الاستثمار في إنجازات جائزة نوبل – صمامات LED ذات الضوء الأزرق تُنير المستقبل

ثورة عادية

بعض جوائز نوبل في الفيزياء تُنسب إلى ثورة في الطريقة الأساسية التي نفهم بها الكون، من الثقوب السوداء (2020) إلى الجسيمات دون الذرية (2013) أو توسع الكون (2011). أما الأخرى فتكافئ اكتشافات تبدو أكثر “عادية” لكنها لا تزال تستحق الفوز بسبب الأثر الدائم والجذري الذي ستحققه على حضارة الإنسان.

جائزة نوبل لعام 2014، التي نُسبت إلى إيسامو أكاساكي، هيروشي أمانو، وشوجي ناكامورا لاكتشاف الصمامات الباعثة للضوء الأزرق، هي إحدى هذه الجوائز.

كانت صمامات LED القادرة على إصدار الضوء الأحمر والأصفر والأخضر معروفة منذ اختراع تقنية LED. ومع ذلك، لإنتاج الضوء الأبيض، تحتاج صمامات LED إلى إصدار الضوء الأزرق حيث يلزم، وقد كان ذلك صعبًا تحقيقه.

النوع الصحيح من الضوء

الطاقة الكمومية

ما يجعل الضوء الأزرق صعب الإنتاج باستخدام LED ينبع من الفيزياء الأساسية لصمامات LED.

تنتج الصمامات الضوئية الضوء بفضل مبادئ الفيزياء الكمومية. في نسخة مبسطة من الفيزياء الكمومية، تتكون الذرات من نواة، يدور حولها إلكترون أو عدة إلكترونات، مشابهًا لكيفية دوران الأرض حول الشمس.

بسبب قواعد الميكانيكا الكمومية، لا يمكن لهذه الإلكترونات أن “تدور” حول نواة الذرة إلا في مستويات محددة مسبقًا، كل مستوى يحدده طاقة معينة. عندما ينتقل إلكترون من مستوى طاقة عالي إلى مستوى منخفض، يتم إطلاق الفائض على شكل ضوء.

يميل الضوء منخفض الطاقة إلى أن يكون على “الجانب الأحمر” من طيف الضوء، بينما يميل الضوء عالي الطاقة إلى أن يكون على الجانب الأزرق من الطيف.

المصدر: Online Learning College

أساسيات الصمام الثنائي الباعث للضوء

هذه القدرة للذرات على إصدار الضوء، المستمدة من الفيزياء الأساسية، هي المبدأ الأساسي وراء صمامات LED. في التطبيق العملي، هناك بعض الخصائص الإضافية المطلوبة.

لإنشاء صمام LED، تحتاج أولاً إلى مواد شبه موصلة، وبالتالي لديها القدرة إما على السماح بمرور التيار الكهربائي أو حظره (ومن هنا جاءت صفة “شبه”).

يجب بعد ذلك دمج نوعين مختلفين من أشباه الموصلات:

• النوع القادر على فقدان الإلكترونات يُسمى أيضًا “n-type”.
• النوع الذي يحتوي على مساحة إضافية لاستقبال تلك الإلكترونات، يُسمى أيضًا “p-type”.

تحتوي تركيبات أشباه الموصلات المستخدمة في LED على “فجوة طاقة”، مع فرق كبير في الإمكانات الطاقية بين المادتين.

عندما تنتقل الإلكترونات من شبه موصل إلى آخر، يتحول الطاقة المنطلقة إلى الضوء الذي نريده من الصمام.

المصدر: BYJUS

كانت أنظمة LED المبكرة تتمتع بفروق طاقة صغيرة جدًا بين نوعي أشباه الموصلات، مما أدى إلى إصدار ضوء تحت الأحمر منخفض الطاقة. بسرعة، اكتشف العلماء والشركات الإلكترونية كيفية زيادة هذه الفجوة الطاقية بمقدار ما، مما أدى إلى صمامات LED الضوئية المرئية بالألوان الأحمر والأصفر والأخضر.

كان جزء أساسي من هذه التحسينات هو “إدخال” عناصر أخرى إلى المواد شبه الموصلة النقية سابقًا، مما عزز من أدائها.

المصدر: Wikipedia by VectorVoyager 

كان هذا الأسلوب غير كافٍ لعدة عقود لإنشاء فجوة طاقة عالية مطلوبة لتصنيع صمامات LED التي تُصدر الضوء الأزرق.

الطريق الصعب إلى صمامات LED الزرقاء

نترات الغاليوم – مادة معجزة صعبة

كانت فجوة الطاقة للمواد المستخدمة في صمامات LED ذات الطاقة المنخفضة، مثل غاليوم أرسينيد (1,42 eV) وغاليوم فوسفات (2,26 eV)، المستخدمة في الصمامات الحمراء والخضراء، أقل من 2,6 إلى 3,4 eV المطلوبة للضوء الأزرق.

تم العثور على بديل باستخدام نترات الغاليوم (3,37 eV). يبدو أن استخدام نترات الغاليوم لإنشاء ضوء LED أزرق فكرة جيدة، لكن تنفيذها عمليًا كان يبدو غير عملي.

المصدر: Britannica

كانت العقبة الأولى هي عدم وجود طريقة لإعداد سطح يمكن نمو بلورات نترات الغاليوم عليه. بالإضافة إلى ذلك، لم يكن أحد يعرف كيفية صنع طبقة p-type من نترات الغاليوم. حاول الكثيرون وفشلوا في تحويل نترات الغاليوم إلى نظام LED فعال للضوء الأزرق. هنا دخل الفائزون الثلاثة بجائزة نوبل لعام 2014 إلى الساحة.

حل LED الأزرق من زوايا متعددة

في عام 1986، كان إيسامو أساكي وهيروشي أمانو أول من اكتشف كيفية نمو بلورات نترات الغاليوم على طبقة من نترات الألومنيوم على ركيزة من الياقوت.

قاموا بإنشاء طبقة p بعد بضع سنوات، وأخيرًا أنشأوا النموذج الأولي الأول للضوء الأزرق الساطع للـ LED في عام 1992.

بالتوازي، بدأ شوجي ناكامورا في تطوير LED الأزرق في عام 1988. وجد طريقته الخاصة لنمو بلورة نترات الغاليوم، حيث بدأ بنمو طبقة رقيقة من نترات الغاليوم في درجة حرارة منخفضة ثم نمو الطبقات اللاحقة في درجة حرارة أعلى.

فهم حقيقي لنترات الغاليوم

تم تحسين طبقة p الخاصة بأساكي وأمانو عن طريق تعريض نترات الغاليوم لشعاع إلكتروني من مجهر إلكتروني مسح.

كان لدى ناكامورا الإطار النظري لتفسير كيفية عمل المجهر الإلكتروني: كان يزيل ذرات الهيدروجين، مما يمنع تكوين طبقة p. ثم ابتكر طريقة أبسط وأرخص لتحقيق النتيجة نفسها: تسخين المادة بشكل مُتحكم.

استمر كلا مجموعتي البحث المتوازيتين في تطوير تصاميم أكثر تقدمًا وتعقيدًا للـ LED الأزرق، حيث أنشأوا سبائك مختلفة من نترات الغاليوم مع الألمنيوم أو الإنديوم، مما أدى إلى تطعيم أشباه الموصلات لزيادة إنتاج الضوء وكفاءته.

المصدر: Nobel Prize

كما اخترعوا أيضًا ليزرًا أزرق باستخدام LED الأزرق. نظرًا لأن تردد الضوء الأزرق أصغر بكثير من الألوان الأخرى، يمكنه احتواء معلومات أكبر بأربع مرات مقارنة بالضوء تحت الأحمر، مما مهد الطريق لأقراص Blu-ray.

إنجازات ضوء LED الأزرق

مزيد من الضوء باستخدام طاقة أقل

سمحت صمامات LED الزرقاء بإنشاء ضوء أبيض، مما جعل استبدال معظم المصابيح التقليدية ومصابيح الفلورسنت بـ LED ممكنًا. وهذا ملحوظ بشكل خاص، حيث إن LED أكثر كفاءة بـ 20 مرة مقارنة بالمصابيح العادية و4 مرات مقارنة بالمصابيح المتوهجة.

المصدر: Nobel Prize

نظرًا لأن ربع ^الربع استهلاك الكهرباء يُستخدم لإنتاج الضوء، فإن ذلك يمثل توفيرًا جذريًا في استهلاك الطاقة العالمي.

كما يجعل أنظمة الإضاءة غير المتصلة بالشبكة أكثر قابلية للتطبيق، حيث يمكن للألواح الشمسية الصغيرة أو مصادر الطاقة البديلة الأخرى الآن تشغيل الإضاءة في المناطق النائية أو الفقيرة. وهذا بدوره يتيح زيادة الإنتاجية وتحسين التعليم.

ألوان مخصصة

بالإضافة إلى LED الأبيض، يتيح الجمع بين LED الأحمر والأخضر والأزرق إنشاء جميع الألوان الممكنة للطيف المرئي. وهذا يفتح الطريق لمجموعة متنوعة من صمامات LED المتخصصة لتطبيقات متخصصة.

كان أحد التطبيقات الرئيسية للـ LED الأزرق والألوان المخصصة حسب الطلب هو شاشات LED للتلفزيونات وأجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية، حيث إن تقلبات نسبة الأحمر/الأخضر/الأزرق هي المسؤولة عن عرض اللون الصحيح بيكسل ببيكسل.

أو، على سبيل المثال، لا تستخدم النباتات الضوء الأخضر في عملية التمثيل الضوئي. لذا يمكن لأضواء LED للزراعة الداخلية أن تستخدم فقط LED الأحمر والأزرق، مما يحسن بشكل كبير استهلاك الطاقة في زراعة الصوب ويجعل الثورة في الزراعة المائية والزراعة الحضرية ممكنة. وربما يومًا ما حتى زراعة الطعام في الفضاء أو على المريخ.

المصدر: Agritecture

صمامات LED فوق البنفسجية

بعد التطوير الأولي للـ LED الضوئي الأزرق، أدت التحسينات الإضافية إلى إمكانية نظام أقوى ينتج ضوءًا فوق بنفسجيًا.

يمكن استخدام هذه الـ UV-C LEDs لتنقية المياه على أي نطاق، من معدات التخييم إلى مرافق تخدم عشرات الملايين من الأشخاص في المدن الكبيرة. ويمكن أيضًا استخدامها لقتل الميكروبات المحمولة جواً وتعقيم الأسطح، على سبيل المثال في المستشفيات.

بلو-راي والليزر الأزرق

كما ذُكر سابقًا، لم تكن أقراص Blu-ray وغيرها من حلول تخزين البيانات عالية الكثافة التي تعتمد على الليزر الأزرق ممكنة بدون صمامات LED الزرقاء. إن الكثافة العالية للبيانات مفيدة أيضًا للاتصالات البصرية، خاصة عندما تكون النطاق الترددي العالي مطلوبًا.

الليزر الأزرق هو أيضًا “مصدر الضوء المثالي لمعالجة المعادن ذات الانعكاس العالي، حيث يقدم مزايا كبيرة في تطبيقات صناعية مختلفة مثل القطع واللحام”.

الليزر الأزرق يُستخدم الآن أيضًا في جراحة الحنجرة

نترات الغاليوم ما بعد صمامات LED

أنشأت أضواء LED الزرقاء صناعة كاملة تنتج على نطاق واسع وتدرس بلورات نترات الغاليوم. وهذا قد يخلق ثورة في تصميم الإلكترونيات، حيث يُطلق على نترات الغاليوم لقب “الخطوة الكبيرة التالية في الإلكترونيات القوية”.

يمكن لنترات الغاليوم العمل في درجات حرارة أعلى بكثير وجهد أعلى من الترانزستورات ذات التأثير الميداني القائمة على السيليكون (FETs). وبالتالي، يمكن استخدام التقنية القائمة على نترات الغاليوم في محطات قاعدة الجيل الخامس (5G)، والترانزستورات، والأجهزة الإلكترونية الصغيرة، وحتى الذكاء الاصطناعي، حيث تتطلب تطبيقات الحوسبة استهلاك طاقة متزايد.

كل هذه التطبيقات لن تكون ممكنة بدون اقتصاديات الحجم في الإنتاج وثروة المعرفة التي أنشأتها صناعة LED الزرقاء في المقام الأول.

شركات LED الزرقاء

شركات مرتبطة بناكامورا

طور ناكامورا ضوء LED الأزرق أثناء عمله في شركة Nichia. بعد تغيير القيادة في عام 1989، أمرت الشركة ناكامورا بالتوقف عن العمل على المشروع، لكنه لحسن حظه لم يفعل ذلك. كان هذا خبرًا جيدًا للشركة أيضًا، حيث تضاعفت إيراداتها أربع مرات بين عامي 1993 و2001، مع 60٪ من إجمالي الأعمال تأتي من أضواء LED الزرقاء.

غادر ناكامورا شركة Nichia في عام 1999، ولاحقًا شارك في سلسلة معقدة من الدعاوى القضائية حول ملكية التقنية، تشمل ناكامورا وNichia والمنافس الأمريكي Cree. في النهاية، توصل ناكامورا إلى تسوية بمبلغ 840 مليون ين (≈8.1 مليون دولار أمريكي) مع Nichia.

انتقل ناكامورا لتأسيس شركة Soraa في عام 2008، وهي شركة خاصة تبيع صمامات LED الزرقاء، والتي تم الاستحواذ عليها مؤخرًا من قبل Ecosense في عام 2020.

في عام 2022، شارك ناكامورا في تأسيس Blue Laser Fusion، وهي شركة للاندماج النووي التجاري. تهدف إلى استخدام ليزر نبضي بقدرة ميجا جول مع معدل تكرار سريع لتحقيق الاندماج التجاري. تخطط الشركة لإكمال النموذج الأولي الأول في عام 2025 وعرض مفاعل اندماج جاهز تجاريًا بحلول عام 2030.

تحظى Blue Laser Fusion بدعم صندوق Mirai Creation Fund، الذي يدعمه بدوره شركة Toyota Motor (TM ) ومستثمرون آخرون.

مع وجود شركات Soraa/Ecosense وNichia (لتجنب الخلط مع Nichias – NICFF) كشركات خاصة مدرجة، يجب على المستثمرين النظر إلى مصنعي أضواء LED الزرقاء الآخرين للاستثمار في تلك التقنية التي أصبحت أساس الابتكار الحديث في الإلكترونيات والاتصالات والطب والتصنيع وحتى الزراعة.

1. SMART Global Holdings

كانت Cree شركة أمريكية كانت من أوائل من قاموا بتسويق أضواء LED الزرقاء على نطاق واسع وكانت منافسًا رئيسيًا لشركة Nichia المرتبطة بناكامورا. كما كانت وراء أول رقاقة سيليكون كربيد تجارية.

فيما بعد أعادت تسمية نفسها إلى ‘Wolfspeed’، وباعت أعمال LED الخاصة بها إلى SMART Global Holdings في عام 2021.

المصدر: SGH

تدير SGH أربع علامات تجارية مختلفة:

• Cree LED
• Penguin Solutions ، حل بنية تحتية للذكاء الاصطناعي.
• Stratus، منصة حوسبة فائقة الاعتمادية.
• SMART Modular Technologies، رائدة في تقنية DRMA وتخزين البيانات الصلبة.

يمثل Cree LED حوالي 1/5^من من إجمالي الإيرادات، وتشكل حلول المنصات الذكية نصف إجمالي الإيرادات.

لذا، ليست SGH شركة تركز فقط على LED. ومع ذلك، يمتلك Cree LED حقوق ملكية فكرية مهمة (وخاصة علامة XLamp)، وله سمعة في التميز التكنولوجي في المجال وحضور في جميع أسواق LED الزرقاء.

2. Osram (OSAGF)

تُعد Osram شركة عالمية رائدة في مجال المستشعرات وحلول الإضاءة المبتكرة. تمثل قطاعات أشباه الموصلات، بما في ذلك LED والليزر والدوائر المتكاملة والمستشعرات، 2/3 من إيرادات الشركة.

وتحتل المرتبة الأولى في العديد من الفئات:

• أضواء LED والليزر للسيارات.
• أضواء السيارات التقليدية.
• LED للزراعة المائية.
• التصوير الطبي CT.

المصدر: OSRAM

بشكل عام، تحتل OSRAM المرتبة الثانية في سوق LED بحصة سوقية تبلغ 13٪، خلف Nichia (15٪)، لكنها تتفوق بشكل كبير على باقي المنافسين مثل #3 و #4 Seoul Semiconductors (7٪) و Samsung LED (7٪) و MLS (6٪).

تُعد OSRAM أيضًا الرائدة في مستشعرات الضوء، بحصة سوقية تبلغ 29.2٪، متقدمةً قليلًا على STMicroelectronics (28.5٪).

تأتي معظم إيرادات الشركة من منطقة آسيا والمحيط الهادئ، مع تقاسم الإيرادات الحديثة تقريبًا بالتساوي بين أوروبا والشرق الأوسط وإفريقيا (EMEA) والأمريكتين.

من المتوقع أن يستمر سوق LED في النمو بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 6.8٪ حتى عام 2028 على الأقل. ويرجع ذلك أساسًا إلى أسواق LED للسيارات والإضاءة العامة.

المصدر: OSRAM

مع ريادة OSRAM في سوق السيارات، سواء المصابيح التقليدية أو LED، وكذلك الزراعة المائية، من المؤكد تقريبًا أن تشهد الشركة نموًا مستمرًا في إجمالي السوق القابل للاستهداف خلال السنوات القليلة المقبلة.