รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2014

14 ตุลาคม 2557

 

 

รูปที่ 1 LED สีน้ำเงิน ต้นกำเนิดแสงสว่างแห่งศตวรรษที่ 21

 

        คณะกรรมการรางวัลโนเบลของประเทศสวีเดน ประกาศเมื่อวันอังคารที่ 7 ตุลาคมที่ผ่านมาว่า รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีค.ศ. 2014 ได้ตัดสินมอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น 3 คนคือ ศาสตราจารย์ อิซามุ อากาซากิ (แห่งมหาวิทยาลัย Meijo และ มหาวิทยาลัย Nagoya)  ศาสตราจารย์ ฮิโรชิ อามาโน (แห่งมหาวิทยาลัย Nagoya) และศาสตราจารย์ ชูจิ นากามูระ (แห่ง University of California ณ เมือง Santa Barbara) โดยมีคำสดุดีว่า “สำหรับผลงานการประดิษฐ์คิดค้นแอลอีดี (LED) ที่ให้แสงสีน้ำเงินคุณภาพสูง ซึ่งส่งผลให้เกิดมีต้นกำเนิดแสงสีขาวความเข้มสูง” 

 

        รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปีนี้แตกต่างจากปีที่แล้วแบบคนละขั้ว เพราะของปีที่แล้วได้กับผลงานที่เป็นฟิสิกส์พื้นฐานมากคือเกี่ยวกับการค้นพบอนุภาค Higgs boson แต่ของปีนี้ได้กับผลงานที่เป็นสิ่งประดิษฐ์ [แต่ก็ต้องอาศัยพื้นฐานความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในศาสตร์ด้านฟิสิกส์ของของแข็ง (Solid State Physics)] ซึ่งศาสตราจารย์ Olle Inganas หนึ่งในคณะกรรมการพิจารณารางวัลโนเบลจากมหาวิทยาลัย Linkoping ในประเทศสวีเดน กล่าวว่า ถ้าท่านอัลเฟรด โนเบล ผู้ก่อตั้งรางวัล ได้ทราบก็คงจะดีใจมาก เพราะตรงตามความตั้งใจของท่านตั้งแต่แรกเริ่มก่อตั้งรางวัล คือให้รางวัลแก่ผลงานที่มีประโยชน์สูงสุดต่อมนุษยชาติ

 

 

รูปที่ 2(ก) ศาสตราจารย์ อิซามุ อากาซากิ อายุ 85 ปี กับ ศาสตราจารย์ ฮิโรชิ อามาโน อายุ 54 ปี

 

 

รูปที่ 2(ข) ศาสตราจารย์ ชูจิ นากามูระ อายุ 60 ปี

 

        หลังการคิดค้นได้สำเร็จเพียงประมาณ 20 ปี ตอนนี้ทุกคนได้ประจักษ์แล้วว่า LED สีน้ำเงินมีประโยชน์จริงต่อมนุษยชาติทั่วทุกมุมโลก เป็นผลงานวิจัยที่แทบเรียกได้ว่ามีประโยชน์ทันตาเห็น คุณค่าของ LED สีน้ำเงินมีดังต่อไปนี้

 

  1. เป็นองค์ประกอบสำคัญที่ทำให้เกิดหลอดไฟแสงสีขาวประสิทธิภาพสูง

     

     

    รูปที่ 3 การเกิดแสงสีขาว (ตรงกลาง) จากการผสมกันของแม่สีแสงทั้งสามคือ แดง-เขียว-น้ำเงิน

     

            LED ที่ให้แสงสีแดงถูกประดิษฐ์ขึ้นได้ก่อนตั้งแต่เมื่อปีค.ศ. 1962 {ดูที่บทความเรื่อง “แอลอีดีความเข้มสูง (22 พย. 2556)” ในคอลัมน์ “ฟิสิกส์ในชีวิตประจำวัน” ประกอบ] แล้วตามติดมาด้วย LED ที่ให้แสงสีเขียว ถ้าจะมี LED สีน้ำเงินอีกสักชนิด ทุกอย่างก็จะลงตัวเหมาะเจาะ เพราะสามารถเอา LED ทั้งสามชนิดมาผสมกันทำ LED ที่ให้แสงสีขาว (white light) ได้ แต่นับเป็นสิบๆปีหลังจากนั้น นักวิจัยกลุ่มแล้วกลุ่มเล่า ไม่เคยประสบความสำเร็จในการสร้าง LED สีน้ำเงินเลย จนในที่สุดนักวิจัยชาวญี่ปุ่นสามคนก็ค้นพบวิธีผ่าทางตัน (breakthrough) และสามารถสร้าง LED สีน้ำเงินได้สำเร็จ ต่อจากนั้นเทคโนโลยีการสร้างแสงสว่างก็ถูกปฏิวัติอย่างรวดเร็ว มีการคาดการณ์กันว่าการใช้หลอดไฟ LED เพื่อให้ความสว่างตามถนนรนแคมทั่วโลกจะเพิ่มจาก 13.2 ล้านดวงในปีค.ศ. 2014 ขึ้นไปเป็น 116 ล้านดวง ในปีค.ศ. 2023

     

            เมื่อนำค่าความสว่างมาเปรียบเทียบกัน หลอดไส้จะมีค่าความสว่างประมาณ 16 ลูเมน ต่อ วัตต์ (lm / W) หลอดฟลูออเรสเซนต์แบบ Compact (CFL) มีค่าความสว่างประมาณ 67 lm / w ส่วนหลอด LED ยิ่งเหนือกว่า คือโดยทั่วไปจะให้ค่าความสว่างประมาณ 83 lm / W แต่หลอด LED ยังคงได้รับการพัฒนาอยู่อย่างต่อเนื่อง สถิติล่าสุดของค่าความสว่างของหลอด LED อยู่ที่ประมาณ 300 lm / W แต่เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าที่ใช้กันทั่วโลก ถูกใช้ไปเพื่อการสร้างความสว่างถึง 1 ใน 4 ส่วน ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการใช้หลอด LED ทดแทนต้นกำเนิดแสงสว่างแบบดั้งเดิม จะสามารถช่วยประหยัดพลังงานของโลกได้อักโข

     

            นอกจากนี้หลอด LED ยังมีอายุการใช้งานนานมาก กล่าวคือ ประมาณ 100,000 ชั่วโมง แต่หลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดไส้ มีอายุการใช้งานเพียง 10,000 และ 1,000 ชั่วโมงตามลำดับ ดังนั้นการเปลี่ยนมาใช้หลอด LED ยังจะช่วยลดการใช้สอยสิ้นเปลืองทรัพยากรแร่ธาตุของโลกได้มากอีกด้วย รวมถึงมีความเป็นพิษน้อยกว่าเพราะไม่มีสารปรอทเป็นองค์ประกอบเหมือนในกรณีของหลอดฟลูออเรสเซนต์

     

  2. เพิ่มประสิทธิภาพให้จอโทรทัศน์ จอคอมพิวเตอร์ และจอของสมาร์ทโฟน

            หลอดไฟ LED ถูกนำไปใช้เป็นแผงต้นกำเนิดแสงเพื่อให้ความสว่างจากทางด้านหลัง (backlighting) ของจอภาพแบบผลึกเหลว (Liquid Crystal Display หรือ LCD) ดังเช่นจอภาพของโทรศัพท์ iPhone เป็นต้น นอกจากนั้นยังถูกนำไปใช้เป็นไฟแฟลชของโทรศัพท์มือถืออีกด้วย

     

  3. ช่วยนำแสงสว่างไปสู่ผู้ยากไร้

            สามารถช่วยให้ประชากรในประเทศยากจนทั่วโลกกว่า 1.5 พันล้านคนที่ไม่มีไฟฟ้าใช้ ได้มีแสงสว่างใช้ เพราะหลอดไฟ LED ใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยมากดังกล่าวแล้ว จึงสามารถใช้ไฟจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้ ซึ่งย่อมดีกว่าแสงสว่างจากกองไฟ เทียนไข หรือ ตะเกียงน้ำมันก๊าด ในแง่ของความปลอดภัยและมลภาวะ ยกตัวอย่างเช่นกองทุน Solar Electric Light Fund ที่ได้รับการสนับสนุนจากสมาคม National Geographic ซึ่งไม่แสวงหาผลกำไร ได้ติดตั้งหลอดไฟ LED ให้แก่โรงพยาบาลและบ้านเรือนตามหมู่บ้านต่างๆในทวีปแอฟริกาไปแล้วเป็นจำนวนมาก

     

     

    รูปที่ 4 ระบบให้แสงสว่างจาก LED แก่ชาวแอฟริกา

     

  4. ช่วยผลิตน้ำสะอาด

            LED แสงเหนือม่วง (ultraviolet หรือ UV) ซึ่งเกิดมาจาก LED สีน้ำเงิน สามารถนำไปใช้ฆ่าเชื้อโรคในน้ำได้ เพราะแสง UV มีอำนาจทำลาย DNA ของเชื้อแบคทีเรีย ไวรัส และ เชื้อจุลินทรีย์ได้

     

  5. เพิ่มศักยภาพให้เรือนกระจก

            แสงที่ความยาวคลื่นต่างๆหรือก็คือมีสีต่างกัน มีผลต่อการเจริญเติบโตของพืชไม่เหมือนกัน ดังนั้นโดยการใช้หลอดไฟ LED ที่สามารถใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมชนิดของสีและความเข้มของแสงได้ ทำให้ต่อไปในอนาคตจะสามารถควบคุมการเจริญเติบโตของพืชในเรือนกระจกได้สะดวกมาก

 

        ศาสตราจารย์อากาซากิเริ่มต้นงานวิจัยที่มหาวิทยาลัย Nagoya (สถาบันที่ท่านเรียนจบปริญญาเอก ในปีค.ศ. 1964) เพื่อสร้าง LED สีน้ำเงิน โดยการใช้ผลึกแกลเลี่ยมไนตรายด์ (GaN) เป็นสารตั้งต้นมาตั้งแต่ปลายทศวรรษของปีค.ศ. 1960 ศาสตราจารย์อามาโนเป็นลูกศิษย์ก้นกุฏิของศาสตราจารย์อากาซากิ เริ่มทำวิจัยกับกลุ่มของศาสตราจารย์อากาซากิตั้งแต่ยังเรียนอยู่ในระดับปริญญาตรีเมื่อปีค.ศ. 1982 จนกระทั่งจบปริญญาเอกในปีค.ศ. 1989 และปัจจุบันก็ยังเป็นศาสตราจารย์ประจำอยู่ที่ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ของมหาวิทยาลัยแห่งเดียวกันนี้

 

        อันที่จริงคนในวงการก็รู้กันโดยทั่วไปว่า GaN เป็นสารกึ่งตัวนำที่น่าสนใจที่สุดที่จะนำมาใช้ทำเป็น LED สีน้ำเงิน แต่มีปัญหาใหญ่อยู่สองประการคือการสังเคราะห์ผลึก GaN ที่มีความบริสุทธิ์และความสมบูรณ์สูงทำได้ยากมาก และ การหาฐานรอง (substrate) ที่เหมาะสมที่เข้ากันได้กับโครงสร้างผลึกของ GaN ก็เป็นเรื่องที่แทบเป็นไปไม่ได้ ความพยายามของกลุ่มวิจัยอื่นๆที่ผ่านมาจึงประสบแต่ความล้มเหลว แต่ศาสตราจารย์อากาซากิเชื่อมั่นว่า GaN เป็นตัวเลือกที่ถูกต้องแล้ว จึงมุ่งหน้าทำการศึกษาทดลองกับ GaN ร่วมกับศาสตราจารย์อามาโนที่ตอนนั้นยังเป็นนักศึกษาปริญญาเอก จนกระทั่งในปีค.ศ. 1986 กลุ่มของศาสตราจารย์อากาซากิประสบความสำเร็จในการปลูกผลึก GaN คุณภาพสูงบนฐานรองที่เป็นแซฟไฟร์ที่ฉาบหน้าด้วยฟิล์มบางอลูมิเนียมไนตรายด์ โดยใช้อุปกรณ์เครื่องมือและเทคนิคที่บุกเบิกพัฒนาขึ้นเอง และประสบการณ์มากมายจากความล้มเหลวก่อนหน้านับครั้งไม่ถ้วน แต่ไม่เคยย่นระย่อ ต่อมาในปีค.ศ. 1989 โดยมีศาสตราจารย์อามาโนเป็นกำลังสำคัญ กลุ่มนี้ได้ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกของโลกในการสังเคราะห์สารกึ่งตัวนำ GaN ชนิด p (p-type) โดยการโด๊ป (dope) ด้วยแมกนีเซียม (Mg) และกระตุ้นการเกิดโครงสร้างผลึกด้วยลำอิเล็กตรอน และสามารถสร้าง LED ที่ให้แสงสีน้ำเงิน / UV จาก GaN p-n junction ในปีค.ศ. 1992 กลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์อากาซากิได้ทำการศึกษาผลึกGaN อย่างรอบด้าน ในปีค.ศ. 1995 ประสบความสำเร็จในการให้กำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่น 388 นาโนเมตร (แสง UV) จากโครงสร้างผลึก AlGaN/GaN/GaInN

 

        ศาสตราจารย์อากาซากิเคยได้รับรางวัลทรงเกียรติมาแล้วมากมายเช่น Gordon E. Moore Award ในปีค.ศ. 1999 John Bardeen Award ในปีค.ศ. 2006 หรือ Edison Medal ในปีค.ศ. 2011 เป็นต้น ท่านมีผลงานได้รับการจดสิทธิบัตรหลายชิ้น ซึ่งได้ให้ดอกผลแก่มหาวิทยาลัย Nagoya เป็นมูลค่าสูง จนสามารถใช้บางส่วนจัดตั้งสถาบัน Akasaki Research Center of Nagoya University ขึ้นเมื่อปีค.ศ. 2006 ในสถาบันนี้จะประกอบด้วย LED แกลเลอรี ไว้แสดงประวัติการคิดค้นและพัฒนา LED สีน้ำเงิน รวมถึงประโยชน์เชิงประยุกต์หลากหลาย ห้องทำงานของนักวิจัย ห้องปฏิบัติการวิจัย และห้องทำงานของศาสตราจารย์อากาซากิบนชั้นที่ 6

 

        ในปีค.ศ. 1992 ศาสตราจารย์อากาซากิได้ไปรับตำแหน่งศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Meijo ด้วย โดยยังคงดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์เกียรติคุณที่มหาวิทยาลัย Nagoya ปัจจุบันศาสตราจารย์อากาซากิเป็นนักวิจัยอยู่ที่สถาบัน Akasaki Research Center of Nagoya University พร้อมกับดำรงตำแหน่งเป็นผู้อำนวยการของ Research Center for Nitride Semiconductors ของมหาวิทยาลัย Meijo

        ส่วนศาสตราจารย์นากามูระเรียนจบปริญญาโทในสาขาวิชา Electronic Engineering จากมหาวิทยาลัย Tokushima ในปีค.ศ. 1979 แล้วไปทำงานเป็นนักวิจัยอยู่กับบริษัท Nichia Chemicals บริษัทเล็กๆ แต่มีชื่อเสียงในเรื่องทำงานคุณภาพ ซึ่งตั้งอยู่ที่เมืองโทคูชิมะเช่นกัน ศาสตราจารย์นากามูระสนใจในงานวิจัยของกลุ่มของศาสตราจารย์อากาซากิที่ตีพิมพ์เผยแพร่อยู่ในวารสารทางวิชาการ จึงเริ่มทำการวิจัยเพื่อใช้ GaN ทำ LED สีน้ำเงินในปีค.ศ. 1988 แต่เห็นว่าเทคนิคการกระตุ้นด้วยลำอนุภาคอิเล็กตรอนที่กลุ่มของศาสตราจารย์อากาซากิใช้นั้นไม่เหมาะกับการนำมาใช้ในระบบการผลิตเป็นจำนวนมาก (mass production) ตามวิถีทางของวงการอุตสาหกรรม อีกทั้งฟิสิกส์ของเรื่องนี้ก็ยังไม่กระจ่างชัด ศาสตราจารย์นากามูระและทีมงานจึงพยายามค้นคว้าวิจัยในเรื่องเหล่านี้ ในปีค.ศ. 1990 ได้ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ผลึก GaN คุณภาพสูงที่ใช้เทคนิคที่แตกต่างจากเทคนิคของกลุ่มศาสตราจารย์อากาซากิ ในตอนแรก Mr. Nobuo Ogawa (ค.ศ. 1912 – 2002) ผู้ก่อตั้งบริษัท ก็ให้การสนับสนุนโครงการวิจัย GaN ของศาสตราจารย์นากามูระเป็นอย่างดี แต่ต่อมาทางบริษัทกลับสั่งระงับโครงการนี้ ด้วยเหตุผลว่าสิ้นเปลืองทั้งงบประมาณและเวลา แต่ศาสตราจารย์นากามูระไม่ยอมแพ้ ยังคงดำเนินโครงการต่อไปในเชิงส่วนตัว จนในปีค.ศ. 1992 ก็สามารถสังเคราะห็ GaN ชนิด p ได้สำเร็จโดยใช้เทคนิคการกระตุ้นการเกิดผลึกด้วยความร้อนที่พัฒนาขึ้นเอง ซึ่งเหมาะสมกว่าเทคนิคการกระตุ้นด้วยลำอนุภาคอิเล็กตรอนสำหรับการผลิตแบบ “mass production” และยังได้ค้นพบคำตอบของเรื่องการกระตุ้นด้วยลำอนุภาคอิเล็กตรอน (ที่กลุ่มศาสตราจารย์อากาซากิใช้ แต่ยังอธิบายไม่ได้) ว่าการที่ลำอนุภาคอิเล็กตรอนมีบทบาทช่วยส่งเสริมการเกิดผลึกนั้นก็เพราะว่าอนุภาคอิเล็กตรอนเข้าไปทำหน้าที่ขจัดไฮโดรเจนที่เป็นตัวหน่วงในการก่อเกิดผลีก GaN ชนิด p นั่นเอง บริษัท Nichia Chemicals สามารถผลิต LED สีน้ำเงินในเชิงอุตสาหกรรมออกมาได้ในปีค.ศ.1993

 

 

รูปที่ 5 หลอด LED ให้แสงสีน้ำเงิน สีเขียว สีแดง และ สีขาว

 

        ศาสตราจารย์นากามูระได้รับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย Tokushima ในปีค.ศ. 1994 ในปีค.ศ. 1999 ได้ลาออกจากบริษัท Nichia Chemicals และไปรับตำแหน่งศาสตราจารย์ที่ Materials Department ของ University of California at Santa Barbara (UCSB) ในปีค.ศ. 2001 ศาสตราจารย์นากามูระฟ้องบริษัท Nichia Chemicals เรื่องที่ได้ค่าโบนัสตอบแทนการค้นพบน้อยมาก คือบริษัท Nichia Chemicals จ่ายค่าโบนัสให้เพียง สองหมื่นเยน หรือประมาณ 180 เหรียญสหรัฐเท่านั้น หลังการต่อสู้กันในศาลระยะหนึ่ง ในที่สุดศาสตราจารย์นากามูระก็ชนะคดี ได้รับค่าโบนัสการค้นพบมูลค่า 840 ล้านเยน หรือประมาณ 9 ล้านเหรียญสหรัฐ ซึ่งถือเป็นเงินโบนัสก้อนสูงที่สุดที่บริษัทญี่ปุ่นเคยจ่ายมา

 

        ศาสตราจารย์นากามูระเคยได้รับรางวัลมาก่อนแล้วมากมายเช่น Millennium Technology Prize ในปีค.ศ. 2006 หรือ Harvey Prize ในปีค.ศ. 2009 เป็นต้น และมีผลงานจดสิทธิบัตรมากกว่า 100 ชิ้น ปัจจุบันยังร่วมกับเพื่อนร่วมงานสองคนที่ UCSB ก่อตั้งบริษัท Soraa เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีสร้างแสงสว่าง ศาสตราจารย์นากามูระโอนสัญชาติเป็นอเมริกันในปีค.ศ. 2000

 

ที่มาของรูป :

รูปที่ 1 : http://inhabitat.com/three-inventors-of-blue-leds-share-2014-nobel-prize-for-physics/

 

รูปที่ 2(ก) : http://www.zimbio.com/photos/Isamu+Akasaki/Hiroshi+Amano+Isamu+Akasaki+Press+Conference/_t5gqCuKlji

 

รูปที่ 2(ข) : http://www.zimbio.com/photos/Shuji+Nakamura/Shuji+Nakamura+Shares+Nobel+Prize+Physics/pe9SqXYriWD

 

รูปที่ 3 : http://woowoowisdom.blogspot.com/2008/06/seeing-things-part-4-retinal-fatigue.html

 

รูปที่ 4 : www.economist.com/node/21560983

 

รูปที่ 5 : www.dw.de/let-there-be-blue-light-blue-leds-take-the-2014-nobel-prize-for-physics/a-17980935