Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu

V Japonsku je komunismus, řekl nositel Nobelovy ceny a zamířil do USA

aktualizováno 
Letošní nositel Nobelovy ceny za fyziku Shuji Nakamura za sebou má zajímavé peripetie. Po letech práce ve spartánských podmínkách slavil fenomenální úspěch, po kterém následoval široce medializovaný „útěk“ za americkým snem.

Nakamura po zisku Nobelovy ceny na tiskové konferenci své firmy Soraa, kterou spoluzaložil v USA. | foto: Reuters

Když v roce 1999 rodina Nakamurových nastupovala do letadla směr USA, jejich odlet byl předmětem zájmu, který by slušel hlavě státu. Kromě rodiny a známých se s nimi z letištní haly loučilo i pět televizních štábů, na letišti v USA na ně čekal další japonský novinář. Tak země, ve které jsou vědci a inženýři hrdinové, v roce 1999 prožívala odchod jednoho z těch nejznámějších do výnosnějšího exilu.

Nakamurův odchod zahrál na citlivou strunu. Byl dobře viditelným projevem trendu, který v té době výrazně zesílil: úspěšným mladým vědcům a inženýrům se nezdál japonský systém, který předtím zemi dovedl na světovou technologickou špičku. Chtěli víc.

Sám a sám

Nakamurova nespokojenost začala na konci 70. let. Vystudoval elektrotechnickou fakultu na malé japonské univerzitě v Tokušimě na Šikoku, nejmenším z velkých ostrovů japonského souostroví. Škola to nebyla nijak slavná či prestižní, ale Nakamura se i tak chtěl přestěhovat do jednoho z velkých japonských průmyslových center a najít si místo ve velké korporaci. Jeden z jeho profesorů mu myšlenku rozmluvil: Nakamura by se stal podle něj „dělníkem vědy“ s malou nadějí na kariérní postup a platem, který by v drahých japonských konglomeracích nestačil ani na hypotéku na větší byt či rodinný dům. (Bylo to pro Nakamuru minimálně druhé zklamání v kariérní oblasti: původně chtěl být vědcem, ne inženýrem, ale neměl dost dobré známky.)

Nakamurova žena v té době byla těhotná, a tak mladý vědec volil vrabce v hrsti. Zůstal na Šikoku a sehnal si práci ve firmě Nichia. To byla malá chemická společnost se zhruba 200 zaměstnanci a obratem v přepočtu kolem půl miliardy korun, která se specializovala především na dodávky fosforových materiálů pro televizní obrazovky. Firma se pokoušela proniknout na další trhy, konkrétně s dodávkou materiálů pro LED diody, a tak sháněla někoho se specializací na elektroniku. (V té době už se vyráběly červené a zelené diody, které jsou známé od 60. let. Chyběla jen modrá.)

Nakamura dostal tedy na starosti vývoj nových produktů právě pro elektroniku. Bylo to dosti samotářské zaměstnání. Když odešel jeho kolega, celé oddělení výzkumu a vývoje se skládalo ze tří lidí, včetně Nakamurova nadřízeného. A jediný Nakamura měl elektrotechnické vysokoškolské vzdělání. Mladý inženýr dostal za úkol vývoj fosforových polovodičů pro červené a zelené LED (šlo o fosfid galia čili GaP).

Nobelova cena za fyziku 2014 byla udělena za objev modrých LED diod.

Nobelova cena za fyziku 2014 byla udělena za objev modrých LED diod.

Firma neměla peníze na rozdávání, a tak si Nakamura vybavení pro výrobu polovodičů nemohl koupit, musel si ho sám vyrobit. Není to úplně triviální: fosforové polovodiče se vyrábějí ve vakuových komorách z materiálu ohřívaného na cca 1 500°C v přesně řízených procesech. Nakamura si tak užil své: v jeho laboratořích prý v té době několikrát za měsíc docházelo k výbuchům, když se fosfor ve vzorcích po prasknutí materiálu dostal do styku s kyslíkem a začal hořet. „Když se to stalo poprvé, přiběhli kolegové a ptali se: „Co se stalo? Nakamuro, žiješ?“ vzpomínal Nakamura pro časopis Scientific American. „Když se to opakovalo po páté nebo po šesté, už se tím nevzrušovali.“

Chyť zbytek světa, když to dokážeš

Výsledky „vývojové divize“ Nichia i přes Nakamurovu snahu nebyly světoborné. Jeho práce stačila na to, aby firma za tři roky měla stejně dobrý produkt jako konkurence. Ale nebyla lepší - Nichia neměla proti konkurentům žádnou technologickou výhodu. Objem prodejů z fosforových polovodičů pro LED byl dlouhodobě neuspokojivý a Nakamura nebyl ve firmě dvakrát oblíbený, jak sám zpětně tvrdil.

V roce 1983 mělo obchodní oddělení nápad, že by se produktová řada mohla dále rozšířit, a Nakamura dostal za úkol připravit pro výrobu další materiály pro výrobu LED, ovšem místo sloučenin na bázi fosforu šlo o polovodiče s galiem a arsenem. Znovu začínal prakticky od nuly, tentokrát byla situace obtížnější o to, že z pece se při nehodách uvolňovaly jedovaté arsenové sloučeniny. Nakamura po sobě musel uklízet v hermetickém obleku a s dýchacím přístrojem. Výsledek přitom byl stejný jako předtím: Nichia dotáhla konkurenci, ale náskok nezískala. Trhu vládly větší firmy.  

O další dva roky později, roku 1985, se společnost rozhodla vstoupit přímo na trh s diodami jako takovými. Nakamura se znovu mohl učit, tentokrát metody výroby polovodičových součástek z roztavených materiálů na pevnou podložku (tzv. epitaxii z kapalné fáze), ne jen na výrobu samotných materiálů. Vzhledem k velikosti vývojového oddělení Nichie Nakamura v podstatě musel připravit vše od vývoje materiálů, přípravu technologie až třeba po postup výrobní kontroly. V roce 1988 měla téměř výlučně díky němu firma k dispozici červené a infračervené LEDky na světové úrovni - stejně jako více než desítka dalších společností.

Nakamura se v té době prý rozhodl, že strategie firmy je vadná. Malá společnost jako Nichia se měla soustředit výhradně na výrobky, ve kterých byla malá či žádná konkurence. A navrhl, že se pokusí vyrobit diodu, která na trhu nebyla - modrou. Jeho šéf zásadně nesouhlasil; modrá dioda by byla sice nepochybně terno, ale zároveň velké riziko.

Nakamura v laserové laboratoři Kalifornské univerzity po zisku Nobelovy ceny

Nakamura v laserové laboratoři Kalifornské univerzity po zisku Nobelovy ceny

Modré světlo se snažily velké společnosti i slavné univerzity vyrobit prakticky už od objevu červených LED v roce 1962. Ukázalo se ovšem, že to je obtížnější úkol, než všichni čekali. Sloučeniny, které se používaly k výrobě červených diod, se nepodařilo upravit tak, aby fungovaly i na „horním“ konci spektra, tedy v oblasti modrého světla.

Bouchnutí do stolu

I když se Nakamurův nápad šéfovi vůbec nezdál, výzkumník se nehodlal vzdát. „Byl jsem naštvaný. Chtěl jsem z Nichie odejít. Všechno mi bylo jedno,“ řekl pro Scientific American. Obešel svého nadřízeného, nakráčel do kanceláře generálního ředitele firmy Nobua Ogawy a přednesl mu své požadavky: chtěl na výzkum modré diody tři miliony dolarů a roční pracovní pobyt v USA, na floridské univerzitě, kde se chtěl naučit více o výrobě méně používaných polovodičů.

A Ogawa se vším souhlasil. (Zřejmě proto, že sám byl v mladších letech průmyslovým vývojářem a věděl, kolik práce je s vývojem nového produktu.) Nakamura zamířil už o několik týdnů později na Floridu, kde ho ovšem čekalo nemilé překvapení. Měl se na univerzitě naučit pracovat s metodou zvanou MOCVD, což je v podstatě „pec“ na tvorbu polovodičů z plynů. Bohužel profesor, který ho na Floridu přilákal, o své MOCVD stroje přišel - jeden z jeho univerzitních rivalů mu je „vyfoukl“. V laboratoři, kde měl Nakamura pracovat, zůstaly jen součástky pro výrobu další MOCVD linky, ale někdo ji musel sestavit. A tím někým se ukázal být Nakamura.

Japonský odborník neměl doktorát ani publikace v odborných časopisech, a tak byl na Floridě považován spíše za technika než za výzkumníka. Sestavení MOCVD linky mu zabralo 10 měsíců (při sedmidenním pracovním týdnu), a získal při něm několik cenných zkušeností. Za prvé poznal systém do posledního šroubku, a za druhé si uvědomil, že bez publikací ve vědeckých časopisech není v západním vědeckém světě nic.

V březnu 1989 se Nakamura vrátil do Japonska a začal pracovat přímo na diodě. Na začátku práce si musel vybrat, se kterým materiál bude pracovat. Favority měl v té době tři: selenid zinečnatý, karbid křemíku a nitrid gallitý (GaN). Výzkum na většině pracovišť se v té době soustředil na první zmíněnou sloučeninu, tedy selenid zinečnatý. Právě s ním pracovaly všechny velké výzkumné týmy i firmy, které se v té době ještě o modrou diodu snažily. Výsledky selenidových diod nebyly také slavné (měly obecně životnost řádově minuty).

Karbid křemíku (SiC) byl dlouho známý materiál, jehož elektroluminiscenční vlastnosti byly známé už od roku 1907. V 80. letech se z něj podařilo vyrobit slabé modré diody, ale jejich vlastnosti byly neuspokojivé. Jistého úspěchu s nimi dosáhla firma Cree, která představila svou verzi v roce 1989. Ale její diody byly podstatně slabší a méně účinné, a tak firma tuto technologii časem opustila.

GaN byla první látka, ze které se inženýři pokusili modrou diodu vyrobit, ale v době, kdy se Nakamura pouštěl do modrých diod, s ní téměř nikdo nepracoval. Z GaN se totiž nedařilo vyrobit jednu ze dvou nezbytných vrstev pro diodu (konkrétně p-typ), navíc se objevovalo velké množství vad a látka byla tedy považována za slepou uličku. Podařilo se z ní vyrobit nějaké zkušební diody, ale měly zanedbatelnou účinnost. 

Výjimkou bylo od konce 70. let pracoviště Nakamurových spolulaureátů Isamy Akasakiho a Hiroshiho Amana, kteří se (stejně tvrdohlavě jako Nakamura) věnovali GaN i přes nepřízeň grantových agentur a šéfů. Na výzkum používali peníze určené na jiné projekty, a postupně se jim v 80. letech podařilo představit velmi zajímavé výsledky, které ukázaly způsob, jak překonat problémy tohoto materiálu (růst krystalů bez vad atp.). Nakamura dnes své japonské kolegy označuje za „přátelskou konkurenci“, ale fakt je, že firma Toyoda Gosei, se kterou oba vědci spolupracovali, Nichii po představení modrých LED diod začala poměrně rychle šlapat na paty.

Když si Nakamura vybíral, rozhodující pro něj byly kromě Akasakiho a Amanových publikací i tvrdé lekce z předchozích let. Nechtěl přímo konkurovat gigantům v oboru, a tak se pustil do práce s GaN, který se zdál opomíjeným, ale ne beznadějným materiálem.

Záběr do místnosti na výrobu polovodičů pro LED osvětlení ve firmě Soraa v...

Záběr do místnosti na výrobu polovodičů pro LED osvětlení ve firmě Soraa v americkém Fermontu

Nové vedení

Výzkumník se také musel pustit do nového kola boje s vedením firmy. Tu přebral Ogawův  zeť, který v modré LEDce viděl jen mrhání prostředky. Zmiňované tři miliony dolarů, které Nakamura požadoval, představovaly necelá dvě procent ročního obratu firmy, takže to byl drahý a přitom velmi riskantní projekt.

Nakamuru ovšem tvrdohlavost nepřešla: opakovaně ignoroval rozhodnutí managementu, aby svou práci zastavil. Také přímo porušoval firemní předpisy a své výsledky publikoval ve vědeckých časopisech. Dělal to prý v naději, že vztek jeho šéfy přejde, když zjistí, že má výsledky a zároveň patentované. V každém případě se díky publikacím japonský výzkumník dočkal i uznání kolegů u branže, které mu tak chybělo během pobytu na Floridě.

Konečně se mu také podařilo zúročit všechny zkušenosti, které během let nabral. Vytvořil nové zařízení pro výrobu polovodičů, který se dnes používá prakticky po celém světě. Polovodiče se v něm vytvářejí jinak běžnou metodou kondenzací plynů na pevné podložce (je to tedy již zmiňovaná metoda MOCVD), ale Nakamura ji upravil tak, že přidal druhý proud plynu. Obvykle se používalo jen proudění rovnoměrné s podložkou, Nakamura přidal ještě proud plynu kolmý na podložku. Ve výsledku to při správném nastavení výrazně snižuje množství vad v materiálu, což byl předtím velký problém při výrobě krystalů z GaN. (Jeho metoda byla levnější než metoda vyvinutá téměř ve stejné době zbylými dvěma nobelisty z letošního roku, Isamy Akasakiho a Hiroshiho Amana, a tak ve výsledku zvítězila.)

V roce 1991 získal japonský výzkumník poprvé v laboratoři materiál, který měl lepší vlastnosti (mobilitu elektronů) než jakýkoliv jiný materiál, o kterém kdy četl nebo viděl: „To byl nejúžasnější den v mé životě,“ vzpomínal později. „Nikdy předtím jsem nebyl nejlepší na světě. A v tu chvíli jsem se jím stal.“

V roce 1992 v Nichii vyřešili všechny technologické i výrobní problémy a měli k dispozici prototyp modré diody, který byl zhruba 100krát jasnější než jakákoliv jiná dostupná dioda. (Klíčové bylo vytvoření složitější struktury, kdy mezi dva typy GaN (p- a n-typ) byla vložena ještě vrstvička stejného materiálu s příměsí india.) Nichia držela výsledek rok v tajnosti, aby připravila výrobu a modrou diodu k dokonalému překvapení konkurence představila v listopadu 1993.

Vývoj ve firmě také pokračoval kupředu velmi rychle a konkurence dlouho stíhala jen těžce. Během dalších několika let firma Nichia dokázala několikanásobně zvýšit účinnost svých diod, představila první LEDku s bílým světlem (využívala tenký proužek fosforové sloučeniny, tzv. luminofor, aby část modrého světla měnila na jiné složky, a tak vytvářela téměř celé spektrum). Dostupnými se staly i levné modré lasery, které díky kratší vlnové délce umožnily vytvořit disky s vyšší datovou kapacitou (např. Blu-Ray). Nakamura první prototyp tohoto laseru připravený pro výrobu představil v roce 1996 na konferenci v Berlíně, když ho použil jako ukazovátko během své prezentace.

Tučná léta

Nichia rostla. Během roku 1994 firma vyráběla milion diod měsíčně, v roce 1999 to bylo 30 milionů měsíčně. Počet zaměstnanců se za stejnou dobu více než zdvojnásobil a obrat se proti době, kdy Nakamura nastupoval, zhruba zdvacetinásobil. Z velké části to bylo právě díky LEDkám. 

Hlavní strůjcem úspěchu firmy byl tedy Nakamura, ale ten vůbec nebyl spokojený. Půtky s firmou pokračovaly: společnost například Nakamuru chtěla jmenovat šéfem - a také jediným výzkumníkem - nově založeného Centra pro výzkum nitridů. Které ale nemělo mít na starosti další výzkum LED osvětlení, ale hledat nové využití pro GaN (třeba pro tranzistory). V podstatě ho tak firma chtěla od dalšího vývoje odstavit.

Snímek zachycuje letovou dráhu naváděné munice během noční zkoušky. Na střele...

Jedno nečekané použití LEDky. Snímek zachycuje letovou dráhu naváděné puškové munice. Aby bylo vidět její dráhu, na střele byla připevněna malá dioda.

Značnou roli hrály i finance. Nakamura za vytvoření modré diody získal finanční prémii v tradiční výši odpovídající zhruba 180 dolarům (necelé čtyři tisíce korun). Tvrdí, že v průměru při práci v Nichia vydělával méně než jeho žena, která učila v mateřské školce. Nichia ovládala v té době 40 procent trhu s LEDkami - trhu, který měl celkový objem cca 300 milionů dolarů (tj. šest miliard korun) a rostl zhruba o 40 až 50 procent ročně. (V roce 2013 celkový trh s LED technologií dosáhl výše cca 25 mld. dolarů, tedy 500 miliard korun.)

Nakamurovi došla trpělivost s japonským systémem výzkumu, který označil za komunistický, a rozhodl se z Nichie odejít. Jak se zpráva rozšířila, dostal nabídku od více než desítky předních světových univerzit a několika technologických společností. Nakamura chtěl přijmout jednu z komerčních nabídek na 500 tisíc dolarů ročního příjmu a 10 milionů dolarů v opcích na akcie, která mu přišla „neuvěřitelná“, ale ani to nevyšlo.

Mohl si za to tak trochu sám. Jak mu vysvětlil zkušenější kolega z akademické sféry, zaměstnáním by se vystavoval nebezpečí žalob. Nakamurových 190 patentů, které nechal pečlivý výzkumník vystavit během působení v Nichia, pokrývalo značnou část dalších možných využití GaN v diodách a dalších aplikacích. Nichia by ho nejspíše okamžitě zažalovala, jakmile by vytvořil nebo publikoval cokoliv, co by jen vzdáleně souviselo s technologií, kterou pro firmu vyvinul. Nakamura si tak nakonec vybral Kalifornskou univerzitu.

Za americkým snem

Se svým dlouholetým zaměstnavatelem se vůbec nerozešel v dobrém. Nedostal žádné odstupné, protože odmítl podepsat konkurenční doložku. A v roce 2001 Nakamrua zažaloval svého bývalého zaměstnavatele o adekvátní náhradu, kterou vyčíslil na 180 milionů dolarů za vývoj nové technologie pro výrobu polovodičů z plynné fáze, kterou jsme zmiňovali. Podle japonského práva jsou totiž patenty majetkem jednotlivce, který je ale může převést na svého zaměstnavatele za „odpovídající odměnu“. Nakamura v žalobě tvrdil, že se žádné odměny nedočkal, pracoval bez podpory zaměstnavatele a s minimálním rozpočtem, takže mu lidé v jeho okolí říkali výzkumný otrok.

LEDky od Nakamurovy firmy Soraa

LEDky od Nakamurovy firmy Soraa

V lednu 2004 soud první instance vydal rozsudek, který Nakamurův výklad podpořil a nařizoval Nichii vyplatit částku odpovídající zhruba 180 milionům dolarů v tehdejší měně. Soudu to přišlo odpovídající, protože firma od roku na LED mohla do vypršení patentů vydělat podle odhadů cca 1,3 mld. dolarů. Společnost se odvolala a nadřízený soud souhlasil s tím, že odměny „mají být pro zaměstnance motivační, ale neměly by firmy znevýhodnit v boji s mezinárodní konkurenci“. (I vyšší soud jinými slovy souhlasil s Nakamurou, ale zároveň řekl, že by společnost mohla zbankrotovat, tak výzkumník peníze nedostane.)

V roce 2005 se obě strany dohodly na odměně ve výši 7,6 milionu dolarů v tehdejší měně. Sledovaný spor tedy nedopadl úplně podle Nakamurových představ, ale spolu s několika dalšími podobnými žalobami vědců a inženýrů přispěl ke změně podmínek odměňování v japonských společnostech, které dnes nabízejí výraznější bonusy či podíly na zisku z klíčových produktů nebo patentů.

Na Kalifornské univerzitě pracoval na dalším vylepšení technologie GaN, a když se mu podařilo vyvinout nový postup, který nebyl pokryt patenty z éry Nichia, v roce 2007 spolu se dvěma dalšími profesory založil firmu Soraa, která vyrábí velmi účinná LED světla pomocí patentované metody výroby GaN. „Komunistická léta“ tedy nechal Nakamura daleko za sebou a dnes tvrdě pracuje na svém americkém snu.

Aktualizace: Do článku jsme doplnili podrobnější popis práce dvou zbylých nositelů letošní Nobelovy ceny za fyziku, tedy Isamy Akasakiho a Hiroshiho Amana.







Hlavní zprávy

Cuketovo čokoládový chlebíček
Cuketovo čokoládový chlebíček

Potěšte rodinu rychlou dobrotou.

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2016 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je součástí koncernu AGROFERT ovládaného Ing. Andrejem Babišem.