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藍光LED的革命與省思

陳武立／北美智權教育訓練處研發創新顧問

驚呼之中，2014年10月7日下午瑞典皇家科學院揭曉諾貝爾物理學獎得主，由日本學者赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）、中村修二（Shuji Nakamura）（如下圖一）等三位共同獲得。他們以藍光LED（Light-Emitting Diodes，簡稱LED）這個研究成果對世界的貢獻獲得殊榮，真是眾望所歸。目前，赤崎勇現任名城大學終身教授、名古屋大學特聘教授，天野浩現任名古屋大學教授，中村修二則現任美國加州大學聖塔芭芭拉分校教授。

圖一、2014年諾貝爾物理學獎得主，左起赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）、
中村修二（Shuji Nakamura）。

圖片來源：www.fingerdaily.com

藍光LED有多重要？

為什麼藍光這麼的重要呢？這要從人類長遠的照明史說起，可以參考下圖二照明發展歷史，自古以來，人類為了突破夜晚禁錮，不停止的追尋著將黑夜點亮的方法，在1879年愛迪生發明燈泡之後，早在20世紀初，LED就已被世人所發現並發展，當時這是一個全新的點亮世界的方法，幾十年來備受期待，但1990年之前，既使早已有紅色與綠色LED出現，卻始終無法成為照明的主流技術，當然這中間存在著相當多的問題，如：材料、製成條件方法、光效率、壽命穩定性等等，其實最重要的原因就是缺了藍光LED，缺乏它便無法進入全彩的世界，因此藍光LED的開發成功，格外具有劃時代的意義，同時也被喻為是繼愛迪生之後，另一次照明革命。

圖二、照明發展歷史

圖片來源：led.zol.com.cn

LED的結構、原理與應用

究竟LED是什麼東西呢？所謂發光二極體LED是取自Light Emitting Diode三個字的縮寫，簡單的說，是一種透過三五族元素組成會發光的半導體電子元件，當通上電流時，電子與電洞在其內重合，產生電致發光效應而發光。話講得簡單，其實它的結構對一般人來說，還挺複雜的，如下圖三所示，光是把圖上的基本原理，做到實際可以用的結構，足足搞了幾十年，若沒有足夠的知識背景加上長期投入研發的勇氣與財力，是不太可能成功的。

圖三、LED與藍光LED燈原理

圖片來源：udn.com

LED到底有什麼特異功能呢？跟一般的照明燈管比一比，大家就很容易瞭解了，它可以讓你開燈不需要等待，隨點即亮，體積也不用那麼大，小小一顆就可以了，另外，它很省電，剛好可以搭上目前環保節能的風潮。

加上藍光LED後，世界又有什麼改變呢？它的出現讓光碟的容量倍增，從使用紅光讀寫器DVD的4.3GB，到藍光讀寫器BD的25GB，因為讀取資料的光點變小了；另外，它的加入也湊足了三原色：紅色、綠色及藍色，讓LED正式進入照明的世界，當然也促使了大型LED顯示螢幕的出現，現在可說滿街都是。當然還有很多殺手級的應用，正在慢慢的改變這個世界。

藍光LED的開發

他們三個人的貢獻又是什麼呢？故事得從1986年說起，當時天野浩利用低溫AlN緩衝層長出透明、沒有表面崩裂的GaN，而赤崎勇驗證了晶格排列與電特性，且於1989年磊晶出p-GaN薄膜，到了1992年，當時任職於日亞化公司的中村修二則利用熱退火技術活化GaN薄膜，並於1995年之後，相繼開發出藍光與白光LED。

藍光之父的離開

雖然中村修二為公司開發出藍光LED，並帶來巨大收益，公司並沒有他的成就而給予他相對的獎賞，職位跟薪水也都是普通水準；再加上一開始公司對他的GaN研究並不支持，等到真正做出來的時候，才僅僅給予2萬日圓的獎勵，最終導致他於1999年跳槽美國，並於2001年與老東家對簿公堂，2005年訴訟結果出爐，最後雙方以8.44億日圓達成和解。最諷刺的是，中村修二轉戰美國後間接協助了美國LED大廠科銳（Cree）與韓國首爾半導體（Seoul Semiconductor）開發新產品，並與老東家競爭。

下面是被尊稱為『藍光之父』的中村修二在獲知得獎後所說的話：
「很榮幸獲得瑞典皇家科學院所頒發的諾貝爾獎。看見自己在LED照明上的夢想得以成真，實在感到相當欣慰。希望節能的LED球泡燈能有助於全世界減少能耗、降低照明費用。」──中村修二

從這段話搭配中村修二的生平，可以依稀感覺到他是一個對研發很有熱情的人，並具備傳統日本研發人員技術扎實又嚴謹認真的特點，諾貝爾獎無疑是從事研究工作者的最高榮譽，而獲獎無數的他（依據維基百科記載包含諾貝爾獎在內，共計獲得日本國內外大小獎項與榮譽18個），自然也將諾貝爾獎視為研發生涯的重要拼圖之一，在獲獎後，除了更加肯定自己在藍光LED的成就與貢獻外，也將名留青史。

LED市場規模

LED元件的使用越來越多，根據工研院產業經濟與趨勢研究中心（IEK）的市場資料顯示，如圖四所示，2013年全球LED元件市場達156億美元，在照明市場快速成長下，以年複合成長率（CAGR）約12%來估計，預計2018年整體市場規模將達到274億美元，看來LED對世界的改變正持續著。

圖四、LED元件市場預估

資料來源：Strategies Unlimited：工研院IEK（2014/04）
www.semi.org/...pdf

藍光LED省思

一個劃時代技術的出現，隨後上演中村修二與老東家的訴訟戲碼，整個過程是值得讓人細細推敲的，何以雙方不能共享成果而必須走上訴訟這條路呢？

基礎技術的開發，是一條艱辛又漫長的路，好比古代考狀元一般，十年寒窗無人問，一舉成名天下知。在藍光LED開發成功之前，科學家們已經前仆後繼努力嘗試了30年，一度認為藍光LED難度太高，而不想投入研究，是很容易理解的，其實當時很多大廠也同樣遭到失敗的打擊，研發人員爭取公司裡有限的資源進行研發，是常常都會遇到的，當時日亞化高層雖然不看好此一研究方向，但仍願意投入資源進行研究，是令人讚許的，因為做這樣的投資，並不一定會成功。但最後這個技術開花結果，為公司帶來正面的改變，不只將公司從傳統化學公司轉型成LED領域的科技大廠，也讓公司獲利三級跳，這應該是所有投入研發的人最希望得到的結果。假設當時放棄了，不只失去一個改變世界的機會，若干年後仍然會有其他人把它開發出來。屆時，心理一定很不甘願。

就是憑藉著研發人員對自己技術的信心，加上個人的堅持與熱情，才能在不看好中，獲得成功；當然這中間還需要一點運氣，就因為他成功了，才能為世人津津樂道。當然日亞化也憑著這點運氣才得以雄霸LED領域。

研發人員是公司重要的資產，需要經過長期的培養與訓練，且需要相當的資源投入，雖然研發項目的變動在業界屢見不鮮，想在同一個領域堅持下去並不容易，老闆為了在短時間內看到成效，經常會將研發能量投注於較可能看到成果的項目，如同先前台灣面板大廠在OLED上的研發，也是與韓國不相上下的，曾幾何時，因為景氣的下滑，停止了對OLED的持續開發，之後就追得很辛苦了。

企業是需要獨特的領先技術來開發新市場，並鞏固原有市場的，專利的申請與佈局當然也是少不了的，藉著新技術的開發提升產品品質擴大市場佔有率，或藉由授權取得授權金，都可以為公司投入新技術開發取得正面的收益，繼而再投資取得正向循環，這是大家所樂見的。

筆者認為，類似中村修二在藍光LED深有成就卻離開日亞化的事件，是值得公司領導階層深思的，倘若當時能予以挽留，是否讓日亞化在LED市場中可以多一份助力少一分阻力？難道不值得嗎？

參考資料：

作者：	陳武立
現任：	北美智權教育訓練處研發創新顧問
經歷:	工業技術研究院電子與光電研究所專案副理工業技術研究院光電工業研究所課長
學歷:	國立清華大學動力機械工程碩士國立清華大學動力機械工程學士
專長：	專精立體顯示器、噴墨頭、封裝製程等技術領域，並對系統整合有豐富實務經驗與深入研究。

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