です。

世界中の専門家たちは何十年もの間、青色発光ダイオードの開発に取り組んできました。この研究方向はリスクが高いものの、得られる見返りも大きいです。照明技術を新たな高みに引き上げることができます。したがって、この分野で顕著な貢献をした 3 人の科学者にノーベル物理学賞を授与するのは当然のことです。アルフレッド・ノーベル賞の受賞者は人類文明の進歩を導くべきです。この技術により、より効率的で持続的な光源を実現できます。

発光ダイオードの動作原理。左上はLEDの動作原理、下は青色LEDの動作原理です。

発光ダイオードには複数の層の半導体材料が含まれています。 LED ランプの動作原理によれば、電気が光子に変換され、他の光源と比較して照明効率が向上します。白熱電球などの従来の照明システムでは、電気エネルギーの大部分が熱に変換され、光子に変換されるのはごくわずかです。明らかに、このような照明システムの変換効率は非常に低いです。

白熱電球とハロゲン電球の動作原理は電気加熱に基づいています。電流が金属線を通過すると金属線が光り、電気加熱作業を行う際に多くのエネルギーが浪費されます。蛍光灯の原理は白熱灯やハロゲンランプの原理とは異なります。ガス放電により光と熱を発生させ、白熱電球に比べてエネルギー損失が少なくなります。そのため、低エネルギー電球とも呼ばれます。しかし、LEDランプの登場以降、「低エネルギー電球」はもはや蛍光灯には属さなくなったようです。

新しい LED ランプ技術は、必要なエネルギーが少なくなり、より強力な光源を放出するため、少なくとも変換率は大幅に向上します。世界の電力消費量のほぼ4分の1は照明に使用されています。高効率で省エネな LED ランプをすべて使用すれば、地球の資源を節約でき、経済的利益へのフィードバックは非常に明白です。 LED ランプは耐久性に優れているだけでなく、効率も優れています。通常、白熱電球の寿命は 1,000 時間です。この時間が過ぎるとフィラメントが燃え尽き、蛍光灯の点灯時間は白熱灯の10倍の10,000時間になります。 LED ランプは耐久性に優れ、100,000 時間に達することができるため、材料の損失が大幅に削減されます。

LED 技術は私たちにとって馴染みのないものではありません。携帯電話やコンピューターなどの現代の電子機器に搭載されています。赤色発光ダイオードは 1950 年代後半に開発され、デジタル時計、電卓、その他の機器に使用されています。多くの研究室がより短い波長の青色ダイオードの開発を試みてきましたが、すべてが成功したわけではありません。赤﨑勇と天野浩の研究分野は、LED 照明システムの材料の開発です。何千もの実験を通じて、窒化ガリウムは青色 LED 光源で非常に優れた性能を発揮し、青色 LED 光源の製造に使用できることが分かりました。これまで、窒化ガリウム結晶を使用して高品質の LED 光源を製造できた人は誰もいませんでした。日亜化学の中村修二氏も、青色LED光源の基本材料として、セレン化亜鉛の代わりに窒化ガリウム結晶を選択しました。

1986年、赤﨑勇と天野浩は初めて高品質の窒化ガリウム結晶の研究開発を完了しました。作製方法は、サファイア基板上に窒化アルミニウムをコーティングして高品質の窒化ガリウムを得るというものでした。数年後、彼らは LED 光源の p 型層の研究開発において新たなブレークスルーを達成しました。走査型電子顕微鏡実験により、この材料の発光効率が優れていることがわかった。 1992年までに、彼らはまばゆいばかりの青色光を発するダイオードを生産することができた。中村修二氏も1988年頃から研究開発を始め、高品質の窒化ガリウムの製造に成功しました。 1990年代には、2つの研究チームは青色LED光源の照明効率をさらに向上させ、より鋭い光線をカットする青色レーザーを発明しました。青色光の波長は短いため、同じ領域に多くの情報を保存することができ、より強力なレーザープリンター、液晶テレビ、コンピューター、携帯電話などを作成できます。

青色 LED 技術の進歩は、21 世紀の照明分野に革命をもたらすことが予想されます。将来的にはこの技術を利用して、体内時計の調節に役立つ自然光に近い光源を作り出す予定です。したがって、この技術は温室栽培や将来の火星の居住地にも利用できる可能性があります。自然光を模倣した人工光源により、宇宙飛行士はより深い宇宙空間に到達できるようになります。地球上の住民にとって、より安価で効率的な LED ライトは、より多くの人々に照明を提供することができます。なぜなら、電力網が整備されていない地域にはまだ 15 億人の人々が住んでいるからです。これは、この3人の科学者の研究成果が人類の文明に多大な貢献をしたことを示しています。

今日頭条の青雲計画と百家曼の百+計画の受賞者、2019年百度デジタル著者オブザイヤー、百家曼テクノロジー分野最人気著者、2019年捜狗テクノロジー文化著者、2021年百家曼季刊影響力のあるクリエイターとして、2013年捜狐最優秀業界メディア人、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト北京3位、2015年光芒体験賞、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト決勝3位、2018年百度ダイナミック年間有力セレブなど、多数の賞を受賞しています。