Nobel Ödülü Başarılarına Yatırım - Mavi Işık LED Diyotları Geleceği Aydınlatıyor

Sıradan Bir Devrim

Bazı Nobel Fizik Ödülleri, kara deliklerden (2020) atom altı parçacıklara (2013) veya Evrenin genişlemesine (2011) kadar evreni anlama şeklimizdeki bir devrime atfedilir. Diğerleri, görünüşte daha "sıradan" keşifleri ödüllendiriyor, ancak yine de insan uygarlığı üzerinde yaratacakları kalıcı ve radikal etki nedeniyle tamamen kazanmaya değer.

Mavi ışık yayan diyotların keşfi nedeniyle Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura'ya verilen 2014 Nobel Ödülü de bunlardan biri.

Kırmızı, sarı ve yeşil ışık yayan LED diyotlar, LED teknolojisinin icadından bu yana bilinmektedir. Ancak beyaz ışık yaymak için LED diyotlar gerektiğinde mavi ışık yayar ve bunu başarmanın zor olduğu ortaya çıktı.

Doğru Işık Türü

Kuantum Enerjisi

Mavi ışığın LED ile üretilmesini bu kadar zorlaştıran şey, LED diyotların temel fiziğinden kaynaklanmaktadır.

LED'ler kuantum fiziğinin ilkeleri sayesinde ışık üretir. Kuantum fiziğinin basitleştirilmiş bir versiyonunda, atomlar, Dünya'nın Güneş çevresinde olduğu gibi, çevresinde bir veya daha fazla elektronun yörüngesinde döndüğü bir çekirdekten oluşur.

Kuantum mekaniği kurallarına göre bu elektronlar, atom çekirdeğinin etrafında yalnızca her biri belirli bir enerji düzeyine göre belirlenen önceden belirlenmiş düzeylerde "yörüngede" dolaşabilirler. Bir elektron yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine doğru hareket ettiğinde fazlalık ışık şeklinde yayılır.

Düşük enerjili ışık, ışık spektrumunun "kırmızı tarafında" olma eğilimindeyken, yüksek enerjili ışık, spektrumun mavi tarafında olma eğilimindedir.

Kaynak: Çevrimiçi Öğrenme Koleji

LED'in Temelleri

Atomların temel fizikten kaynaklanan bu ışık yayma yeteneği, LED diyotların arkasındaki temel prensiptir. Uygulamada birkaç spesifik özelliğe daha ihtiyaç vardır.

Bir LED diyot oluşturmak için öncelikle yarı iletken olan, dolayısıyla elektrik akımının geçmesine izin verme veya onu engelleme yeteneğine sahip malzemelere ihtiyacınız vardır (dolayısıyla "yarı" niteleyici).

Daha sonra 2 farklı yarı iletken tipini birleştirmelisiniz:

• Elektron verebilenlere de “n-tipi” adı veriliyor.
• Bahsedilen elektronları almak için ekstra alana sahip olan, aynı zamanda "p tipi" olarak da adlandırılır.

LED'lerde kullanılan yarı iletken kombinasyonları, iki malzeme arasındaki enerji potansiyeli açısından önemli bir farka sahip bir "bant aralığına" sahiptir.

Elektronlar bir yarı iletkenden diğerine hareket ettiğinde açığa çıkan enerji diyottan istediğimiz ışığa dönüşür.

Kaynak: BYJUS

İlk LED sistemleri, iki tür yarı iletken arasında çok küçük enerji farklılıklarına sahipti ve bu da düşük enerjili kızılötesi ışığın yayılmasına yol açıyordu. Bilim adamları ve elektronik şirketleri kısa sürede bu enerji açığını nasıl bir miktar artırabileceklerini anladılar ve bu da kırmızı, sarı ve yeşil renklerde görünür ışık LED'lerinin üretilmesine yol açtı.

Bu iyileştirmelerin önemli bir kısmı, daha önce saf olan yarı iletken malzemelerin performanslarını artıran diğer elementlerle "arttırılması"ydı.

Kaynak: VectorVoyager tarafından Vikipedi 

Bu yöntem, LED'lerin mavi ışık yayması için gereken yüksek enerjili bant aralığını oluşturmak için birkaç on yıl boyunca yetersiz kaldı.

Mavi LED Diyotlara Giden Zorlu Yol

Galyum Nitrür – Zor Bir Mucize Malzeme

Kırmızı ve yeşil LED'ler için kullanılan galyum arsenit (1,42 eV) ve galyum fosfit (2,26 eV) gibi düşük enerjili LED ışıklar için kullanılan malzemelerin bant aralığı 2,6 ila 3,4'ten kısaydı. Mavi ışık için XNUMX eV.

Galyum nitrür (3,37 eV) ile bir alternatif bulundu. Mavi LED ışığı oluşturmak için galyum nitrürü kullanmak iyi bir fikir gibi görünüyordu, ancak bunu pratikte yapmak görünüşte pratik değildi.

Kaynak: Britannica

İlk engel, üzerinde galyum nitrür kristallerinin büyüyeceği bir yüzey hazırlamak için hiçbir yöntemin bulunmamasıydı. Ayrıca hiç kimse p tipi galyum nitrür tabakasının nasıl yapılacağını da bilmiyordu. Birçoğu galyum nitrürü mavi ışık için işlevsel bir LED sistemine dönüştürmeyi denedi ve başarısız oldu. 2014 Nobel Ödülü'nü kazanan üç kişinin mücadeleye girdiği yer burası.

Mavi Ledin Çoklu Açılardan Çözümü

1986 yılında Isamu Asaki ve Hiroshi Amano, safir bir substrat üzerindeki bir alüminyum nitrür tabakası üzerinde galyum nitrür kristallerinin nasıl büyütüleceğini bulan ilk kişilerdi.

Birkaç yıl sonra bir p katmanı oluşturacaklardı ve sonunda 1992'de parlak mavi ışıklı LED'in ilk prototipini yaratacaklardı.

Buna paralel olarak Shuji Nakamura, 1988 yılında mavi LED'ini geliştirmeye başladı. Galyum nitrür kristalini büyütmenin kendi yolunu bulmuştu; önce düşük sıcaklıkta ince bir galyum nitrür tabakası büyüttü ve sonraki katmanları daha yüksek bir sıcaklıkta büyüttü.

Galyum Nitrürün Gerçek Anlaşılması

Asaki ve Amano'nun p-katmanı, galyum nitrürün taramalı elektron mikroskobunun elektron ışınına maruz bırakılmasıyla optimize edildi.

Nakamura, elektron mikroskobunun nasıl çalıştığını açıklayacak teorik çerçeveye sahipti: Hidrojen atomlarını uzaklaştırıyor, p katmanının oluşmasını engelliyordu. Daha sonra aynı sonucu elde etmek için daha basit ve daha ucuz bir yöntem buldu: malzemenin kontrollü ısıtılması.

Her iki paralel araştırma grubu da mavi LED'leri için giderek daha gelişmiş ve karmaşık tasarımlara devam etti; alüminyum veya indiyum ile çeşitli galyum nitrür alaşımları oluşturdu ve ışık çıkışlarını ve verimliliklerini artırmak için yarı iletkenlere etkili bir şekilde katkı sağladı.

Kaynak: Nobel Ödülü

Ayrıca mavi ışık LED'lerini kullanarak mavi lazerleri de icat ettiler. Mavi ışığın frekansı diğer renklere göre çok daha küçük olduğu için kızılötesi ışığa göre 4 kat daha fazla bilgi içerebiliyor ve Blu-ray disklerin yolunu açıyor.

Mavi LED Işık Başarıları

Daha Az Elektrikle Daha Fazla Işık

Mavi LED'ler beyaz ışık yaratmayı mümkün kılarak çoğu ampulün ve floresan lambanın LED'lerle değiştirilmesini mümkün kıldı. LED'ler ampullerden 20 kat, akkor lambalardan ise 4 kat daha verimli olduğundan bu özellikle dikkat çekicidir.

Kaynak: Nobel Ödülü

Çünkü 1/4^th Elektrik tüketiminin %50'si ışık üretmek içindir, bu da küresel enerji tüketiminde radikal bir tasarrufu temsil etmektedir.

Aynı zamanda, küçük güneş panelleri veya diğer alternatif enerji kaynaklarının artık uzak veya yoksul alanlardaki ışığı çalıştırabilmesi sayesinde, şebekeden bağımsız aydınlatma sistemlerini çok daha uygulanabilir hale getiriyor. Bu da verimliliğin artmasına ve daha iyi eğitime olanak sağlar.

Özelleştirilmiş Renkler

Beyaz LED'lere ek olarak kırmızı, yeşil ve mavi LED'lerin kombinasyonu görünür spektrumdaki tüm olası renklerin oluşturulmasına olanak tanır. Bu, niş uygulamalar için her türlü özel LED'in yolunu açar.

Kırmızı/yeşil/mavi oranındaki dalgalanmalar piksel piksel doğru rengin görüntülenmesinden sorumlu olduğundan, mavi LED'lerin ve isteğe bağlı özel renklerin önemli bir uygulaması TV'ler, bilgisayarlar ve akıllı telefonlar için LED ekranlardır.

Veya örneğin bitkiler fotosentez için yeşil ışık kullanmazlar. Bu nedenle, iç mekan yetiştiriciliğine yönelik LED ışıklar yalnızca kırmızı ve mavi LED'leri kullanabilir, bu da sera yetiştiriciliğinin güç tüketimini büyük ölçüde optimize eder ve tarımda devrimi mümkün kılar. suda bitki yetiştirme ve kentsel tarım. Ve belki bir gün bile uzayda veya Mars'ta yiyecek yetiştirmek.

Kaynak: tarım

Ultraviyole LED'ler

Mavi ışıklı LED'in ilk geliştirilmesinden sonra, daha fazla iyileştirme, ultraviyole ışık yayan daha da güçlü bir sistemi mümkün kıldı.

Bu UV-C LED'ler, kamp malzemelerinden büyük şehirlerde on milyonlarca insana hizmet veren tesislere kadar her ölçekte suyu arıtmak için kullanılabilir. Ayrıca havadaki patojenleri öldürmek ve örneğin hastanelerdeki yüzeyleri sterilize etmek için de kullanılabilirler.

Blu-Ray ve Mavi Lazerler

Daha önce de belirtildiği gibi, mavi lazere dayalı blu-ray ve diğer yüksek yoğunluklu veri depolama çözümleri mavi LED'ler olmadan mümkün olamazdı. Yüksek veri yoğunluğu, özellikle yüksek bant genişliği gerektiğinde optik iletişim için de aynı derecede faydalıdır.

Mavi lazerler de “kesme ve kaynaklama gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda önemli avantajlar sunan, yüksek yansıtıcılığa sahip metal işleme için ideal ışık kaynağı anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Mavi lazerler artık gırtlak ameliyatlarında da kullanılıyorYüksek enerji çıkışı ve 445 nm dalga boyunun hemoglobin tarafından emilmesi sayesinde kan damarlarının çok hassas bir şekilde hedeflenen pıhtılaşmasına olanak tanır.

LED Işıkların Ötesinde Galyum Nitrür

Mavi LED ışıklar, geniş ölçekte üretim yapan ve galyum nitrür kristalleri üzerinde çalışan bütün bir endüstri yarattı. Bu da elektronik tasarımında bir devrim yaratabilir. galyum nitrürün adı “Güç elektroniğindeki bir sonraki büyük şey anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Galyum nitrür, silikon bazlı alan etkili transistörlerden (FET'ler) çok daha yüksek sıcaklıklarda ve daha yüksek voltajda çalışabilir. Dolayısıyla galyum nitrür bazlı bilgi işlem uygulamaları giderek daha yüksek enerji tüketimi gerektirdiğinden 5G hücresel baz istasyonları, transistörler, küçük elektronik cihazlar ve hatta yapay zeka için kullanılabilir.

Üretimde ölçek ekonomisi ve başta mavi LED endüstrisinin yarattığı bilgi zenginliği olmasaydı tüm bu uygulamalar mümkün olmazdı.

Mavi Ledli Şirketler

Nakamura ile İlgili Şirketler

Nakamura, Nichia Corporation'da çalışırken mavi LED ışığını geliştirdi. 1989 yılındaki liderlik değişikliğinden sonra şirket aslında Nakamura'ya proje üzerinde çalışmayı bırakmasını emretmişti ama Nakamura şans eseri bunu yapmadı. Bu, 1993 ile 2001 yılları arasında gelirini dört katına çıkaran ve toplam işlerin %60'ının mavi LED ışıklardan geldiği şirket için de iyi bir haberdi.

Nakamura, 1999'da Nichia'dan ayrıldı ve daha sonra teknolojinin mülkiyeti konusunda Nakamura, Nichia ve ABD merkezli rakip Cree'nin de dahil olduğu bir dizi karmaşık davaya karışacaktı. Nakamura, sonuçta Nichia ile 840 milyon Yen (≈8.1 milyon ABD Doları) tutarında bir ödemeye razı olacaktı.

Nakamura 2008'i kurmaya devam edecekti soraaMavi LED'ler satan özel bir şirket olan yakın zamanda 2020'de Ecosense tarafından satın alındı.

2022'de Nakamura kurucularından oldu Mavi Lazer Füzyonticari bir nükleer füzyon şirketi. Ticari füzyon elde etmek için hızlı tekrarlama oranına sahip mega joule darbe enerjili lazerler kullanılacak gibi görünüyor. Şirket, ilk prototipini 2025 yılında tamamlamayı ve 2030 yılına kadar ticari kullanıma hazır bir füzyon reaktörünü tanıtmayı planlıyor.

Blue Laser Fusion, kendisi de Toyota Motor ve diğer yatırımcılar tarafından desteklenen Mirai Creation Fund tarafından desteklenmektedir.

Soraa/Ecosense ile ve Nichia (birbiriyle karıştırılmaması için Nichias - NICFF) özel olarak listelenen şirketler, yatırımcıların elektronik, telekomünikasyon, tıp, imalat ve hatta tarımda modern inovasyonun temeli haline gelen bu teknolojiye yatırım yapmak için diğer mavi LED ışık üreticilerine bakması gerekiyor.

1. AKILLI Küresel Holdingler

Cree, mavi LED ışıkları kitlesel olarak ticarileştiren ilk şirketlerden biri olan ve Nakamura ile ilgili Nichia'nın büyük bir rakibi olan bir Amerikan şirketiydi. Aynı zamanda ilk ticari silisyum karbür levhanın da arkasındaydı.

Daha sonra ' olarak yeniden markalandıkurt hızı', ve LED işini 2021 yılında SMART Global Holdings'e sattı.

Kaynak: GHS

SGH dört farklı markayı yönetti:

• Cree LED'i
• Penguen Çözümleri, bir yapay zeka altyapı çözümü.
• Stratus, son derece güvenilir bir bilgi işlem platformu.
• SMART Modüler TeknolojilerDRMA ve katı hal veri depolama teknolojisinde lider.

Cree LED yaklaşık 1/5'i temsil eder^th toplam gelirlerin yarısını oluştururken, akıllı platform çözümleri de toplam gelirlerin yarısını oluşturuyor.

Yani SGH tamamen LED odaklı bir şirket değil. Ancak Cree LED önemli IP'lerin sahibidir (özellikle XLamp Markası), alanda teknolojik mükemmellik konusunda bir üne sahip ve mavi LED ile ilgili tüm pazarlarda varlık.

2. Osram (OSAGF)

Osram, sensörler ve yenilikçi ışık çözümlerinde lider olan küresel bir şirkettir. LED'ler, lazerler, entegre devreler ve sensörleri içeren yarı iletken segmentler şirketin gelirlerinin 2/3'ünü temsil ediyor.

Pek çok kategoride özellikle 1 numaradır:

• Otomatik LED ve lazer ışıkları.
• Geleneksel otomobil ışıkları.
• Bahçıvanlık LED'i.
• CT Tıbbi görüntüleme.

Kaynak: OSRAM

Genel olarak OSRAM, %2 pazar payıyla LED pazarında Nichia'nın (%13) arkasında 15. sırada yer alıyor, ancak rekabetin geri kalanı olan 3. ve 4. Seul Yarı İletkenleri (%7) ve Samsung LED (%7) gibi rakiplerinin oldukça ilerisinde yer alıyor. ) ve MLS (%6).

OSRAM aynı zamanda STMicroelectronics'in (%29.2) hemen önünde, %28.5 pazar payı ile ışık sensörlerinde de liderdir.

Şirketin gelirlerinin çoğu Asya-Pasifik bölgesinden geliyor ve yakın zamandaki gelirler EMEA ile Amerika kıtası arasında neredeyse eşit olarak bölünmüş durumda.

LED pazarının en az 6.8 yılına kadar %2028 Bileşik Büyüme Oranıyla büyümeye devam etmesi bekleniyor. Bunun büyük oranda otomotiv ve genel aydınlatma LED pazarlarından kaynaklandığı belirtiliyor.

Kaynak: OSRAM

OSRAM'ın hem klasik hem de LED lambalar ile bahçecilik pazarındaki liderliği sayesinde şirketin toplam adreslenebilir pazarının önümüzdeki birkaç yıl boyunca sürekli olarak büyüyeceği neredeyse kesin.