LED's verlichten de toekomst

Een rel van licht overvalt een bezoeker die de lobby van Color Kinetics binnenloopt op de 17e verdieping van een kantoorgebouw in het centrum van Boston. Gewervelde ontwerpen op posters veranderen van oranje in groen, doorzichtige plastic vormen gloeien snel achter elkaar blauw, paars en rood op. En al snel rijst de vraag: welke kleur heeft die bank? Het glanst kersenrood, vervaagt tot karmijnrood, wordt babyblauw en begint de cyclus opnieuw.

In feite is de bank rood. Het is altijd rood en alleen het licht dat erop schijnt van tientallen kleine schijnwerpers verandert, aangezien Color Kinetics de mogelijke effecten met zijn digitale lichten demonstreert. Elk lampje bevat rode, groene en blauwe light-emitting diodes (LED's), die onder computerbesturing in wisselende combinaties oplichten. We brengen een revolutie teweeg in de verlichtingsindustrie met wat we beschouwen als een ontwrichtende technologie, enthousiast bedrijfspresident George Mueller, lang en paardenstaart met de Gen-X standaard sik. Het is een nieuwe manier om licht te creëren.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2000

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Mueller en zijn mede-oprichter, Ihor Lys, hebben computersoftware gekoppeld aan een decennium van vooruitgang in LED-technologie. LED's zijn alomtegenwoordig geworden in het dagelijks leven en gloeien van de gezichten van videorecorders, wekkerradio's en magnetrons. Maar deze LED's waren bescheiden indicatielampjes op allerlei elektronische apparaten. Ooit beperkt in helderheid en vastgelopen aan het rode uiteinde van het spectrum, zijn LED's de afgelopen tien jaar krachtiger geworden. En een doorbraak in het begin van de jaren negentig creëerde blauwe LED's, waardoor plotseling de hele regenboog beschikbaar kwam en de belofte van witlicht-LED's werd waargemaakt - hetzij door de output van gekleurde LED's te mengen of door meer exotische technieken. Color Kinetics koopt LED's van apparaatfabrikanten zoals Agilent en Cree en verwerkt ze in lampen die vrijwel elke kleurveranderende witte muur of winkeldisplay in een opwelling van lichtgroen naar felroze afgeven.

Hun apparaten, die momenteel vooral gericht zijn op de retail- en entertainmentmarkten, profiteren van enkele van de speciale kenmerken van LED's: klein formaat, lichtgewicht, laag stroomverbruik, bijna oneindige keuze aan kleuren. Maar verlichtingsexperts zeggen dat dit nog maar het begin is. Verderop liggen hele gebouwen die oplichten, verkeerslichten die tien jaar meegaan, koplampen die de accu van je auto niet leegmaken als je ze aan laat en misschien zelfs goedkope, duurzame lampen die gloeilampen en tl-lampen doen uitsterven.

Licht laten werken

Thomas Edison wordt vooral geprezen voor het uitvinden van de gloeilamp. Terwijl zijn andere uitvindingen - zoals de fonograaf, de stencilmachine en de tickertape-machine - de afgelopen decennia zijn verdrongen door digitale technologieën, blijft de gloeilamp schijnen. Nu, na 12 decennia, dreigen technologische ontwikkelingen het eindelijk te onttronen. Anticiperend op de transitie gaan de grote verlichtingsfabrikanten allianties aan met ledmakers. General Electric Lighting heeft vorig jaar de krachten gebundeld met chipmaker Emcore om een ​​verlichtingsdivisie te vormen genaamd GELCore, gevestigd in Independence, Ohio. Philips Lighting en Agilent Technologies, een spin-off van Hewlett-Packard, creëerden LumiLeds in San Jose. En Osram Sylvania werkt samen met de halfgeleideractiviteiten van moederbedrijf Siemens. Je ziet een grote drive van gloeilampenfabrikanten, die in zekere zin hun eigen bedrijf opeten, maar met de erkenning dat als ze het niet doen, iemand anders het wel doet, zegt Makarand Chipalkatti, marketing en technisch manager voor LED lichtdiensten bij Osram Sylvania in Danvers, Mass.

Niet alle spelers op dit gebied zijn echter grote bedrijven. Ook startups komen in actie. Mueller en Lys van Color Kinetics leerden elkaar kennen aan de Carnegie Mellon University, waar Lys een doctoraat in elektrotechniek behaalde en Mueller als hoofdvak computer- en elektrotechniek, met een minor in beeldende kunst. Hun eerste onderneming in verlichting, in 1992, was het bouwen van een nieuwigheidsbord zoals Mueller had gezien in het Detroit Science Center. Een enkele verticale rij LED's vertoonde segmenten van een afbeelding, kolom voor kolom. Het menselijk brein, dat reageert alsof het oog van de kijker over een ononderbroken beeld scant, zou het beeld opnieuw samenstellen. Het eerste teken dat Mueller maakte, was LIEFDE; hij gaf het aan zijn moeder. Toen, voor de huisgenoten die hem wedden dat hij het niet kon, bouwde hij een bord met de tekst BIER.

We schreven er een businessplan omheen omdat ik businessschoollessen volgde, herinnert Mueller zich. Hij had drie goals voor het resulterende bedrijf, Stone Age Technologies. De eerste twee waren typische studentenwensen: wat biergeld verdienen en een paar freebies krijgen (in dit geval gratis borden). Het derde doel was om op de omslag van het tijdschrift In Pittsburgh te staan, zegt hij, terwijl hij door een mand met designerchips plukte om de oranje chips te vinden. Mijn nieuwe doel is Rolling Stone.

Ik neem genoegen met de Wall Street Journal, zegt Lys, de kortharige, minder kinetische helft van het paar. De technische goeroe Lys is een ingenieur die, net als zijn collega's bij computerstartups, rond het middaguur op het werk komt en laat blijft.

Hoewel Lys en Mueller in 1993 met het idee voor digitale verlichting kwamen, legden ze het terzijde toen Mueller en zijn broer Gary op zoek gingen naar een economisch onderzoeksbureau, Internet Securities, Inc. De broers verkochten 80 procent van het in Boston gevestigde bedrijf vorig jaar voor $ 43 miljoen. Mueller minacht de traditionele messing-, glas- en gasverlichtingsindustrie. Het is saai, verklaart hij. Er komt geen technologie bij kijken.

Misschien niet, maar er is zeker geld mee gemoeid. De Verenigde Staten kopen elk jaar voor 3,5 miljard dollar aan gloeilampen, tl-buizen en halogeenlampen; wereldwijd is de markt $ 11,5 miljard. Volgens onderzoeksbureau Strategies Unlimited is de markt voor heldere, zichtbaar licht-LED's tot nu toe relatief klein: ongeveer $ 680 miljoen. Maar de vooruitgang in LED-technologie zorgt ervoor dat deze apparaten in een toenemend aantal toepassingen worden gebruikt, en de markt zal naar verwachting in vijf jaar groeien tot $ 1,8 miljard.

Het witte antwoord

De eerste LED's werden begin jaren 60 gebouwd. De minuscule chips van halfgeleidermateriaal, ingekapseld in een heldere epoxy, geven een enkele kleur licht af wanneer er elektriciteit doorheen loopt. Negatief geladen elektronen bewegen om positief geladen gebieden in het materiaal te vullen, gaten genaamd, waar elektronen ontbreken. De combinatie van een elektron en een gat produceert een foton van licht. Hoe groter het verschil in energie tussen elektron en gat - de zogenaamde bandgap - hoe hoger de energie van het foton dat tevoorschijn komt. De energie van het foton komt op zijn beurt overeen met de kleur van het licht; binnen het zichtbare spectrum dragen blauwe en violette fotonen de meeste energie, oranje en rode fotonen het minst. Verschillende materialen hebben van nature verschillende bandafstanden, dus om het energieniveau en dus de kleur van de fotonen te veranderen, laten ingenieurs de kristallijne halfgeleiders groeien uit verschillende legeringen (zie begeleidend artikel: They Come in Colors).

Monochromatische LED's met hoge helderheid maken al vorderingen op de markt. Ongeveer 10 procent van de rode verkeerslichten in de Verenigde Staten is vervangen door leds. Ze zijn duurder dan conventionele gloeilampen, maar hebben andere voordelen die opwegen tegen de kosten. Een daarvan is efficiëntie: een rood led-verkeerslicht verbruikt slechts 15 watt aan elektriciteit in plaats van de 150 watt die traditionele stoplichten verbruiken. Een andere is de levensduur: de LED's zullen naar verwachting het verkeer een volledig decennium tot stilstand brengen zonder op te branden. De compactheid, het lage stroomverbruik, de intense kleuren en de lage temperatuur van eenkleurige LED's zorgen ervoor dat ze ook opduiken als achterlichten van auto's, waarschuwingslichten voor vliegtuigen op radiotorens en startbaanverlichting op luchthavens. Maar de geest van onderzoekers en de ogen van de verlichtingsindustrie zijn gericht op wit.

En dat levert een uitdaging op: hoe krijg je wit licht uit apparaten die van nature monochroom zijn? Een methode omvat het mengen van LED's van verschillende kleuren zodat ze wit lijken. Net zoals een televisietoestel alle kleuren maakt die het weergeeft, inclusief wit-uit van gloeiende rode, groene en blauwe fosforen, kan de juiste combinatie van LED's het uiterlijk van wit geven. De standaardmanier om te mixen is met drie afzonderlijke rode, groene en blauwe diodes, maar de juiste combinatie van slechts twee, zeg blauw en oranje, kan ook wit produceren.

The Photonic Squeeze

Welke methodes er ook gekozen worden om wit licht te maken, de betrokken leds moeten meer licht uitstralen en energiezuiniger worden als ze de lampen van Edison willen vervangen. Witte LED's produceren ongeveer 10 lumen verlichting per watt verbruikte elektriciteit, wat vergelijkbaar is met de prestaties van gloeilampen (een lumen is een maat voor hoe helder het oog licht waarneemt). Ongeveer 10 procent van de elektriciteit die ze verbruiken, wordt omgezet in licht - marginaal beter dan de 7 tot 8 procent voor gloeilampen. Maar LED's zijn nog steeds te duur om de gemiddelde GE Soft White uit te dagen. Te koop bij de plaatselijke discountwinkel, branden gloeilampen van 100 watt ongeveer een dollar voor een pakket van vier en leveren ze 1500 lumen verlichting per stuk. Ik kan geen led maken die je 1.500 lumen geeft voor 25 cent, zegt Roland Haitz, onderzoeks- en ontwikkelingsmanager van de halfgeleiderproductgroep bij Agilent. Hij voorspelt dat zijn groep over een paar jaar een led van 1500 lumen kan maken die voor $ 150 kan worden verkocht. Hij betwijfelt of de gemiddelde huiseigenaar zich zal haasten om zo'n product te kopen.

LED's gemaakt van AlInGaP zijn behoorlijk efficiënt in het omzetten van elektriciteit in licht. Ongeveer 90 procent van de elektronen die de diode binnenkomen, genereren fotonen. Helaas heeft deze halfgeleiderlegering ook een hoge brekingsindex (een maat voor hoeveel een materiaal lichtstralen buigt). In plaats van naar buiten te schijnen voor iedereen om te zien, stuiteren de meeste fotonen daarom rond het inwendige van de diode en worden ze afvalwarmte; slechts 30 procent daarvan komt naar voren als zichtbaar licht. GaN heeft een lagere brekingsindex, dus er ontsnapt meer licht uit leds die van dat materiaal zijn gemaakt. Slechts 30 procent van de elektriciteit die naar een GaN-apparaat wordt gevoerd, wordt in de eerste plaats omgezet in licht, dus het uiteindelijke rendement is nog steeds slechts ongeveer 10 procent. Dat is voldoende helder voor zoiets als een verkeerslicht, maar niet voor algemene verlichting.

Dit is geen onoverkomelijk probleem, zegt George Crawford, chief technical officer bij LumiLeds. Daar hebben onderzoekers geëxperimenteerd met nieuwe structuren van de diodes om meer fotonen te laten ontsnappen. Conventionele LED's bestaan ​​uit kubusvormige kristallen. Maar door de lagen van de halfgeleider anders te rangschikken en de wafels te snijden om schuine zijden te creëren, heeft LumiLeds een omgekeerde piramide gecreëerd die resulteert in een korter optisch pad voor de fotonen om te doorkruisen. In het lab is LumiLeds erin geslaagd om de helft van de fotonen uit een omgekeerde piramide-LED van AlInGaP te halen, en ze hopen dit jaar dergelijke LED's in commerciële productie te hebben. Vijftig procent is aannemelijk, maar moeilijk, zegt Crawford, maar voegt eraan toe: ik kan me moeilijk voorstellen dat ik het veel beter zou doen dan dat.

De helft van de fotonen uit AlInGaP halen is misschien genoeg om te concurreren met fluorescentielampen, maar niet op zichzelf. Apparaten die van dat materiaal zijn gemaakt, geven alleen het rode en gele licht. De complementaire blauwe fotonen die nodig zijn om wit licht te produceren, moeten afkomstig zijn van galliumnitride, en daar is de technologie nog embryonaal. We begrijpen echt niet de basisprincipes van het bouwen van een beter kristal in galliumnitride, zegt Steve Johnson, leider van de verlichtingsonderzoeksgroep bij Lawrence Berkeley National Laboratory.

Onderzoekers zijn op zoek naar een schot van overheidsfinanciering om hun zoektocht te helpen. Arpad Bergh, voorzitter van de Optoelectronics Industry Development Association, wil een grote R&D-inspanning om leds zover te krijgen dat ze kunnen concurreren met traditionele lichtbronnen. Zijn groep werkt samen met Johnson bij Lawrence Berkeley om een ​​onderzoeksplan te ontwikkelen voor efficiëntere witlicht-LED's en is van plan het Congres te vragen om een ​​vijfjarig financieringsprogramma van $ 50 miljoen per jaar dat al in 2002 van start zou gaan. Ondertussen heeft Haitz schreef een witboek met Sandia National Laboratories waarin de regering werd opgeroepen om gedurende 10 jaar $ 500 miljoen in onderzoek te steken. Een dergelijke uitgave is nodig, stelt Haitz, om LED-verlichting over de hindernissen te tillen die nu de vooruitgang in de weg staan. Hij stelt dat de verlichtingsindustrie alleen gelaten zal worden en dat leds in 2025 slechts voldoende vooruit zullen gaan om ongeveer een tiende van de verlichtingsmarkt in te nemen. Maar met overheidssteun, zegt hij, zouden de apparaten tegen dat jaar de helft van de markt kunnen uitmaken. Omdat verlichting goed is voor ongeveer 20 procent van het elektriciteitsverbruik in de Verenigde Staten, zou een verschuiving naar de efficiëntere LED-technologie aanzienlijke energiebesparingen kunnen opleveren.

Een griezelige gloed

Maar als leds een groot deel van de verlichtingsmarkt willen veroveren, zullen ze licht met de juiste toon moeten produceren. Iedereen die ooit een binnenfoto met buitenfilm heeft gemaakt, weet dat gloeilampen een sterke gele gloed hebben, en volgens ontwerpers voelt het warm aan. Witte fosfor-LED's daarentegen stralen een duidelijk blauwachtige gloed uit. Als je een rood object probeert te verlichten met een witte LED die alleen blauw en geel in het spectrum heeft, krijg je geen erg mooi rood, waarschuwt Kathryn Conway van het Lighting Research Center van het Rensselaer Polytechnic Institute . Dat kan bijvoorbeeld een probleem zijn met de menselijke huid, die er onnatuurlijk uitziet bij licht dat het daglicht niet benadert. De bekende New Yorkse lichtontwerper Howard Brandston wijst erop: je wilt niet dat iemand 's ochtends wakker wordt en in de spiegel kijkt en zegt: 'Egads! Ik zou zonder make-up auditie kunnen doen voor The Addams Family.’

Maar de technologie zal zeker blijven verbeteren, omdat het resultaat groot is, omdat je met LED's aan een knop kunt draaien om verlichting te krijgen met precies het juiste gevoel voor de situatie. Brett Andersen, senior designer bij Focus Lighting, een in New York gevestigd lichtontwerpbureau, stelt zich een dag voor waarop mensen de kleur en helderheid van het licht in hun huis kunnen aanpassen aan hun stemming. Dit soort bediening maakt van de ouderwetse dimmer een primitief hulpmiddel om sfeer te creëren. Daarnaast bieden leds nieuwe mogelijkheden die meer fundamentele vragen oproepen over hoe mensen over verlichting denken, zegt Chipalkatti van Osram Sylvania. Hoe zou het eruit zien als het gebouw zelf een lichtarmatuur was? hij vraagt. Je zou je vloer of je plafond kunnen laten verlichten.

In de kantoren van Color Kinetics zit softwareschrijver Mike Blackwell op de kameleonbank en demonstreert hij het programma dat hij heeft ontwikkeld voor lichtontwerpers om effecten te creëren met de lichten van het bedrijf. Hij stelt een rij lampen in om door het spectrum te lopen en herhaalt de cyclus elke 10 seconden. Dan voegt hij een witte puls toe die één keer per seconde naar beneden gaat. Het effect is schokkend en doet denken aan de psychedelische lichtshows van de jaren zestig. Het suggereert ook artefacten uit een ander tijdperk: die desktop-gepubliceerde nieuwsbrieven van het midden van de jaren tachtig, boordevol botsende lettertypen. Maar als lichtontwerpers gelijk hebben, kunnen meer geavanceerde gebruikers subtielere effecten creëren of hun muren opnieuw schilderen met licht. En misschien zal de gloeilamp zich aansluiten bij een eerdere verlichtingsstandaard, de kaars, als een schilderachtig accent voor speciale gelegenheden, terwijl onze dagen en nachten worden verlicht in de gloed van kleine schilfers.

zich verstoppen