Mavi LED, Nobel ve Türkiye`de Araştırma

Mavi LED, Nobel ve Türkiye’de Araştırma
Nakamura’nın ekibindeki Türk araştrmacıdan “dobra dobra!”
2014 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaşan üç biliminsanından biri olan Shuji Nakamura’nın ekibinde
çalışan ODTÜ öğretim üyesi Dr. Bilge İmer, Mavi LED’in önemi, geliştirilme öyküsü ve
yararlarını KURIOUS’a açıklarken, Türkiye’de bilimsel araştırmanın durumu ve olması
gerekenlerle ilgili düşüncelerini de açık sözlülükle dile getiriyor.
Ödülü bekliyorduk
Shuji Nakamura’nın Nobel Ödülü'nü aldığı haberini aldığımda, beraber çalıştığımız diğer hocalar ve
araştırma grubu arkadaşlarım adına çok mutlu oldum ve daha da çok gurur duydum denebilir. Zaten bu
ödülü bekliyorduk; sadece ne zaman olacağını bilmiyorduk.
21. yüzyılı aydınlatacak
Aslında LED’i Nakamura, Akasaki
ve Amano üçlüsü icat etmedi .
Ancak onlar mavi LED’i icat ettiler
ki, zaten Nobel Ödülü de bu icat
üzerine dünyada gerçekleşen
kökten değişimlere verildi. Ödül
yalnızca mavi LED’e değil, mavi
ışığın LED ve/veya lazer gibi bir
kaynaktan çıkarılabilmesine ve
periyodik cetvelde büyük önem
taşıyan
“nitrür”
malzeme
grubunun
geliştirilip
bilim
dünyasına
kazandırılmasına
verildi. Nobel komitesinin de
dediği gibi: “20. yüzyılı aydınlatan
ampul oldu, 21. yüzyılı aydınlatan
mavi LED olacak”.
Bazı basın organlarında kırmızı
vardı, yeşil vardı mavi ile bu
tamamlandı gibi eksik bilgiler
çıkıyorlar. Kırmızı ve yeşil LED’ler,
mavi LED’den 30 yıl önce de
varlardı; ancak mavi LED ile
beyaz ışığı çıkarmak, kırmızı ve
yeşil LED bugün hiç var olmasalar
bile mümkün. Ayrıca, ilk icat
edilen LED kırmızı LED değil,
görünmeyen kızıl ötesi dalga
boyunda yapılan LED'dir.
Mavi LED’e geri dönersek, mavi
ışıktan elde edilen bu beyaz ışıkla
neler yapıyoruz? Evlerimizi,
etrafımızı
aydınlatıyoruz
ve
yalnızca mavi ışıktan elde
edebildiğimiz bu beyaz ışıktan,
buna kırmızı, yeşil ve sarı da dahil
olmak üzere, diğer bütün renkleri
çıkarabiliyoruz.
Bilge İmer’i tanıyalım
Bilge İmer, ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü’nde öğretim üyesi. Lisans
eğitimine aynı bölümde başladı ancak 3.sınıfın sonunda ODTÜ’yü bırakarak University of
Pittsburgh’a transfer oldu ve lisansını orada bitirdi. ODTÜ’de iken Prof. Dr. Cüneyt Taş ile
yapay kemik çalışmaları yaptı. University of Pittsburgh’da 1999-2000 yıllarında Prof. Dr.
Pradeep Phule ile cep telefonu istasyonlarında kullanılan rezonatörlerin ağırlığı ve
maliyetini düşürmek üzere çalıştı. Sonrasında 2000-2007 yıllarında California ÜniversitesiSanta Barbara’da (UCSB) Prof. Nakamura, Prof. Speck ve Prof. DenBaars ile LED çalıştı. 2007
yılında Türkiye’ye döndüğünde, Bilkent Üniversitesi Ulusal Nanoteknoloji Araştırma
Merkezi (UNAM)’da yardımcı doçent olarak çalışmaya başladı. UNAM’da laboratuvarların
kurulması ve eğitim programının oturtulması için uğraş verirken, yanısıra mavi LED’lerin ışık
çıkarım verimini arttırmak üzere araştırma grubuyla birlikte fotonik kristaller üzerine
çalışmalarda bulundu. Arkasından özel sektöre geçen Dr. Imer, ASELSAN’da yarı iletken
yakın kızıl ötesi dedektörlerin geliştirilmesinden sorumlu proje müdürü olarak çalıştı.
ODTÜ’de akademik kariyerine geri dönen Imer, ekibiyle birlikte nano parçalar ile LED’lerin
ışık çıkarım verimini arttırmak üzere çalışmalar; vakum teknolojileri ile optoelektronik
malzemeler ve yapısal ince filmler geliştirmek üzere çalışmalar yürütüyor .
Aydınlatma amaçlı ampullerde bugüne kadar elektrik enerjisini
yalnızca %2 verimle kullanıyorduk (enerjinin %98’i ısıya
gidiyordu) ve yalnızca 1000 saat dayanıyordu evimizde
ampuller. Bugün LED’in lumen gücüne göre bu verim %
50’lerde. Teorik olarak %80’e kadar çıkarılabilir. Dahası,
100.000 saate kadar dayanıyor. Yalnızca aydınlatma alanında
gerçekleşen bu enerji tasarrufu, doğal enerji kaynaklarının
kullanımını %20’den %4’lere çekecek kadar etkin. Ayrıca, o
ampulü yakmak için kullandığımız fosil
bazlı yakıtlardan çıkan karbon emisyonunu da
dramatik bir şekilde azaltarak ekosisteme, son
zamanların popüler deyimi ile global ısınmaya
karşı, müthiş bir katkıda bulundu.
Mavi LED’ler ile gerçekleştirilen verimli ve ucuz
aydınlatma sayesinde, elektrik ağına erişimi
olmayan 1,5 milyar insan, yerel/taşınabilir güç
kaynaklarına
bu
LED’leri
bağlayarak
aydınlatmadan faydalanabilmekte.
Aydınlatma alanı dışında günlük hayatta evlerimizde
arabalarımızda
iş
yerlerimizde
otoyollarda
kullandığımız bir çok ürün bu buluşun sonucu. Bir gün
yatağınızdan kalktığınızdan yatmanıza kadar geçen süre
içerisinde mavi LED/lazer’in kullanıldığı bir çok ürünle
etkileşim halindesiniz. Evinizin aydınlatmaları dışında,
arabanızın farları/stop lambaları/iç aydınlatması,
televizyonunuzu açtığınızda gördüğünüz tüm renkler ve
HD görüntü, trafik ışıkları, sokak aydınlatmaları,
elektronik sokak panoları, akıllı cep telefonunuzun
renkli ekranı, HD görüntülü Blu-Ray DVD’niz,
Playstation-3 ve 4, bunlardan bazıları.
Örneğin, kırmızı lazer ile kullandığımız CD okuyucuları hatırlayalım. CD’lere yükleyebildiğimiz bilgi 1 GB’ı
aşamıyordu. Ancak bugün daha küçük dalga boyundaki mavi lazer ile tek katmanlı bir CD’ye 25 GB’lık
bilgi sığdırmak mümkün. Bu, dört katmanlı CD’lerde 128 GB’a kadar çıkabilmekte. Daha fazla bilgi
yükleyebildiğimiz bu CD’lerle yüksek çözünürlüklü, daha gerçekçi filmler izleyip oyunlar oynayabiliyoruz.
Ancak, işin eğlence boyutunun dışında, mavi ışığın icadı, bilgi depolama ve transferi konusunda
teknolojik sıçramalara olanak sağladı.
Mavi LED/lazerin malzemesi olan “nitrürler” bu kalitede LED/lazer için geliştirilmeseydi, bugün ışık
saçmayan, ancak, aynı malzemeden yapılmış üstün özellikli güç yükselticiler, yüksek frekanslı bilgi
transferi, geniş bant aralıklı frekans bozucular, Güneş körü detektörler (Ör:neğin ısya duyarlı füzelerde
Güneş’ten gelen radyasyon tarafından yanıltılmayıp, uçak egzoslarına kilitlenen algılayıcılar)
kullanılamıyor olurdu.
Anlayacağınız, mavi LED teknolojisinin gelişmesi, daha doğrusu mavi LED malzeme grubunun
geliştirilmesi, teknolojide yaşanan bu büyük sıçramanın önemli bir mihenk taşı oldu.
Bu meşhur LED neyin nesidir?
LED’in açılımı, İngilizcede "Light Emitting Diode".
Türkçeye ışık saçan diyot olarak çevrilebilir. En fazla 1-2
mm2 alanında, voltaj farkı verildiğinde, yani prize
takıldığında ışık veren, bir artı (p) bir de eksi (n) kutbu
olan yarı-iletken cihazdır. Günümüze kadar kullanılan
sıradan ampullerdeki ışık saçma mekanizması elektrik
akımı ile bir teli ısıtrarak ışıma iken, LED’lerde bu
mekanizma ısıtarak ışıma yerine eksi (n) kutuptaki
elektronların ve artı (p) kutuptaki boşlukların (artı yüklü
davranan elektron eksiklikleri) cihaz içi aktif olan özel bir
bölgede bir araya gelmesinden ortaya çıkar.
Bu mekanizma, güneş pillerinin ve ışığı
algılayan dedektörlerin çalışma prensibinin
tam tersidir. Güneş pilleri ve dedektörlerde,
gelen ışın eksi ve artı kutupları olan bir
diyotta elektrik akımı yaratırken, LED veya
lazerde eksi ve artı kutuplarındaki elektron ve
boşluklar bir araya gelerek ışık çıkarır. Işığın
çıktığı renk, yani ışığın dalgaboyu, seçilen
malzemenin atomik dizilimi (kristal yapısı) ve
atomlar arası uzaklık ile ilgilidir. Ayrıca,
ampulun ısınarak ışıma mekanizmasında
verilen elektrik enerjisinin yaklaşık %98’lik kısmı ısı enerjisine çevrilmekte ve verilen enerjinin yalnızca
%2’lik bir kısmı faydalanılan ışığa dönüşmekte idi. Ampullerin ne sıklıkla patladığı, değiştirildiği
evlerimizde hepimizin deneyimlediği bir durum. LED’ler ile bu bozulma ve değişim süresi 10 seneye
kadar çıkabilmekte.
Aslında ödül, malzeme bilimine
Shuji Nakamura, doktora yaptığım Malzeme Bölümü’nde öğretim üyesi. Keza yapılan bu buluş tamamen
malzeme bilimi ve mühendisliğinin uygulanması.
Periyodik cetvelde mavi ışığın çıkarıldığı nitrürler (nitrojen ile galyum, indiyum ve aluminyumun yaptığı
bileşikler) kızıl ötesinden derin morötesine (ultraviyole ya da UV), gözümüze görünür ışığı da içine alacak
şekilde Güneş’ten gelen elektromanyetik spektrumu kapsamakta. Teorik olarak bu bilinmekle beraber
1990’ların başına kadar işler vaziyette bir cihaz ortaya koymak, bir takım nitrür malzeme grubu ile ilgili
sorunlardan dolayı mümkün olmadı, bir çok araştırma grubu dezavantajlarına rağmen umutsuzca çinko
selenid (ZnSe) gibi birleşiklere yöneldi. Ancak bu sene Nobel’i alan Amano, Akasaki ve Nakamura bu
konuda yılmadılar ve nitrür grubunun malzeme sorunlarını çözmek üzere çalışmalar yürüttüler. Nobel de
zaten bu sorunları çözerek mavi ışığı, dolayısı ile beyaz ışığı ve görünür bölgedeki diğer bütün renkleri
ortaya çıkarma yetisine sahip bu müthiş buluş için verildi.
Nakamura ile çalışmak
Shuji Nakamura’nın en önemli
özelliği
mütevazi
olması.
Derslerinde
zaman
zaman
Japonca yansılar kullanırdı .
Bilimsel konuları çok net/basit
anlatır ve iyi özetler. Güler
yüzlüdür, gösterişten çok uzaktır.
Çalıştığı konuya her zaman çok
hakimdir ve doğru insanlarla
çalışmasını bilir. Bunların dışında
dürüst, korkusuz ve dobra biridir
diyebilirim.
UC Santa Barbara’da Shuji
Nakamura, LED çalışmalarını
1999 yılından beri Steven
DenBaars ve James Speck ile
beraber yürütmekte. Ben de o yıllarda gruplarına dahil oldum. Bu üçlü dünya LED piyasasının beynidir,
bütün yenilikler ve yönelimler bu üçünden çıkar. LED çalışmaları yürütülürken elektriksel, fiziksel ve
malzeme özellikleri anlamında bir çok sorun ile karşılaşıyorduk, her konunun adresi farklı bir danışmandı.
Üçüyle de çalışmak ayrı bir zevk ve onurdu benim için.
Benim katkılarım, mavi LED’in icat sonrası geliştirilmesinde
Nobel ödülü mavi LED’in işler vaziyette bilim dünyasına ve ekonomiye kazandırılmasına verildi. Yani
kısaca mavi LED’in icadına verildi. Ancak icat edildiğinden bugüne bu icadın geliştirilmesinde benim ve
UCSB’deki çalışma arkadaşlarımın büyük katkıları oldu. Bu katkıların sonucu olarak son 13 senede mavi
LED/lazerin bilim dünyası ve ekonomide etkinliği arttı.
Daha önce de bahsettiğim mavi LED’lerin icadında karşılaşılan sorunlar:
1- Malzeme Kalitesini artırmak
2- PN diyot yapabilmek için gerekli aktif pozitif tipte aktif taşıyıcıları olan bölge yaratmak
3- Malzeme içi istenmeyen elementlerin elektronik pasivasyon veya istenmeyen optik ışınım
yapmasını engellemek
4- Polarizasyondan arınmış bir diyot üretmek
5- In oranını arttırdıkça daha yüksek dalga boyuna (yeşil, sarı, kırmızı) geçen malzeme dalga boyunu
gerçekleştirebilmek için Indium atomlarının Galyum atomlarından ayrışmasını engellemek
1 numaralı maddeyi mavi LED’in ilk geliştirilmesi sırasında Amano ve Akasaki AlN ara katman ile çözmeye
çalışırken Nakamura hem GaN ara katman hem de dikey gaz akışlı reaktör ile malzeme içi kusurları
gidererek ilk mavi LED ve mavi lazer üretmişti.
Bundan 7 sene sonra UCSB’de benim doktora konum 1 numaralı sorunu, dolayısı ile 3 numaralı sorunu
iyileştirmek ve 4 numaralı sorunu gidermek idi. Her üçünü de başararak endüstride bir kaç şirket
tarafından halen kullanılan 2 adet patent aldım, şu an Nakamura’nın da ortağı olduğu Soora şirketi her iki
patenti de kullanarak yüksek güçlü LED ve lazer çalışmaları yürütmekte ki, önümüzdeki yıllarda piyasada
polarizasyondan arınmış mavi ve yeşil dalga boyunda bu LED ve lazerleri almak mümkün olacak. Mavi
LED ve lazerin icadında gerçekleştirilen içsel verimleri yaklaşık 8 katı seviyesine çıkardık.
Türkiye Nobel almak istiyorsa...
Nakamura durup duruken kendi isteği ile
Amerika’ya gidip kendini umutsuzca Amerikan
kamu/özel sektörüne pazarlamaya çalışmadı.
Amerika onu buldu ve değerlendirdi. Nobel’i
almadan 15 yıl önce buldu ve potansiyeli görerek
imkanları önüne serdi.
Türkiye de Nobel almak istiyorsa, Türkiye’den
başlayarak, Dünya’daki bilimsel insan (“mış” gibi
yapanları ayırdederek) potansiyelini efektif bir
şekilde kullanabilmeyi öğrenmeli. Türkiye’de son
10 yılda Ar-Ge çalışmalarına hız verilmiş olması
ve bu konulara bütçe aktarımının ülke politikası
olarak gerçekleşiyor olması oldukça umut vaat
edici. Ancak, teknoloji geliştirme ve Ar-Ge mekanizmaları doğru yapılanmaz ise hem yol alamayız hem de
bütçe olarak aktarılan özkaynaklarımız boşa gider. Nobel ise hayal olarak kalmaya devam eder.
Ar-Ge alanında karar verici ve fonlayıcı mekanizmalar bilimsel insan altyapısı farkındalıklarını arttırmalı
ve bilimsel çalışma bütçelerine yalnızca “maliyet” olarak bakmamalılar. Bilimsel çalışmalarda odak
“bilgiye hakimiyet” ve “yaratıcılıktır”; “para” değildir. Para herşeyde olduğu gibi bilimsel çalışmalarda da
araçtır. Asıl olan işi yapan insanın kalitesidir. Projeler verilirken, tek başına cihaz varlığı bir anlam ifade
etmemelidir. O cihazın düğmelerine basmak, cihazın üretici firmasından alınan hazır programlar
kullanmak veya yapılmış çalışmaları tekrar etmek bilimsel araştırma değildir. Bu şekilde kaybedilen
zaman, altyapı maliyetinin çok üzernde bir masraftır. Türkiye bugün kullanıl(a)mayan cihazlar çöplüğüne
dönmüştür maalesef. Ne zaman cihazdan çok bilimsel birikime önem vermeye başlarız ve bu birikime
sahip insanlarımız konusunda farkındalığımızı arttırırız işte o zaman Nobel ve daha bir çok başka bilimsel
başarıya bir adım daha yaklaşırız.