Premios Nobel
Invertir en los logros del Premio Nobel: los diodos LED de luz azul iluminan el futuro
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Una revolución mundana
Algunos premios Nobel de Física se atribuyen a una revolución en la forma fundamental en que entendemos el universo, desde los agujeros negros (2020) hasta las partículas subatómicas (2013) o la expansión del Universo (2011). Otros están recompensando descubrimientos aparentemente más “mundanos” que, sin embargo, vale la pena ganar por el impacto duradero y radical que tendrán en la civilización humana.
Los diodos LED capaces de emitir luz roja, amarilla y verde se conocen desde la invención de la tecnología LED. Sin embargo, para emitir luz blanca, los diodos LED emiten luz azul cuando es necesario, y esto resultó difícil de lograr.
El tipo correcto de luz
Energía cuántica
Lo que hace que la luz azul sea tan difícil de producir con LED proviene de la física fundamental de los diodos LED.
Los LED producen luz gracias a los principios de la física cuántica. En una versión simplificada de la física cuántica, los átomos están formados por un núcleo, alrededor del cual orbitan uno o varios electrones, de manera similar a la Tierra alrededor del Sol.
Debido a las reglas de la mecánica cuántica, estos electrones solo pueden orbitar alrededor del núcleo atómico en niveles predeterminados, cada uno determinado por un nivel de energía específico. Cuando un electrón pasa de un nivel de energía alto a uno bajo, el excedente se emite en forma de luz.
La luz de baja energía tiende a estar en el "lado rojo" del espectro de luz, mientras que la luz de mayor energía tiende a estar en el lado azul del espectro.
Conceptos básicos de LED
Esta capacidad de los átomos para emitir luz, derivada de la física fundamental, es el principio básico de los diodos LED. En la práctica, se necesitan algunas características más específicas.
Para crear un diodo LED, primero se necesitan materiales que sean semiconductores, por lo tanto, tengan la capacidad de dejar pasar una corriente eléctrica o bloquearla (de ahí el calificativo "semi").
Luego debes combinar 2 tipos diferentes de semiconductores:
- Uno capaz de ceder electrones también se denomina "tipo n".
- Uno con espacio adicional para recibir dichos electrones, también llamado “tipo p”.
Las combinaciones de semiconductores utilizadas en los LED tienen una "banda prohibida", con una diferencia significativa en el potencial energético entre los dos materiales.
Cuando los electrones pasan de un semiconductor a otro, la energía liberada se convierte en la luz que queremos del diodo.
Fuente: BYJUS
Los primeros sistemas LED tenían diferencias de energía muy pequeñas entre los dos tipos de semiconductores, lo que provocaba la emisión de luz infrarroja de baja energía. Rápidamente, los científicos y las empresas de electrónica descubrieron cómo aumentar esta brecha energética en cierta medida, lo que dio lugar a LED de luz visible en colores rojo, amarillo y verde.
Una parte clave de estas mejoras fue la “adicción” a los materiales semiconductores que antes eran puros con otros elementos, lo que mejoró su rendimiento.
Fuente: Wikipedia de VectorVoyager
Este método fue insuficiente durante varias décadas para crear la banda prohibida de alta energía necesaria para que los LED emitan luz azul.
El complicado camino hacia los diodos LED azules
Nitruro de galio: un material milagroso y complicado
La banda prohibida de los materiales utilizados para las luces LED de menor energía, como el arseniuro de galio (1,42 eV) y el fosfuro de galio (2,26 eV), utilizados para los LED rojos y verdes, estaba por debajo de 2,6 a 3,4. XNUMX eV para luz azul.
Se encontró una alternativa con nitruro de galio (3,37 eV). Usar nitruro de galio para crear luz LED azul parecía una buena idea, pero hacerlo en la práctica parecía poco práctico.
Fuente: británico
El primer obstáculo fue que no existía ningún método para preparar una superficie sobre la cual crecer cristales de nitruro de galio. Además, nadie sabía tampoco cómo hacer una capa de nitruro de galio tipo p. Muchos habían intentado, sin éxito, convertir el nitruro de galio en un sistema LED funcional para luz azul. Aquí es donde entraron en liza los tres ganadores del Premio Nobel de 2014.
Resolviendo el LED azul desde múltiples ángulos
En 1986, Isamu Asaki y Hiroshi Amano fueron los primeros en descubrir cómo hacer crecer cristales de nitruro de galio sobre una capa de nitruro de aluminio sobre un sustrato de zafiro.
Crearían una capa p unos años más tarde y finalmente crearían el primer prototipo de LED de luz azul brillante en 1992.
Paralelamente, Shuji Nakamura comenzó a desarrollar su LED azul en 1988. Había encontrado su propia manera de hacer crecer el cristal de nitruro de galio, primero haciendo crecer una fina capa de nitruro de galio a baja temperatura y haciendo crecer capas posteriores a una temperatura más alta.
Verdadera comprensión del nitruro de galio
La capa p de Asaki y Amano se optimizó exponiendo el nitruro de galio al haz de electrones de un microscopio electrónico de barrido.
Nakamura tenía el marco teórico para explicar cómo funcionaba el microscopio electrónico: eliminaba átomos de hidrógeno, impidiendo que se formara la capa p. Luego ideó un método más sencillo y económico para lograr el mismo resultado: calentamiento controlado del material.
Ambos grupos de investigación paralelos continuaron con diseños cada vez más avanzados y complejos para sus LED azules, creando diversas aleaciones de nitruro de galio con aluminio o indio, dopando eficazmente los semiconductores para aumentar su salida de luz y su eficiencia.
Fuente: Premio Nobel
También inventaron los láseres azules utilizando su luz LED azul. Debido a que la frecuencia de la luz azul es mucho menor que la de otros colores, puede contener 4 veces más información que la luz infrarroja, abriendo el camino a los discos Blu-ray.
Logros de la luz LED azul
Más luz con menos electricidad
Los LED azules permitieron crear luz blanca, lo que permitió reemplazar la mayoría de las bombillas y lámparas fluorescentes por LED. Esto es particularmente notable, ya que los LED son 20 veces más eficientes que las bombillas y 4 veces más que las lámparas incandescentes.
Fuente: Premio Nobel
porque 1/4th del consumo eléctrico se destina a producir luz, esto supone un ahorro radical en el consumo energético global.
También hace que los sistemas de iluminación fuera de la red sean mucho más viables, con pequeños paneles solares u otras fuentes de energía alternativas ahora capaces de alimentar la luz en áreas remotas o pobres. Esto, a su vez, permite aumentar la productividad y una mejor educación.
Colores personalizados
Además de los LED blancos, la combinación de LED rojos, verdes y azules permite la creación de todos los colores posibles del espectro visible. Esto abre el camino a todo tipo de LED especializados para aplicaciones específicas.
Una aplicación importante de los LED azules y los colores personalizados bajo demanda han sido las pantallas LED para televisores, computadoras y teléfonos inteligentes, ya que las fluctuaciones en la proporción rojo/verde/azul son responsables de mostrar el color correcto píxel a píxel.
O, por ejemplo, las plantas no utilizan la luz verde para la fotosíntesis. Así, las luces LED para cultivos de interior pueden utilizar únicamente LED rojos y azules, optimizando enormemente el consumo de energía del cultivo en invernadero y haciendo posible la revolución en hidroponia Agricultura urbana. Y tal vez algún día incluso cultivar alimentos en el espacio o en Marte.
Fuente: Agritectura
LED ultravioleta
Tras el desarrollo inicial del LED de luz azul, nuevas mejoras han hecho posible un sistema aún más potente que emite luz ultravioleta.
Estos LED UV-C se pueden utilizar para purificar agua a cualquier escala, desde equipos para acampar hasta servicios públicos que prestan servicios a decenas de millones de personas en las grandes ciudades. También se pueden utilizar para matar patógenos transmitidos por el aire y esterilizar superficies, por ejemplo en hospitales.
Blu-Ray y láser azul
Como se mencionó anteriormente, el Blu-ray y otras soluciones de almacenamiento de datos de alta densidad que dependen del láser azul no habrían sido posibles sin los LED azules. La alta densidad de datos es igualmente útil para la comunicación óptica, especialmente cuando se requiere un gran ancho de banda.
Los láseres azules también son “la fuente de luz ideal para el procesamiento de metales altamente reflectantes, que ofrece ventajas sustanciales en diversas aplicaciones industriales como corte y soldadura.
Los láseres azules ahora también se utilizan para la cirugía de laringe., gracias a su alto rendimiento energético y a la absorción de la longitud de onda de 445 nm por la hemoglobina, lo que permite una coagulación de los vasos sanguíneos muy precisa.
Nitruro de galio más allá de las luces LED
Las luces LED azules crearon toda una industria que produce a escala y estudia cristales de nitruro de galio. Esto, a su vez, podría crear una revolución en el diseño de la electrónica, con nitruro de galio se llama “el próximo gran avance en electrónica de potencia.
El nitruro de galio puede funcionar a temperaturas y voltajes mucho más altos que los transistores de efecto de campo (FET) basados en silicio. Por lo tanto, la tecnología basada en nitruro de galio podría usarse para estaciones base celulares 5G, transistores, pequeños dispositivos electrónicos e incluso inteligencia artificial, ya que las aplicaciones informáticas requieren un consumo de energía cada vez mayor.
Todas estas aplicaciones no serían posibles sin las economías de escala en la producción y la riqueza de conocimientos creados por la industria de los LED azules en primer lugar.
Empresas de Led Azul
Empresas relacionadas con Nakamura
Nakamura desarrolló su luz LED azul cuando trabajaba en Nichia Corporation. Después de un cambio de dirección en 1989, la empresa ordenó a Nakamura que dejara de trabajar en el proyecto, lo que afortunadamente no hizo. Esta fue también una buena noticia para la empresa, que cuadruplicó sus ingresos entre 1993 y 2001, y el 60% del negocio total provino de luces LED azules.
Nakamura dejó Nichia en 1999 y más tarde se vería involucrado en una compleja serie de demandas sobre la propiedad de la tecnología, que involucraban a Nakamura, Nichia y el competidor estadounidense Cree. Nakamura finalmente llegaría a un acuerdo con Nichia por un pago de 840 millones de yenes (≈8.1 millones de dólares estadounidenses).
Nakamura pasaría a fundar 2008 soraa, una empresa que cotiza en bolsa y que vende LED azules, que fue adquirida recientemente por Ecosense en 2020.
En 2022, Nakamura cofundó Fusión láser azul, una empresa comercial de fusión nuclear. Busca utilizar láseres de energía de pulso de megajulios con una tasa de repetición rápida para lograr una fusión comercial. La compañía planea completar su primer prototipo en 2025 y demostrar un reactor de fusión listo para el comercio para 2030.
Blue Laser Fusion cuenta con el respaldo del Mirai Creation Fund, que a su vez está respaldado por Toyota Motor y otros inversores.
Con Soraa/Ecosense y Nichia (no confundir con Niquías – NICFF) empresas que cotizan en bolsa, los inversores tienen que mirar a otros fabricantes de luces LED azules para invertir en esa tecnología que se convirtió en la base de la innovación moderna en electrónica, telecomunicaciones, medicina, manufactura e incluso agricultura.
1. Participaciones globales SMART
SMART Global Holdings, Inc. (SGH + 0.43%)
Cree fue una empresa estadounidense que estuvo entre las primeras en comercializar en masa luces LED azules y un importante competidor de Nichia, relacionada con Nakamura. También estuvo detrás de la primera oblea comercial de carburo de silicio.
Más tarde pasó a llamarse 'velocidad de lobo', y vendió su negocio de LED a SMART Global Holdings en 2021.
Fuente: SGH
SGH gestionó cuatro marcas diferentes:
- Cree LED
- Soluciones Pingüino, una solución de infraestructura de IA.
- Estrato, una plataforma informática ultraconfiable.
- Tecnologías modulares SMART, líder en DRMA y tecnología de almacenamiento de datos de estado sólido.
Cree LED representa alrededor de 1/5th de los ingresos totales, y las soluciones de plataformas inteligentes representan la mitad de los ingresos totales.
Por tanto, SGH no es una empresa exclusivamente centrada en LED. Sin embargo, Cree LED es propietario de IP importantes (en particular, Marca XLamp), con una reputación de excelencia tecnológica en el campo y Presencia en todos los mercados relacionados con LED azules..
2. Osram (OSAGF)
Osram es una empresa global líder en sensores y soluciones de iluminación innovadoras. Los segmentos de semiconductores, que incluyen LED, láseres, circuitos integrados y sensores, representan dos tercios de los ingresos de la compañía.
Es notablemente el número 1 en muchas categorías:
- Luces LED y láser automáticas.
- Luces automáticas tradicionales.
- LED de horticultura.
- Tomografía computarizada de imágenes médicas.
Fuente: OSRAM
En general, OSRAM ocupa el puesto número 2 en el mercado de LED con una participación de mercado del 13 %, detrás de Nichia (15 %), pero muy por delante del resto de la competencia, como los números 3 y 4 de Seoul Semiconductors (7 %) y Samsung LED (7 %). ) y MLS (6%).
OSRAM también es líder en sensores de luz, con un 29.2% del mercado, justo por delante de STMicroelectronics (28.5%).
La mayor parte de los ingresos de la empresa provienen de la región Asia-Pacífico, y los ingresos recientes se dividen casi equitativamente entre EMEA y las Américas.
Se espera que el mercado de LED continúe creciendo a una tasa compuesta anual del 6.8% hasta al menos 2028. Esto se debe principalmente a los mercados de LED de iluminación general y para automóviles.
Fuente: OSRAM
Con el liderazgo de OSRAM en el mercado de la automoción, tanto en lámparas clásicas como LED, así como en horticultura, es casi seguro que la empresa verá crecer continuamente su mercado total al que se dirige durante los próximos años.
