Sijoittaminen Nobel-palkinnon saavutuksiin – Sininen valoa säteilevät LED-diodit valaisevat tulevaisuutta

Arkipäiväinen vallankumous

Jotkut Nobel-palkinnot fysiikassa on annettu vallankumouksellisista muutoksista perusymmärrykseemme maailmankaikkeudesta, mustista aukoista (2020) alkeishiukkasiin (2013) tai maailmankaikkeuden laajenemiseen (2011). Toiset palkitsevat näennäisesti vähemmän “arkisia” löytöjä, jotka ovat silti täysin ansaitsevia voitettavaksi niiden kestävän ja radikaalin vaikutuksen vuoksi ihmiskuntaan.

Vuoden 2014 Nobel-palkinto, joka myönnettiin Isamu Akasakille, Hiroshi Amanolle ja Shuji Nakamuralle sinisen valoa säteilevien diodien löytämisestä, on yksi niistä.

LED-diodit, jotka pystyvät säteilemään punaista, keltaista ja vihreää valoa, ovat olleet tunnettuja LED-teknologian keksimisestä lähtien. Kuitenkin valkoisen valon tuottamiseksi LED-diodit tarvitsevat sinistä valoa, ja tämän saavuttaminen osoittautui vaikeaksi.

Oikea valon tyyppi

Kvanttienergia

Miksi sinisen valon tuottaminen LED:llä on niin vaikeaa, johtuu LED-diodien perusfysiikasta.

LEDit tuottavat valoa kvanttifysiikan periaatteiden ansiosta. Yksinkertaistetussa kvanttifysiikassa atomit koostuvat ytimestä, jonka ympärillä kiertää yksi tai useampi elektroni, vähän kuin Maa Auringon ympärillä.

Kvanttimekaniikan sääntöjen mukaan nämä elektronit voivat kiertää atomin ytimen ympärillä vain ennalta määrätyillä tasoilla, jotka määräytyvät tietyn energiatason perusteella. Kun elektroni siirtyy korkeammasta alhaisempaan energiatason, ylimääräinen energia vapautuu valona.

Matala-energisellä valolla on taipumus olla valospektrin “punaisella” puolella, kun taas korkea-energisellä valolla on taipumus olla spektrin sinisellä puolella.

Lähde: Online Learning College

LED-perusteet

Tämä atomien kyky säteillä valoa, joka perustuu perusfysiikkaan, on LED-diodien perusperiaate. Käytännössä tarvitaan vielä muutamia tarkempia ominaisuuksia.

LED-diodin luomiseksi tarvitset ensin materiaaleja, jotka ovat puolijohteita, eli kykenevät joko johtamaan sähkövirran tai estämään sen (siksi “semi”-etuliite).

Sinun täytyy sitten yhdistää 2 erilaista puolijohdetta:

• Yksi, joka voi luovuttaa elektroneja, kutsutaan myös “n-tyypiksi”.
• Toinen, jossa on ylimääräistä tilaa vastaanottaa kyseisiä elektroneja, kutsutaan myös “p-tyypiksi”.

LED:issä käytetyillä puolijohdeyhdistelmillä on “energiaväli” (band gap), jossa kahden materiaalin välillä on merkittävä energiapotentiaalin ero.

Kun elektronit siirtyvät yhdestä puolijohteesta toiseen, vapautuva energia muuttuu diodista halutuksi valoksi.

Lähde: BYJUS

Varhaiset LED-järjestelmät olivat hyvin pieniä energianeroja kahden puolijohteen välillä, mikä johti matala-energisestä infrapunasäteilystä. Pian tiedemiehet ja elektroniikkayritykset keksivät, miten tätä energiaväliä voidaan kasvattaa, mikä johti näkyviin valon LEDeihin punaisessa, keltaisessa ja vihreässä.

Keskeinen osa näitä parannuksia oli puhtaiden puolijohdemateriaalien “spiklaus” muiden alkuaineiden avulla, mikä paransi niiden suorituskykyä.

Lähde: Wikipedia by VectorVoyager 

Tämä menetelmä oli riittämätön useiden vuosikymmenten ajan luomaan korkea-energiselle energiavälille, joka vaaditaan LEDien sinisen valon säteilyyn.

Haasteellinen tie sinisiin LED-diodiin

Gallium-nitriitti – Haastava ihmemateriaali

Alhaisemman energian LED-valoissa, kuten gallium-arsenidissa (1,42 eV) ja gallium-fosfidissa (2,26 eV), käytettyjen materiaalien energiaväli jäi alle 2,6–3,4 eV:n, joka vaaditaan siniselle valolle.

Vaihtoehto löytyi gallium-nitriidistä (3,37 eV). Gallium-nitriidin käyttäminen sinisen LED-valon luomiseen vaikutti hyvältä idealta, mutta sen toteuttaminen käytännössä vaikutti epäkäytännölliseltä.

Lähde: Britannica

Ensimmäinen este oli, ettei ollut menetelmää valmistaa pinta, jolle gallium-nitriidikiteet voitaisiin kasvattaa. Lisäksi kukaan ei tiennyt, miten tehdä gallium-nitriidistä p-tyyppinen kerros. Monet olivat yrittäneet ja epäonnistuneet muuntamaan gallium-nitriidin toimivaksi sinisen valon LED-järjestelmäksi. Tässä vaiheessa vuoden 2014 Nobel-palkinnon kolme voittajaa astuivat mukaan.

Sinisen LED:n ratkaiseminen monesta näkökulmasta

Vuonna 1986 Isamu Asaki ja Hiroshi Amano olivat ensimmäisiä, jotka keksivät, miten kasvattaa gallium-nitriidikiteitä alumiini-nitriidikerroksen päälle safiirilasissa.

He loivat p-kerroksen muutama vuosi myöhemmin ja lopulta ensimmäisen kirkkaan sinisen valon LED-prototyypin vuonna 1992.

Samanaikaisesti Shuji Nakamura aloitti sinisen LED:n kehittämisen vuonna 1988. Hän löysi oman tapansa kasvattaa gallium-nitriidikiteet, ensin kasvattamalla ohut kerros gallium-nitriidia alhaisessa lämpötilassa ja kasvattamalla myöhemmät kerrokset korkeammassa lämpötilassa.

Todellinen ymmärrys gallium-nitriidistä

Asakin ja Amanon p-kerros optimoitiin altistamalla gallium-nitriidi skannauselektronimikroskoopin elektronisäteelle.

Nakamuralla oli teoreettinen viitekehys selittääkseen, miten elektronimikroskooppi toimi: se poisti vetyatomeja, estäen p-kerroksen muodostumisen. Hän kehitti sitten yksinkertaisemman ja edullisemman menetelmän saman tuloksen saavuttamiseksi: materiaalin hallittu lämmitys.

Molemmat rinnakkaiset tutkimusryhmät jatkoivat kehittyneempien ja monimutkaisempien rakenteiden suunnittelua siniselle LEDille, luoden erilaisia gallium-nitriidin seoksia alumiinin tai indiumin kanssa, mikä tehokkaasti dopansi puolijohteita valon tuotannon ja hyötysuhteen parantamiseksi.

Lähde: Nobel Prize

He myös keksivät sinisiä lasereita käyttäen sinistä LED-valoa. Koska sinisen valon taajuus on paljon pienempi kuin muiden värien, se voi sisältää neljä kertaa enemmän tietoa kuin infrapunasäteily, avaten tien Blu-ray-levyille.

Sinisen LED-valon saavutukset

Enemmän valoa vähemmällä sähköllä

Siniset LEDit mahdollistivat valkoisen valon luomisen, mikä mahdollistaa suurimman osan hehkulampuista ja loisteputkista korvaamisen LEDeillä. Tämä on erityisen merkittävää, koska LEDit ovat 20‑kerta tehokkaampia kuin hehkulamput ja 4‑kerta tehokkaampia kuin halogeenilamput.

Lähde: Nobel Prize

Koska 1/4^th sähköenergiankulutuksesta käytetään valon tuottamiseen, tämä edustaa radikaalia säästöä maailmanlaajuisessa energiankulutuksessa.

Se tekee myös verkosta riippumattomista valaistusjärjestelmistä paljon käyttökelpoisempia, sillä pienet aurinkopaneelit tai muut vaihtoehtoiset energialähteet voivat nyt tuottaa valoa syrjäisillä tai köyhillä alueilla. Tämä puolestaan mahdollistaa tuottavuuden kasvun ja paremman koulutuksen.

Räätälöidyt värit

Valkoisten LEDien lisäksi punaisen, vihreän ja sinisen LEDien yhdistelmä mahdollistaa kaikkien näkyvän spektrin värien luomisen. Tämä avaa tien erilaisiin erikoistuneisiin LEDeihin kapeisiin sovelluksiin.

Merkittävä sovellus sinisille LEDeille ja räätälöidyille väreille on LED-näytöt TV:ille, tietokoneille ja älypuhelimille, sillä punaisen/vihreän/sinisen suhde vastaa oikean värin näyttämistä pikseli kerrallaan.

Tai esimerkiksi kasvit eivät käytä vihreää valoa fotosynteesiin. Siksi sisäkasvatukseen tarkoitetut LED-valot voivat käyttää vain punaisia ja sinisiä LEDejä, mikä optimoi merkittävästi kasvihuonekasvatuksen energiankulutuksen ja mahdollistaa vallankumouksen hydroponiikassa ja kaupunkiviljelyssä. Ja ehkä jonain päivänä jopa ruoan kasvattaminen avaruudessa tai Marsilla.

Lähde: Agritecture

UV-LEDit

Alkuperäisen sinisen LED:n kehittämisen jälkeen lisäparannukset ovat mahdollistaneet entistä voimakkaamman järjestelmän, joka säteilee ultraviolettivaloa.

Nämä UV-C LEDit voidaan käyttää veden puhdistamiseen kaikilla mittakaavoilla, retkeilyvarusteista suuriin kaupunkien vesihuoltoihin, jotka palvelevat kymmeniä miljoonia ihmisiä. Niitä voidaan myös käyttää ilmakehän patogeenien tappamiseen ja pintojen steriloimiseen, esimerkiksi sairaaloissa.

Blu-ray ja siniset laserit

Kuten aiemmin mainittiin, Blu-ray ja muut korkean tiheyden tietovarastointiratkaisut, jotka perustuvat siniseen laseriin, eivät olisi olleet mahdollisia ilman sinisiä LEDejä. Korkea tietotiheys on yhtä hyödyllinen myös optisessa viestinnässä, erityisesti kun tarvitaan suuri kaistanleveys.

Sinisiä laseria pidetään myös “ihanteellisena valonlähteenä korkean heijastavuuden metalliprosessointiin, tarjoten merkittäviä etuja erilaisissa teollisissa sovelluksissa kuten leikkaamisessa ja hitsauksessa”.

Sinisiä laseria käytetään myös nyt kurkunpään leikkauksessa, kiitos niiden korkean energian tuotannon ja 445 nm aallonpituuden hemoglobiinin absorptio, mikä mahdollistaa erittäin tarkasti kohdennetun verisuonten koagulaation.

Gallium-nitriitti LED-valojen ulkopuolella

Siniset LED-valot loivat kokonaisen teollisuuden, joka tuottaa mittakaavassa ja tutkii gallium-nitriidikiteitä. Tämä puolestaan saattaa aiheuttaa vallankumouksen elektroniikan suunnittelussa, kun gallium-nitriidiä kutsutaan “seuraavaksi suureksi askeleeksi tehoelektroniikassa”.

Gallium-nitriidi voi toimia paljon korkeammissa lämpötiloissa ja jännitteissä kuin piipohjaiset kenttäefektitransistorit (FET). Näin ollen gallium-nitriidipohjaisia komponentteja voitaisiin käyttää 5G-matkaviestintäasemissa, transistoreissa, pienissä elektronisissa laitteissa ja jopa tekoälyssä, sillä laskentasovellukset vaativat yhä suurempaa energiankulutusta.

Kaikki nämä sovellukset eivät olisi mahdollisia ilman mittakaavaetuja tuotannossa ja sinisen LED-teollisuuden luomaa valtavaa tietämystä.

Sinisen LED:n yritykset

Nakamuraan liittyvät yritykset

Nakamura kehitti sinisen LED-valonsa työskennellessään Nichia Corporationissa. Vuoden 1989 johtajuuden vaihdon jälkeen yritys oli alun perin käynyt Nakamuran läpi lopettamaan projektin, mutta hän onneksi ei tehnyt niin. Tämä oli myös hyvä uutinen yritykselle, jonka liikevaihto nelinkertaistui vuosina 1993–2001, ja 60 % kokonaisliiketoiminnasta tuli sinisistä LED-valoista.

Nakamura lähti Nichiasta vuonna 1999, ja hän myöhemmin osallistui monimutkaiseen oikeusjuttujen sarjaan teknologian omistusoikeudesta, johon osallistuivat Nakamura, Nichia ja Yhdysvalloissa toimiva kilpailija Cree. Nakamura lopulta sopi ¥840 miljoonan (≈ US$8,1 miljoona) maksun Nichian kanssa.

Nakamura perusti vuonna 2008 Soraa, yksityisenä yhtiönä, joka myy sinisiä LEDejä, ja joka ostettiin äskettäin Ecosensen toimesta vuonna 2020.

Vuonna 2022 Nakamura perusti yhdessä Blue Laser Fusion, kaupallisen fuusioteknologian yrityksen. Se pyrkii käyttämään megajoule-pulssien energiaa laserilla, jolla on nopea toistotaajuus, kaupallisen fuusion saavuttamiseksi. Yritys aikoo valmistaa ensimmäisen prototyyppinsä vuonna 2025 ja demonstroi kaupallisesti valmiin fuusioreaktorin vuoteen 2030 mennessä.

Blue Laser Fusionia tukee Mirai Creation Fund, jonka takana on Toyota Motor (TM ) ja muut sijoittajat.

Soraa/Ecosensen ja Nichian (jotta ei sekoitu Nichiasiin – NICFF) yksityisesti listattuihin yrityksiin, sijoittajien on tarkasteltava muita sinisen LED-valon valmistajia sijoittaakseen teknologiaan, joka on muodostunut modernin innovaation perustaksi elektroniikassa, telekommunikaatiossa, lääketieteessä, valmistuksessa ja jopa maataloudessa.

1. SMART Global Holdings

Cree oli yhdysvaltalainen yritys, joka oli yksi ensimmäisistä massakaupallisesti hyödyntänyt sinisiä LED-valoja ja merkittävä Nakamuraan liittyvän Nichian kilpailija. Se oli myös ensimmäisen kaupallisen piikarbidi-levyn takana.

Myöhemmin se uudelleennimettiin ‘Wolfspeed’ ja myi LED-liiketoimintansa SMART Global Holdingsille vuonna 2021.

Lähde: SGH

SGH hallinnoi neljää eri brändiä:

• Cree LED
• Penguin Solutions (PENG ), AI-infrastruktuuriratkaisu.
• Stratus, ultra-luotettava laskentaplatformi.
• SMART Modular Technologies, DRMA- ja kiintotilapohjaisen datan tallennusteknologian johtaja.

Cree LED edustaa noin 1/5^th kokonaisliikevaihdosta, ja älykkäät alusta‑ratkaisut muodostavat puolet kokonaisliikevaihdosta.

Joten SGH ei ole pelkästään LED‑keskittynyt yritys. Kuitenkin Cree LED omistaa tärkeitä immateriaalioikeuksia (erityisesti XLamp‑brändi), ja sillä on maine teknologisesta erinomaisuudesta alalla sekä läsnäolo kaikilla siniseen LED:iin liittyvillä markkinoilla.

2. Osram (OSAGF)

Osram on globaali yritys, joka johtaa antureiden ja innovatiivisten valoratkaisujen alalla. Puolijohdeosastot, mukaan lukien LEDit, laserit, integroidut piirit ja anturit, muodostavat 2/3 yrityksen liikevaihdosta.

Se on erityisesti #1 monissa kategorioissa:

• Auto LED- ja laservalot.
• Perinteiset auton valot.
• Hortti‑LED.
• CT‑lääketieteellinen kuvantaminen.

Lähde: OSRAM

Kaiken kaikkiaan OSRAM on #2 LED-markkinoilla 13 % markkinaosuudella, Nichian (15 %) jälkeen, mutta selvästi edellä muuta kilpailua kuten #3 ja #4 Seoul Semiconductors (7 %) sekä Samsung LED (7 %) ja MLS (6 %).

OSRAM on myös valosensorien johtaja, 29,2 % markkinaosuudella, juuri STMicroelectronicsin (28,5 %) edellä.

Suurin osa yrityksen liikevaihdosta tulee Aasian‑Tyynenmeren alueelta, ja viimeaikainen liikevaihto jakautuu lähes tasaisesti EMEA‑alueen ja Amerikkojen välillä.

LED-markkinoiden odotetaan jatkavan kasvuaan 6,8 % CAGR:lla vähintään vuoteen 2028 asti. Tämä johtuu pääasiassa auto- ja yleisvalaisun LED-markkinoista.

Lähde: OSRAM

OSRAMin johdonmukaisuuden ansiosta auto‑markkinassa, sekä perinteisissä että LED‑lamoissa, sekä hortti‑valaisussa, yritys on lähes varma, että sen kokonaispotentiaalinen markkina kasvaa jatkuvasti seuraavien vuosien aikana.