Pamumuhunan sa mga Tagumpay ng Nobel Prize – Ang mga Blue Light LED Diode ay Nagliliwanag sa Hinaharap

Isang Karaniwang Rebolusyon

Ang ilang Nobel Prize sa Physics ay iniuugnay sa isang rebolusyon sa pundamental na paraan ng ating pag-unawa sa uniberso, mula sa mga black hole (2020) hanggang sa mga subatomic particle (2013) o ang paglawak ng Uniberso (2011). Ang iba naman ay nagbibigay gantimpala sa tila mas “karaniwang” na mga tuklas na gayunpaman ay lubos na karapat-dapat na mapanalunan dahil sa matibay at radikal na epekto na kanilang maidudulot sa sibilisasyon ng tao.

Ang 2014 Nobel Prize, na iniuugnay kina Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, at Shuji Nakamura para sa pagk discover ng mga blue light-emitting diode, ay isa sa mga ito.

Ang mga LED diode na kayang maglabas ng pulang, dilaw, at berdeng ilaw ay kilala na mula pa noong imbensyon ng teknolohiyang LED. Gayunpaman, upang maglabas ng puting ilaw, kailangang maglabas ng asul na ilaw ang mga LED diode, at ito ay napatunayang mahirap makamit.

Ang Tamang Uri ng Ilaw

Quantum na Enerhiya

Ang dahilan kung bakit mahirap gawin ang asul na ilaw gamit ang LED ay nagmumula sa pundamental na pisika ng mga LED diode.

Ang mga LED ay gumagawa ng ilaw dahil sa mga prinsipyo ng quantum physics. Sa isang pinasimpleng bersyon ng quantum physics, ang mga atom ay binubuo ng isang nucleus, na napapalibutan ng isa o ilang electron, na katulad ng pag-ikot ng mundo sa paligid ng araw.

Dahil sa mga patakaran ng quantum mechanics, ang mga electron ay maaaring mag-“orbit” lamang sa paligid ng nucleus ng atom sa mga nakatakdang antas, na bawat isa ay tinutukoy ng isang tiyak na antas ng enerhiya. Kapag ang isang electron ay lumipat mula sa mataas patungo sa mababang antas ng enerhiya, ang labis na enerhiya ay inilalabas bilang ilaw.

Ang ilaw na mababa ang enerhiya ay kadalasang nasa “pulang bahagi” ng spectrum ng ilaw, samantalang ang ilaw na mataas ang enerhiya ay nasa asul na bahagi ng spectrum.

Pinagmulan: Online Learning College

Mga Batayan ng LED

Ang kakayahan ng mga atom na maglabas ng ilaw, na nagmumula sa pundamental na pisika, ay ang pangunahing prinsipyo sa likod ng mga LED diode. Sa praktika, kailangan pa ng ilang mas tiyak na katangian.

Upang makalikha ng LED diode, kailangan mo munang mga materyales na semiconductor, kaya may kakayahang magpasa o harangan ang kuryente (kaya ang tawag na ‘semi’).

Kailangan mong pagsamahin ang 2 magkaibang uri ng semiconductor:

• Ang isa na nagbibigay ng mga electron ay tinatawag na “n-type.”
• Ang isa na may dagdag na puwang upang tumanggap ng mga electron, tinatawag din na “p-type”.

Ang mga kombinasyon ng semiconductor na ginagamit sa LED ay may tinatawag na “band gap”, na may malaking pagkakaiba sa potensyal ng enerhiya sa pagitan ng dalawang materyales.

Kapag ang mga electron ay lumipat mula sa isang semiconductor patungo sa isa pa, ang enerhiyang inilalabas ay nagiging ilaw na nais natin mula sa diode.

Pinagmulan: BYJUS

Ang mga unang LED system ay may napakaliit na pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng dalawang uri ng semiconductor, na nagreresulta sa paglabas ng mababang enerhiyang infrared na ilaw. Agad na natuklasan ng mga siyentipiko at kumpanyang elektronikong kung paano palakihin ang agwat ng enerhiya, na nagbunga ng mga LED na may nakikitang ilaw sa pulang, dilaw, at berdeng kulay.

Isang mahalagang bahagi ng mga pagpapabuting ito ay ang “spiking” ng dating purong materyales ng semiconductor gamit ang ibang elemento, na nagpalakas ng kanilang pagganap.

Pinagmulan: Wikipedia by VectorVoyager 

Ang pamamaraang ito ay hindi sapat sa loob ng ilang dekada upang lumikha ng mataas na enerhiyang bandgap na kinakailangan para sa mga LED na maglabas ng asul na ilaw.

Ang Mahirap na Landas Patungo sa Blue LED Diodes

Gallium Nitride – Isang Mahirap na Himala na Materyal

Ang band gap ng mga materyales na ginagamit para sa mababang enerhiyang LED ilaw, tulad ng gallium arsenide (1,42 eV) at gallium phosphide (2,26 eV), na ginagamit para sa pulang at berdeng LED, ay kulang sa 2,6 hanggang 3,4 eV para sa asul na ilaw.

Natuklasan ang isang alternatibo gamit ang gallium nitride (3,37 eV). Ang paggamit ng gallium nitride para lumikha ng asul na LED ay tila magandang ideya, ngunit sa praktika ay mukhang hindi praktikal.

Pinagmulan: Britannica

Ang unang balakid ay walang paraan para ihanda ang isang ibabaw kung saan maaaring tumubo ang mga kristal ng gallium nitride. Bukod pa rito, walang nakakaalam kung paano gagawin ang p-type na layer ng gallium nitride. Maraming sumubok at nabigo na gawing functional na LED system ang gallium nitride para sa asul na ilaw. Dito pumasok ang tatlong nagwagi ng 2014 Nobel Prize.

Lutasin ang Blue LED mula sa Maramihang Anggulo

Noong 1986, sina Isamu Asaki at Hiroshi Amano ang unang nakahanap ng paraan kung paano tumubo ang mga kristal ng gallium nitride sa isang layer ng aluminum nitride sa isang sapphire substrate.

Ililikha nila ang p-layer ilang taon pagkatapos nito, at sa huli ay nakagawa ng unang prototype ng maliwanag na asul na LED noong 1992.

Kasabay nito, nagsimulang paunlarin ni Shuji Nakamura ang kanyang blue LED noong 1988. Natuklasan niya ang kanyang sariling paraan upang tumubo ang kristal ng gallium nitride, unang lumago ng manipis na layer ng gallium nitride sa mababang temperatura at pagkatapos ay lumago ang mga susunod na layer sa mas mataas na temperatura.

Tunay na Pag-unawa sa Gallium Nitride

Ang p-layer nina Asaki at Amano ay na-optimize sa pamamagitan ng paglalantad ng gallium nitride sa electron beam ng isang scanning electron microscope.

May teoretikal na balangkas si Nakamura upang ipaliwanag kung paano gumagana ang electron microscope: inaalis nito ang mga hydrogen atom, na pumipigil sa pagbuo ng p-layer. Pagkatapos ay nakabuo siya ng mas simple at mas murang paraan upang makamit ang parehong resulta: kontroladong pag-init ng materyal.

Ang parehong paralel na grupo ng pananaliksik ay nagpatuloy sa paggawa ng mas advanced at kumplikadong disenyo para sa kanilang blue LED, lumilikha ng iba’t ibang alloys ng gallium nitride kasama ang aluminum o indium, na epektibong nagdope ng mga semiconductor upang mapataas ang kanilang output ng ilaw at kahusayan.

Pinagmulan: Nobel Prize

Nilikha rin nila ang mga blue laser gamit ang kanilang blue light LED. Dahil ang frequency ng asul na ilaw ay mas maliit kumpara sa ibang kulay, maaari itong maglaman ng 4 na beses na mas maraming impormasyon kaysa sa infrared na ilaw, na nagbubukas ng daan sa mga Blu-ray na disk.

Mga Tagumpay ng Blue LED Light

Mas Maraming Ilaw Mula sa Mas Kaunting Kuryente

Ang mga Blue LED ay nagbigay-daan upang lumikha ng puting ilaw, na nagpapahintulot na palitan ang karamihan ng mga bombilya at fluorescent lamp ng LED. Ito ay kapansin-pansin dahil ang mga LED ay 20 beses na mas epektibo kaysa sa mga bombilya at 4 na beses kaysa sa incandescent lamp.

Pinagmulan: Nobel Prize

Dahil 1/4^th ng konsumo ng kuryente ay para sa paglikha ng ilaw, ito ay nagrerepresenta ng radikal na pagtitipid sa pandaigdigang konsumo ng enerhiya.

Ginagawang mas praktikal din nito ang mga off-grid na sistema ng ilaw, kung saan ang maliliit na solar panel o iba pang alternatibong pinagkukunan ng enerhiya ay kayang magbigay ng ilaw sa mga liblib o mahihirap na lugar. Sa kalaunan, ito ay nagdudulot ng pagtaas ng produktibidad at mas mahusay na edukasyon.

Pasadyang Kulay

Bukod sa puting LED, ang kombinasyon ng pulang, berdeng, at asul na LED ay nagbibigay-daan sa paglikha ng lahat ng posibleng kulay ng nakikitang spectrum. Ito ay nagbubukas ng daan sa iba’t ibang espesyal na LED para sa mga niche na aplikasyon.

Isang pangunahing aplikasyon ng mga blue LED at pasadyang kulay on demand ay ang mga LED screen para sa TV, computer, at smartphone, dahil ang pag-fluctuate ng ratio ng pula/berde/asul ay responsable sa pagpapakita ng tamang kulay pixel by pixel.

O, halimbawa, hindi ginagamit ng mga halaman ang berdeng ilaw para sa photosynthesis. Kaya ang mga LED light para sa indoor cultivation ay maaaring gumamit lamang ng pulang at asul na LED, na lubos na nag-ooptimize ng konsumo ng enerhiya sa greenhouse cultivation at nagbibigay-daan sa rebolusyon sa hydroponics at urban farming. At maaaring balang araw kahit paglago ng pagkain sa kalawakan o sa Mars.

Pinagmulan: Agritecture

Ultraviolet LED

Pagkatapos ng unang pag-develop ng blue light LED, ang karagdagang mga pagpapabuti ay nagbigay-daan sa isang mas makapangyarihang sistema na naglalabas ng ultraviolet na ilaw.

Ang mga UV-C LED na ito ay maaaring gamitin upang linisin ang tubig sa anumang sukat, mula sa kagamitan sa kamping hanggang sa mga utility na nagseserbisyo sa sampu-sampung milyong tao sa malalaking lungsod. Maaari rin itong gamitin upang patayin ang mga airborne pathogen at i-sterilize ang mga ibabaw, halimbawa sa mga ospital.

Blu-Ray at Blue Laser

Tulad ng nabanggit kanina, ang blu-ray at iba pang high-density na solusyon sa pag-imbak ng data na umaasa sa blue laser ay hindi magiging posible kung wala ang mga blue LED. Ang mataas na densidad ng data ay kapaki-pakinabang din para sa optical communication, lalo na kapag kinakailangan ang mataas na bandwidth.

Ang mga blue laser ay isa ring “ang perpektong pinagmumulan ng ilaw para sa high-reflective metal processing, na nag-aalok ng malalaking benepisyo sa iba’t ibang industriyal na aplikasyon tulad ng pagputol at welding”.

Ang mga blue laser ay ngayon ginagamit din para sa operasyon ng larynx, dahil sa kanilang mataas na enerhiya at ang pagsipsip ng 445nm na wavelength ng hemoglobin, na nagpapahintulot ng napaka-tumpak na target na koagulasyon ng mga daluyan ng dugo.

Gallium Nitride Lampas sa LED Lights

Ang mga Blue LED light ay lumikha ng isang buong industriya na gumagawa at nag-aaral ng mga kristal ng gallium nitride sa malaking sukat. Ito, sa kalaunan, ay maaaring magdulot ng rebolusyon sa disenyo ng mga elektronik, kung saan ang gallium nitride ay tinatawag na “ang susunod na malaking bagay sa power electronics”.

Ang gallium nitride ay maaaring gumana sa mas mataas na temperatura at mas mataas na boltahe kaysa sa mga silicon-based field-effect transistor (FET). Kaya, ang mga batay sa gallium nitride ay maaaring magamit para sa mga 5G cellular base station, transistor, maliliit na elektronikong aparato, at kahit AI, dahil ang mga aplikasyon sa computing ay nangangailangan ng mas mataas at mas mataas na konsumo ng enerhiya.

Ang lahat ng mga aplikasyon na ito ay hindi magiging posible kung wala ang economies of scale sa produksyon at ang kayamanang kaalaman na nilikha ng industriya ng blue LED sa simula.

Mga Kumpanya ng Blue LED

Mga Kumpanyang Kaugnay kay Nakamura

Inilunsad ni Nakamura ang kanyang blue LED light habang nagtatrabaho sa Nichia Corporation. Pagkatapos ng pagbabago ng pamunuan noong 1989, inutusan ng kumpanya si Nakamura na itigil ang proyekto, na sa kabutihang palad ay hindi niya sinunod. Ito ay magandang balita rin para sa kumpanya dahil tumaas ng apat na beses ang kanilang kita mula 1993 hanggang 2001, kung saan 60% ng kabuuang negosyo ay nagmula sa mga blue LED light.

Umalis si Nakamura sa Nichia noong 1999, at kalaunan ay nasangkot sa isang komplikadong serye ng mga demanda tungkol sa pagmamay-ari ng teknolohiya, na kinabibilangan nina Nakamura, Nichia, at ng US-based na kakumpitensya na Cree. Sa huli, nagkasundo si Nakamura sa pagbabayad ng ¥840 milyon (≈US$8.1 milyon) sa Nichia.

Nagpatuloy si Nakamura at itinatag noong 2008 ang Soraa, isang pribadong kumpanya na nagbebenta ng mga blue LED, na kamakailan ay nakuha ng Ecosense noong 2020.

Noong 2022, co-founded ni Nakamura ang Blue Laser Fusion, isang komersyal na kumpanya ng nuclear fusion. Layunin nitong gamitin ang mega-joule pulse energy lasers na may mabilis na repetition rate upang makamit ang komersyal na fusion. Plano ng kumpanya na tapusin ang unang prototype nito sa 2025 at ipakita ang isang komersyal na handang fusion reactor pagsapit ng 2030.

Ang Blue Laser Fusion ay sinusuportahan ng Mirai Creation Fund, na sinusuportahan naman ng Toyota Motor (TM )  at iba pang mga mamumuhunan.

Kasama ang Soraa/Ecosense at Nichia (huwag ipaghalo sa Nichias – NICFF) na pribadong nakalistang mga kumpanya, kailangang tingnan ng mga mamumuhunan ang iba pang mga tagagawa ng blue LED light upang mamuhunan sa teknolohiyang ito na naging batayan ng makabagong inobasyon sa elektronik, telekomunikasyon, medisina, pagmamanupaktura, at maging agrikultura.

1. SMART Global Holdings

Ang Cree ay isang Amerikanong kumpanya na isa sa mga unang nagkomersyalisa ng blue LED light at isang pangunahing kakumpitensya ng mga kaugnay kay Nakamura na Nichia. Ito rin ang nasa likod ng unang komersyal na silicon carbide wafer.

Pagkatapos ay nagpalit ito ng pangalan sa ‘Wolfspeed‘, at ibinenta ang negosyo ng LED nito sa SMART Global Holdings noong 2021.

Pinagmulan: SGH

Pinamamahalaan ng SGH ang apat na iba’t ibang tatak:

• Cree LED
• Penguin Solutions , isang solusyon sa AI infrastructure.
• Stratus, isang ultra-reliable na platform sa computing.
• SMART Modular Technologies, isang nangunguna sa DRMA at solid-state data storage technology.

Ang Cree LED ay kumakatawan sa humigit-kumulang 1/5^th ng kabuuang kita, at ang mga intelligent platform solution ay bumubuo ng kalahati ng kabuuang kita.

Kaya, ang SGH ay hindi isang purong kumpanyang nakatuon sa LED. Gayunpaman, ang Cree LED ay may-ari ng mahahalagang IP (kabilang ang XLamp Brand), na may reputasyon para sa kahusayan sa teknolohiya sa larangan at presensya sa lahat ng merkado na may kaugnayan sa blue LED.

2. Osram (OSAGF)

Ang Osram ay isang pandaigdigang kumpanya na nangunguna sa mga sensor at makabago na solusyon sa ilaw. Ang mga segment ng semiconductor, kabilang ang LED, laser, integrated circuit, at sensor, ay kumakatawan sa 2/3 ng kita ng kumpanya.

Kilala ito bilang #1 sa maraming kategorya:

• Auto LED at laser lights.
• Tradisyonal na auto lights.
• Horticulture LED.
• CT Medical imaging.

Pinagmulan: OSRAM

Sa pangkalahatan, ang OSRAM ay #2 sa LED market na may 13% market share, nasa likod ng Nichia (15%), ngunit malayo ang agwat sa natitirang kompetisyon tulad ng #3 at #4 Seoul Semiconductors (7%) at Samsung LED (7%), at MLS (6%).

Ang OSRAM din ang nangunguna sa light sensors, na may 29.2% ng merkado, bahagyang nauuna sa STMicroelectronics (28.5%).

Karamihan sa kita ng kumpanya ay nagmumula sa rehiyon ng Asia-Pacific, kung saan ang kamakailang kita ay halos pantay na nahahati sa pagitan ng EMEA at Americas.

Inaasahang magpapatuloy ang paglago ng LED market sa 6.8% CAGR hanggang hindi bababa sa 2028. Ito ay pangunahing dahil sa automotive at general lighting LED markets.

Pinagmulan: OSRAM

Sa pamumuno ng OSRAM sa automotive market, parehong klasikong at LED na ilaw, pati na rin ang horticulture, halos tiyak na makikita ng kumpanya na patuloy na lumalaki ang kabuuang addressable market nito sa mga susunod na taon.