Kullan tuotanto on myrkyllistä. Voivatko LEDit lopettaa riippuvuuden siitä?

Valaistus- ja näyttötekniikan maailmassa valoa emittoivat diodit eli LEDit ovat hallinneet markkinoita energiatehokkuutensa, pitkän käyttöikänsä ja kykyjensä tuottaa eloisia värejä ansiosta. 

Diodi, joka on valmistettu puolijohteista, sallii virran kulkea yhteen suuntaan ja estää sen toisessa. Valoa emittoiva diodi (LED) on puolestaan yksinkertaisesti puolijohde, joka tuottaa valoa, kun virta kulkee sen läpi. 

LEDien nousu on mullistanut tapamme käyttää valoa sähkövaloläpäytyksen kautta ja mullistanut näyttötekniikat.

LEDien joukossa perovskiittivaloa emittoivat diodit (PeLEDit) ovat erityisesti nousseet lupaavaksi teknologianäyttö- ja valaistussovelluksissa niiden edullisen valmistuksen, korkean hyötysuhteen ja säädettävän valonemitoinnin ansiosta. 

Perovskiitti-LEDit ovat myös saaneet merkittävää suosiota joustavuutensa, kevyen rakenteensa ja laajan väriskaalan ansiosta. Lisäksi PeLEDit voidaan valmistaa maapallon runsain määrin saatavilla materiaaleilla ja vähäenergiaisilla tekniikoilla. Nämä LEDit ovat saavuttaneet korkean hyötysuhteen punaisen, vihreän ja sinisen (RGB) värien alueella.

Viime vuosina PeLEDien vakaus on parantunut merkittävästi, mikä osoittaa lupaavaa potentiaalia niiden kaupallistamiselle. 

Kun pyritään saamaan innovatiivinen teknologia kaikkien saataville suuressa mittakaavassa, tekniset, taloudelliset ja ympäristölliset tekijät näyttelevät keskeistä roolia, mikä myös auttaa arvioimaan niiden kestävän kehityksen potentiaalia. Tällaisia tietoja PeLEDeistä kuitenkin puuttuu.

Lukuisat tutkimukset ovat arvioineet nousevien perovskiittisolarisolujen elinkaarivaikutuksia, mutta niiden tuloksia ei voida suoraan yleistää PeLEDeihin. Tämä johtuu perusoleellisesta erosta energianmuunnosmekanismeissa.

Toisin kuin LEDit, jotka muuntavat sähkön valoksi, aurinkokennot muuntavat valon sähköksi. Sitten on se tosiasia, että PeLEDit toimivat useilla aallonpituuksilla, mikä edellyttää monipuolisia toiminnallisia kerroksia ja erilaisia analyysejä eri väristen laitteiden osalta.

Siksi kattava elinkaarianalyysi (LCA), joka kattaa kaikki vaiheet, on tarpeen tunnistamaan tehokkaat polut PeLEDien kestävään kaupallistamiseen.

Uusi tutkimus on juuri tehnyt tämän ja havainnut, että seuraavan sukupolven LEDit ovat itse asiassa edullisia ja kestäviä.

Perovskiitt LEDien elinkaarianalyysi

Julkaistu Nature Sustainability¹, Linköpingin yliopiston tutkijat tarkastelivat nousevaa PeLED-teknologiaa elinkaarinäkökulmasta keskittyen kaupallistamiseen suuntautuvaan kestävyyteen.

“Perovskiitti-LEDit ovat halvempia ja helpompia valmistaa kuin perinteiset LEDit, ja ne voivat myös tuottaa eloisia ja intensiivisiä värejä, jos niitä käytetään näytöissä. Sanon, että tämä on seuraavan sukupolven LED-teknologia.”

– Feng Gao, optoelektroniikan professori Linköpingin yliopistossa

Gaon tutkimusryhmä työskenteli professor Olof Hjelmin, Hallinto- ja tekniikan laitoksen (IEI) sekä Ympäristötekniikan ja -hallinnon (MILJÖ) kanssa, sekä John Laurence Esgueran, joka on apulaisprofessori LiU:ssa, saadakseen paremman käsityksen siitä, miten markkinoilla tällä hetkellä olevat LEDit voidaan korvata perovskiittimateriaaleista valmistetuilla LEDeillä.

Perovskiittimateriaalit ovat luokka materiaaleja, joilla on ainutlaatuiset optoelektroniset ominaisuudet. Niillä on korkeat absorptiokertoimet, korkea elektronien ja aukkojen liikkuvuus sekä säädettävä energiakaista, lisäksi ne ovat kustannustehokkaita.

Kaupallistamisen arvioimiseksi tutkimusryhmä käytti yksityiskohtaista elinkaarinventaario (LCI) -arviota 18 kehittyneestä perovskiitti-LEDistä, jotka kattavat RGB-, valkoiset- ja lähinäkö- (NIR) aallonpituudet. Valitut laitteet osoittavat korkean teknisen suorituskyvyn ja ovat laajalti tunnustettuja.

Näiden tietojen perusteella tutkijat analysoivat PeLEDien ympäristövaikutuksia ja taloudellisia kustannuksia.

Tällainen analyysi vaatii selkeän järjestelmämääritelmän, mikä tarkoittaa, mitä siihen sisältyy, mutta se ei koske kustannuksia ja ympäristövaikutuksia.

Tämä viitekehys tutkii, mitä tapahtuu alusta alkaen tuotteen luomisesta siihen asti, kun sitä ei enää voida tutkia. Tuotteen elinkaari koostuu viidestä vaiheesta — raaka-aineiden tuotanto, valmistus, jakelu, käyttö ja purkaminen.

Periaatteessa kehdosta hautaan, mutta “Haluaisimme välttää haudan,” sanoi professori Hjelm. Kierrätyksen lisääminen tekee asiasta entistä monimutkaisempaa, kuten hän totesi. Hjelm lisäsi:

“Mutta tässä osoitamme, että tärkeintä on ajatella orgaanisten liuottimien uudelleenkäyttöä ja sitä, miten raaka-aineet tuotetaan, erityisesti jos ne ovat harvinaisia materiaaleja.”

Eräs erityinen näkökohta, jossa tämä elinkaarianalyysi tarjoaa ohjausta, on pieni määrä myrkyllistä lyijyä, jota PeLEDeissä on. Vaikka tämä on tärkeää perovskiittien toimivuuden kannalta, huomion ei tulisi kohdistua pelkästään lyijyyn, sillä LEDeissä on monia muita materiaaleja.

Arvokas metalli kulta on yksi näistä, ja siihen liittyy omat haasteensa. Hjelmin mukaan:

“Kullan tuotanto on äärimmäisen myrkyllistä. Sitä seuraa sivutuotteita kuten elohopea ja syanidi. Se kuluttaa myös paljon energiaa.”

Kullan myrkyllinen ja energiaintensiivinen tuotantoprosessi

Kulta (Au) on herättänyt ihmiskunnan ihailua ja huomiota antiikin ajoista lähtien kuin mikään muu hyödyke.

Tämä kiiltävä, keltainen metalli oli aikoinaan yleisesti hyväksytty maksuväline. Aikanaan Yhdysvaltain rahajärjestelmä perustui kultakantaan. Se on myös erittäin suosittu sijoitusvaihtoehto ja sitä käytetään inflaation suojaamiseen.

Tämän seurauksena kullan arvo nousi äskettäin uuteen kaikkien aikojen ennätykseen (ATH), kun XAUUSD ylitti 3 000 dollaria unssilta. Kullan hinnat ovat nousseet yli 15 % vuonna 2025, ja ne ovat kokeneet vahvan nousun lokakuusta 2023 lähtien, jolloin hinta oli noin 1 800 dollaria unssilta.

Arvostetun arvon säilyttämisen lisäksi kulta käytetään myös koruissa, lääketieteessä, elektroniikassa, avaruusteollisuudessa ja muilla aloilla sen monien houkuttelevien ominaisuuksien ansiosta.

Tämä kirkkaan keltainen metalli on pehmeä ja tarvitsee muita metalleja vahvistuakseen. Se on kuitenkin erittäin muovautuva, mikä tarkoittaa, että sen muotoa voidaan hallita voimalla. Sen lisäksi, että sitä lyödään ohuiksi levyiksi, sitä voidaan myös venyttää langoiksi.

Se ei ainoastaan ole tunnettu erittäin korroosionkestävyydestään, vaan on myös erinomainen lämmön- ja sähkönjohtaja.

Kulta on yksi tiheimmistä metalleista, tiheys noin 19,3 g/cm³. Sen sulamispiste on 1064,18 °C ja kiehumispiste 2836 °C. Lisäksi metalli, joka on vastustuskykyinen useimmille hapoille eikä reagoi helposti useimpien aineiden kanssa, on ei-magneettinen.

Näiden ominaisuuksien yhdistelmä tekee kullasta erittäin houkuttelevan älypuhelimissa, tietokoneissa, muissa kuluttajaelektroniikkalaitteissa, säteilysuojauksessa, painetuissa piireissä ja puolijärjestelmissä.

Kulta löytyy yleensä kvartsikivissä upotettuna, ja se louhitaan maasta suurten teollisten operaatioiden sekä pienten kaivoshankkeiden kautta.

Kultaa louhitaan joko maan pinnalta tai maanalaisista koloista, ja prosessointi tapahtuu kaivosalueella. Prosessi alkaa murskauksella, jonka jälkeen malmi käsitellään kemikaaleilla kullan erottamiseksi, jonka jälkeen se käy läpi prosesseja kuten sulatus kullan palkin valmistamiseksi. Palkki kuljetetaan jalostamoon puhtaan kullan tuottamiseksi myyntiin.

Metallin korkea arvo ja sen erinomainen käyttö tekevät kullan kaivannasta merkittävän ja maailmanlaajuisen teollisuuden. Tämä laajasti harjoitettu prosessi on erityisen suosittu joissakin Afrikan ja Etelä-Amerikan maissa, joissa se voi tuottaa viisi kertaa enemmän kuin kalastus, maatalous ja metsätalous.

Kullan kaivaminen ei kuitenkaan ole puhdas prosessi, vaan myrkyllinen ja resurssintensiivinen, joka aiheuttaa merkittäviä ympäristö- ja terveysriskejä.

Kullan tuotanto aiheuttaa CO₂-päästöjä muiden ympäristöriskien lisäksi, kuten maaperän saastumista, maankäytön heikkenemistä, vesien ja ilman saastumista sekä elinympäristöjen tuhoutumista.

Tässä mukana oleva myrkyllinen jäte sisältää jopa kolmekymmentä vaarallista kemikaalia, kuten lyijyä, elohopeaa, syanidia, arsenikkia, happoja ja öljytuotteiden sivutuotteita.

Happomyrkytyksen (AMD) vaikutus, termi joka viittaa kaivosyritysten säännöllisesti meriin, järviin, jokiin ja puroihin kaatamiin saastuneisiin vesiin, on moninainen, mikä tekee toipumisesta tällaisista jätteistä äärimmäisen vaikeaa.

Koska kullan kaivaminen on niin haitallista planeetalle ja sen asukkaille, tämän arvokkaan metallin korvaaminen alumiinilla, nikkelillä tai kuparilla LEDeissä tarjoaisi merkittävän ympäristöhyödyn, uskoo uusi tutkimus. Sillä välin pieni määrä lyijyä voidaan säilyttää, jotta LED toimii optimaalisesti.

Edulliset ja kestävät seuraavan sukupolven LEDit

Perovskiitti-LEDit, tutkimuksen mukaan, voidaan menestyksekkäästi muuttaa kannattavaksi markkinatarjoukseksi. Tutkimus totesi, että PeLEDeillä on suuri potentiaali pitkän aikavälin kaupallistamiseen. Tutkimuksen mukaan:

“Tulevaisuuden PeLEDit, jotka kehitetään massatuotannon kautta, lupaavat vahvasti saavuttaa kilpailukykyisen aseman eri valaistusteknologioiden joukossa sekä ympäristö- että talousnäkökulmasta.”

Kestävän kaupallistamisen polku, tutkimuksen mukaan, koostuu kolmesta kriittisestä pilarista — ympäristö-, talous- ja tekniset tekijät. Nämä tekijät vastaavat keskeisten sidosryhmien intressejä: tuottajat, jotka tavoittelevat yrityksen kannattavuutta ja sijoitetun pääoman tuottoa, koordinaattori, joka sisältää hallituksen lainsäädännön ja politiikan, sekä asiakkaat, jotka maksavat tuotteesta.

Tutkimuksen elinkaarianalyysin tulokset osoittavat, että perovskiitti-LEDien ympäristövaikutukset johtuvat pääosin aineiden ja sähkön syötteistä tuotannon aikana. Jakeluvaihe, eli kuljetus, puolestaan vaikuttaa alle 5 % kokonaisvaikutuksista, ja sen optimointi riippuu teollisuuden resursseista.

Myrkyllisyyden lähteistä tutkimus totesi, että raskasmetallit raaka-aineiden tuotannosta ovat pääasiallisia tekijöitä PeLEDien koko elinkaaren aikana. Tulokset osoittavat myös, että lyijytöntä (Pb) perovskiittia käyttäminen ei itsessään vähennä ympäristövaikutuksia.

Syynä on se, että emissio-kerros on hyvin ohut, vain kymmeniä nanometrejä, jolloin Pb:n osuus perovskiitti-LEDien kokonaisympäristövaikutuksista on minimaalinen.

Tutkimus tarkasti kullan vahvana tekijänä ja mainitsi merkittävän tapauksen, jossa NIR PeLEDien kulta (Au) katodit aiheuttivat yli 100 kertaa suuremmat ympäristövaikutukset kuin laitteet, jotka eivät käyttäneet kultaa. Tämä ero johtui kullan kaivuun liittyvästä korkeasta saastumisesta ja energiankulutuksesta. Se paheni Au:n tiheyden vuoksi, joka on seitsemän kertaa alumiinin (Al) tiheys.

Tämä korostaa, että lyijyttömät teknologiat eivät aina takaa pienempää ekotoksisuutta.

Siksi tutkijat huomauttivat, että yleinen käsitys siitä, että Pb on perovskiitti-LEDien pääasiallinen myrkyllisyyden lähde, ei ole vain epätoivottavaa, vaan myös vaarantaa huomion siirtymisen muista kriittisistä saasteista.

Kustannusten osalta tekno-ekonominen arvio osoittaa, että tulevien PeLEDien hinta on noin 100 USD/m², mikä on verrattavissa kaupallisten orgaanisten LED-paneelien kustannuksiin.

Näin ollen PeLEDien alhaisemmat kustannukset ja pienemmät ympäristövaikutukset voivat jopa mahdollistaa niiden korvaamisen nykyisillä LEDeillä. Mutta ongelma liittyy niiden pitkäikäisyyteen. Tämä merkittävä haaste on kuitenkin ratkennut perovskiitti-LEDien nopeutetun kehityksen myötä, ja niiden käyttöikä kasvaa.

Tutkijat ehdottivat itse asiassa suhteellista vaikutusten lieventämisaikaa (RIMT) uutena parametrina, jolla kvantifioidaan perovskiitti-LEDien elinikä, joka tarvitaan kestävyyden saavuttamiseksi. Tutkimus totesi:

“RIMT edustaa vähimmäisaikaa, joka tarvitaan suhteellisten vaikutusten lieventämiseen ottaen huomioon sisäiset ja ulkoiset suhteelliset vaikutukset samanaikaisesti.”

Tutkimuksen mukaan perovskiitti-LEDien on saavutettava käytännöllinen tavoite noin 10 000 tuntia käyttöikäänsä, jotta ympäristövaikutus olisi positiivinen. Tämä on tutkijoiden mukaan saavutettavissa. Tällä hetkellä parhaat PeLEDit kestävät kuitenkin vain satoja tunteja.

Tämän arvioinnin avulla tutkijat pyrkivät muuttamaan LED-tutkimuksen kenttää, jossa tähän mennessä on keskitytty LEDien teknisen suorituskyvyn parantamiseen.

“Haluamme, että kehittämämme tuotteet otetaan käyttöön todellisessa maailmassa. Mutta sitten meidän, tutkijoiden, on laajennettava näkökulmaamme. Jos tuotteella on korkea tekninen suorituskyky, mutta se on kallis eikä ympäristön kannalta kestävä, se ei välttämättä ole markkinoilla erittäin kilpailukykyinen. Tämä ajattelutapa ohjaa yhä enemmän tutkimustamme.”

– Muyi Zhang, tohtorikoulutettava LiU:n fysiikan, kemian ja biologian laitoksessa

Tutkimus totesi myös, että valomääräisyys vaatii lisätutkimusta tulevien PeLED-tuotteiden energiatehokkuuden parantamiseksi.

Innovatiivinen yritys

Universal Display Corp

Vaikka perovskiitti-LEDit ovat eturintamassa valaistuksen ja visuaalisten näyttöjen tulevaisuudessa, markkinoita hallitsevat tällä hetkellä nestekidenäytöt (LCD) ja orgaaniset valoa emittoivat diodit (OLED).

OLED-alueella Universal Display (OLED ) Corp (UDC) on merkittävä nimi, joka tutkii, kehittää ja lisensoi OLED-teknologioita ja -materiaaleja näytöille ja valaistukselle. 

Vuonna 1994 perustettu UDC on johtanut OLED-teknologian innovaatiota omalla UniversalPHOLED-fosforenssi-OLED-teknologiallaan. Se kehittää ja myy myös korkean suorituskyvyn PHOLED-materiaaleja ja tarjoaa erilaisia OLED-teknologioita, kuten FOLEDit (Joustavat OLEDit), joita käytetään tableteissa ja taittuvissa älypuhelimissa; TOLEDit (Läpinäkyvät OLEDit), joita käytetään ikkunoissa ja näytöissä, sekä WOLEDit (Valkoiset OLEDit), joita käytetään valaistussovelluksissa. Yritys kehittää myös OVJP Organic Vapor Jet Printing -tekniikkaa.

Markkina-arvolla 7,1 miljardia dollaria OLED-osakkeet kaupankäynnissä tällä hetkellä ovat 149,90 $, nousussa 2,84 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 4,66 ja P/E (TTM) -suhde on 32,24. Osinkotuotto on 1,20 %.

Yrityksen taloustietojen osalta Universal Display Corporation raportoi äskettäin Q4 2024 -tuloksensa. Tänä aikana yrityksen liikevaihto oli 162,3 miljoonaa dollaria, nousussa 158,3 miljoonasta 4Q23:sta. Tämä sisälsi 93,3 miljoonaa dollaria materiaalimyynnistä vahvistuneen emitterimateriaalien kysynnän vuoksi sekä 64,4 miljoonaa dollaria rojaltimaksuista ja lisenssimaksuista. Materiaalimyynnin kustannus oli samalla hieman korkeampi, 34,2 miljoonaa dollaria.

Nettotulos oli 46 miljoonaa dollaria, mikä laski 62 miljoonasta viime vuonna, ja liiketulos oli 52,5 miljoonaa dollaria, mikä laski 64,7 miljoonasta. Nettotulos oli 46,0 miljoonaa dollaria tai 0,96 $ laimennettua osaketta kohden Q4:ssä. Neljännesvuosittainen osinko nousi samalla 12 %:lla 0,45 $ per osake.

Koko vuoden 2024 osalta UDC raportoi 647,7 miljoonaa dollaria liikevaihtoa, 12 %:n kasvun 576,4 miljoonasta edellisvuonna. Nettotulos oli 222 miljoonaa dollaria, 9 %:n nousu vuodesta 2023.

“Olemme iloisia voidessamme raportoida, että vuosi 2024 oli ennätyksellinen vuosi vahvasta taloudellisesta suorituskyvystä. OLED-teollisuudessa tuotevalmiuspolut laajenevat, ja johtavat paneelivalmistajat investoivat uusiin tehdaslaitoksiin vastatakseen kasvavaan kysyntään, erityisesti nousevilla IT- ja autoteollisuuden markkinoilla. Uskomme, että tämä uusi investointikierros raivaa tietä merkittävälle uudelle OLED-kapasiteetille, uusille OLED-tuotteille ja uusille OLED-ottajille.”

– CFO Brian Millard

Vuodelle 2025 yritys odottaa liikevaihdon olevan 640 miljoonaa–700 miljoonaa dollaria. Näin ollen UDC ennustaa kasvua jopa 8 % tai 1 %:n laskua liikevaihdossa.

Sinisen fosforenssimateriaalien (PHOLED) ja kaupallistamisen aikataulusta UDC kertoi, että se on lähempänä kuin koskaan, kutsuen kaupallistamista “merkittäväksi harppaukseksi OLED-teknologiassa.” Luottavaisena kyvyssään toimittaa sininen PHOLED, yritys sanoi, että kaupallinen käyttöönotto kestää vain kuukausia eikä vuosia, vaikka se ei odota saavansa siitä merkittävää liikevaihtoa tänä vuonna.

Siirtyminen fluoresoivasta fosforenssiin siniseen merkitsee suurta muutosta, joka johtaa massiiviseen nousuun (neljänneksestä 100 %:iin) sisäiseen valotehokkuuteen sinisissä OLED-näytöissä samalla kun niiden virrankulutus vähenee.

OVJP-projektin osalta yritys aikoo sulkea OVJP-keskuksensa Kaliforniassa, kun taas uusi tytäryhtiö nimeltä Universal Vapor Jet Corporation on perustettu Singaporessa hoitamaan OVJP:n kaupallistamista. UDC uskoo OVJP:n olevan huipputeknologiaa suurialueisten näyttöjen valmistukseen.

Uusimmat tiedot Universal Display Corporationista

Yhteenveto

Perovskiitti-LEDit (PeLEDit) saavat yhä enemmän merkitystä seuraavan sukupolven valonlähteenä niiden korkean hyötysuhteen ja laajan sovellusalueen potentiaalin vuoksi, mikä tekee niistä lupaavia näyttö- ja valaistussovelluksiin.

Kuten viimeisin tutkimus osoittaa, niiden alhaisempi kustannus ja ympäristövaikutus voivat mahdollistaa niiden korvaamisen nykyisillä LEDeillä. Ympäristövaikutuksia voidaan vähentää merkittävästi keskittymällä kultaan lyijyn sijaan. Kullan (Au) korvaaminen kestävämmillä materiaaleilla, kuten alumiinilla tai nikkelillä, auttaa ratkaisemaan kullan kaivuun aiheuttamia haasteita ja vähentää dramaattisesti PeLED-tuotannon ekologista jalanjälkeä.

Vaikka perovskiitti-LEDit osoittavat suurta potentiaalia, niiden kaupallistuminen riippuu käyttöiän ja valotehokkuuden parantamisesta. Kun elinikähaasteita käsitellään yhdessä edullisen tuotannon, kestävän valmistuksen ja eloisien värien kanssa, PeLEDit voivat mullistaa LED- ja näyttömarkkinat ja saavuttaa laajan käyttöönoton.

Viitteet:

1. Zhang, M., Ma, X., Esguerra, J. L., et al. (2025). Towards sustainable perovskite light-emitting diodes. Nature Sustainability. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01503-7