नॉबेल पुरस्कार उपलब्धियों में निवेश – नीली रोशनी वाले LED डायोड भविष्य को प्रकाशित करते हैं

एक साधारण क्रांति

भौतिकी में कुछ नॉबेल पुरस्कार उन क्रांतियों से जुड़े हैं जो हमारे ब्रह्मांड की बुनियादी समझ को बदल देती हैं, जैसे ब्लैक होल (2020), उपपरमाणु कण (2013) या ब्रह्मांड का विस्तार (2011)। अन्य पुरस्कार अधिक “साधारण” खोजों को मान्यता देते हैं, जो मानव सभ्यता पर स्थायी और गहन प्रभाव डालने के कारण जीतने योग्य होते हैं।

2014 का नॉबेल पुरस्कार, जो इसामु अकासाकी, हिरोशी अमानो और शुजी नाकामुरा को नीली रोशनी उत्सर्जित करने वाले डायोड की खोज के लिए दिया गया, उन में से एक है।

लाल, पीले और हरे प्रकाश उत्सर्जित करने वाले LED डायोड LED तकनीक के आविष्कार से ही ज्ञात हैं। हालांकि, सफेद प्रकाश बनाने के लिए LED को आवश्यक स्थान पर नीली रोशनी उत्सर्जित करनी पड़ती है, और यह हासिल करना कठिन साबित हुआ।

सही प्रकार की रोशनी

क्वांटम ऊर्जा

LED के साथ नीली रोशनी बनाना कठिन होने का कारण LED डायोड की मूलभूत भौतिकी में निहित है।

LED क्वांटम भौतिकी के सिद्धांतों के कारण प्रकाश उत्पन्न करते हैं। क्वांटम भौतिकी के सरल संस्करण में, परमाणु एक नाभिक से बनते हैं, जिसके चारों ओर एक या कई इलेक्ट्रॉन परिक्रमा करते हैं, जैसे पृथ्वी सूर्य के चारों ओर घूमती है।

क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार, ये इलेक्ट्रॉन केवल निर्धारित ऊर्जा स्तरों में ही “परिक्रमा” कर सकते हैं, प्रत्येक स्तर एक निश्चित ऊर्जा से जुड़ा होता है। जब इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर से निम्न ऊर्जा स्तर पर जाता है, तो अतिरिक्त ऊर्जा प्रकाश के रूप में निकलती है।

निम्न‑ऊर्जा प्रकाश स्पेक्ट्रम के “लाल” पक्ष में होता है, जबकि उच्च‑ऊर्जा प्रकाश स्पेक्ट्रम के नीले पक्ष में स्थित होता है।

स्रोत: ऑनलाइन लर्निंग कॉलेज

LED मूल बातें

परमाणुओं की यह क्षमता कि वे प्रकाश उत्सर्जित कर सकते हैं, मूलभूत भौतिकी से उत्पन्न होती है, और यही LED डायोड का आधार सिद्धांत है। व्यवहार में, कुछ अतिरिक्त विशिष्ट विशेषताओं की आवश्यकता होती है।

LED डायोड बनाने के लिए, आपको पहले ऐसे पदार्थ चाहिए जो अर्धचालक हों, अर्थात् वे या तो विद्युत धारा को गुजरने दे सकते हैं या रोक सकते हैं (इसीलिए “सेमी” शब्द प्रयोग किया जाता है)।

आपको फिर दो अलग‑अलग प्रकार के अर्धचालकों को मिलाना होगा:

• एक जो इलेक्ट्रॉन छोड़ सके, उसे “n‑type” कहा जाता है।
• एक जिसमें अतिरिक्त जगह हो ताकि वह इलेक्ट्रॉन को प्राप्त कर सके, उसे “p‑type” कहा जाता है।

LED में उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक संयोजन में “बैंड गैप” होता है, जिसमें दो पदार्थों के बीच ऊर्जा संभावनाओं में उल्लेखनीय अंतर होता है।

जब इलेक्ट्रॉन एक अर्धचालक से दूसरे में स्थानांतरित होते हैं, तो मुक्त हुई ऊर्जा वह प्रकाश बन जाती है जो हम डायोड से चाहते हैं।

स्रोत: BYJUS

प्रारंभिक LED प्रणालियों में दो प्रकार के अर्धचालकों के बीच ऊर्जा अंतर बहुत छोटा था, जिससे कम‑ऊर्जा इन्फ्रारेड प्रकाश उत्सर्जित होता था। वैज्ञानिकों और इलेक्ट्रॉनिक कंपनियों ने इस ऊर्जा गैप को कुछ हद तक बढ़ाकर लाल, पीले और हरे रंग के दृश्यमान प्रकाश वाले LED विकसित किए।

इन सुधारों का एक मुख्य भाग था शुद्ध अर्धचालक पदार्थों में अन्य तत्वों का “स्पाइकिंग” करना, जिससे उनकी कार्यक्षमता बढ़ी।

स्रोत: Wikipedia by VectorVoyager 

यह विधि कई दशकों तक पर्याप्त नहीं थी कि LED को नीली रोशनी उत्सर्जित करने के लिए आवश्यक उच्च‑ऊर्जा बैंड गैप बनाया जा सके।

नीले LED डायोड की जटिल राह

गैलियम नाइट्राइड – एक जटिल चमत्कारिक पदार्थ

नीले प्रकाश के लिए आवश्यक 2.6‑3.4 eV बैंड गैप की तुलना में, लाल और हरे LED के लिए उपयोग किए जाने वाले गैलियम आर्सेनाइड (1.42 eV) और गैलियम फॉस्फाइड (2.26 eV) का बैंड गैप कम था।

एक विकल्प गैलियम नाइट्राइड (3.37 eV) में मिला। गैलियम नाइट्राइड से नीला LED प्रकाश बनाना एक अच्छा विचार लग रहा था, लेकिन व्यावहारिक रूप से इसे लागू करना लगभग असंभव प्रतीत हुआ।

स्रोत: ब्रिटानिका

पहली बाधा यह थी कि गैलियम नाइट्राइड क्रिस्टल उगाने के लिए सतह तैयार करने की कोई विधि नहीं थी। साथ ही, कोई यह भी नहीं जानता था कि गैलियम नाइट्राइड की p‑type परत कैसे बनाई जाए। कई लोग इस चुनौती को पार करने में विफल रहे, और तभी 2014 के नॉबेल पुरस्कार के तीन विजेताओं ने इस समस्या को सुलझाया।

नीले LED को कई कोणों से हल करना

1986 में, इसामु अकासाकी और हिरोशी अमानो ने पहले यह पता लगाया कि कैसे एल्यूमीनियम नाइट्राइड की एक परत पर गैलियम नाइट्राइड क्रिस्टल उगाए जाएँ, जो सैफ़ायर सब्सट्रेट पर स्थित हो।

उन्होंने कुछ वर्षों बाद p‑layer बनाई, और अंततः 1992 में चमकीले नीले प्रकाश वाले LED का पहला प्रोटोटाइप तैयार किया।

समानांतर में, शुजी नाकामुरा ने 1988 में अपना नीला LED विकसित करना शुरू किया। उन्होंने गैलियम नाइट्राइड क्रिस्टल को उगाने का अपना तरीका खोजा: पहले कम तापमान पर एक पतली परत उगाई, फिर उच्च तापमान पर अगली परतें उगाईं।

गैलियम नाइट्राइड की सच्ची समझ

अकासाकी और अमानो की p‑layer को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की इलेक्ट्रॉन बीम से एक्सपोज़ करके अनुकूलित किया गया।

नाकामुरा के पास इस बात का सैद्धांतिक ढांचा था कि इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप कैसे काम करता है: वह हाइड्रोजन परमाणुओं को हटाता है, जिससे p‑layer बनना रोकता है। उन्होंने उसी परिणाम को प्राप्त करने के लिए एक सरल और सस्ता तरीका निकाला: सामग्री को नियंत्रित रूप से गरम करना।

दोनों समानांतर अनुसंधान समूहों ने अपने नीले LED के लिए अधिक उन्नत और जटिल डिज़ाइन विकसित करना जारी रखा, गैलियम नाइट्राइड के विभिन्न मिश्रधातुओं को एल्यूमीनियम या इंडियम के साथ मिलाकर, जिससे अर्धचालकों को डोप किया गया और प्रकाश उत्पादन तथा दक्षता बढ़ी।

स्रोत: नॉबेल पुरस्कार

उन्होंने अपने नीले प्रकाश LED से नीले लेज़र भी विकसित किए। क्योंकि नीली रोशनी की आवृत्ति अन्य रंगों की तुलना में बहुत छोटी होती है, यह इन्फ्रारेड प्रकाश की तुलना में 4 गुना अधिक जानकारी वहन कर सकती है, जिससे ब्लू‑रे डिस्क संभव हुई।

नीले LED प्रकाश की उपलब्धियां

कम बिजली से अधिक प्रकाश

नीले LED ने सफेद प्रकाश बनाना संभव किया, जिससे अधिकांश बल्ब और फ्लोरोसेंट लैंप को LED से बदलना संभव हुआ। यह विशेष रूप से उल्लेखनीय है, क्योंकि LED बल्बों की तुलना में 20 गुना अधिक कुशल और इंकैंडेसेंट लैंप की तुलना में 4 गुना अधिक कुशल हैं।

स्रोत: नॉबेल पुरस्कार

क्योंकि बिजली की ^1/4 खपत प्रकाश उत्पादन के लिए होती है, यह वैश्विक ऊर्जा खपत में एक क्रांतिकारी बचत दर्शाता है।

यह ऑफ‑ग्रिड प्रकाश व्यवस्था को भी अधिक व्यावहारिक बनाता है, क्योंकि छोटे सौर पैनल या अन्य वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत अब दूरस्थ या गरीब क्षेत्रों में प्रकाश प्रदान कर सकते हैं। इससे उत्पादकता बढ़ती है और शिक्षा में सुधार होता है।

कस्टम रंग

सफ़ेद LED के अलावा, लाल, हरे और नीले LED के संयोजन से दृश्यमान स्पेक्ट्रम के सभी संभावित रंग बनाए जा सकते हैं। यह विभिन्न विशेषीकृत LED को निचले अनुप्रयोगों के लिए खोलता है।

नीले LED और ऑन‑डिमांड कस्टम रंगों का एक प्रमुख उपयोग टीवी, कंप्यूटर और स्मार्टफ़ोन के लिए LED स्क्रीन है, जहाँ लाल/हरा/नीला अनुपात में परिवर्तन पिक्सेल‑दर‑पिक्सेल सही रंग दर्शाता है।

उदाहरण के लिए, पौधे प्रकाश संश्लेषण के लिए हरी रोशनी का उपयोग नहीं करते। इसलिए इनडोर खेती के लिए LED लाइट केवल लाल और नीले LED का उपयोग कर सकती है, जिससे ग्रीनहाउस खेती की ऊर्जा खपत बहुत कम हो जाती है और हाइड्रोपोनिक्स तथा शहरी खेती में क्रांति संभव होती है। और शायद एक दिन अंतरिक्ष या मंगल पर भोजन उगाने में भी।

स्रोत: एग्रिटेक्चर

अल्ट्रावायलेट LED

नीली रोशनी वाले LED के प्रारंभिक विकास के बाद, आगे के सुधारों ने अल्ट्रावायलेट प्रकाश उत्सर्जित करने वाली प्रणाली को संभव बनाया।

इन UV‑C LED को किसी भी पैमाने पर पानी शुद्ध करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, कैंपिंग गियर से लेकर बड़े शहरों में दसियों मिलियन लोगों को सेवा देने वाले उपयोगिताओं तक। इन्हें रोगजनकों को मारने और सतहों को कीटाणु मुक्त करने के लिए भी प्रयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए अस्पतालों में।

ब्लू‑रे और नीले लेज़र

जैसा कि पहले बताया गया, ब्लू‑रे और अन्य उच्च‑घनत्व डेटा स्टोरेज समाधान जो नीले लेज़र पर निर्भर हैं, बिना नीले LED के संभव नहीं होते। उच्च डेटा घनत्व ऑप्टिकल संचार में भी उपयोगी है, विशेषकर जब उच्च बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है।

नीले लेज़र “उच्च‑परावर्तक धातु प्रसंस्करण के लिए आदर्श प्रकाश स्रोत हैं, जो कटिंग और वेल्डिंग जैसे विभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगों में उल्लेखनीय लाभ प्रदान करते हैं”।

नीले लेज़र अब स्वर के शल्य चिकित्सा में भी उपयोग होते हैं, क्योंकि उनकी उच्च‑ऊर्जा आउटपुट और 445 nm तरंगदैर्ध्य द्वारा हीमोग्लोबिन का अवशोषण रक्त वाहिकाओं के अत्यंत सटीक कोएगुलेशन को संभव बनाता है।

गैलियम नाइट्राइड LED प्रकाश से परे

नीले LED ने एक पूरी उद्योग को जन्म दिया जो बड़े पैमाने पर गैलियम नाइट्राइड क्रिस्टल का उत्पादन और अध्ययन करता है। यह इलेक्ट्रॉनिक्स के डिज़ाइन में एक क्रांति ला सकता है, जहाँ गैलियम नाइट्राइड को “पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में अगली बड़ी चीज़” कहा जा रहा है।

गैलियम नाइट्राइड सिलिकॉन‑आधारित फील्ड‑इफ़ेक्ट ट्रांज़िस्टर (FET) की तुलना में बहुत उच्च तापमान और उच्च वोल्टेज पर काम कर सकता है। इसलिए, गैलियम नाइट्राइड‑आधारित तकनीक 5G सेलुलर बेस स्टेशन, ट्रांज़िस्टर, छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण और यहाँ तक कि AI में भी उपयोग की जा सकती है, क्योंकि कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों को लगातार अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

इन सभी अनुप्रयोगों को नीले LED उद्योग द्वारा निर्मित उत्पादन पैमाने की अर्थव्यवस्थाओं और ज्ञान के बिना संभव नहीं होता।

नीले LED कंपनियां

नाकामुरा‑संबंधित कंपनियां

नाकामुरा ने अपनी नीली LED प्रकाश का विकास निकिया कॉरपोरेशन में काम करते हुए किया। 1989 में नेतृत्व परिवर्तन के बाद, कंपनी ने नाकामुरा को इस परियोजना पर काम बंद करने का आदेश दिया, जिसे उन्होंने सौभाग्य से नहीं माना। यह कंपनी के लिए भी अच्छी खबर थी, क्योंकि 1993 से 2001 के बीच उनकी आय चार गुना हो गई, और कुल व्यापार का 60 % नीली LED लाइट्स से आया।

नाकामुरा ने 1999 में निकिया छोड़ दिया, और बाद में तकनीक के स्वामित्व को लेकर कई मुकदमों में शामिल रहे, जिसमें नाकामुरा, निकिया और अमेरिकी प्रतिस्पर्धी क्री शामिल थे। अंततः नाकामुरा ने निकिया के साथ ¥840 मिलियन (≈ US$8.1 मिलियन) का समझौता किया।

नाकामुरा ने 2008 में Soraa की स्थापना की, एक निजी सूचीबद्ध कंपनी जो नीले LED बेचती है, जिसे 2020 में Ecosense ने अधिग्रहित किया।

2022 में, नाकामुरा ने Blue Laser Fusion की सह-स्थापना की, एक व्यावसायिक नाभिकीय फ्यूज़न कंपनी। यह मेगा‑जूल पल्स ऊर्जा लेज़र को तेज़ पुनरावृत्ति दर के साथ उपयोग करके व्यावसायिक फ्यूज़न हासिल करने का लक्ष्य रखती है। कंपनी अपना पहला प्रोटोटाइप 2025 में पूरा करने और 2030 तक व्यावसायिक‑तैयार फ्यूज़न रिएक्टर प्रदर्शित करने की योजना बना रही है।

Blue Laser Fusion को Mirai Creation Fund द्वारा समर्थन मिला है, जो स्वयं Toyota Motor (TM ) और अन्य निवेशकों द्वारा समर्थित है।

Soraa/Ecosense और निकिया (जिसे निकियास - NICFF के साथ भ्रमित न किया जाए) जैसी निजी सूचीबद्ध कंपनियों के साथ, निवेशकों को अन्य नीले LED प्रकाश निर्माताओं को देखना होगा ताकि वे उस तकनीक में निवेश कर सकें जिसने इलेक्ट्रॉनिक्स, टेलीकॉम, चिकित्सा, निर्माण और यहाँ तक कि कृषि में आधुनिक नवाचार की नींव रखी है।

1. SMART Global Holdings

Cree एक अमेरिकी कंपनी थी जो नीले LED लाइट्स को बड़े पैमाने पर व्यावसायिक बनाने वाली पहली कंपनियों में से एक थी और नाकामुरा‑संबंधित निकिया की प्रमुख प्रतिस्पर्धी थी। यह पहली व्यावसायिक सिलिकॉन कार्बाइड वेफ़र के पीछे भी थी।

बाद में इसका नाम बदलकर ‘Wolfspeed‘ रखा गया, और 2021 में इसका LED व्यवसाय SMART Global Holdings को बेच दिया गया।

स्रोत: SGH

SGH चार अलग‑अलग ब्रांडों का प्रबंधन करता है:

• Cree LED
• Penguin Solutions , एक AI इन्फ्रास्ट्रक्चर समाधान।
• Stratus, एक अल्ट्रा‑रिलायबल कंप्यूटिंग प्लेटफ़ॉर्म।
• SMART Modular Technologies, DRAM और सॉलिड‑स्टेट डेटा स्टोरेज तकनीक में अग्रणी।

Cree LED कुल राजस्व का लगभग 1/5 का प्रतिनिधित्व करता है, और इंटेलिजेंट प्लेटफ़ॉर्म समाधान कुल राजस्व का आधा हिस्सा बनाते हैं।

इसलिए, SGH केवल LED‑केंद्रित कंपनी नहीं है। हालांकि, Cree LED महत्वपूर्ण IP (विशेषकर XLamp ब्रांड) का मालिक है, और तकनीकी उत्कृष्टता तथा सभी नीले LED‑संबंधित बाजारों में उपस्थिति के लिए प्रसिद्ध है।

2. Osram (OSAGF)

Osram एक वैश्विक कंपनी है जो सेंसर और नवाचारी प्रकाश समाधान में अग्रणी है। अर्धचालक खंड, जिसमें LED, लेज़र, इंटीग्रेटेड सर्किट और सेंसर शामिल हैं, कंपनी के राजस्व का 2/3 हिस्सा बनाते हैं।

यह कई श्रेणियों में #1 पर है:

• ऑटो LED और लेज़र लाइट्स।
• पारंपरिक ऑटो लाइट्स।
• हॉर्टिकल्चर LED।
• CT मेडिकल इमेजिंग।

स्रोत: OSRAM

कुल मिलाकर, OSRAM LED बाजार में #2 है, 13 % बाजार हिस्सेदारी के साथ, निकिया (15 %) के पीछे, लेकिन #3 & #4 Seoul Semiconductors (7 %) और Samsung LED (7 %) तथा MLS (6 %) जैसी प्रतिस्पर्धियों से काफी आगे।

OSRAM लाइट सेंसर में भी अग्रणी है, 29.2 % बाजार हिस्सेदारी के साथ, STMicroelectronics (28.5 %) से थोड़ा आगे।

कंपनी की अधिकांश आय एशिया‑पैसिफिक क्षेत्र से आती है, जबकि हालिया आय लगभग समान रूप से EMEA और अमेरिकाओं में विभाजित है।

LED बाजार 2028 तक कम से कम 6.8 % CAGR पर बढ़ने की उम्मीद है। यह मुख्यतः ऑटोमोबाइल और सामान्य प्रकाश LED बाजारों के कारण है।

स्रोत: OSRAM

ऑटोमोबाइल बाजार में OSRAM के नेतृत्व के साथ, क्लासिकल और LED लैंप, साथ ही हॉर्टिकल्चर, कंपनी अगले कुछ वर्षों में अपने कुल संभावित बाजार को निरंतर बढ़ते हुए देखती है।