מה שיותר כחול יותר חסכוני

תומאס אדיסון, המזוהה יותר מכל עם המצאת נורת החשמל, לא היה מי שהמציא אותה. ואולם, הוא שכלל את הנורה ופיתח אותה ב-1879 למוצר מסחרי ששינה את פני העולם והפך את התאורה החשמלית למוצר בסיסי בעולם כולו, במקום מנורות הנפט והגז היקרות והמסוכנות. הנורה של אדיסון (וקודמיו) מבוססת על מתכות המתלהטות ופולטות אור כשעובר בהן זרם חשמלי. חוט המתכת מותקן בתוך מכל ואקום כדי למנוע את שריפתו. הנורות האלה, כאמור, החליפו אמצעי תאורה מיושנים ומסוכנים, אבל עם השנים התברר שגם הן אינן חפות מחסרונות. הבעיה העיקרית של נורות הלהט היא חוסר היעילות האנרגטית: כל מי שנגע פעם בנורה דולקת יודע שנוסף על האור היא מייצרת חום רב, מה שמתבטא גם בצריכת חשמל גבוהה למדי. אף על פי שיש נורות להט שמחזיקות מעמד שנים רבות, אורך החיים הממוצע שלהן עומד על 2000-1000 שעות, והן רגישות יחסית לקפיצות מתח ולשינויים בזרם החשמל. במשך השנים ניסו מדענים רבים לפתח נורות חסכוניות ויעילות יותר, בהצלחה חלקית. פריצת הדרך בתחום שייכת בלי ספק לנורות ה-LED, שזיכו השנה שלושה מהתורמים העיקריים לפיתוחן בפרס נובל בפיזיקה.

להוציא אור מגביש

כבר בתחילת המאה ה-20 גילו מדענים כי גבישי מתכת שונים פולטים אור כשעובר בהם זרם חשמלי. הכוונה כאן לא למתכות המתלהטות, כמו בנורות הישנות, אלא רק פולטות אור, בלי להתחמם. פריצות הדרך בהבנת הפיזיקה של מוליכים למחצה שהתרחשו בשנות ה-40, אפשרו להבין את התהליכים הקוונטיים שגורמים לגבישי מתכת מסוימים לפלוט אור: מדובר בגבישים המורכבים משתי מתכות, בצורה כזאת שאלקטרון העובר בין האזורים המוליכים לאזורים המוליכים פחות אינו מאבד את האנרגיה שלו וגורם לפליטה של פוטון (יחידת אור). בעקבות הגילוי הזה פיתחו כמה קבוצות מחקר לדים ראשונים, בעיקר מגבישי גאליום-ארסניד (Gallium Arsenide או בקיצור Ga-As), אך הייתה להם בעיה עיקרית אחת: הם פלטו או תת-אדום, כלומר אורך גל שאינו נראה לעין, מה שגרם למדענים רבים להסיק שמדובר בתופעה מעניינת אך לא שימושית במיוחד. ההנחה הזאת לא ריפתה את ידיהם של כמה חוקרים, שעמלו על פיתוח לדים שיעבדו באור נראה באמצעות בחינת תרכובות מתכת אחרות. בין השאר, נבחן שילוב של Ga-As עם זרחן (GaPAs), וחוקרים בחברת ג'נרל אלקטריק בראשות ניק חולוניאק (Holonyak) הצליחו לייצר ב-1962 דיודות כאלה הפולטות אור נראה. ואולם, ההתקנים האלה פלטו בעיקר אור אדום, ולעתים ירוק, שהיו חלשים מאוד והתאימו לכל היותר לחיווי בלוחות הבקרה של מכשירים אלקטרוניים, ולא לתאורה.

כחול בעיניים

כדי לקבל תאורה טובה, דרוש אור לבן. אור כזה מורכב מסיכום של כל אורכי הגל הנראים, אבל מרכיבי הבסיס שלו הם אור אדום, ירוק וכחול. אם הדיודות הראשונות הצליחו להפיק אור אדום וירוק, הרי שהכחול היה חסר לייצור תאורה יעילה. מדענים חישבו ומצאו כי הגביש שיוכל לפלוט אור כחול מוצלח יורכב מגאליום ומחנקן (GaN). הייתה רק בעיה אחת עם גבישים כאלה – לא הצליחו לייצר אותם. באופן כללי, כדי לייצר גבישים מתכתיים, חוקרים מערבבים תמיסות שונות שבהן מתרחשת התגובה הכימית להיווצרות הגביש, מה שמכונה בלשון המקצועית "גידול הגבישים". ואולם, GaN התבררו כגבישים בעייתיים מאוד לגידול, והחוקרים הצליחו ליצור מהחומר הזה רק אבקה, ולא חומר שאפשר לעבד אותו כמו מתכת רגילה. לא מעט חוקרים ניסו להתמודד עם האתגר, משום שהיה ברור שפיתוח LED כחול יביא לפיתוח נורות חדישות וחסכוניות מאוד. ואולם, איש לא הצליח להתגבר על האתגר של הנדסת החומרים ולייצר ביעילות את הגבישים הנחשקים.

גבישי כסף

בסוף שנות ה-60 נכנס לתמונה איסאמו אקאסאקי (Isamu Akasaki), חוקר באוניברסיטת נגויה. אקאסאקי נולד ב-1929 בקגושימה שבקצה הדרומי של יפאן. הוא השלים לימודי תואר ראשון בקיוטו, ודוקטורט באוניברסיטת נגויה, ופנה לעבוד במכון המחקר מצושיטה ( Matsushita), שם בדק טכנולוגיות חדשות לגידול גבישים, שפותחו במקומות אחרים, וניסה ליישם אותן בגידול גבישי GaN. ב-1981 קיבל משרת פרופסור באוניברסיטת נגויה, וכעבור שנה הצטרף למעבדה שלו תלמיד צעיר – אז בתואר הראשון – הירושי אמאנו (Hiroshi Amano), יליד 1960. אמאנו עשה גם את התואר השני והשלישי במעבדה של אקאסאקי, ויחד התמודדו השניים עם הבעיה. בהדרגה הם הצליחו לייצר שכבות דקות של GaN, וב-1986 דיווחו על הצלחה בייצור גביש המאפשר לייצר דיודות הפולטות אור כחול. ואולם, לגבישים של אקאסאקי ואמאנו היה חיסרון בולט אחד: שיטת הייצור שלהם היתה מורכבת, מסובכת ויקרה – ולא התאימה לייצור בקנה מידה מסחרי. כאן נכנס לתמונה חוקר נוסף. שוג'י נקאמורה (Shuji Nakamura) נולד ב-1954 באיקטה. הוא סיים לימודי הנדסת אלקטרוניקה באוניברסיטת טוקושימה. ב-1979 סיים גם תואר שני, ופנה לעבוד בחברת האלקטרוניקה ניצ'יה (Nichia), גם היא בטוקושימה. שם ניסה נקאמורה לפתח שיטה יעילה יותר לייצור GaN. הוא הצליח לשכנע את בעלי החברה להשקיע בכיוון הזה, אך לאחר מכן הם הפסיקו את המימון והוא המשיך לעסוק בכך לבדו – וגם הצליח. הוא חקר את הפיזיקה של הגבישים והבין כי ייצורם בלי נוכחות מימן יאפשר ייצור יעיל יותר של גבישים משופרים. ב-1993 פרסם את השיטה החדשה לייצור הגביש. למרות הצלחתו – ואולי בגללה – לא קיבל נקאמורה חיבוק חם בחברת ניצ'יה. במקביל לעבודתו שם הוא השלים דוקטורט, וכעבור זמן קצר עזב. ב-1999 קיבל משרה באוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, שם המשיך לעסוק בחקר התחום. נקאמורה קיבל בשעתו בונוס על פיתוח השיטה, בסכום של 20,000 ין – כ-180 דולר. ב-2001 הגיש תביעה נגד החברה, שגרפה רווחים נאים מהמצאתו, ודרש מענק של 180 מיליון דולר. כעבור ארבע שנים הסתיימה ההתכתשות המשפטית בפשרה, והפרופסור נקאמורה הוסיף לחשבון הבנק שלו תשעה מיליון דולרים – הבונוס הגדול ביותר שחברה יפנית שילמה עד אז. ב-2009 קיבל נקאמורה גם פרס מדעי יוקרתי – פרס הארווי המוענק בטכניון. הפרס הזה שוב הוכיח עצמו כמנבא לא רע של פרסי נובל.

חיסכון עצום

לפני כעשור הפכו נורות ה-LED הלבנות, המבוססות על הגבישים שפיתחו אקאסאקי, אמאנו ונקאמורה, למוצר נפוץ בעולם כולו. כיום אפשר להשיגן בכל מקום, ואף על פי שהן יקרות במידה ניכרת מנורות ליבון או פלואורוסצנט, הן יעילות בהרבה, כלומר: מייצרות יותר אור וצורכות הרבה פחות חשמל מנורות אחרות. שימוש נרחב בהן צפוי להביא לחיסכון גלובלי עצום באנרגיה (כחמישית מצריכת החשמל בעולם היא על תאורה). יתרה מכך, אורך החיים של נורת LED נאמד ב-35,000 עד 50,000 שעות עבודה, פי 5-3 מנורת פלואורוסצנט ופי 20 ויותר מנורת ליבון. משמעות הדבר היא שדרושה תחלופה נמוכה בהרבה של נורות, והרבה פחות זיהום מנורות ישנות. נורות הלד גם עמידות הרבה יותר בפני זעזועים וחבלות, ולכן מתבלות פחות ומתאימות למגוון רחב של שימושים – מכלי רכב ועד שימושים צבאיים. כמו כן, אפשר לייצר בקלות נורות לד בצבעים מסוימים בלי צורך במסנני אור, מה שחוסך עלויות בייצור מכשירים שונים.

העתיד כבר כאן

פרס נובל בפיזיקה השנה אינו הראשון המוענק על פיתוחים הקשורים ב-LED. כבר בשנת 2000 הוענקה מחצית הפרס לז'ורס אלפרוב (Alferov) ולהרברט קרמר (Kroemer) על פיתוח גבישים המאפשרים לייצר לייזרים בטכנולוגיה הזאת. ללייזרים האלה יש שימושים רבים במכשירים אלקטרוניים (למשל נגני תקליטורים או DVD) ובתקשורת. כיום, טכנולוגיית ה-LED המבוססת על הגבישים שפיתחו אקאסאקי, אמאנו ונקאמורה שימושית מאוד לא רק בתאורה אלא גם בהתקנים אחרים המבוססים על LED, ובראשם צגי טלוויזיות, מחשבים וטלפונים חכמים. בשנים האחרונות פיתחו חוקרים גם טכנולוגיה המכונה OLED, כלומר LED המבוסס על חומרים אורגניים במקום מתכות, ואמורה להיות הבסיס לטכנולוגיות תצוגה דקיקות. עד שזה יקרה, מומחים מעריכים כי גבישי GaN ימשיכו להיות החומר החשוב ביותר בהנדסת אלקטרוניקה - לפחות בעשור הקרוב.