- लाल और हरी LED 1960 के दशक में आ गई थीं, लेकिन नीली LED की कमी के कारण RGB से सफेद और सभी रंग बनाने वाली प्रकाश क्रांति कई दशकों तक टल गई
- नीली रोशनी के लिए बड़ा band gap चाहिए था, और zinc selenide तथा gallium nitride में p-type बनाना, crystal defects और output limits के कारण commercialize करना कठिन था
- Nichia के Shūji Nakamura ने उस समय, जब मुख्यधारा zinc selenide पर केंद्रित थी, gallium nitride चुना और MOCVD उपकरण में बदलाव तथा two-flow reactor से crystal quality की समस्या को पार किया
- इसके बाद magnesium-doped gallium nitride की annealing, indium gallium nitride active layer, और aluminum gallium nitride blocking layer को जोड़कर 450nm और 1,500 माइक्रोवॉट की चमकदार नीली LED तैयार की गई
- Nichia ने 1994 में प्रति माह 10 लाख यूनिट उत्पादन और 1996 में white LED तक विस्तार किया, और LED lighting 2010 में वैश्विक residential lighting sales के 1% से बढ़कर 2022 में आधे से अधिक हो गई
नीली LED प्रकाश क्रांति का आखिरी टुकड़ा क्यों थी
- LED का रंग plastic cover से नहीं, बल्कि electronic structure से आता है
- पारदर्शी LED भी उसी तरह लाल रोशनी दे सकती है
- casing का काम LED को अलग पहचान देना ज़्यादा है
- 1962 में General Electric के Holonyak ने पहली visible LED बनाई, और यह हल्की लाल रोशनी देती थी
- बाद में Monsanto के इंजीनियरों ने हरी LED बनाई, लेकिन LED कई दशकों तक लाल और हरे तक ही सीमित रहीं
- अगर नीली LED संभव हो जाती, तो लाल, हरा और नीला मिलाकर सफेद और हर तरह के रंग बनाए जा सकते थे
- इससे LED को bulb, mobile phone, computer, TV, signboard और पूरी lighting industry तक फैलाया जा सकता था
- 1960 के दशक से IBM, GE, Bell Labs जैसी बड़ी electronics कंपनियाँ नीली LED बनाने में जुटीं, लेकिन हज़ारों शोधकर्ता भी सफल नहीं हो सके
- Monsanto के एक director का मानना था कि LED रसोई की lighting की जगह नहीं ले पाएगी और सिर्फ घरेलू उपकरणों, कार dashboard और stereo indicators में ही उपयोग होगी
LED रोशनी कैसे बनाती है
- incandescent bulb में tungsten filament से current गुज़ारकर उसे गर्म किया जाता है, और उसी से रोशनी निकलती है
- निकलने वाले electromagnetic radiation का ज़्यादातर हिस्सा infrared, यानी heat, होता है
- visible light उसका बहुत छोटा हिस्सा होती है
- LED, यानी light emitting diode, नाम के अनुसार मुख्य रूप से रोशनी पैदा करने वाला device है, इसलिए यह कहीं अधिक efficient है
- diode दो electrodes वाला device है, जो current को केवल एक दिशा में बहने देता है
- semiconductor में जब atoms ठोस बनाते हैं, तो electron energy levels मिलकर घने energy bands बनाते हैं
- जिनमें electrons मौजूद होते हैं, सबसे ऊपरी band को valence band कहते हैं
- उसके ऊपर conduction band होता है
- इन दोनों के बीच की energy difference को band gap कहते हैं
- शुद्ध semiconductor अपने आप में सीमित उपयोग का होता है, इसलिए lattice में impurity atoms डालने वाली doping ज़रूरी होती है
- silicon में phosphorus डालने से extra electrons मिलते हैं और वह n-type semiconductor बनता है
- silicon में boron डालने से hole बनते हैं और वह p-type semiconductor बनता है
- p-type और n-type को जोड़ने पर electrons और holes फैलते हैं और depletion region बनता है
- battery को उल्टी polarity से जोड़ने पर depletion region बढ़ता है और current नहीं बहता
- सही polarity से जोड़ने पर depletion region घटता है और electrons n-type से p-type की ओर बहते हैं
- जब electron conduction band से valence band के hole में गिरता है, तो band gap की energy photon के रूप में निकल सकती है
- यही energy change रोशनी के रूप में दिखता है, और यही LED का काम करने का सिद्धांत है
- band gap का आकार निकलने वाली रोशनी का रंग तय करता है
- silicon का band gap 1.1eV है, इसलिए उससे निकलने वाला photon visible light नहीं बल्कि infrared होता है
- ऐसी LED TV remote में उपयोग होती है और camera से दिखाई दे सकती है
- नीली रोशनी वाले photon के लिए अधिक energy चाहिए, इसलिए बड़ा band gap चाहिए था, और यही बात नीली LED को कठिन बनाती थी
Nichia और Nakamura की बाज़ी
- Shūji Nakamura जापान की छोटी chemical company Nichia में काम करने वाले शोधकर्ता थे
- Nichia ने लाल और हरी LED में इस्तेमाल होने वाले semiconductors के production तक विस्तार किया था, लेकिन 1980 के दशक के अंत तक उसका semiconductor division कठिन दौर में था
- उसे अधिक स्थापित कंपनियों और भीड़भाड़ वाले बाज़ार में प्रतिस्पर्धा में पीछे धकेला जा रहा था
- युवा कर्मचारी Nakamura से नया product बनाने को कहते थे, जबकि वरिष्ठ कर्मचारी उनके research को पैसे की बर्बादी मानते थे
- Nakamura की lab ज़्यादातर उन उपकरणों से बनी थी जिन्हें उन्होंने खुद इकट्ठा करके weld किया था
- phosphorus leak से विस्फोट इतने बार होते थे कि सहकर्मी देखने तक नहीं आते थे
- 1988 में उनके supervisors research से निराश होकर Nakamura से नौकरी छोड़ने को कहने लगे, तब उन्होंने founder और president Nobuo Ogawa को नीली LED development का प्रस्ताव दिया
- Ogawa ने Nakamura के project के लिए 50 करोड़ yen, यानी लगभग 30 लाख डॉलर, मंज़ूर किए
- यह कंपनी के वार्षिक मुनाफ़े का लगभग 15% माना जाता है
- Nakamura ने Florida की एक lab में MOCVD सीखने का फ़ैसला किया
- MOCVD ऐसा उपकरण है जिसमें crystal materials की vapor molecules को गर्म chamber में भेजकर substrate पर layers बनाई जाती हैं
- यह साफ crystals के mass production की key technology थी और आज भी है
- crystal layer कभी-कभी कुछ atoms जितनी पतली होनी चाहिए, और substrate lattice तथा ऊपर बढ़ने वाले crystal lattice का मेल अच्छा होना चाहिए ताकि स्थिर और smooth crystal बने
- Florida में Nakamura को चलती हुई MOCVD machine इस्तेमाल करने नहीं दी गई, और उन्होंने 12 महीनों में से 10 महीने नया system assemble करने में लगा दिए
- Nichia की paper publish न करने की policy के कारण Nakamura के पास न thesis थी, न papers, न PhD; और PhD researchers उन्हें कमतर technician की तरह देखते थे
- 1989 में जापान लौटते समय Nakamura के पास Nichia के लिए नया MOCVD reactor order करने की योजना और PhD हासिल करने की मज़बूत इच्छा थी
- उस समय जापान में विश्वविद्यालय गए बिना भी 5 papers publish कर देने पर PhD मिल सकती थी
- इससे नीली LED में असफल होने पर भी PhD पाने का एक विकल्प बन गया
मुख्यधारा ने जिसे नज़रअंदाज़ किया, उस gallium nitride का चुनाव
- 1980 के दशक तक नीली LED के candidates मुख्य रूप से zinc selenide और gallium nitride रह गए थे
- zinc selenide ज़्यादा promising विकल्प लगता था
- MOCVD में gallium arsenide substrate पर उगाने पर उसका lattice mismatch केवल 0.3% था
- crystal defects लगभग 1,000 प्रति वर्ग सेंटीमीटर थे, जो LED operation की upper limit के भीतर थे
- लेकिन n-type zinc selenide कई तरीकों से बन सकता था, p-type नहीं बन पा रहा था
- gallium nitride वह material था जिसे ज़्यादातर researchers छोड़ चुके थे
- sapphire substrate के साथ उसका lattice mismatch 16% था
- defects 10 अरब प्रति वर्ग सेंटीमीटर से ऊपर थे
- silicon से n-type बन सकता था, लेकिन p-type अब भी कठिन समस्या थी
- commercial blue LED के लिए कम से कम 1,000 माइक्रोवॉट total light output चाहिए था, जबकि मौजूदा prototypes उससे दो orders कम थे
- Nakamura ने सोचा कि अगर 5 papers उन्हें अकेले लिखने हैं, तो कम प्रतिस्पर्धा वाला gallium nitride बेहतर रहेगा
- जापान की सबसे बड़ी applied physics society में zinc selenide पर presentation सुनने 500 से अधिक लोग आए
- gallium nitride पर केवल 5 लोग मौजूद थे
- उन 5 लोगों में gallium nitride expert Akasaki और उनके पूर्व graduate student Hiroshi Amano भी थे
- Akasaki और Amano ने sapphire पर सीधे gallium nitride उगाने के बजाय पहले aluminum nitride buffer layer उगाकर breakthrough हासिल किया
- aluminum nitride में sapphire और gallium nitride के बीच का lattice spacing था, इसलिए साफ gallium nitride crystal बनाना आसान हुआ
- लेकिन aluminum MOCVD reactor में समस्याएँ पैदा करता था, इसलिए process का scale बढ़ाना कठिन था
crystal, p-type और brightness पर तीन बड़ी सफलताएँ
- Nakamura शुरू में नए MOCVD reactor में gallium nitride सही तरह से उगा नहीं पाए
- 6 महीने बाद उन्होंने मशीन खोल दी और खुद बेहतर version बनाना शुरू किया
- वे हर दिन सुबह 7 बजे lab पहुँचते थे
- सुबह welding, cutting और wiring changes करते थे
- दोपहर में modified reactor से experiments करते थे
- शाम 7 बजे घर जाकर खाना, नहाना और सोना दोहराते थे
- जापान के महत्वपूर्ण holiday New Year’s Day को छोड़कर वे बिना weekend और छुट्टी के काम करते थे
- डेढ़ साल बाद, 1990 की सर्दियों में, Nakamura के gallium nitride samples की electron mobility sapphire पर सीधे उगाए गए पुराने gallium nitride की तुलना में 4 गुना अधिक थी
- असली कुंजी MOCVD reactor में दूसरा nozzle जोड़ना था
- gallium nitride reaction gases गर्म chamber में ऊपर उठते हुए आपस में मिलकर powder waste बन जाती थीं
- दूसरा nozzle नीचे की ओर inert gas flow भेजता था, जो पहली flow को substrate से सटा देता था और uniform crystal बनने देता था
- वैज्ञानिकों ने सोचा था कि दूसरी flow turbulence बढ़ाएगी, इसलिए वे इससे बचते रहे, लेकिन Nakamura ने special nozzle से flow को laminar रखा
- उन्होंने इसे two-flow reactor कहा
- two-flow design की वजह से Nakamura aluminum nitride के बजाय sapphire substrate पर gallium nitride को ही buffer layer की तरह इस्तेमाल कर सके
- उसके ऊपर उन्होंने अधिक साफ gallium nitride crystal बनाया और aluminum की समस्या से भी बचे
- कंपनी के भीतर दबाव लगातार बढ़ रहा था
- Nichia के founder Nobuo Ogawa chairman बन गए और उनके दामाद Eji Ogawa CEO बने
- Matsushita के एक executive ने Nichia में कहा कि zinc selenide ही आगे का रास्ता है और gallium nitride का कोई भविष्य नहीं है
- उसी दिन Eji ने Nakamura को gallium nitride का काम तुरंत रोकने का memo भेजा
- Nakamura ने memo, बाद के निर्देश और फ़ोन कॉल सब अनदेखा कर दिए
- Nakamura ने Nichia से छिपाकर two-flow reactor पर research publish की, और यही उनका पहला paper बना
- दूसरी बाधा p-type gallium nitride थी
- Akasaki और Amano ने magnesium-doped gallium nitride को electron beam के संपर्क में लाकर दुनिया का पहला p-type gallium nitride बनाया
- लेकिन वे नहीं जानते थे कि यह काम क्यों करता है, और हर crystal पर electron irradiation करने की प्रक्रिया commercial production के लिए बहुत धीमी थी
- Nakamura ने सोचा कि electron beam कुछ ज़्यादा है, इसलिए उन्होंने magnesium-doped gallium nitride को 400°C तक गर्म करने वाली annealing आज़माई
- परिणाम पूरी तरह p-type sample था
- electron beam केवल sample की surface को p-type बनाता था, जबकि heating बेहतर काम करती थी और तेज़ी से scale की जा सकती थी
- इस research ने यह भी दिखाया कि p-type gallium nitride इतना कठिन क्यों था
- MOCVD में nitrogen source के रूप में इस्तेमाल होने वाले ammonia में hydrogen भी होता है
- hydrogen atoms magnesium से जुड़कर holes को block कर रहे थे
- अतिरिक्त energy देने पर hydrogen material से निकल गया और holes फिर से मुक्त हो गए
- 1992 के St. Louis workshop में Nakamura ने blue LED prototype पेश किया और standing ovation मिली
- लेकिन रंग blue-violet के अधिक करीब था और light output केवल 42 माइक्रोवॉट थी, जो practical standard 1,000 माइक्रोवॉट से कम थी
- तीसरी बाधा light output बढ़ाना था
- LED efficiency बढ़ाने का जाना-माना तरीका p-n junction में active layer नाम की पतली layer बनाना था, जिससे band gap थोड़ा कम हो जाता है
- gallium nitride के लिए सबसे उपयुक्त active layer indium gallium nitride मानी जाती थी
- यह layer band gap को पार करना आसान बनाती थी और blue-violet को true blue के करीब ला सकती थी
- Amano ने याद किया कि gallium nitride और indium nitride को पानी और तेल की तरह न मिल पाने वाला माना जाता था
- Nakamura ने अपने freely modifiable MOCVD reactor का उपयोग करके जितना संभव हो उतना indium gallium nitride में धकेला और साफ indium gallium nitride crystal प्राप्त किया
- active layer को LED में डालने पर well इतना अच्छा काम करने लगा कि electrons overflow होकर gallium nitride layer में leak होने लगे
- कुछ ही महीनों में उन्होंने aluminum gallium nitride बनाया और बड़े band gap वाली blocking layer के रूप में इस्तेमाल किया
- यह layer electrons को well में आने के बाद बाहर निकलने से रोकती थी
commercial success, compensation dispute और LED lighting का फैलाव
- 1992 में Nakamura ने चमकदार नीली LED पूरी की
- यह दिन की रोशनी में भी दिखने लायक तेज़ थी
- light output 1,500 माइक्रोवॉट थी
- wavelength बिल्कुल 450nm थी
- यह उस समय बाज़ार में मौजूद pseudo-blue LED से 100 गुना अधिक चमकीली थी
- Nichia ने Tokyo में दुनिया की पहली true blue LED की घोषणा के लिए press conference की, और electronics industry चौंक गई
- Nichia पर इसका कारोबारी असर तुरंत पड़ा
- orders की बाढ़ आ गई, और 1994 के अंत तक कंपनी हर महीने 10 लाख blue LED बना रही थी
- 3 साल के भीतर कंपनी की revenue लगभग दोगुनी हो गई
- 1996 में Nichia ने नीली LED के ऊपर yellow phosphor लगाकर white LED तक विस्तार किया
- यह chemical blue photons को absorb करके visible light के विस्तृत spectrum में फिर से emit करता है
- Nichia जल्द ही दुनिया की पहली white LED बेचने लगी
- अगले 4 वर्षों में Nichia की revenue फिर दोगुनी हो गई
- 2001 में revenue सालाना 70 करोड़ डॉलर के करीब पहुँच गई
- इसमें 60% से अधिक हिस्सा blue LED products का था
- आज Nichia अरबों डॉलर की annual revenue वाली बड़ी LED manufacturers में से एक है
- Nakamura को मिलने वाला compensation सीमित था
- salary दोगुनी होने के बाद भी 60,000 डॉलर थी
- प्रति patent bonus 170 डॉलर था
- 2000 में Nakamura 20 से अधिक साल Nichia में काम करने के बाद अमेरिका चले गए
- उन्होंने Cree के लिए consulting शुरू की
- Nichia ने उन पर company secrets लीक करने का मुकदमा किया
- Nakamura ने जवाबी मुकदमे में कहा कि उन्हें अपने invention का उचित compensation नहीं मिला और 2 करोड़ डॉलर की माँग की
- 2001 में जापानी अदालत ने Nakamura के पक्ष में फैसला देते हुए Nichia को उनकी मूल माँग से 10 गुना भुगतान करने का आदेश दिया
- Nichia ने appeal की, और मामला अंततः 80 लाख डॉलर के settlement पर खत्म हुआ
- यह रकम Nakamura की legal fees भरने जितनी ही थी
- नीली LED अब 80 अरब डॉलर के industry ecosystem का हिस्सा है
- इसका उपयोग home lighting, streetlights, mobile phones, computers, TV, traffic signals और displays में होता है
- screens की blue light से circadian rhythm पर असर पड़ने की चेतावनियाँ भी gallium nitride blue LED से जुड़ी हैं
- lighting LED bulbs incandescent या fluorescent bulbs की तुलना में अधिक efficient, बहुत लंबे समय तक चलने वाले, संभालने में सुरक्षित और पूरी तरह customizable हैं
- white LED आने के 30 साल बाद premium bulbs में 50,000 तरह के white shades चुने जा सकते हैं
- इनकी कीमत दूसरे bulbs से बस कुछ डॉलर अधिक तक गिर चुकी है
- औसत दैनिक उपयोग और बिजली दरों के हिसाब से अतिरिक्त लागत लगभग दो महीनों में निकल सकती है
- LED lighting sales तेज़ी से बढ़ी हैं
- 2010 में वैश्विक residential lighting sales में LED की हिस्सेदारी 1% थी
- 2022 में यह आधे से अधिक हो गई
- experts का अनुमान है कि अगले 10 वर्षों में लगभग सारी lighting sales LED हो जाएँगी
- lighting कुल carbon emissions का 5% हिस्सा है
- पूरी तरह LED पर जाने से 1.4 अरब टन CO2 बचाई जा सकती है
- यह दुनिया की लगभग आधी कारों को सड़कों से हटाने के बराबर है
Nakamura के बाद के research और सम्मान
- Nakamura इस समय अगली पीढ़ी की micro LED और UV LED पर research कर रहे हैं
- standard LED size 300×200 माइक्रोन बताई जाती है, और सबसे छोटी 5 माइक्रोन तक होती है
- यह इंसानी बाल की मोटाई से तुलना करने लायक छोटी है
- इसे near-eye display, AR और VR में इस्तेमाल किया जा सकता है
- UV LED अस्पतालों या रसोई की सतहों को disinfect करने में काम आ सकती है
- UV light चालू करने पर pathogens कुछ ही सेकंड में मर सकते हैं
- COVID-19 के दौरान UV LED कंपनियों के shares तेज़ी से बढ़े क्योंकि लोगों को उम्मीद थी कि उनका उपयोग COVID-19 disinfection में होगा
- light emitting diode में indium gallium nitride इस्तेमाल होता है, जबकि UV के लिए बड़े band gap वाला aluminum gallium nitride इस्तेमाल किया जाता है
- UV LED काम करती है, लेकिन लागत बड़ी समस्या है
- efficiency 10% से कम है और cost बहुत ज़्यादा है
- अगर efficiency 50% से ऊपर चली जाए, तो इसकी लागत mercury lamp के लगभग बराबर हो सकती है
- Nakamura ने हाल में nuclear fusion company भी शुरू की है और कहते हैं कि उनकी रुचि physics में है
- 2014 में Nakamura, Akasaki और Amano को नीली LED के निर्माण के लिए physics prize मिला
- बाद में Nakamura ने सार्वजनिक रूप से Nichia को अपने research support के लिए धन्यवाद दिया और जाकर सुलह करने का प्रस्ताव भी रखा, लेकिन Nichia ने इसे ठुकरा दिया और संबंध ठंडे ही बने रहे
- 1994 में blue LED की घोषणा तक Nakamura 15 से अधिक papers publish कर चुके थे और अंततः engineering doctorate प्राप्त कर ली थी
- अब वे 900 से अधिक papers publish कर चुके हैं
- उनका पसंदीदा रंग नीला है, और वे कहते हैं कि बचपन में जिस मछुआरे गाँव में वे रहते थे, घर के सामने का समुद्र हमेशा नीला दिखता था
1 टिप्पणियां
Hacker News टिप्पणियाँ
यह सच में एक शानदार कहानी थी। आज हमारे पास नीला LED है क्योंकि एक व्यक्ति ने सब कुछ दाँव पर लगाकर इसे आगे बढ़ाया, और यह हैरानी की बात है कि कभी-कभी बहुत कुछ सचमुच एक ही व्यक्ति पर टिका होता है
और यह इसलिए भी संभव हुआ क्योंकि उस शोधकर्ता ने वास्तव में electromechanical कौशल सीखा था। यह सोचने पर मजबूर करता है कि अगर ऐसे कौशल और व्यापक रूप से फैले होते, तो हम और क्या-क्या ज्यादा तेज़ी से कर सकते थे
उसके लिए PhD डिग्री न होना मुख्यतः इसलिए मुश्किल था क्योंकि उसके साथियों ने दूसरे तरह के कौशल का मूल्य ठीक से नहीं समझा
मेरी जान-पहचान के एक chemistry professor ऐसे काम को महत्वपूर्ण मानते हैं। उनके पास parts और equipment का भंडार है, और जब भी सस्ता तथा उपयोगी उपकरण पाने का मौका मिलता है, वे उसे ले लेते हैं
छात्र अक्सर ज़रूरी उपकरण खुद बना लेते हैं। हो सकता है वे scientific grade के न हों, लेकिन research direction को validate करने या बाद में औपचारिक उपकरण खरीदने/उस तक पहुँच को justify करने के लिए वे आम तौर पर काफी होते हैं
वे छात्र अच्छी तरह जानते हैं कि उन्हें इससे क्या मूल्य मिलता है, और यही वही मूल्य है जो नीला LED बनाने वाले व्यक्ति में दिखा। इससे निर्भरता बहुत कम हो जाती है और कहीं अधिक प्रत्यक्ष पहल तथा नियंत्रण मिलते हैं
ऐतिहासिक रूप से भी, वैज्ञानिक समझ का एक बड़ा हिस्सा, जिस पर हम निर्भर हैं और जिसे engineering में इस्तेमाल करते हैं, उन लोगों से आया है जो सिर्फ सोचते और देखते ही नहीं थे बल्कि चीज़ें खुद बना भी सकते थे, और इसमें गणनात्मक क्षमता भी जोड़नी चाहिए
academia, public research, और private research—तीनों में इस तरीके की बहुत अधिक ज़रूरत है
इससे यह भी सामने आता है कि सिर्फ incandescent bulb ही नहीं, LED lighting भी अंततः सचमुच Edison-जैसे प्रयासों से संभव हुई
1980 के दशक तक industrial research में उपकरणों को संभालने का तरीका आज से अलग था। Exxon या Shell जैसी अच्छी फंडिंग वाली energy companies, जब labs को फिर से व्यवस्थित करती थीं या उपकरण बदलती थीं, तो पुराने उपकरण surplus warehouse में जमा कर देती थीं, और औसतन 5~10 साल बाद उन पर disposal का टैग लग जाता था
पहले यह अपेक्षा की जाती थी कि principal investigators नया उपकरण माँगने से पहले बड़े warehouse में जाकर देख लें कि कोई काम की चीज़ मिल सकती है या नहीं, इसलिए उसे resource की तरह संभालकर रखा जाता था। लेकिन बाद में कोई ऐसा नहीं करता था, और energy prices बढ़ रही थीं, oil companies के पास पैसा बहुत था, इसलिए वे सालों से सिर्फ नया उपकरण ही खरीद रही थीं
warehouse बड़ा था, लेकिन आखिरकार भर जाता था, और जगह खाली करने के लिए नियमित रूप से उसकी auction होती थी। sale के दिन cash, as-is, where-is, कोई warranty नहीं
मैंने उस warehouse से गुजरने वाली चीज़ों का बहुत छोटा-सा हिस्सा ही सावधानी से चुना, फिर भी वह उतना था जितना एक सामान्य PhD अपने पूरे करियर में जितने उपकरण संभाल सकता है उसके कई गुना tonnage के बराबर था
बहुत से PhD लोग उपकरणों को खुद हाथ नहीं लगाना चाहते और यह काम interns से करवाते हैं। इसलिए labs में वैज्ञानिक रूप से सबसे आगे रहने वाला व्यक्ति अपने हाथ के कौशल का इस्तेमाल कम ही करता है, और उल्टा, जो व्यक्ति हाथ से काम करने में सबसे कुशल हो, उसकी उस क्षमता का वैज्ञानिक रूप से पूरा उपयोग भी कम ही होता है
उस समय मेरे lab में आने वाले वे लोग, जिनके साथ मैं non-research customers के रूप में काम करता था, used equipment इस्तेमाल करने में शर्म महसूस नहीं करते थे, जिस पर मूल मालिक की inventory sticker अब भी लगी होती थी। बल्कि हम लगातार साबित करते थे कि उनका प्रदर्शन उनकी in-house प्रक्रियाओं के बराबर या उनसे बेहतर था
वे न तो अपनी ही company के surplus equipment का उपयोग करते थे, न ही यह देखने नीचे जाने की सोचते थे कि warehouse में कितनी भारी मात्रा में सामान पड़ा है। बस ऐसा न करने की ही culture थी
मुझे लगता है कि वीडियो वाकई बहुत अच्छी तरह बनाया गया है। विज्ञान को आम लोगों तक सही स्तर पर सुलभ तरीके से पहुँचाना मुश्किल होता है, लेकिन Derek ने यह शानदार ढंग से किया।
करीब 4 मिनट पर LED की व्याख्या खास तौर पर बहुत अच्छी लगी। क्या सेमीकंडक्टर physics से परिचित कोई व्यक्ति बता सकता है कि यह व्याख्या वास्तविकता को कितनी अच्छी तरह मॉडल करती है?
जब कहा जाता है कि electron अपने आसपास के atoms को “महसूस” करता है, तो उसका मतलब उस परिणाम से है जो इस बात से निकलता है कि material crystalline होता है, यानी उसकी संरचना नियमित और सुव्यवस्थित होती है। यही नियमित संरचना periodic potential बनाती है, और इसे Schrödinger equation में डालकर wavefunction पर continuity conditions और translational symmetry लागू की जाती है।
उन शर्तों के तहत Schrödinger equation के solutions निकालने पर allowed और forbidden energy levels मिलते हैं, और crystal lattice के भीतर energy और momentum का संबंध भी सामने आता है। प्रक्रिया को समझने के लिए Kronig-Penney Model का Wikipedia पेज पढ़ सकते हैं।
यह periodicity पर निर्भर करता है, इसलिए crystal के अंदर दिशा के अनुसार बदल सकता है। फिर भी व्याख्या गलत नहीं है, क्योंकि semiconductor devices उगाते समय crystal orientation को इस तरह align किया जाता है कि current मनचाही दिशा में बहे, इसलिए band gap को एक single number मानने वाला सरल परिणाम मान्य रहता है।
potential या voltage लगाने पर bands के नीचे की ओर झुकने का वर्णन भी semiconductor device diagrams में potential change दिखाने के तरीके से अच्छी तरह मेल खाता है। इसके लिए Streetman and Banerjee की Solid State Electronic Devices देख सकते हैं।
यह semiconductor behavior का शानदार परिचय है, लेकिन जैसा दूसरों ने भी कहा, यह direct band gap और indirect band gap जैसी बहुत महत्वपूर्ण बारीकी को छोड़ देता है। वीडियो में जो हिस्सा छूट गया है, वह यह है कि crystal एक अत्यधिक सुव्यवस्थित दोहरावदार संरचना तो है, लेकिन हर दिशा में एक जैसा नहीं दिखता। इसलिए केवल एक band gap नहीं होता, बल्कि जिस crystal direction को देखा जा रहा हो उसके अनुसार कई band gaps होते हैं।
आप पूछ सकते हैं कि दिशा क्यों महत्वपूर्ण है, और यहीं से बात फिर quantum mechanics की गहराई में चली जाती है। Semiconductor में जब एक single photon absorb होता है, तो momentum और energy दोनों का conservation होना चाहिए। Silicon band gap के बराबर energy वाले photon का momentum बहुत छोटा होता है, जबकि room temperature पर conduction electrons का momentum उससे कहीं बड़ा होता है। इसलिए थोड़ी simplification करें तो photon absorption से होने वाला transition momentum बदले बिना होता है, और हम केवल किसी खास crystal direction की band structure और उससे जुड़े free carriers को देखते हैं।
खास तौर पर Silicon का band gap indirect है, और minimum-energy conduction band electrons तथा valence band holes का momentum अलग होता है। नतीजतन detector बनाने के लिए photons absorb तो किए जा सकते हैं, लेकिन उन्हें LED की तरह efficiently emit नहीं कराया जा सकता। इस हिस्से में वीडियो गलत है।
हालांकि वीडियो का मुख्य विषय GaN material system में blue LED है, और GaN निश्चित रूप से direct band gap material है, इसलिए यह बहुत बड़ी समस्या नहीं है। अगर कोई pure Silicon से बनाया जा सकने वाला efficient light-emitting device बना दे, तो optical computing और photonics में यह पूर्ण क्रांति होगी। कम से कम 20 साल से इसे holy grail की तरह पाने की कोशिश की जा रही है।
https://en.wikipedia.org/wiki/Quasiparticle
https://www.chu.berkeley.edu/wp-content/uploads/2020/01/Chen...
https://www.iue.tuwien.ac.at/phd/wessner/node31.html
यह कुछ ऐसा है जैसे, “अरबों डॉलर की revenue के लिए धन्यवाद, लेकिन याद है मैंने तुमसे कहा था कि GaN से blue LED की समस्या हल करने की कोशिश मत करना? लो, अपने patent के 147 dollars ले लो, अब अपना desk खाली करो। तुम निकाले गए हो।”
मेरी search skills अच्छी नहीं हैं इसलिए ठीक से नहीं ढूँढ पाया, लेकिन यह interview मिला।
https://www.jsap.or.jp/jsapi/Pdf/Number02/Interview.pdf
आख़िरी interview में Nakamura ने यह समझाया कि वह समुद्र दिखने वाले मछुआरों के गाँव में पले-बढ़े थे, और इसी कारण उन्हें नीला रंग पसंद आने लगा — यह हिस्सा अच्छा लगा।
1990 के दशक में जब नीली LED बाज़ार में आई, तो 10 साल भी नहीं बीते थे कि वह इलेक्ट्रॉनिक्स बाज़ारों में कुछ डॉलर की डिस्प्ले आइटम बन गई थी
उसी समय वेब-आधारित कंप्यूटर तकनीकी कम्युनिटी भी तेज़ी से बढ़ रही थी। जैसे वेब फ़ोरम वगैरह
यह संयोग मानो पहली नज़र के प्यार जैसा साबित हुआ। अब सोचें तो बस 20 साल पहले की बात है, लेकिन 2000~2005 के कुछ वर्षों तक कंप्यूटर nerd culture का अनिवार्य ट्रेंड नीली LED का क्रेज़ था
वह elite, cutting-edge, rare, और बेहद technical लगती थी। खिड़की वाले PC case में ढेर सारी LED लगाना, cold cathode tubes से उसे चकाचौंध करना, और mouse, speaker व तरह-तरह के इलेक्ट्रॉनिक डिवाइसों को मेहनत से नीला बनाना — आज पीछे मुड़कर देखें तो काफ़ी मज़ाकिया लगता है
कुछ साल बाद, लगभग 2005 के आसपास, commercial market ने उस ट्रेंड को अपना लिया और उसे बेजान व पुराना बना दिया। hackers और overclockers की उसमें अब दिलचस्पी नहीं रही, बल्कि ultra-high-brightness LED खीझ पैदा करने लगीं
करीब 5 साल के भीतर modding culture में नीली LED का ट्रेंड शुरू हुआ, शिखर पर पहुँचा, commercialize हुआ, और सिरदर्द बन गया। उसी समय हम अपनी चुभती हुई modifications को एक और नीली चीज़, यानी Blu-Tack, से जल्दी-जल्दी ढकने लगे
नीली LED और hacker culture का यह छोटा-सा मिलन आख़िर कहाँ गया? commercial market में यह रोशनी वाली कंप्यूटर hardware की “RGB” लहर में बदल गया। जैसे RGB fans, RGB cases, और graphics card के RGB panels। फिर भी मुझे अब भी लगता है कि नीली LED काफ़ी कूल है
https://en.wikipedia.org/wiki/Blu_Tack
यह इतना परेशान करने वाला था कि लोग उसे तरह-तरह की tape से ढक देते थे। अच्छा है वह दौर ख़त्म हुआ
इसलिए मुझे पुराने दफ़्तर की decorative lighting हमेशा समझ नहीं आई
दीवार पर अलग-अलग रंग की छोटी लाइटें बिखरी हुई थीं, इसलिए recessed LED का इस्तेमाल करना ठीक था। लेकिन color LED पर neutral diffuser लगाने के बजाय, उन्होंने सफ़ेद रोशनी बनाने के लिए red+green+blue triple LED इस्तेमाल की, और उसके सामने फिर red/green/blue plastic लगाकर रंग वापस चढ़ा दिया
मैं समझ सकता हूँ कि assembly या maintenance इससे सस्ता पड़ता होगा, लेकिन जब कोई system ऐसे parts से बना हो जो एक-दूसरे के काम को उलट रहे हों, तो मुझे हमेशा उससे अजीब असहजता होती है। यह technology के साथ बदसलूकी जैसा लगता है
Technology Connections ने पिछले 5 सालों में holiday lighting में इस्तेमाल होने वाली नीली LED से नफ़रत पर केंद्रित 3 वीडियो बनाए हैं। मुझे लगता है मैंने सिर्फ़ 2 साल पुराना वीडियो देखा था, लेकिन अब तो चाहूँ भी तो नज़रअंदाज़ नहीं कर पाता
नीला बस ज़रूरत से ज़्यादा नीला है। पूरी की पूरी नीली lighting set देखना लगभग असहनीय होता है। सफ़ेद रोशनी पर नीला plastic चढ़ाना ही सही तरीका है
https://youtu.be/PBFPJ3_6ZWs?si=sTeRrqQ5umHsNCgz
https://youtu.be/cQgcTkXacAc?si=CDj0G9Sh7S-wbLjN
https://youtu.be/va1rzP2xIx4?si=cAp65hnmwtkrXgDc
यह दृढ़ता और हार न मानने की एक अद्भुत और प्रेरक कहानी है
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लेकिन यह सचमुच झुंझलाने वाली बात है कि Nichia Corp को Nakamura की क़ीमत का कितना कम एहसास था। वह एक underdog था जिसने हर रुकावट पार करके कंपनी की 65% से ज़्यादा revenue संभव बनाई
उस समय के Nichia CEO जैसे लोग, या वह भतीजा जिसे पारिवारिक ढंग से कंपनी विरासत में मिली और जिसने अपने चाचा के सफल तरीकों को छोड़ दिया, सचमुच मूर्ख लगते हैं। ऐसी कल्पनाशून्य number-crunching और छोटी सोच हर पल बाधा बनती रही, फिर भी सफलता उनकी वजह से नहीं बल्कि उनके बावजूद मिली
अवज्ञा के साथ-साथ उसने अपने bosses को मूर्ख भी दिखा दिया। हाँ, यह भी काफ़ी साफ़ है कि हम सिर्फ़ Nakamura का पक्ष ही सुन रहे हैं
पहले 10 मिनट conductors, insulators, और semiconductors के बारे में मेरी देखी हुई सबसे बेहतरीन व्याख्या हैं। बाकी हिस्सा विज्ञान के साथ बुनी हुई एक gripping मानवीय कहानी थी
इसमें maker और experimenter spirit बहुत मज़बूती से महसूस हुई, और आख़िर में climate change तथा fusion पर काम करने वालों के लिए भी एक पंक्ति है
बड़े होने के बाद यह वीडियो मेरे लिए वैसी ही चीज़ है जैसी बचपन में Back to the Future थी। इसमें वह सब कुछ है जिसकी ज़रूरत होती है
इस वीडियो ने मुझे कुछ साल पहले का एक interview याद दिला दिया। मैंने टोक्यो के एक दिलचस्प robotics startup से बात की थी, लेकिन सिर्फ़ इसलिए रिजेक्ट हो गया क्योंकि मेरे पास master's था और दूसरे candidate के पास PhD
उस नौकरी में 65,000 डॉलर salary थी, equity लगभग न के बराबर थी, और benefits भी बहुत कम थे। कुछ हफ़्तों बाद मुझे San Francisco में 250,000 डॉलर से ज़्यादा total compensation और अच्छे benefits वाली नौकरी मिल गई
जापान में engineers को मिलने वाला compensation काफ़ी कम है, और workers को घिसकर इस्तेमाल करने वाला stereotype अब भी काफ़ी हद तक सही है
ऊपर से, इनमें से काफ़ी लोग अंग्रेज़ी में भी धाराप्रवाह होते हैं। Bay Area में वे आधे काम के घंटों में दोगुना कमा सकते हैं
यहाँ कई अभिव्यक्तियाँ उधार लें तो, “हमारे पास blue LED इसलिए है क्योंकि एक व्यक्ति ने काफ़ी विरोध के बावजूद अपने विचार पर अपनी ज़िंदगी के कई साल दाँव पर लगा दिए”
हमारे लिए यह शानदार बात है, लेकिन इस सफलता की असली क़ीमत भी देखनी चाहिए। शायद सैकड़ों, शायद हज़ारों लोगों ने भी कड़ी मेहनत की होगी और अपनी ज़िंदगी के कई साल दाँव पर लगाए होंगे, लेकिन वे असफल रहे होंगे। Willy Wonka की शैली में कहें तो, वे हार गए और उन्हें कुछ भी नहीं मिला
अगर हज़ारों लोगों ने कड़ी मेहनत की और अपनी ज़िंदगी के कई साल दाँव पर लगाए लेकिन असफल रहे, तो उनमें से अधिकांश ने शायद इस तरह डूबकर काम किसी प्रयोगशाला में नहीं किया होगा
कुछ ने fast-food कंपनी जैसी जगहों पर आजीविका चलाई होगी, और उससे भी बुरा, वे शायद ऐसी नौकरियों में फँसे होंगे जहाँ टूटी हुई milkshake मशीन तक ठीक करने नहीं दी जाती
दूसरी ओर, जो PhD धारक बेहतरीन experimenter नहीं हैं, वे भी उपकरणों और सुविधाओं में काफ़ी हिस्सा घेर लेते हैं। इसलिए बहुत महँगी सुविधाएँ होने का भी ज़्यादा मतलब नहीं रह जाता, और जो बहुसंख्यक लोग वास्तव में कुछ कर सकते थे, वे शायद कभी ऐसे काम करने का मौका पाए बिना ही रह जाते हैं