Kultatuotanto on myrkyllistä. Voivatko LED-valot lopettaa riippuvuutemme siitä?

Valaistus- ja näyttöteknologian maailmassa valonemittovat diodit eli LEDit ovat johtaneet markkinoita energiatehokkuutensa, pitkän käyttöikänsä ja kykynsä tuottaa elävänvärisiä värejä ansiosta.

Diodi, joka on valmistettu puolijohteista, sallii virran kulkeutumisen yhteen suuntaan ja estää sen toisessa suunnassa. Valonemittova diodi (LED) on yksinkertaisesti puolijohde, joka tuottaa valoa, kun sähkövirta kulkee sen läpi.

LEDien nousu muutti tapamme käyttää valoa säteilemällä valoa elektroluminesenssin kautta ja vallankumouksellistamalla näyttötekniikoita.

LEDien joukossa perovskitti-valonemittovat diodit (PeLEDit) ovat erityisesti lupaavia tekniikoita näyttö- ja valaistussovelluksissa niiden alhaisen valmistuskustannuksen, korkean tehokkuuden ja säädettävän valonemission ansiosta.

Perovskitti-LEDit ovat myös saaneet merkittävää huomiota niiden joustavan, kevyen suunnittelun ja laajan värikirjon ansiosta. Lisäksi PeLEDit voidaan valmistaa maapallon runsaasti olevista materiaaleista ja matala-energiatarkastelumenetelmin. Nämä LEDit ovat saavuttaneet korkeat tehokkuudet punaisen, vihreän ja sinisen (RGB) värien yli.

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

Innovaatiivisen teknologian saataville asettamisessa kaikille mittakaavassa tekniset, taloudelliset ja ympäristötekijät ovat kriittisiä, mikä auttaa arvioimaan niiden kestävän potentiaalin. Tämä tieto on kuitenkin puutteellinen PeLEDien osalta.

Useat tutkimukset ovat arvioineet uusien perovskitti-aurinkosolujen elinkaaren vaikutuksia, mutta niiden tuloksia ei voida suoraan yleistää PeLEDien osalta. Tämä johtuu energianmuunnoksen perustavanlaatuisesta erosta.

Toisin kuin LEDit, jotka muuttavat sähköä valoksi, aurinkosolut muuttavat valoa sähköksi. Sitten on se tosiasia, että PeLEDit toimivat useiden aallonpituuden yli, mikä vaatii monipuolisia toiminnallisia kerrosmateriaaleja ja erilaisia analyysejä erivärisille laitteille.

Niinpä kattava elinkaaren arviointi (LCA), joka kattaa kaikki vaiheet, on välttämätön tehokkaiden keinojen tunnistamiseksi PeLEDien kestävän kaupallistamiseksi.

Uusi tutkimus on tehnyt juuri tämän ja havainnut, että seuraavan sukupolven LEDit ovat tosiasiassa halpoja ja kestäviä.

Perovskitti-LEDien elinkaaren arviointi

Julkaistu Nature Sustainability¹ -tutkimuksessa Linköpingin yliopiston tutkijat tarkastelivat nousevaa PeLED-tekniikkaa elinkaaren näkökulmasta kaupallistamisoriientoituneen kestävyyden kannalta.

“Perovskitti-LEDit ovat halvempia ja helpompia valmistaa kuin perinteiset LEDit, ja ne voivat myös tuottaa elävänvärisiä ja voimakkaita värejä, jos niitä käytetään näytöissä. Sanon, että tämä on seuraava sukupolvi LED-tekniikassa.”

– Feng Gao, Linköpingin yliopiston optoelektroniikan professori

Gao:n tutkimusryhmä työskenteli professori Olof Hjelmin ja apulaisprofessori John Laurence Esguerran kanssa saadakseen paremman käsityksen siitä, miten markkinoilla olevat LEDit voidaan korvata perovskitti-pohjaisilla LEDeillä.

Perovskitti-materiaalit ovat materiaalien luokka, jolla on ainutlaadukkaat optoelektroniset ominaisuudet. Niillä on korkeat absorptiokerroin, korkeat elektronin ja reiän liikkuvuus ja säädeltävä vyöhyke, ja ne ovat myös kustannustehokkaita.

Nyt, arvioidakseen niiden kaupallistamista, tutkimusryhmä käytti yksityiskohtaista elinkaaren inventointi-arviointia 18 edistyneestä perovskitti-LEDistä, jotka kattoivat RGB-, valkoisen ja lähellä-infrapuna (NIR) -aallonpituudet. Valitut laitteet ovat teknisesti korkean suorituskyvyn omia ja laajalti tunnustettuja.

Tästä datasta tutkijat analysoivat PeLEDien ympäristövaikutuksia ja taloudellista kustannusta.

Tällainen analyysi vaatii selkeän järjestelmämäärittelyn, mikä tarkoittaa sitä, mitä se sisältää, mutta se ei liity kustannuksiin ja ympäristövaikutuksiin.

Tämä viitekehyksessä tutkitaan, mitä tapahtuu alusta alkaen, kun tuote luodaan, kunnes se ei voida enää tutkia. Niinpä tuotteen elinkaarella on viisi vaihetta – raaka-aineen tuotanto, valmistus, jakelu, käyttö ja poistaminen.

Periaatteessa koko elinkaaren ajan, “haluamme välttää hautaan”, sanoi professori Hjelm. Lisää kierrätys siihen, ja kuten hän huomautti, asiat tulevat monimutkaisemmiksi. Hjelm lisäsi:

“Mutta tässä osoitamme, että on tärkeää ajatella orgaanisten liuottimien uudelleenkäyttöä ja miten raaka-aineita valmistetaan, erityisesti jos ne ovat harvinaisia materiaaleja.”

Erityinen näkökohta, jossa tämä elinkaaren analyysi tarjoaa ohjausta, on se, että perovskitti-LEDit sisältävät pieniä määriä myrkyllistä lyijyä. Vaikka tämä on tärkeää perovskitteja varten, että ne toimisivat tehokkaasti, tarkastelun ei pitäisi kohdistua vain lyijyyn, koska LEDeissä on muitakin materiaaleja.

Arvokas metalli kultaa on yksi, ja se tuo omat haasteensa. Professori Hjelmin mukaan:

“Kullan tuotanto on erittäin myrkyllistä. Siihen liittyy sivutuotteita, kuten elohopeaa ja syaani. Se on myös erittäin energiankulutuksellista.”

Myrkyllinen ja energiankulutuksellinen kultatuotantoprosessi

Kulta (Au) on kiehtonut ja kiinnostanut ihmisyhteiskuntia muinaisista ajoista lähtien tavalla, jota mikään muu hyödyke ei ole.

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

Tämän seurauksena kullan arvo on noussut uuteen ennätykseen (ATH), kun XAUUSD ylitti 3 000 dollaria unssia. Kullan hinnat ovat nousseet yli 15 % vuonna 2025 ja ne ovat olleet vahvassa nousussa lokakuusta 2023 lähtien, jolloin se oli noin 1 800 dollaria unssia.

Kullan lisäksi sen käytetään koruissa, lääketieteessä, elektroniikassa, avaruusteollisuudessa ja muissa teollisuuskohteissa sen monien houkuttelevien ominaisuuksien ansiosta.

Tämä kirkas keltainen metalli on pehmeä ja vaatii muita metalleja saadakseen voimaa. Se on kuitenkin erittäin muovautuva, mikä tarkoittaa, että sen muotoa voidaan hallita voimalla. Se voidaan myös muotoilla ohuiksi levyiksi ja vedä näppien läpi.

Se on myös erittäin hyvä lämmön- ja sähkönjohtaja.

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

Näiden ominaisuuksien yhdistelmä tekee kullasta erittäin houkuttelevan älypuhelimissa, tietokoneissa, muissa kulutuselektroniikassa, säteilynsuojauksessa, painettuissa piireissä ja puolijohdesysteemeissä.

Kultaa tavataan yleensä kvartsi-suonten sisällä, ja sitä eristetään maasta suurimittakaavaisilla teollisilla toimilla ja pienmittakaavaisella kaivostoiminnalla.

Kultaa kaivataan joko pinta- tai maanalaista kaivostoimintaa, ja prosessi tapahtuu kaivoskohteessa. Prosessi alkaa murskaamisella, ja sitten malmi käsitellään kemikaaleilla kultaa eristämiseksi, ja se kulkee prosesseja kuten sulattamista, jotta voidaan valmistaa kultapalkkeja. Palkki kuljetetaan jalostamoille puhdistettavaksi myyntikelpoiseksi kullaksi.

Kullan korkea arvo ja sen erinomaiset sovellukset tekevät kultakaivostoiminnasta suuren ja maailmanlaajuisen teollisuuden. Tämä laajalti harjoitettu prosessi on erityisesti suosittu joissakin Afrikan ja Etelä-Amerikan maissa, joissa se voi tuottaa viisi kertaa enemmän kuin kalastus, maatalous ja metsänhoito.

Kultakaivostoiminta ei kuitenkaan ole puhdas prosessi, vaan se on myrkyllinen ja resursseja kuluttava, joka aiheuttaa merkittäviä ympäristö- ja terveyshaittoja.

Kullan tuotanto aiheuttaa CO2-päästöjä ja muita ympäristövaikutuksia, kuten maaperän saastumista, maan käytön heikentymistä, veden ja ilman saastumista ja elinympäristön tuhoutumista.

Tämänkaltaisen myrkyllisen jätteen vaikutukset ovat moninaisia, ja niistä toipuminen on erittäin vaikeaa.

Kun kultakaivostoiminta on niin haitallista planeetalle ja ihmisille, kultaa korvaaminen esimerkiksi alumiinilla, nikkeli tai kuparilla LEDeissä antaisi suuren ympäristöhyödyn, kuten uusi tutkimus toteaa. Samaan aikaan pieni määrä lyijyä voidaan säilyttää, jotta LED toimii optimaalisesti.

Halvat ja kestävät seuraavan sukupolven LEDit

Perovskitti-LEDit voivat olla onnistuneesti muutettavissa kannattavaksi markkinatuotteeksi. Tutkimus osoitti, että PeLEDit ovat lupaavia kaupallistamiselle pitkällä aikavälillä. Tutkimuksen mukaan:

“Tulevaisuuden PeLEDit, jotka kehitetään suurmittakaavaisella valmistuksella, lupaavat saavuttaa kilpailukykyisen aseman eri valaistusteknologioiden joukossa sekä ympäristöllisesti että taloudellisesti.”

Kestävän kaupallistamisen reitti, kuten tutkimus osoittaa, on kolme kriittistä pilaria – ympäristö, talous ja tekniset tekijät. Nämä tekijät ovat linjassa avainosapuolten etujen kanssa: tuottajat etsivät yritysten kannattavuutta ja sijoitusten tuottoa, koordinaattorit, jotka käsittävät hallituksen lainsäädäntöä ja politiikkaa, ja asiakkaat, jotka maksavat tuotteesta.

Tutkimuksen elinkaaren arviointitulokset osoittavat, että perovskitti-LEDien ympäristövaikutukset johtuvat pääasiassa aineiden ja sähkön syöttämistä valmistuksen aikana. Jakeluvaihe, eli kuljetus, vaikuttaa vähemmän kuin 5 % kokonaisvaikutuksiin, ja sen optimointi riippuu teollisista resursseista.

Myrkyllisyyslähteiden osalta tutkimus totesi, että raskasmetallit raaka-aineiden tuotannosta ovat pääasiallisia vaikuttajia koko PeLEDien elinkaaren ajan. Tutkimuksen tulokset osoittavat myös, että lyijyvapaat perovskitit eivät välttämättä vähennä ympäristövaikutuksia.

Se johtuu siitä, että ohut emissiokerros, joka on vain kymmenen nanometrin paksuinen, vähentää lyijyn vaikutusta perovskitti-LEDien ympäristövaikutuksiin.

Tutkimus osoitti itse asiassa kultaa voimakkaana vaikuttajana ja mainitsi erityisesti kultakathodien (Au) tapauksen lähellä-infrapuna PeLEDissä, jossa ympäristövaikutukset olivat yli 100 kertaa suuremmat kuin laitteissa, jotka eivät käyttäneet kultaa. Tämä ero johtui kultakaivostoiminnan suuresta saastumisesta ja energiankulutuksesta.

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

Tutkijat huomauttivat, että yleinen käsitys, jonka mukaan lyijy on pääasiallinen myrkyllisyyden lähde perovskitti-LEDissä, ei ole vain epäsuotava vaan myös siirtää huomion muilta tärkeiltä saastuttajilta.

Kun on kyse kustannuksista, teknis-taloudellinen arviointi osoittaa, että tulevaisuuden PeLEDien kustannus on noin 100 USD/m², mikä on vertailukelpoinen kaupallisten orgaanisten LED-paneelien kustannuksiin.

Niinpä PeLEDien alhaisemmat kustannukset ja vähäisemmät ympäristövaikutukset voivat mahdollisesti korvata olemassa olevat LEDit. Mutta ongelma ilmenee niiden kestossa. Tämä suuri ongelma kuitenkin ratkaistaan perovskitti-LEDien nopean kehityksen kautta, ja niiden käyttöikä on kasvamassa.

Tutkijat esittivät suhteellisen vaikutuksen lieventämisaikan (RIMT) uutena parametrina mittaamaan elinikää, joka vaaditaan perovskitti-LEDien kestävyyden saavuttamiseksi. Tutkimus totesi:

“RIMT edustaa vähintään vaadittavaa aikaa suhteellisten vaikutusten lieventämiseksi, ottaen huomioon sekä sisäiset että ulkoiset suhteelliset vaikutukset samanaikaisesti.”

Tutkimuksen mukaan perovskitti-LEDien on saavutettava käytännöllinen tavoite noin 10 000 tunnin elinikä ympäristövaikutuksen positiivisuuden saavuttamiseksi. Tämä on saavutettavissa, kuten tutkijat toteavat. Toistaiseksi parhaat PeLEDit voivat kestää satoja tunteja.

Tällä arviointityöllä tutkijat pyrkivät tuomaan muutoksen LED-tutkimuksen alalle, jossa tähän asti on keskitytty parantamaan teknistä suorituskykyä.

“Halumme, että kehittämämme asiat ovat käytettävissä oikeassa maailmassa. Mutta sitten meidän tutkijoiden on laajennettava näkökulmaamme. Jos tuotteella on korkea tekninen suorituskyky, mutta se on kallista ja ei ole ympäristöystävällistä, se ei välttämättä ole kilpailukykyinen markkinoilla. Tämä ajattelutapa tulee ohjaamaan tutkimustamme yhä enemmän.”

– Muyi Zhang, Linköpingin yliopiston fysiikan, kemian ja biologian osaston PhD-opiskelija

Tutkimus huomautti myös, että valon tuottavuuden tarvitsee lisätutkimusta edistääkseen tulevien PeLED-tuotteiden energiatehokkuutta.

Innovaatiollinen yritys

Universal Display Corp (OLED )

Vaikka perovskitti-LEDit ovat edelläkävijöitä valaistuksen ja visuaalisten näyttöjen tulevaisuudessa, markkinaa hallitsevat tällä hetkellä nestekidenäyttöt (LCD) ja orgaaniset valonemittovat diodit (OLED).

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

Perustettu vuonna 1994, UDC on johtanut OLED-teknologian innovaatiota sen omistaman UniversalPHOLED-fosfori-OLED-tekniikan ansiosta. Se kehittää ja myy myös korkean suorituskyvyn PHOLED-materiaaleja ja tarjoaa erilaisia OLED-tekniikoita, kuten FOLED (joustavia OLED), joita käytetään taulu- ja taittuviin älypuhelimissa; TOLED (läpinäkyviä OLED), joita käytetään ikkunoissa ja näytöissä, ja WOLED (valkoisia OLED), joita käytetään valaistussovelluksissa. Yritys kehittää myös ja tarjoaa OVJP (Organic Vapor Jet Printing).

Markkina-arvolla 7,1 miljardia dollaria OLED-osakkeet ovat tällä hetkellä kaupassa 149,90 dollarissa, mikä on 2,84 %:n nousu vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 4,66, ja P/E (TTM) -suhde on 32,24. Dividendi on 1,20 %.

Yrityksen taloudellisista tiedoista Universal Display Corporation ilmoitti hiljattain tuloksensa Q4 2024:sta. Tuona aikana yrityksen liikevaihto oli 162,3 miljoonaa dollaria, mikä oli nousua verrattuna 158,3 miljoonaan dollariin Q4 2023:sta. Tämä sisälsi 93,3 miljoonaa dollaria materiaalien myyntituloja vahvistuneen emitterimateriaalien kysynnän ansiosta ja 64,4 miljoonaa dollaria rojalti- ja lisensointituloja. Materiaalien myyntikustannukset olivat hieman korkeammat tällä kertaa, 34,2 miljoonaa dollaria.

Nettotulot olivat 46 miljoonaa dollaria, mikä laski 62 miljoonasta dollaria edellisvuodelta, ja liikevoitto oli 52,5 miljoonaa dollaria, mikä laski 64,7 miljoonasta dollaria. Nettotulos oli 46,0 miljoonaa dollaria eli 0,96 dollaria osakkeelta. Neljännesvuosittainen dividendin nousi 12 %:iin 0,45 dollariin osakkeelta.

Koko vuoden 2024 osalta UDC ilmoitti 647,7 miljoonan dollarin liikevaihdon, mikä oli 12 %:n kasvu edellisvuodesta. Nettotulos oli 222 miljoonaa dollaria, mikä oli 9 %:n kasvu vuodesta 2023.

“Olemme tyytyväisiä ilmoittamaan, että vuosi 2024 oli vahvan taloudellisen suorituskyvyn vuosi. OLED-teollisuudessa tuotteen tiekartat laajenevat, ja johtavat paneelivalmistajat investoivat uusiin laitoksiin kohtaamaan kasvavaa kysyntää, erityisesti uusissa IT- ja autoteollisuuden sovelluksissa. Uskomme, että tämä uusi investointijakso mahdollistaa merkittävän uuden OLED-kapasiteetin, uudet OLED-tuotteet ja uudet OLED-asiakkaat.”

– CFO Brian Millard

Nyt vuodelle 2025 yritys odottaa liikevaihtoa 640-700 miljoonan dollarin välillä. UDC ennustaa siten kasvua jopa 8 %:iin tai 1 %:n laskua liikevaihdossa.

Sinisen fosforin (PHOLED) materiaalien ja kaupallistamisen aikataulusta UDC totesi, että se on lähempänä kuin koskaan, ja kutsui kaupallistamista “merkittäväksi askelksi OLED-teknologian kehityksessä”. Yritys on myös varma kyvystään toimittaa kaupallisen sinisen PHOLED:n, mutta se ei odota merkittävää tulosta siitä tänä vuonna.

Tämä siirtyminen fluoresoivasta fosforoivaan siniseen merkitsee suurta siirtymää, joka johtaa merkittävään (neljäsosaan) sisäisen valon tehokkuuden kasvuun sinisissä OLED-näytöissä ja vähentää niiden virrankulutusta.

OVJP-projektin osalta yritys aikoo sulkemisen OVJP-keskuksensa Kaliforniassa, ja uusi tytäryhtiö Universal Vapor Jet Corporation on perustettu Singaporeen OVJP:n kaupallistamista varten. UDC uskoo OVJP:n olevan uraauurtava teknologia suurten näyttöjen valmistukseen.

Uusimmat tiedot Universal Display Corporationista

Johtopäätös

Perovskitti-LEDit (PeLEDit) saavat paljon huomiota seuraavan sukupolven valonlähteenä niiden korkean tehokkuuden ja laajan soveltamismahdollisuuksien ansiosta, mikä tekee niistä lupaavia näyttö- ja valaistussovelluksissa.

Kuten viimeisin tutkimus osoittaa, niiden alhaisemmat kustannukset ja ympäristövaikutukset voivat mahdollisesti korvata olemassa olevat LEDit. Ympäristövaikutukset voidaan vähentää keskittymällä kultaan eikä lyijyyn. Kultaa voidaan korvata kestävämmin materiaalein, kuten alumiinilla tai nikkeli, mikä auttaa ratkaisemaan kultakaivostoiminnan haasteita ja vähentämään merkittävästi ekologisen jalanjäljen PeLED-tuotannossa.

Vaikka perovskitti-LEDit osoittavat suurta potentiaalia, niiden kaupallistuminen riippuu elinikänsä ja valon tuottavuutensa parantamisesta. Ratkaisemalla kestävyysongelmat samalla, kun otetaan huomioon alhaiset tuotantokustannukset, kestävä valmistus ja elävänväriset värit, PeLEDit voivat muuttaa LED- ja näyttömarkkinaa ja saavuttaa laajan hyväksynnän.

Viitatut tutkimukset:

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