Premios Nobel
Invertir en Logros del Premio Nobel: 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 premian descubrimientos aparentemente más “mundanos” que, sin embargo, merecen totalmente el galardón 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 deben emitir luz azul cuando se requiere, 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.
Según las reglas de la mecánica cuántica, estos electrones solo pueden “orbitar” alrededor del núcleo del átomo 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 luminoso, mientras que la luz de mayor energía tiende a estar en el lado azul del espectro.
Fuente: Online Learning College
Conceptos Básicos de LED
Esta capacidad de los átomos para emitir luz, derivada de la física fundamental, es el principio básico detrás 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, es decir, que tengan la capacidad de permitir o bloquear el paso de una corriente eléctrica (de ahí el calificativo “semi”).
Luego debes combinar 2 tipos diferentes de semiconductores:
- Uno que puede ceder electrones también se llama “tipo n”.
- Uno con espacio adicional para recibir dichos electrones, también llamado “tipo p”.
Las combinaciones de semiconductores usadas en los LED tienen una “brecha de banda”, con una diferencia significativa en el potencial de energía entre los 2 materiales.
Cuando los electrones se mueven de un semiconductor a otro, la energía liberada se convierte en la luz que deseamos del diodo.
Fuente: BYJUS
Los primeros sistemas LED tenían diferencias de energía muy pequeñas entre los 2 tipos de semiconductores, lo que provocaba la emisión de luz infrarroja de baja energía. Rápidamente, científicos y empresas electrónicas descubrieron cómo aumentar esta brecha de energía, lo que condujo a LED de luz visible en colores rojo, amarillo y verde.
Una parte clave de estas mejoras fue el “dopado” de los materiales semiconductores previamente puros con otros elementos, lo que mejoró su rendimiento.
Fuente: Wikipedia by VectorVoyager
Este método fue insuficiente durante varias décadas para crear la brecha de banda de alta energía requerida para que los LED emitan luz azul.
El Camino Difícil hacia los Diodos LED Azules
Nitruro de Galio – Un Material Milagroso y Complicado
La brecha de banda de los materiales usados para luces LED de baja energía, como el arseniuro de galio (1,42 eV) y el fosfuro de galio (2,26 eV), utilizados para LED rojos y verdes, estaba por debajo de los 2,6 a 3,4 eV necesarios para la 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 resultaba aparentemente poco práctico.
Fuente: Britannica
El primer obstáculo fue que no existía un método para preparar una superficie en la que cultivar cristales de nitruro de galio. Además, nadie sabía cómo crear una capa tipo p de nitruro de galio. Muchos habían intentado y fracasado en convertir el nitruro de galio en un sistema LED funcional para luz azul. Aquí es donde los tres ganadores del Premio Nobel 2014 entraron en escena.
Resolviendo el LED Azul desde Múltiples Ángulos
En 1986, Isamu Asaki y Hiroshi Amano fueron los primeros en descubrir cómo cultivar cristales de nitruro de galio sobre una capa de nitruro de aluminio en un sustrato de zafiro.
Crearían una capa p unos años después, 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. Encontró su propio método para cultivar el cristal de nitruro de galio, primero cultivando una capa delgada de nitruro de galio a baja temperatura y cultivando capas posteriores a una temperatura más alta.
Comprensión Real 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: estaba eliminando átomos de hidrógeno, impidiendo la formación de la capa p. Luego ideó un método más simple y barato para lograr el mismo resultado: el calentamiento controlado del material.
Ambos grupos de investigación paralelos continuaron con diseños cada vez más avanzados y complejos para su LED azul, creando diversas aleaciones de nitruro de galio con aluminio o indio, dopando efectivamente los semiconductores para aumentar su emisión de luz y eficiencia.
Fuente: Nobel Prize
También inventaron láseres azules usando su LED de luz 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 hicieron posible crear luz blanca, lo que permite reemplazar la mayoría de bombillas y lámparas fluorescentes con 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: Nobel Prize
Dado que 1/4th del consumo eléctrico se destina a la producción de luz, esto representa un ahorro radical en el consumo energético global.
También hace que los sistemas de iluminación fuera de la red sean mucho más viables, ya que paneles solares pequeños u otras fuentes de energía alternativas ahora pueden alimentar la luz en áreas remotas o desfavorecidas. Esto, a su vez, permite aumentar la productividad y mejorar la educación.
Colores Personalizados
Además de los LED blancos, la combinación de LED rojos, verdes y azules permite crear todos los colores posibles del espectro visible. Esto abre el camino a todo tipo de LED especializados para aplicaciones de nicho.
Una aplicación importante de los LED azules y colores personalizados bajo demanda ha sido las pantallas LED para televisores, computadoras y smartphones, 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. Por lo tanto, las luces LED para cultivo interior pueden usar solo LED rojos y azules, optimizando enormemente el consumo de energía del cultivo en invernaderos y haciendo posible la revolución en hidroponía y agricultura urbana. Y tal vez algún día incluso cultivar alimentos en el espacio o en Marte.
Fuente: Agritecture
LED Ultraviolet
Después del desarrollo inicial del LED de luz azul, mejoras posteriores han hecho posible un sistema aún más potente que emite luz ultravioleta.
Estos LED UV-C pueden usarse para purificar agua a cualquier escala, desde equipos de camping hasta servicios públicos que atienden a decenas de millones de personas en grandes ciudades. También pueden usarse para eliminar patógenos en el aire y esterilizar superficies, por ejemplo en hospitales.
Blu-Ray y Láseres Azules
Como se mencionó antes, el Blu-ray y otras soluciones de almacenamiento de datos de alta densidad que dependen de láseres azules no habrían sido posibles sin los LED azules. La alta densidad de datos es igualmente útil para la comunicación óptica, especialmente cuando se requiere gran ancho de banda.
Los láseres azules también son “la fuente de luz ideal para el procesamiento de metales de alta reflectividad, ofreciendo ventajas sustanciales en diversas aplicaciones industriales como el corte y la soldadura”.
Los láseres azules también se utilizan ahora para la cirugía de la laringe, gracias a su alta potencia 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
Los LED azules crearon una industria completa 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 el nitruro de galio llamado “la próxima gran cosa en la electrónica de potencia”.
El nitruro de galio puede funcionar a temperaturas mucho más altas y a voltajes más altos que los transistores de efecto de campo (FET) basados en silicio. Por lo tanto, los basados en nitruro de galio podrían usarse para estaciones base celulares 5G, transistores, dispositivos electrónicos pequeños e incluso IA, ya que las aplicaciones informáticas requieren consumos de energía cada vez mayores.
Todas estas aplicaciones no serían posibles sin las economías de escala en la producción y la abundancia de conocimiento creada por la industria de los LED azules en primer lugar.
Empresas de LED Azul
Empresas Relacionadas con Nakamura
Nakamura desarrolló su luz LED azul mientras trabajaba en Nichia Corporation. Después de un cambio de liderazgo en 1989, la empresa había ordenado a Nakamura que dejara de trabajar en el proyecto, lo cual él afortunadamente no hizo. Esto también fue una buena noticia para la empresa, que cuadruplicó sus ingresos entre 1993 y 2001, con un 60 % del negocio total proveniente de los LED azules.
Nakamura dejó Nichia en 1999, y más tarde se vio involucrado en una compleja serie de demandas sobre la propiedad de la tecnología, involucrando a Nakamura, Nichia y al competidor estadounidense Cree. Finalmente, Nakamura llegó a un acuerdo por un pago de ¥840 millones (≈US$8,1 millones) con Nichia.
Nakamura pasó a fundar en 2008 Soraa, una empresa privada que vende LED azules, que fue adquirida recientemente por Ecosense en 2020.
En 2022, Nakamura cofundó Blue Laser Fusion, una empresa de fusión nuclear comercial. Busca usar láseres de energía de pulso de megajulios con una alta tasa de repetición para lograr fusión comercial. La empresa planea completar su primer prototipo en 2025 y demostrar un reactor de fusión listo para el mercado comercial para 2030.
Blue Laser Fusion cuenta con el respaldo del Mirai Creation Fund, que a su vez está respaldado por Toyota Motor (TM ) y otros inversores.
Con Soraa/Ecosense y Nichia (para no confundir con Nichias – NICFF) empresas cotizadas en privado, los inversores deben buscar 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, fabricación e incluso agricultura.
1. SMART Global Holdings
Cree era una empresa estadounidense que estuvo entre las primeras en comercializar masivamente luces LED azules y era un competidor importante de la Nichia relacionada con Nakamura. También estuvo detrás del primer oblea comercial de carburo de silicio.
Más tarde cambió su nombre a ‘Wolfspeed‘, y vendió su negocio de LED a SMART Global Holdings en 2021.
Fuente: SGH
SGH gestionó cuatro marcas diferentes:
- Cree LED
- Penguin Solutions , una solución de infraestructura de IA.
- Stratus, una plataforma de computación ultra confiable.
- SMART Modular Technologies, un líder en tecnología DRMA y de almacenamiento de datos de estado sólido.
Cree LED representa alrededor de 1/5th de los ingresos totales, y las soluciones de plataformas inteligentes constituyen la mitad de los ingresos totales.
Así, SGH no es una empresa centrada exclusivamente en LED. Sin embargo, Cree LED es propietaria de importantes IP (notablemente la 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 que lidera en sensores y soluciones de luz innovadoras. Los segmentos de semiconductores, incluidos LED, láseres, circuitos integrados y sensores, representan 2/3 de los ingresos de la empresa.
Es notablemente #1 en muchas categorías:
- Luces LED y láser para automóviles.
- Luces automotrices tradicionales.
- LED de horticultura.
- Imagenología médica CT.
Fuente: OSRAM
En general, OSRAM es #2 en el mercado de LED con una cuota del 13 %, detrás de Nichia (15 %), pero muy por delante del resto de la competencia como #3 y #4 Seoul Semiconductors (7 %) y Samsung LED (7 %), y MLS (6 %).
OSRAM también es el líder en sensores de luz, con el 29,2 % del mercado, justo por delante de STMicroelectronics (28,5 %).
La mayor parte de los ingresos de la empresa proviene de la región Asia‑Pacífico, con ingresos recientes casi divididos equitativamente entre EMEA y las Américas.
Se espera que el mercado de LED continúe creciendo a una tasa compuesta anual (CAGR) del 6,8 % hasta al menos 2028. Esto se debe principalmente a los mercados de LED automotriz y de iluminación general.
Fuente: OSRAM
Con el liderazgo de OSRAM en el mercado automotriz, tanto en lámparas clásicas como LED, así como en horticultura, la empresa está casi segura de ver su mercado total direccionable crecer continuamente durante los próximos años.
