Επενδύοντας στις ανακαλύψεις που τιμήθηκαν με Νόμπελ — Τα μπλε LED φωτίζουν το μέλλον

Μια Καθημερινή Επανάσταση

Ορισμένα Νόμπελ Φυσικής αναγνωρίζουν ανακαλύψεις που αλλάζουν την κατανόησή μας για το Σύμπαν, όπως οι μαύρες τρύπες, τα υποατομικά σωματίδια και η κοσμική διαστολή. Άλλα τιμούν τεχνολογίες με βαθιά επίδραση στην καθημερινή ζωή.

Σε αυτή τη δεύτερη κατηγορία ανήκει το Νόμπελ του 2014, που απονεμήθηκε στους Isamu Akasaki, Hiroshi Amano και Shuji Nakamura για την εφεύρεση αποδοτικών διόδων εκπομπής μπλε φωτός.

Κόκκινες και πράσινες λυχνίες LED υπήρχαν ήδη. Η δημιουργία αποδοτικών μπλε LED αποδείχθηκε δυσκολότερη, αλλά άνοιξε τον δρόμο για πρακτικές πηγές λευκού φωτός, είτε με συνδυασμό χρωμάτων είτε με διέγερση φωσφόρου.

Ο Σωστός Τύπος Φωτός

Κβαντική Ενέργεια

Η δυσκολία παραγωγής μπλε φωτός συνδέεται με τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των υλικών του LED.

Τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλαμβάνουν συγκεκριμένες ενεργειακές καταστάσεις. Η εικόνα τους ως πλανητών που περιφέρονται γύρω από έναν πυρήνα είναι μόνο μια απλοποίηση και δεν περιγράφει κυριολεκτικά την κβαντική συμπεριφορά τους.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, η διαφορά ενέργειας μπορεί να εκπέμπεται ως φωτόνιο.

Τα φωτόνια του κόκκινου φωτός έχουν χαμηλότερη ενέργεια από εκείνα του μπλε φωτός.

Πηγή: Online Learning College

Βασικές αρχές των LED

Στους ημιαγωγούς, η εκπομπή φωτός συνδέεται με μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών ζωνών και την επανασύνδεση ηλεκτρονίων με οπές.

Ένα LED κατασκευάζεται από ημιαγωγικά υλικά, των οποίων η ηλεκτρική αγωγιμότητα μπορεί να ελεγχθεί μέσω της σύστασης και της κατεργασίας τους.

Συνδυάζονται περιοχές δύο τύπων:

• Τύπου n, όπου οι κύριοι φορείς φορτίου είναι ηλεκτρόνια.
• Τύπου p, όπου οι κύριοι φορείς είναι οπές, δηλαδή κενές ηλεκτρονικές καταστάσεις.

Το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού είναι η διαφορά μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας. Δεν είναι απλώς διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο υλικών.

Όταν το LED πολώνεται κατάλληλα, ηλεκτρόνια και οπές μπορούν να επανασυνδεθούν και να εκπέμψουν φως. Η ενέργεια του φωτονίου σχετίζεται με το ενεργειακό χάσμα.

Πηγή: BYJUS

Τα πρώτα LED εξέπεμπαν υπέρυθρο φως. Η ανάπτυξη κατάλληλων υλικών επέτρεψε στη συνέχεια την παραγωγή ορατού κόκκινου, κίτρινου και πράσινου φωτός.

Σημαντικό ρόλο έπαιξαν η ελεγχόμενη προσθήκη προσμίξεων και η δημιουργία κατάλληλων συνθέσεων και δομών ημιαγωγών.

Πηγή: Wikipedia, VectorVoyager

Η παραγωγή αποδοτικού μπλε φωτός απαίτησε υλικά με μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα και παρέμεινε δύσκολη επί δεκαετίες.

Ο δύσκολος δρόμος προς τα μπλε LED

Νιτρίδιο του γαλλίου: ένα απαιτητικό υλικό

Το αρσενίδιο του γαλλίου έχει ενεργειακό χάσμα περίπου 1,42 eV και το φωσφίδιο του γαλλίου περίπου 2,26 eV. Για μπλε και ιώδες φως απαιτούνται μεγαλύτερες ενέργειες, ανάλογα με το μήκος κύματος.

Το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), με ενεργειακό χάσμα περίπου 3,4 eV, αποτέλεσε βασικό υλικό. Η πρακτική αξιοποίησή του απαιτούσε όμως υπέρβαση σημαντικών κατασκευαστικών δυσκολιών.

Πηγή: Britannica

Οι ερευνητές έπρεπε να αναπτύξουν ποιοτικούς κρυστάλλους GaN και λειτουργικές περιοχές τύπου p. Οι τρεις μετέπειτα νομπελίστες συνέβαλαν καθοριστικά στην επίλυση αυτών των προβλημάτων.

Διαφορετικές προσεγγίσεις στο μπλε LED

Το 1986, οι Akasaki και Amano ανέπτυξαν κρυστάλλους GaN πάνω σε υπόστρωμα σαπφείρου, χρησιμοποιώντας ενδιάμεσο στρώμα νιτριδίου του αλουμινίου.

Ακολούθησε η επίτευξη αγωγιμότητας τύπου p και η κατασκευή αποδοτικών μπλε διόδων στις αρχές της δεκαετίας του 1990.

Ο Nakamura άρχισε παράλληλα τη δική του έρευνα το 1988. Ανέπτυξε μέθοδο που χρησιμοποιούσε λεπτό στρώμα GaN σε χαμηλή θερμοκρασία και επόμενα στρώματα σε υψηλότερη θερμοκρασία.

Κατανόηση του νιτριδίου του γαλλίου

Οι Akasaki και Amano διαπίστωσαν ότι η ακτινοβόληση με ηλεκτρονική δέσμη μπορούσε να ενεργοποιήσει την αγωγιμότητα τύπου p σε GaN με προσμίξεις μαγνησίου.

Ο Nakamura συνέδεσε το πρόβλημα με το υδρογόνο, που αδρανοποιούσε τους αποδέκτες μαγνησίου. Ανέπτυξε θερμική κατεργασία για την απομάκρυνσή του και την ενεργοποίηση του υλικού.

Οι ερευνητικές ομάδες βελτίωσαν περαιτέρω τις διατάξεις με ετεροδομές και κράματα που περιείχαν αλουμίνιο ή ίνδιο. Η δημιουργία κράματος και η προσθήκη προσμίξεων είναι διαφορετικές τεχνικές.

Πηγή: Nobel Prize

Οι εξελίξεις στα νιτρίδια άνοιξαν επίσης τον δρόμο για μπλε και ιώδη λέιζερ. Το μικρότερο μήκος κύματος, όχι μικρότερη συχνότητα, επιτρέπει πιο πυκνή οπτική αποθήκευση, όπως στους δίσκους Blu-ray.

Τι κατέστησαν δυνατό τα μπλε LED

Περισσότερο Φως με Λιγότερη Ηλεκτρική Ενέργεια

Τα μπλε LED επέτρεψαν αποδοτικές πηγές λευκού φωτός και την αντικατάσταση πολλών λαμπτήρων πυρακτώσεως και φθορισμού. Οι συγκρίσεις απόδοσης εξαρτώνται από τη συσκευή και την εποχή μέτρησης.

Πηγή: Nobel Prize

Το ενημερωτικό υλικό του Νόμπελ του 2014 εκτιμούσε ότι περίπου το 1/⁴ της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνταν για φωτισμό. Επομένως, η βελτίωση της απόδοσης προσέφερε σημαντικές δυνατότητες εξοικονόμησης.

Ο αποδοτικός φωτισμός διευκολύνει επίσης αυτόνομα συστήματα με μικρά φωτοβολταϊκά, υποστηρίζοντας εργασία και εκπαίδευση σε περιοχές με περιορισμένη πρόσβαση στο δίκτυο.

Προσαρμοσμένα Χρώματα

Ο συνδυασμός κόκκινων, πράσινων και μπλε πηγών επιτρέπει την αναπαραγωγή πολλών χρωμάτων μέσα στο διαθέσιμο χρωματικό εύρος. Δεν αποδίδει κυριολεκτικά κάθε ορατό χρώμα.

Τα LED χρησιμοποιούνται σε οθόνες και οπίσθιο φωτισμό τηλεοράσεων, υπολογιστών και άλλων συσκευών. Η αναλογία των χρωματικών συνιστωσών καθορίζει το αποτέλεσμα κάθε εικονοστοιχείου.

Στις καλλιέργειες εσωτερικού χώρου χρησιμοποιούνται κατάλληλοι συνδυασμοί κόκκινου, μπλε και άλλων μηκών κύματος. Τα φυτά αξιοποιούν και πράσινο φως, επομένως η επιλογή φάσματος εξαρτάται από την καλλιέργεια. Σχετικές εφαρμογές περιλαμβάνουν την υδροπονία και την αστική γεωργία, καθώς και ενδεχόμενη καλλιέργεια τροφίμων στο διάστημα ή στον Άρη.

Πηγή: Agritecture

Υπεριώδη LED

Η πρόοδος στους ημιαγωγούς επέτρεψε επίσης LED υπεριώδους ακτινοβολίας. Τα LED UV-C μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές απολύμανσης νερού, αέρα και επιφανειών. Η αποτελεσματικότητα εξαρτάται από τη δόση, το μήκος κύματος και τον σχεδιασμό· δεν εξασφαλίζεται αυτόματα σε κάθε κλίμακα.

Blu-Ray και Μπλε Λέιζερ

Τα μπλε και ιώδη λέιζερ βασίζονται στην πρόοδο των ημιαγωγών μεγάλου ενεργειακού χάσματος. Το μικρό μήκος κύματος επιτρέπει πυκνή οπτική αποθήκευση. Οι οπτικές επικοινωνίες χρησιμοποιούν διαφορετικά μήκη κύματος ανάλογα με το μέσο και την εφαρμογή.

Τα μπλε λέιζερ μπορούν επίσης να προσφέρουν πλεονεκτήματα στην κατεργασία ανακλαστικών μετάλλων, όπως στην κοπή και τη συγκόλληση.

Μπλε λέιζερ χρησιμοποιούνται επίσης στη χειρουργική του λάρυγγα. Η απορρόφηση φωτός περίπου 445 nm από την αιμοσφαιρίνη μπορεί να βοηθήσει στη στοχευμένη πήξη αγγείων, ανάλογα με την εφαρμογή.

Νιτρίδιο του γαλλίου πέρα από τον φωτισμό

Η βιομηχανία των μπλε LED ενίσχυσε τη γνώση και την παραγωγή κρυστάλλων GaN. Το υλικό αξιοποιείται επίσης σε ηλεκτρονικές διατάξεις, με εφαρμογές που θεωρούνται σημαντικές για το μέλλον των ηλεκτρονικών ισχύος.

Το GaN διαθέτει ιδιότητες κατάλληλες για υψηλές συχνότητες και πεδία διάσπασης. Χρησιμοποιείται σε ενισχυτές ραδιοσυχνοτήτων και μετατροπείς ισχύος, μεταξύ άλλων για τηλεπικοινωνίες και τροφοδοτικά. Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε διάταξη GaN λειτουργεί σε υψηλότερη τάση ή θερμοκρασία από κάθε διάταξη πυριτίου.

Η πρόοδος στην παραγωγή και η συσσωρευμένη τεχνογνωσία συνέβαλαν στην ανάπτυξη αυτών των εφαρμογών.

Εταιρείες Μπλε LED

Εταιρείες Σχετικές με τον Nakamura

Ο Nakamura ανέπτυξε τα μπλε LED στη Nichia Corporation. Συνέχισε την έρευνα παρά τις αρχικές εσωτερικές αντιρρήσεις. Η εμπορική επιτυχία των προϊόντων συνέβαλε σημαντικά στην ανάπτυξη της εταιρείας.

Μετά την αποχώρησή του από τη Nichia ακολούθησαν δικαστικές διαμάχες για την εφεύρεση και την αμοιβή του. Ο συμβιβασμός με τη Nichia προέβλεπε πληρωμή περίπου 840 εκατομμυρίων γεν.

Το 2008 συμμετείχε στην ίδρυση της Soraa, ιδιωτικής εταιρείας φωτισμού LED, η οποία εξαγοράστηκε από την Ecosense το 2020.

Αργότερα συνίδρυσε την Blue Laser Fusion, που ερευνά την πυρηνική σύντηξη με λέιζερ. Τα χρονοδιαγράμματα πρωτοτύπου και εμπορικής επίδειξης που αναφέρονταν το 2024 αποτελούσαν εταιρικούς στόχους, όχι αποδεδειγμένα αποτελέσματα.

Στους επενδυτές της περιλαμβανόταν το Mirai Creation Fund, που συνδέεται με την Toyota Motor (TM ) και άλλους επενδυτές.

Η Soraa/Ecosense και η Nichia ήταν ιδιωτικές εταιρείες. Η Nichia δεν πρέπει να συγχέεται με τη Nichias — NICFF. Για χρηματιστηριακή έκθεση στην τεχνολογία χρειάζεται εξέταση άλλων κατασκευαστών και των επιμέρους δραστηριοτήτων τους.

1. SMART Global Holdings

Η αμερικανική Cree ήταν από τις εταιρείες που εμπορευματοποίησαν μπλε LED και δραστηριοποιήθηκε επίσης σε ημιαγωγούς καρβιδίου του πυριτίου.

Αργότερα μετονομάστηκε σε Wolfspeed και πούλησε τη δραστηριότητα LED στη SMART Global Holdings το 2021.

Πηγή: SGH

Η SGH περιλάμβανε τις ακόλουθες δραστηριότητες. Τον Οκτώβριο του 2024 μετονομάστηκε σε Penguin Solutions:

• Cree LED
• Penguin Solutions, με λύσεις υποδομών τεχνητής νοημοσύνης.
• Stratus, με πλατφόρμες υπολογιστών υψηλής διαθεσιμότητας.
• SMART Modular Technologies, με τεχνολογίες μνήμης DRAM και αποθήκευσης στερεάς κατάστασης.

Στην περίοδο που περιγράφεται, η Cree LED αντιπροσώπευε περίπου το 1/⁵ των εσόδων, ενώ οι έξυπνες υπολογιστικές πλατφόρμες περίπου το μισό. Οι αναλογίες αλλάζουν με τον χρόνο. Επομένως, η SGH δεν ήταν αμιγώς εταιρεία LED. Η Cree LED διέθετε σημαντική πνευματική ιδιοκτησία, όπως το εμπορικό σήμα XLamp, και παρουσία σε πολλές αγορές LED.

2. Osram (OSAGF)

Η Osram, ως μέρος της ams OSRAM, δραστηριοποιείται σε αισθητήρες και λύσεις φωτισμού. Στους ημιαγωγούς της περιλαμβάνονται LED, λέιζερ, ολοκληρωμένα κυκλώματα και αισθητήρες. Η σύνθεση εσόδων εξαρτάται από την περίοδο και τις εταιρικές μεταβολές. Σημαντικές αγορές της περιλαμβάνουν:

• LED και λέιζερ για οχήματα.
• Συμβατικό φωτισμό οχημάτων.
• LED για καλλιέργειες.
• Ιατρική απεικόνιση, όπως αξονική τομογραφία.

Πηγή: OSRAM

Τα μερίδια αγοράς που παρατίθενται στο αρχικό υλικό αποτελούν ιστορικές εκτιμήσεις για συγκεκριμένες κατηγορίες. Η Nichia, η Osram, η Seoul Semiconductor, η Samsung LED και η MLS είναι σημαντικοί συμμετέχοντες, αλλά η κατάταξη εξαρτάται από το έτος και τον ορισμό της αγοράς.

Η ams OSRAM δραστηριοποιείται επίσης στους οπτικούς αισθητήρες. Οι συγκρίσεις με τη STMicroelectronics απαιτούν κοινό ορισμό προϊόντων και ίδια περίοδο αναφοράς.

Η εταιρεία έχει σημαντική παρουσία στην Ασία και τον Ειρηνικό, καθώς και στην Ευρώπη, τη Μέση Ανατολή, την Αφρική και την Αμερική.

Η αναφερόμενη πρόβλεψη για ετήσια ανάπτυξη 6,8 % έως το 2028 αφορούσε εκτίμηση της αγοράς LED. Οι εφαρμογές σε οχήματα και γενικό φωτισμό αποτελούσαν βασικούς αναμενόμενους παράγοντες ανάπτυξης.

Πηγή: OSRAM

Η παρουσία της Osram στον φωτισμό οχημάτων και καλλιεργειών μπορεί να δημιουργήσει ευκαιρίες. Η ανάπτυξη της αγοράς και τα αποτελέσματα της εταιρείας παραμένουν αβέβαια.