Prêmios Nobel
Investindo em Conquistas do Prêmio Nobel – Diodos LED de Luz Azul Iluminam o Futuro
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Uma Revolução Mundana
Alguns Prêmios Nobel de Física são atribuídos a uma revolução na forma fundamental como entendemos o universo, desde buracos negros (2020) até partículas subatômicas (2013) ou a expansão do Universo (2011). Outros recompensam descobertas aparentemente mais “mundanas” que, no entanto, valem totalmente a vitória pelo impacto duradouro e radical que terão na civilização humana.
Diodos LED capazes de emitir luz vermelha, amarela e verde são conhecidos desde a invenção da tecnologia LED. Contudo, para emitir luz branca, os diodos LED precisam emitir luz azul onde necessário, e isso se mostrou difícil de alcançar.
O Tipo Certo de Luz
Energia Quântica
O que torna a luz azul tão difícil de produzir com LED decorre da física fundamental dos diodos LED.
Os LEDs produzem luz graças aos princípios da física quântica. Em uma versão simplificada da física quântica, os átomos são formados por um núcleo, ao redor do qual orbitam um ou vários elétrons, não muito diferente da Terra ao redor do Sol.
De acordo com as regras da mecânica quântica, esses elétrons só podem “orbitar” ao redor do núcleo dos átomos em níveis predeterminados, cada um definido por um certo nível de energia. Quando um elétron passa de um nível de energia alto para um nível baixo, o excedente é emitido na forma de luz.
Luz de baixa energia tende a ficar no “lado vermelho” do espectro luminoso, enquanto luz de energia mais alta tende a ficar no lado azul do espectro.
Fonte: Online Learning College
Noções Básicas de LED
Essa capacidade dos átomos de emitir luz, derivada da física fundamental, é o princípio básico por trás dos diodos LED. Na prática, são necessárias algumas características mais específicas.
Para criar um diodo LED, você primeiro precisa de materiais que sejam semicondutores, ou seja, que tenham a capacidade de deixar passar ou bloquear uma corrente elétrica (daí o qualificativo “semi”).
Você deve então combinar 2 tipos diferentes de semicondutores:
- Um que possa doar elétrons também é chamado de “tipo n”.
- Um com espaço extra para receber esses elétrons, também chamado de “tipo p”.
As combinações de semicondutores usadas em LEDs possuem uma “lacuna de banda”, com uma diferença significativa de potencial energético entre os 2 materiais.
Quando os elétrons se movem de um semicondutor para o outro, a energia liberada torna‑se a luz que desejamos do diodo.
Fonte: BYJUS
Os primeiros sistemas LED tinham diferenças de energia muito pequenas entre os 2 tipos de semicondutores, levando à emissão de luz infravermelha de baixa energia. Rapidamente, cientistas e empresas eletrônicas descobriram como ampliar essa lacuna de energia em certa medida, resultando em LEDs de luz visível nas cores vermelha, amarela e verde.
Uma parte crucial dessas melhorias foi a “dopagem” dos materiais semicondutores puros com outros elementos, o que aumentou seu desempenho.
Fonte: Wikipedia por VectorVoyager
Esse método foi insuficiente por várias décadas para criar a lacuna de banda de alta energia necessária para que os LEDs emitam luz azul.
O Caminho Difícil para Diodos LED Azuis
Gálio Nitreto – Um Material Milagroso e Difícil
A lacuna de banda dos materiais usados para LEDs de baixa energia, como arseniato de gálio (1,42 eV) e fosfeto de gálio (2,26 eV), usados para LEDs vermelhos e verdes, ficava aquém dos 2,6 a 3,4 eV necessários para a luz azul.
Uma alternativa foi encontrada com o nitreto de gálio (3,37 eV). Usar nitreto de gálio para criar luz LED azul parecia uma boa ideia, mas colocá‑la em prática parecia impraticável.
Fonte: Britannica
O primeiro obstáculo foi que não existia método para preparar uma superfície na qual crescer cristais de nitreto de gálio. Além disso, ninguém sabia como fazer uma camada tipo p de nitreto de gálio. Muitos tentaram e falharam em transformar o nitreto de gálio em um sistema LED funcional para luz azul. Foi aí que os três vencedores do Prêmio Nobel de 2014 entraram em cena.
Resolvendo o LED Azul por Múltiplos Ângulos
Em 1986, Isamu Asaki e Hiroshi Amano foram os primeiros a descobrir como crescer cristais de nitreto de gálio sobre uma camada de nitreto de alumínio em um substrato de safira.
Alguns anos depois, eles criariam uma camada p e, finalmente, desenvolveriam o primeiro protótipo de LED de luz azul brilhante em 1992.
Em paralelo, Shuji Nakamura começou a desenvolver seu LED azul em 1988. Ele encontrou seu próprio caminho para crescer o cristal de nitreto de gálio, primeiro cultivando uma camada fina de nitreto de gálio a baixa temperatura e depois camadas subsequentes a temperatura mais alta.
Compreensão Verdadeira do Nitreto de Gálio
A camada p de Asaki e Amano foi otimizada expondo o nitreto de gálio ao feixe de elétrons de um microscópio eletrônico de varredura.
Nakamura tinha a estrutura teórica para explicar como o microscópio eletrônico funcionava: ele estava removendo átomos de hidrogênio, impedindo a formação da camada p. Ele então criou um método mais simples e barato para alcançar o mesmo resultado: aquecimento controlado do material.
Ambos os grupos de pesquisa paralelos continuaram com designs cada vez mais avançados e complexos para seus LEDs azuis, criando várias ligas de nitreto de gálio com alumínio ou índio, dopando efetivamente os semicondutores para aumentar sua emissão de luz e eficiência.
Fonte: Nobel Prize
Eles também inventaram lasers azuis usando seu LED de luz azul. Como a frequência da luz azul é muito menor que a de outras cores, ela pode conter 4 x mais informação que a luz infravermelha, abrindo caminho para discos Blu‑ray.
Conquistas da Luz LED Azul
Mais Luz com Menos Eletricidade
Os LEDs azuis tornaram possível criar luz branca, permitindo substituir a maioria das lâmpadas incandescentes e fluorescentes por LEDs. Isso é particularmente notável, já que os LEDs são 20 x mais eficientes que lâmpadas tradicionais e 4 x mais que lâmpadas incandescentes.
Fonte: Nobel Prize
Como 1/4th do consumo de eletricidade é destinado à produção de luz, isso representa uma economia radical no consumo energético global.
Também torna sistemas de iluminação off‑grid muito mais viáveis, com pequenos painéis solares ou outras fontes de energia alternativa agora capazes de alimentar luz em áreas remotas ou carentes. Isso, por sua vez, permite aumentar a produtividade e melhorar a educação.
Cores Personalizadas
Além dos LEDs brancos, a combinação de LEDs vermelhos, verdes e azuis permite a criação de todas as cores possíveis do espectro visível. Isso abre caminho para diversos LEDs especializados para aplicações de nicho.
Uma aplicação importante dos LEDs azuis e das cores personalizadas sob demanda tem sido telas LED para TVs, computadores e smartphones, já que variações na proporção vermelho/verde/azul são responsáveis por exibir a cor correta pixel a pixel.
Ou, por exemplo, as plantas não utilizam luz verde para fotossíntese. Portanto, luzes LED para cultivo interno podem usar apenas LEDs vermelhos e azuis, otimizando enormemente o consumo de energia da produção em estufas e possibilitando a revolução na hidroponia e na agricultura urbana. E talvez um dia até cultivar alimentos no espaço ou em Marte.
Fonte: Agritecture
LEDs Ultravioleta
Após o desenvolvimento inicial do LED de luz azul, melhorias posteriores tornaram possível um sistema ainda mais potente que emite luz ultravioleta.
Esses LEDs UV‑C podem ser usados para purificar água em qualquer escala, desde equipamentos de camping até utilidades que atendem a dezenas de milhões de pessoas em grandes cidades. Eles também podem ser usados para eliminar patógenos transportados pelo ar e esterilizar superfícies, por exemplo em hospitais.
Blu‑Ray e Lasers Azuis
Como mencionado antes, discos Blu‑ray e outras soluções de armazenamento de dados de alta densidade que dependem de laser azul não seriam possíveis sem LEDs azuis. A alta densidade de dados também é útil para comunicação óptica, especialmente quando alta largura de banda é necessária.
Os lasers azuis são também “a fonte ideal de luz para processamento de metais de alta refletividade, oferecendo vantagens substanciais em várias aplicações industriais como corte e soldagem”.
Os lasers azuis também são agora usados em cirurgias da laringe, graças ao seu alto output energético e à absorção do comprimento de onda de 445 nm pela hemoglobina, permitindo uma coagulação muito precisa dos vasos sanguíneos.
Nitreto de Gálio Além das Luzes LED
Os LEDs azuis criaram toda uma indústria que produz em escala e estuda cristais de nitreto de gálio. Isso, por sua vez, pode gerar uma revolução no design de eletrônicos, com nitreto de gálio sendo chamado de “o próximo grande avanço em eletrônica de potência”.
O nitreto de gálio pode operar em temperaturas muito mais altas e em tensões mais elevadas que os transistores de efeito de campo (FETs) baseados em silício. Assim, dispositivos baseados em nitreto de gálio poderiam ser usados em estações base 5G, transistores, pequenos dispositivos eletrônicos e até IA, já que aplicações de computação exigem consumos de energia cada vez maiores.
Todas essas aplicações não seriam possíveis sem as economias de escala na produção e a riqueza de conhecimento criada inicialmente pela indústria de LEDs azuis.
Empresas de LED Azul
Empresas Relacionadas a Nakamura
Nakamura desenvolveu sua luz LED azul enquanto trabalhava na Nichia Corporation. Após uma mudança de liderança em 1989, a empresa havia realmente ordenado que Nakamura interrompesse o projeto, o que ele felizmente não fez. Isso foi uma boa notícia para a empresa também, que quadruplicou sua receita entre 1993 e 2001, com 60 % do negócio total vindo de LEDs azuis.
Nakamura deixou a Nichia em 1999 e, posteriormente, esteve envolvido em uma série complexa de processos judiciais sobre a propriedade da tecnologia, envolvendo Nakamura, Nichia e a concorrente americana Cree. Nakamura acabou acertando um pagamento de ¥840 milhões (≈US$8,1 milhões) com a Nichia.
Nakamura fundou em 2008 a Soraa, empresa de capital privado que vende LEDs azuis, que foi recentemente adquirida pela Ecosense em 2020.
Em 2022, Nakamura co‑fundou a Blue Laser Fusion, empresa comercial de fusão nuclear. Ela pretende usar lasers de energia de mega‑joule com alta taxa de repetição para alcançar fusão comercial. A empresa planeja concluir seu primeiro protótipo em 2025 e demonstrar um reator de fusão pronto para o mercado até 2030.
A Blue Laser Fusion conta com o apoio do Mirai Creation Fund, que por sua vez é apoiado pela Toyota Motor (TM ) e outros investidores.
Com a Soraa/Ecosense e Nichia (para não ser confundida com Nichias – NICFF) empresas de capital privado, os investidores precisam olhar para outros fabricantes de luz LED azul para investir nessa tecnologia que se tornou a base da inovação moderna em eletrônica, telecomunicações, medicina, manufatura e até agricultura.
1. SMART Global Holdings
Cree foi uma empresa americana que esteve entre as primeiras a comercializar em massa luzes LED azuis e um grande concorrente da Nichia relacionada a Nakamura. Também esteve por trás do primeiro wafer comercial de carbeto de silício.
Posteriormente, rebatizou‑se como ‘Wolfspeed’, e vendeu seu negócio de LEDs para a SMART Global Holdings em 2021.
Fonte: SGH
SGH gerenciava quatro marcas diferentes:
- Cree LED
- Penguin Solutions , uma solução de infraestrutura de IA.
- Stratus, uma plataforma de computação ultra‑confiável.
- SMART Modular Technologies, líder em tecnologia DRAM e armazenamento de dados em estado sólido.
Cree LED representa cerca de 1/5th da receita total, e soluções de plataforma inteligente compõem metade da receita total.
Portanto, a SGH não é uma empresa focada exclusivamente em LEDs. Contudo, a Cree LED é proprietária de IPs importantes (notadamente a Marca XLamp), com reputação de excelência tecnológica no campo e presença em todos os mercados relacionados a LEDs azuis.
2. Osram (OSAGF)
Osram é uma empresa global que lidera em sensores e soluções de iluminação inovadoras. Os segmentos de semicondutores, incluindo LEDs, lasers, circuitos integrados e sensores, representam 2/3 da receita da empresa.
É notavelmente #1 em várias categorias:
- LEDs e lasers automotivos.
- Luzes automotivas tradicionais.
- LEDs para horticultura.
- Imagens médicas CT.
Fonte: OSRAM
No geral, a OSRAM é #2 no mercado de LEDs com 13 % de participação, atrás da Nichia (15 %), mas bem à frente do restante da concorrência como #3 e #4 Seoul Semiconductors (7 %) e Samsung LED (7 %), e MLS (6 %).
A OSRAM também lidera em sensores de luz, com 29,2 % do mercado, ligeiramente à frente da STMicroelectronics (28,5 %).
A maior parte da receita da empresa provém da região Ásia‑Pacífico, com receitas recentes quase igualmente divididas entre EMEA e as Américas.
Espera‑se que o mercado de LEDs continue crescendo a um CAGR de 6,8 % até ao menos 2028. Isso se deve principalmente aos mercados de LEDs automotivos e de iluminação geral.
Fonte: OSRAM
Com a liderança da OSRAM no mercado automotivo, tanto em lâmpadas clássicas quanto em LEDs, além da horticultura, a empresa está quase certa de ver seu mercado total endereçável crescer continuamente nos próximos anos.
