Premi Nobel
Investire nei risultati del Premio Nobel – I diodi LED a luce blu illuminano il futuro
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Una rivoluzione banale
Alcuni Premi Nobel per la Fisica sono attribuiti a una rivoluzione nel modo fondamentale in cui comprendiamo l’universo, dai buchi neri (2020) alle particelle subatomiche (2013) o all’espansione dell’Universo (2011). Altri premiano scoperte apparentemente più “banali” che, tuttavia, meritano pienamente il premio per l’impatto duraturo e radicale che avranno sulla civiltà umana.
I diodi LED in grado di emettere luce rossa, gialla e verde sono noti sin dall’invenzione della tecnologia LED. Tuttavia, per produrre luce bianca, i diodi LED devono emettere luce blu quando necessario, e questo si è rivelato difficile da realizzare.
Il tipo giusto di luce
Energia quantistica
Ciò che rende difficile produrre luce blu con i LED deriva dalla fisica fondamentale dei diodi LED.
I LED producono luce grazie ai principi della fisica quantistica. In una versione semplificata della fisica quantistica, gli atomi sono formati da un nucleo, attorno al quale orbitano uno o più elettroni, non diversamente dalla Terra attorno al Sole.
A causa delle regole della meccanica quantistica, questi elettroni possono “orbitare” attorno al nucleo dell’atomo solo in livelli predeterminati, ciascuno determinato da un certo livello energetico. Quando un elettrone passa da un livello energetico alto a uno basso, l’eccesso viene emesso sotto forma di luce.
La luce a bassa energia tende a trovarsi sul lato “rosso” dello spettro luminoso, mentre la luce ad alta energia tende a trovarsi sul lato blu dello spettro.
Fonte: Online Learning College
Nozioni di base sui LED
Questa capacità degli atomi di emettere luce, derivante dalla fisica fondamentale, è il principio di base alla base dei diodi LED. In pratica, sono necessarie alcune caratteristiche più specifiche.
Per creare un diodo LED, è innanzitutto necessario disporre di materiali semiconduttori, quindi in grado di far passare o bloccare una corrente elettrica (da qui il qualificatore “semi”).
Devi quindi combinare 2 diversi tipi di semiconduttori:
- Uno in grado di cedere elettroni è anche chiamato “n-type”.
- Uno con spazio extra per ricevere tali elettroni, chiamato anche “p-type”.
Le combinazioni di semiconduttori usate nei LED hanno un “band gap”, con una differenza significativa di potenziale energetico tra i 2 materiali.
Quando gli elettroni si spostano da un semiconduttore all’altro, l’energia rilasciata diventa la luce che desideriamo dal diodo.
Fonte: BYJUS
I primi sistemi LED presentavano differenze energetiche molto piccole tra i 2 tipi di semiconduttori, portando all’emissione di luce infrarossa a bassa energia. Rapidamente, scienziati e aziende elettroniche hanno scoperto come aumentare questo gap energetico di una certa quantità, portando a LED a luce visibile nei colori rosso, giallo e verde.
Una parte fondamentale di questi miglioramenti è stata la “spiking” dei materiali semiconduttori precedentemente puri con altri elementi, che ne ha aumentato le prestazioni.
Fonte: Wikipedia di VectorVoyager
Questo metodo è stato insufficiente per diversi decenni per creare il band gap ad alta energia necessario ai LED per emettere luce blu.
Il percorso difficile verso i diodi LED blu
Nitruro di gallio – Un materiale miracoloso difficile
Il band gap dei materiali usati per le luci LED a bassa energia, come il gallio arsenico (1,42 eV) e il fosfuro di gallio (2,26 eV), impiegati per i LED rossi e verdi, era inferiore ai 2,6‑3,4 eV necessari per la luce blu.
È stata trovata un’alternativa con il nitruro di gallio (3,37 eV). Utilizzare il nitruro di gallio per creare luce LED blu sembrava una buona idea, ma realizzarlo nella pratica sembrava impraticabile.
Fonte: Britannica
Il primo ostacolo era che non esisteva alcun metodo per preparare una superficie su cui far crescere cristalli di nitruro di gallio. Inoltre, nessuno sapeva come realizzare uno strato p-type di nitruro di gallio. Molti avevano provato e fallito a trasformare il nitruro di gallio in un sistema LED funzionale per la luce blu. È qui che i tre vincitori del Premio Nobel 2014 sono intervenuti.
Risoluzione del LED blu da più angolazioni
Nel 1986, Isamu Asaki e Hiroshi Amano furono i primi a capire come far crescere cristalli di nitruro di gallio su uno strato di nitruro di alluminio su un substrato di zaffiro.
Avrebbero creato uno strato p qualche anno dopo, e infine realizzato il primo prototipo di LED a luce blu intensa nel 1992.
Parallelamente, Shuji Nakamura iniziò a sviluppare il suo LED blu nel 1988. Aveva trovato il proprio modo di far crescere il cristallo di nitruro di gallio, prima crescendo uno strato sottile di nitruro di gallio a bassa temperatura e poi facendo crescere gli strati successivi a temperatura più alta.
Comprensione reale del nitruro di gallio
Lo strato p di Asaki e Amano è stato ottimizzato esponendo il nitruro di gallio al fascio di elettroni di un microscopio elettronico a scansione.
Nakamura aveva il quadro teorico per spiegare come funzionasse il microscopio elettronico: rimuoveva gli atomi di idrogeno, impedendo la formazione dello strato p. Poi ha ideato un metodo più semplice e più economico per ottenere lo stesso risultato: il riscaldamento controllato del materiale.
Entrambi i gruppi di ricerca paralleli hanno continuato con progetti sempre più avanzati e complessi per i loro LED blu, creando varie leghe di nitruro di gallio con alluminio o indio, dopando efficacemente i semiconduttori per aumentare la loro emissione luminosa e l’efficienza.
Fonte: Nobel Prize
Hanno anche inventato laser blu usando il loro LED a luce blu. Poiché la frequenza della luce blu è molto più alta rispetto ad altri colori, può contenere 4 volte più informazioni rispetto alla luce infrarossa, aprendo la strada ai dischi Blu-ray.
Risultati della luce LED blu
Più luce con meno elettricità
I LED blu hanno reso possibile creare luce bianca, consentendo di sostituire la maggior parte delle lampadine e delle lampade fluorescenti con i LED. Questo è particolarmente notevole, poiché i LED sono 20 volte più efficienti delle lampadine e 4 volte più delle lampade a incandescenza.
Fonte: Nobel Prize
Poiché 1/4th del consumo di elettricità è destinato alla produzione di luce, ciò rappresenta un risparmio radicale sul consumo energetico globale.
Rende inoltre i sistemi di illuminazione off-grid molto più fattibili, con piccoli pannelli solari o altre fonti di energia alternativa ora in grado di alimentare la luce in aree remote o povere. Questo, a sua volta, consente di aumentare la produttività e migliorare l’istruzione.
Colori personalizzati
Oltre ai LED bianchi, la combinazione di LED rossi, verdi e blu consente la creazione di tutti i possibili colori dello spettro visibile. Questo apre la strada a ogni tipo di LED specializzato per applicazioni di nicchia.
Una delle principali applicazioni dei LED blu e dei colori personalizzati su richiesta è stata quella dei display LED per TV, computer e smartphone, poiché le variazioni nel rapporto rosso/verde/blu sono responsabili della visualizzazione del colore corretto pixel per pixel.
Oppure, ad esempio, le piante non utilizzano la luce verde per la fotosintesi. Quindi le luci LED per la coltivazione indoor possono usare solo LED rossi e blu, ottimizzando notevolmente il consumo energetico della coltivazione in serra e rendendo possibile la rivoluzione nell’idroponica e nell’agricoltura urbana. E forse un giorno anche nella produzione di cibo nello spazio o su Marte.
Fonte: Agritecture
LED ultravioletti
Dopo lo sviluppo iniziale del LED a luce blu, ulteriori miglioramenti hanno reso possibile un sistema ancora più potente che emette luce ultravioletta.
Questi LED UV-C possono essere usati per purificare l’acqua a qualsiasi scala, dall’attrezzatura da campeggio alle utility che servono decine di milioni di persone nelle grandi città. Possono anche essere usati per eliminare patogeni aerei e sterilizzare superfici, ad esempio negli ospedali.
Blu-ray e laser blu
Come accennato in precedenza, il blu-ray e altre soluzioni di archiviazione dati ad alta densità basate su laser blu non sarebbero state possibili senza i LED blu. L’alta densità di dati è altrettanto utile per le comunicazioni ottiche, soprattutto quando è richiesta un’ampia larghezza di banda.
I laser blu sono anche “la fonte di luce ideale per la lavorazione di metalli ad alta riflettività, offrendo vantaggi significativi in varie applicazioni industriali come il taglio e la saldatura”.
I laser blu sono ora utilizzati anche per la chirurgia della laringe, grazie al loro alto output energetico e all’assorbimento della lunghezza d’onda di 445 nm da parte dell’emoglobina, consentendo una coagulazione dei vasi sanguigni molto precisamente mirata.
Nitruro di gallio oltre le luci LED
Le luci LED blu hanno creato un’intera industria che produce su larga scala e studia i cristalli di nitruro di gallio. Questo, a sua volta, potrebbe creare una rivoluzione nella progettazione dell’elettronica, con il nitruro di gallio definito “la prossima grande novità nell’elettronica di potenza”.
Il nitruro di gallio può funzionare a temperature molto più elevate e a tensioni più alte rispetto ai transistor a effetto di campo (FET) basati sul silicio. Quindi, i dispositivi basati su nitruro di gallio potrebbero essere usati per le stazioni base cellulari 5G, transistor, piccoli dispositivi elettronici e persino per l’IA, poiché le applicazioni di calcolo richiedono consumi energetici sempre più elevati.
Tutte queste applicazioni non sarebbero possibili senza le economie di scala nella produzione e la ricchezza di conoscenze create dall’industria dei LED blu in primo luogo.
Aziende di LED blu
Aziende correlate a Nakamura
Nakamura ha sviluppato la sua luce LED blu lavorando presso la Nichia Corporation. Dopo un cambio di leadership nel 1989, l’azienda aveva effettivamente ordinato a Nakamura di interrompere il progetto, cosa che fortunatamente non fece. Questa è stata anche una buona notizia per l’azienda, che ha quadruplicato i suoi ricavi tra il 1993 e il 2001, con il 60 % del business totale proveniente dai LED blu.
Nakamura ha lasciato Nichia nel 1999 e in seguito è stato coinvolto in una complessa serie di cause legali sulla proprietà della tecnologia, coinvolgendo Nakamura, Nichia e il concorrente statunitense Cree. Nakamura ha infine raggiunto un accordo per un pagamento di ¥840 milioni (≈US$8,1 milioni) con Nichia.
Nakamura ha poi fondato nel 2008 Soraa, una società privata che vende LED blu, che è stata recentemente acquisita da Ecosense nel 2020.
Nel 2022, Nakamura ha co-fondato Blue Laser Fusion, una società di fusione nucleare commerciale. Intende utilizzare laser a energia di impulso mega-joule con una rapida frequenza di ripetizione per raggiungere la fusione commerciale. L’azienda prevede di completare il suo primo prototipo nel 2025 e di dimostrare un reattore di fusione pronto per il mercato entro il 2030.
Blue Laser Fusion è sostenuta dal Mirai Creation Fund, che a sua volta è supportato da Toyota Motor (TM ) e altri investitori.
Con Soraa/Ecosense e Nichia (da non confondere con Nichias – NICFF) società private quotate, gli investitori devono guardare ad altri produttori di LED blu per investire in quella tecnologia che è diventata la base dell’innovazione moderna nell’elettronica, nelle telecomunicazioni, nella medicina, nella produzione e persino nell’agricoltura.
1. SMART Global Holdings
Cree era un’azienda americana che è stata tra le prime a commercializzare su larga scala i LED blu e un importante concorrente di Nichia, correlata a Nakamura. È stata anche responsabile del primo wafer commerciale di carburo di silicio.
Successivamente ha cambiato nome in ‘Wolfspeed‘, e ha venduto la sua attività LED a SMART Global Holdings nel 2021.
Fonte: SGH
SGH gestiva quattro diversi marchi:
- Cree LED
- Penguin Solutions , una soluzione di infrastruttura AI.
- Stratus, una piattaforma di calcolo ultra affidabile.
- SMART Modular Technologies, leader nella tecnologia DRMA e nello storage dati a stato solido.
Cree LED rappresenta circa 1/5th del totale dei ricavi, e le soluzioni di piattaforme intelligenti costituiscono la metà del totale dei ricavi.
Quindi, SGH non è un’azienda focalizzata esclusivamente sui LED. Tuttavia, Cree LED è proprietaria di importanti IP (in particolare il marchio XLamp), con una reputazione di eccellenza tecnologica nel settore e una presenza in tutti i mercati correlati ai LED blu.
2. Osram (OSAGF)
Osram è un’azienda globale che è leader nei sensori e nelle soluzioni luminose innovative. I segmenti dei semiconduttori, inclusi LED, laser, circuiti integrati e sensori, rappresentano 2/3 dei ricavi dell’azienda.
È particolarmente #1 in molte categorie:
- Luci LED e laser per auto.
- Luci auto tradizionali.
- LED per orticoltura.
- Imaging medico CT.
Fonte: OSRAM
Nel complesso, OSRAM è #2 nel mercato dei LED con una quota del 13 %, dietro a Nichia (15 %), ma ben avanti rispetto al resto della concorrenza come #3 e #4 Seoul Semiconductors (7 %) e Samsung LED (7 %), e MLS (6 %).
OSRAM è anche il leader nei sensori di luce, con il 29,2 % del mercato, appena davanti a STMicroelectronics (28,5 %).
La maggior parte dei ricavi dell’azienda proviene dalla regione Asia‑Pacifico, con i ricavi recenti quasi equamente divisi tra EMEA e Americhe.
Il mercato dei LED dovrebbe continuare a crescere a un CAGR del 6,8 % almeno fino al 2028. Questo è principalmente dovuto ai mercati dei LED per l’automotive e l’illuminazione generale.
Fonte: OSRAM
Con la leadership di OSRAM nel mercato automotive, sia per le lampade classiche che per i LED, così come per l’orticoltura, l’azienda è quasi certa di vedere il suo mercato totale indirizzabile crescere continuamente nei prossimi anni.
