एक नज़र में
नीली LED ने लाल, हरी और नीली रोशनी के संयोजन को पूरा किया। इससे तेज़ रोशनी देने वाली, बिजली बचाने वाली सफेद LEDs बनाना संभव हुआ। इस आविष्कार को 2014 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।
- पुरस्कार पहली LED के लिए नहीं, बल्कि अधिक दक्ष नीली LED के लिए दिया गया था।
- सफेद रोशनी नीली रोशनी और फॉस्फर के मेल से, या लाल, हरी और नीली LEDs से बनती है।
- मुख्य परीक्षा 2021 के प्रश्नपत्र में पूछा गया था कि नीली LEDs ने रोज़मर्रा के जीवन को कैसे बदला।
नीली LED एक छोटा अर्धचालक है, जिसने दुनिया में रोशनी पैदा करने का तरीका बदल दिया। इसके आविष्कार को 2014 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला। नीला रंग ही वह कमी थी जिसे पूरा करना बाकी था, क्योंकि लाल और हरी LEDs पहले से मौजूद थीं। UPSC ने मुख्य परीक्षा 2021 में रोज़मर्रा के जीवन पर इसके प्रभाव के बारे में पूछा था।
विषय-सूची
2014 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार किस उपलब्धि के लिए दिया गया था?
पहले जानें कि पुरस्कार किसे मिला, उन्होंने क्या आविष्कार किया और यह कठिन क्यों था।
1. पुरस्कार किसे मिला और किस लिए?
रॉयल स्वीडिश एकेडमी ऑफ साइंसेज (Royal Swedish Academy of Sciences) ने 7 अक्टूबर 2014 को पुरस्कार की घोषणा की। यह तीन वैज्ञानिकों को मिला:
- इसामु अकासाकी (Isamu Akasaki) जापान के मेइजो विश्वविद्यालय (Meijo University) और नागोया विश्वविद्यालय (Nagoya University) से।
- हिरोशी अमानो (Hiroshi Amano) जापान के नागोया विश्वविद्यालय (Nagoya University) से।
- शुजी नाकामुरा (Shuji Nakamura) अमेरिका के कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा (University of California, Santa Barbara) से।
पुरस्कार प्रशस्ति में लिखा है: “दक्ष नीले प्रकाश उत्सर्जक डायोडों के आविष्कार के लिए, जिनसे तेज़ रोशनी देने वाले और ऊर्जा बचाने वाले सफेद प्रकाश स्रोत बनाना संभव हुआ”।
अकासाकी ने नागोया विश्वविद्यालय में अमानो के साथ काम किया। नाकामुरा ने तोकुशिमा (Tokushima) की एक छोटी कंपनी, निचिया केमिकल्स (Nichia Chemicals), में काम किया।
स्रोत: Nobel Prize Outreach, 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, मद 1
स्रोत: Nobel Prize Outreach, 2014 की आम पाठकों के लिए जानकारी, मद 1
2. नीली LED की कमी क्यों खल रही थी?
लाल और हरी LEDs लगभग आधी सदी से मौजूद थीं। लाल LED का आविष्कार 1950 के दशक के अंत में हुआ था।
सफेद रोशनी दो तरीकों से बनाई जा सकती है। एक तरीके में इन्हें मिलाया जाता है: लाल, हरी और नीली LEDs. दूसरे तरीके में फॉस्फर के साथ नीली LEDका उपयोग होता है। फॉस्फर नीली रोशनी के एक हिस्से को पीला कर देता है। बची हुई नीली और पीली रोशनी मिलकर आँखों को सफेद दिखाई देती हैं। दोनों तरीकों में नीली रोशनी चाहिए। नीली रोशनी के बिना कोई सफेद LED लैंप नहीं बना सकता था।
कई प्रयोगशालाओं ने नीली रोशनी बनाने की कोशिश की, लेकिन असफल रहीं। यह समस्या तीन दशकों तक अनसुलझी रही।
आम गलतफहमी: “नोबेल पुरस्कार पहली LED बनाने के लिए दिया गया था।” ऐसा नहीं था। LED पहले से मौजूद थीं। पुरस्कार अधिक दक्ष नीली LED के लिए दिया गया था।
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, बिंदु 2
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की आम पाठकों के लिए जानकारी, बिंदु 2
3. LED रोशनी कैसे बनाती है?
प्रकाश उत्सर्जक डायोड अर्धचालक पदार्थों की परतों से बना होता है। इसमें तीन मुख्य परतें होती हैं:
- एक n-प्रकार की परत जिसमें ऋणावेशित इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है।
- A p-प्रकार की परत जिसमें धनावेशित होल की अधिकता होती है।
- एक सक्रिय परत जो इनके बीच होती है।
वोल्टेज लगाने पर इलेक्ट्रॉन और होल सक्रिय परत में पहुँचते हैं। वे मिलकर पुनः संयोजित होते हैं और रोशनी पैदा होती है।
रोशनी का रंग पूरी तरह अर्धचालक पदार्थ पर निर्भर करता है। केवल कुछ ही पदार्थों से नीली रोशनी बनाई जा सकती है।
LED बिजली को सीधे प्रकाश के कणों में बदलती है, जिन्हें फोटॉन कहते हैं। पुराने प्रकार का बल्ब एक तार को इतना गर्म करता है कि वह चमकने लगता है, इसलिए उसकी अधिकांश ऊर्जा गर्मी में बदल जाती है।
तीनों वैज्ञानिकों ने नीली रोशनी की समस्या कैसे हल की?
उनके समाधान का रास्ता एक खास पदार्थ और एक कठिन बाधा से होकर गुजरा।
4. सभी ने गैलियम नाइट्राइड क्यों चुना?
गैलियम नाइट्राइड, या GaN, अकासाकी (Akasaki), अमानो (Amano) और नाकामुरा (Nakamura) का चुना हुआ पदार्थ था। शुरुआत से ही इसे नीली रोशनी के लिए उपयुक्त माना जाता था।
लेकिन व्यावहारिक कठिनाइयाँ बहुत बड़ी थीं। कोई भी पर्याप्त उच्च गुणवत्ता वाले GaN क्रिस्टल नहीं उगा पा रहा था। इसमें p-प्रकार की परत बनाना भी लगभग असंभव था।
कई शोधकर्ताओं ने दूसरे पदार्थ, जिंक सेलेनाइड, पर भरोसा किया। नाकामुरा ने इसके बजाय GaN चुना।
तीनों वैज्ञानिकों ने अपने उपकरण खुद बनाए और हजारों प्रयोग किए। उनमें से अधिकांश असफल रहे।
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की आम पाठकों के लिए जानकारी, बिंदु 4
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, बिंदु 4
5. अकासाकी और अमानो कैसे सफल हुए?
1986 में अकासाकी और अमानो ने उच्च गुणवत्ता वाला GaN क्रिस्टल उगाया। उन्होंने नीलम के आधार पर एल्युमिनियम नाइट्राइड की एक परत रखी और उसके ऊपर GaN उगाया।
1980 के दशक के अंत में उन्होंने p-प्रकार की परत बनाने में बड़ी सफलता हासिल की। संयोग से उन्होंने देखा कि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे पदार्थ अधिक तेज चमक रहा था। इलेक्ट्रॉन किरण p-प्रकार की परत की दक्षता बढ़ा रही थी।
1992 में उन्होंने तेज नीली रोशनी देने वाला अपना पहला डायोड प्रस्तुत किया।
स्रोत: Nobel Prize Outreach, 2014 की लोकप्रिय जानकारी, बिंदु 5
स्रोत: Nobel Prize Outreach, 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, बिंदु 5
6. नाकामुरा (Nakamura) कैसे सफल हुए?
नाकामुरा (Nakamura) ने 1988 में नीली LED पर काम शुरू किया। दो साल बाद उन्होंने भी उच्च गुणवत्ता वाला GaN बना लिया।
उनकी तरकीब थी कि पहले कम तापमान पर GaN की एक पतली परत उगाई जाए। इसके बाद उन्होंने अगली परतें अधिक तापमान पर उगाईं।
उन्होंने p-type की पहेली भी समझाई। इलेक्ट्रॉन किरण ने उस हाइड्रोजन को हटा दिया जो p-type परत को काम करने से रोक रही थी।
नाकामुरा (Nakamura) ने एक आसान और सस्ता उपाय खोजा। 1992 में उन्होंने पदार्थ को गर्म करके काम करने वाली p-type परत बना ली।
इस तरह दोनों टीमों ने एक ही समस्या को अलग-अलग तरीकों से हल किया।
नीली LED सफेद रोशनी कैसे देती है और ऊर्जा क्यों बचाती है?
नीली रोशनी केवल पहला कदम है। अगला कदम रंगों को मिलाना है।
7. नीली LED से सफेद रोशनी कैसे बनाई जाती है?
सफेद LED लैंप दो तरीकों से बनाए जा सकते हैं:
- फॉस्फर विधि: नीली रोशनी फॉस्फर को उत्तेजित करती है, जिससे वह पीली रोशनी देता है (या अतिरिक्त फॉस्फर होने पर लाल और हरी रोशनी देता है)। बची हुई नीली रोशनी और फॉस्फर की रोशनी मिलकर सफेद दिखाई देती हैं।
- तीन-LED विधि: एक लैंप में लाल, हरी और नीली LED का उपयोग होता है। आँखों को ये तीनों रंग मिलकर सफेद दिखाई देते हैं।
दोनों तरीकों में नीली रोशनी की जरूरत होती है। इसके बिना कोई भी तरीका काम नहीं करता।
रंग को नियंत्रित किया जा सकता है, इसलिए LED लैंप कई तरह की रोशनी दे सकते हैं। वे लाखों रंग बना सकते हैं और प्राकृतिक रोशनी की लय के अनुसार बदल सकते हैं।
स्रोत: Nobel Prize Outreach, 2014 की लोकप्रिय जानकारी, बिंदु 7
स्रोत: Nobel Prize Outreach, 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, बिंदु 7
8. LED कम बिजली क्यों खर्च करती हैं और लंबे समय तक क्यों चलती हैं?
किसी बल्ब का मूल्यांकन उसकी प्रकाशीय दक्षतासे किया जाता है। इसका मतलब है कि वह हर वाट बिजली के बदले कितने ल्यूमेन रोशनी देता है।
नोबेल पुरस्कार की घोषणा में रिकॉर्ड बनाने वाली LED की तुलना पुराने लैंपों से की गई थी:
- LED का रिकॉर्ड: प्रति वाट 300 ल्यूमेन से थोड़ा अधिक।
- फ्लोरोसेंट लैंप: लगभग 70।
- साधारण बल्ब: 16।
LED कहीं अधिक समय तक भी चलती हैं। वे 100,000 घंटे तक चल सकती हैं। फ्लोरोसेंट लैंप लगभग 10,000 घंटे और तापदीप्त बल्ब लगभग 1,000 घंटे चलते हैं।
दुनिया की लगभग एक चौथाई बिजली रोशनी के लिए इस्तेमाल होती है। इसलिए कम बिजली खर्च करने वाली LED बहुत बिजली बचाती हैं। सफेद LED में पारा भी नहीं होता, जबकि फ्लोरोसेंट लैंपों में होता है।
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, बिंदु 8
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की सामान्य जानकारी, बिंदु 8
9. नीली LED से और क्या संभव हुआ?
नीली LED से कई अन्य उपयोग भी संभव हुए:
- नीला लेज़र: नीली रोशनी की तरंगदैर्ध्य छोटी होती है, इसलिए इसे कम जगह में केंद्रित किया जा सकता है। समान क्षेत्र में अवरक्त रोशनी की तुलना में चार गुना अधिक जानकारी संग्रहित की जा सकती है। इससे ब्लू-रे (Blu-ray) डिस्क बनाना संभव हुआ।
- स्क्रीन: LED टेलीविज़न, कंप्यूटर और फ़ोन की LCD स्क्रीन को रोशन करती हैं। इनका उपयोग कैमरे के फ़्लैश में भी होता है।
- पानी: नीली LED के बाद विकसित पराबैंगनी LED दूषित पानी को कीटाणुरहित कर सकती हैं।
- खेती: ग्रीनहाउस में LED की कृत्रिम रोशनी का उपयोग किया जा सकता है।
भारत और दुनिया के लिए नीली LED का क्या महत्त्व था?
सस्ती और कम बिजली में चलने वाली रोशनी का सबसे अधिक महत्त्व उन जगहों पर है जहाँ बिजली की कमी है या वह महँगी है।
10. बिजली से वंचित लोगों की मदद LED कैसे कर सकती हैं?
जब पुरस्कार की घोषणा हुई, तब 1.5 अरब से अधिक लोगों की बिजली ग्रिड तक पहुँच नहीं थी। LED को बहुत कम बिजली चाहिए। इसलिए स्थानीय स्तर पर पैदा की गई सस्ती सौर बिजली से इसे चलाया जा सकता है।
इसीलिए समिति ने जीवन की गुणवत्ता सुधारने की बात कही। उसने कहा कि यह आविष्कार केवल बीस साल पुराना था, लेकिन पहले ही सभी के काम आ रहा था।
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, बिंदु 10
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की सामान्य जानकारी, बिंदु 10
11. उजाला (UJALA) योजना क्या है?
UJALA का पूरा नाम Unnat Jyoti by Affordable LEDs for All है, जिसका अर्थ है सभी के लिए किफ़ायती LED से उन्नत ज्योति। इसे 5 जनवरी 2015 को शुरू किया गया था। इसकी शुरुआत घरेलू दक्ष प्रकाश कार्यक्रम (Domestic Efficient Lighting Programme) के रूप में हुई थी।
विद्युत मंत्रालय इसे इस संस्था के माध्यम से चलाता है: एनर्जी एफिशिएंसी सर्विसेज लिमिटेड (Energy Efficiency Services Limited, EESL), जो बिजली वितरण कंपनियों के साथ मिलकर काम करती है। मंत्रालय इसे बिना सब्सिडी वाला दुनिया का सबसे बड़ा घरेलू प्रकाश कार्यक्रम बताता है।
6 जनवरी 2025 तक, UJALA के तहत 36.87 करोड़ LED बल्ब वितरित किए जा चुके थे। मंत्रालय के अनुसार, इससे हर साल ₹19,153 करोड़ की बचत हुई।
LED की कीमतों में तेज़ गिरावट आई। 2014 में बाज़ार में एक LED बल्ब की कीमत लगभग ₹450 से ₹500 थी। UJALA के तहत यह ₹70 में बेचा गया।
स्रोत: विद्युत मंत्रालय (Ministry of Power), UJALA के 10 वर्ष (PIB, 2025), बिंदु 11
स्रोत: विद्युत मंत्रालय (Ministry of Power), UJALA की व्याख्या (PIB, 2022), बिंदु 11
12. एक LED बल्ब से घर में कितनी बचत होती है?
मंत्रालय समान रोशनी देने वाले तीन बल्बों की तुलना करता है। 7-वाट की LED, 14-वाट के CFL और 60-वाट के तापदीप्त बल्ब के बराबर रोशनी देती है।
इससे तापदीप्त बल्ब की तुलना में लगभग 90 प्रतिशत ऊर्जा बचती है। CFL की तुलना में 50 प्रतिशत ऊर्जा बचती है।
140 घंटे में तीनों बल्बों की खपत होती है:
- LED: 1 यूनिट बिजली।
- CFL: 2 यूनिट।
- तापदीप्त बल्ब: 9 यूनिट।
सालाना कुल खर्च LED के लिए ₹12, CFL के लिए ₹40 और तापदीप्त बल्ब के लिए ₹108 पड़ता है।
2022 की विज्ञप्ति के अनुसार, जून 2022 तक 36.86 करोड़ बल्बों से हर साल 47,876 मिलियन kWh बिजली की बचत हो रही थी।
UPSC ने इस विषय पर कैसे प्रश्न पूछा?
UPSC ने मुख्य परीक्षा में नीली LED पर वर्णनात्मक प्रश्न पूछा था।
13. मुख्य परीक्षा 2021 के प्रश्न में क्या पूछा गया था?
यह सिविल सेवा (मुख्य) परीक्षा 2021 के सामान्य अध्ययन प्रश्नपत्र III का Q16 था।
प्रश्न का मूल पाठ: 1990 के दशक में नीली LED के आविष्कार के लिए 2014 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार संयुक्त रूप से अकासाकी (Akasaki), अमानो (Amano) और नाकामुरा (Nakamura) को दिया गया था। इस आविष्कार ने मनुष्यों के दैनिक जीवन को किस प्रकार प्रभावित किया है? (उत्तर 250 शब्दों में दें)
यह मुख्य परीक्षा का प्रश्न है, इसलिए इसमें विकल्प और उत्तर कुंजी नहीं हैं। अपने उत्तर को इस आधार पर परखें कि उसमें प्रभावों को कितनी अच्छी तरह समझाया गया है।
स्रोत: UPSC, सिविल सेवा (मुख्य) परीक्षा 2021, मद 13
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की प्रेस विज्ञप्ति, मद 13
14. आप एक अच्छा उत्तर कैसे तैयार कर सकते हैं?
एक छोटी रूपरेखा अपनाएँ:
- शुरुआत: तीनों पुरस्कार विजेताओं के नाम और पुरस्कार दिए जाने का कारण लिखें। बताएँ कि नीले रंग ने लाल-हरे-नीले रंगों की तिकड़ी पूरी की।
- प्रकाश व्यवस्था: सफेद LED 100,000 घंटे तक चलती हैं और बहुत कम बिजली इस्तेमाल करती हैं। दुनिया की लगभग एक चौथाई बिजली प्रकाश व्यवस्था में खर्च होती है।
- उपकरण: LED स्क्रीन, कैमरे के फ्लैश और Blu-ray डिस्क में इस्तेमाल होने वाला नीला लेज़र।
- स्वास्थ्य और खेती: पराबैंगनी LED पानी को कीटाणुरहित कर सकती हैं। LED वाले ग्रीनहाउस खेती में मदद करते हैं।
- विकास: LED और सौर ऊर्जा उन 1.5 अरब लोगों तक पहुँच सकती हैं जिनके पास बिजली ग्रिड की सुविधा नहीं है।
- भारत: UJALA ने कम कीमत पर घरों तक LED बल्ब पहुँचाए।
अंत में लागत और पारा-मुक्त लैंपों पर एक पंक्ति लिखें।
स्रोत: नोबेल प्राइज़ आउटरीच (Nobel Prize Outreach), 2014 की जनसामान्य के लिए जानकारी, मद 14
स्रोत: विद्युत मंत्रालय, UJALA के 10 वर्ष (PIB, 2025), मद 14
15. परीक्षा से पहले क्या दोहराना चाहिए?
इस सूची का उपयोग करें:
- पुरस्कार: भौतिकी 2014, अकासाकी (Akasaki), अमानो (Amano) और नाकामुरा (Nakamura), ऊर्जा-कुशल नीली LED के लिए।
- पदार्थ: गैलियम नाइट्राइड, जिसमें p-type परत बनाना कठिन था।
- सफेद प्रकाश: नीली LED के साथ फॉस्फर, या लाल, हरी और नीली LED एक साथ।
- आँकड़े: LED का रिकॉर्ड 300 lm/W से थोड़ा अधिक; जीवनकाल 100,000 घंटे तक।
- अन्य उपयोग: नीला लेज़र (Blu-ray), स्क्रीन, पानी को कीटाणुरहित करना।
- भारत: UJALA, 5 जनवरी 2015 को शुरू की गई, EESL द्वारा संचालित।
सूची को पंक्ति-दर-पंक्ति दोहराएँ।
सोचने के लिए चार सवाल
सफेद रोशनी बनाने के लिए नीली LED की कमी क्यों थी?
सफेद रोशनी के लिए लाल, हरी और नीली रोशनी एक साथ चाहिए। लाल और हरी LEDs पहले से मौजूद थीं। नीली LED के बिना सफेद रोशनी वाला LED लैंप नहीं बनाया जा सकता था।
गैलियम नाइट्राइड (gallium nitride) का उपयोग इतना कठिन क्यों था?
कोई भी पर्याप्त उच्च गुणवत्ता वाले GaN क्रिस्टल नहीं उगा पा रहा था। p-टाइप परत बनाना और भी कठिन था। दोनों टीमों ने अलग-अलग तरीकों से इन समस्याओं को हल किया।
नीली रोशनी से डिस्क पर अधिक डेटा कैसे रखा जा सकता है?
नीली रोशनी की तरंगदैर्घ्य बहुत छोटी होती है। इससे इन्फ्रारेड रोशनी की तुलना में डेटा को बहुत कम जगह में लिखा जा सकता है। इसलिए उतनी ही जगह में चार गुना अधिक जानकारी रखी जा सकती है।
जिन लोगों तक बिजली ग्रिड नहीं पहुँचा है, LEDs उनकी मदद कैसे करती हैं?
एक छोटी LED बहुत कम बिजली लेती है। स्थानीय स्तर पर लगाए गए सस्ते सौर पैनल इसे चला सकते हैं। पुरस्कार की घोषणा के समय 1.5 अरब से अधिक लोगों तक बिजली ग्रिड की पहुँच नहीं थी।
अपनी समझ जाँचें
पेज दोबारा लोड होने पर यह स्कोर रीसेट हो जाता है।
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