Mavi LED, Nobel ve Türkiye’de Araştırma


Yrd. Doç. Dr. Bilge İmer, ODTÜ Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

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 öğrendiğimde, beraber çalıştığımız diğer hocalar ve araştırma grubundaki arkadaşlarım adına çok mutlu oldum ve daha da çok gurur duydum denebilir. Zaten bu ödülü bekliyorduk; sadece ne zaman olacağını bilmiyorduk.

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 Üniversitesi-Santa Barbara’da (UCSB) Prof. Nakamura, Prof. Speck ve Prof. DenBaars ile LED çalıştı. 2007 yılında Türkiye’ye döndüğünde, Bilkent Üniversitesi Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi’nde (UNAM) Yrd. Doç. olarak çalışmaya başladı. UNAM’da laboratuvarların kurulması ve eğitim programının oturtulması için uğraş verirken, mavi LED’lerin ışık çıkarım verimini artırmak üzere araştırma grubuyla birlikte fotonik kristaller üzerine çalışmalarda bulundu. Ardından 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 artırmak üzere çalışmalar; vakum teknolojileri ile optoelektronik malzemeler ve yapısal ince filmler geliştirmek üzere çalışmalar yürütüyor.

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 bilgilendirme yapılıyor. 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.

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 birçok ürün bu buluşun sonucu. Uyandığınız andan yatmanıza kadar geçen süre içerisinde mavi LED/lazer’in kullanıldığı birçok 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 (Örneğin, ısıya duyarlı füzelerde Güneş’ten gelen radyasyon tarafından yanıltılmayıp, uçak egzozlarına 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 ısıtarak ışımayken, 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 kısmı faydalanılan ışığa dönüşmekteydi. 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, birtakım nitrür malzeme grubu ile ilgili sorunlardan dolayı mümkün olmadı, birçok 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 J. 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’dan 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 birçok 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:

  • Malzeme Kalitesini artırmak
  • PN diyot yapabilmek için gerekli aktif pozitif tipte aktif taşıyıcıları olan bölge yaratmak
  • Malzeme içi istenmeyen elementlerin elektronik pasivasyon veya istenmeyen optik ışınım yapmasını engellemek
  • Polarizasyondan arınmış bir diyot üretmek
  • In oranını artırdıkça 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 yedi sene sonra UCSB’de benim doktora konum 1 numaralı sorunu, dolayısı ile 3 numaralı sorunu iyileştirmek ve 4 numaralı sorunu gidermekti. Her üçünü de başararak endüstride birkaç şirket tarafından halen kullanılan iki 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 ABD’ye gidip kendini umutsuzca Amerikan kamu/özel sektörüne pazarlamaya çalışmadı; Amerika onu buldu ve değerlendirdi. Nobel’i almadan 15 yıl önce buldu ve potansiyeli görerek imkânları önüne serdi.

Türkiye de Nobel almak istiyorsa, Türkiye’den başlayarak, dünyadaki bilimsel insan (“mış” gibi yapanları ayırt ederek) 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 verici. Ancak, teknoloji geliştirme ve Ar-Ge mekanizmaları doğru yapılanmazsa 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 artırmalı 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 etmemeli; 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 üzerinde 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 artırırız işte o zaman Nobel ve daha birçok başka bilimsel başarıya bir adım daha yaklaşırız.