Diody LED oświetlają przyszłość

Burza światła atakuje gościa wchodzącego do holu Color Kinetics na 17. piętrze biurowca w centrum Bostonu. Zawirowane wzory na plakatach zmieniają się z pomarańczowego na zielony, przezroczyste plastikowe kształty świecą szybko na niebiesko, fioletowo i czerwono. I wkrótce pojawia się pytanie: jakiego koloru jest ta kanapa? Świeci się czerwienią wiśni, blednie i staje się szkarłatny, staje się błękitny, po czym cykl zaczyna się od nowa.

W rzeczywistości kanapa jest czerwona. Zawsze jest czerwony i zmienia się tylko światło padające na niego z dziesiątek małych reflektorów, ponieważ Color Kinetics demonstruje możliwe efekty dzięki swoim cyfrowym światłom. Każda mała lampka zawiera czerwone, zielone i niebieskie diody świecące (LED), które zapalają się w różnych kombinacjach pod kontrolą komputera. Rewolucjonizujemy branżę oświetleniową dzięki technologii, którą uważamy za przełomową – zachwyca się prezes firmy George Mueller, wysoki i z kucykiem, ze standardową kozią bródką Gen-X. To nowy sposób tworzenia światła.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2000 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Mueller i jego współzałożyciel, Ihor Lys, połączyli oprogramowanie komputerowe z dekadą postępu w technologii LED. Diody LED stały się wszechobecne w codziennym życiu, świecąc z powierzchni magnetowidów, radiobudzików i kuchenek mikrofalowych. Ale te diody LED były skromnymi wskaźnikami na wszelkiego rodzaju urządzeniach elektronicznych. Po ograniczeniu jasności i utknięciu na czerwonym końcu widma diody LED stały się mocniejsze w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Przełom na początku lat 90. stworzył niebieskie diody LED, nagle udostępniając całą tęczę i podtrzymując obietnicę diod LED o białym świetle – albo przez połączenie mocy kolorowych diod LED, albo przez bardziej egzotyczne techniki. Color Kinetics kupuje diody LED od producentów urządzeń, takich jak Agilent i Cree, i umieszcza je w lampach, które w razie potrzeby emitują praktycznie każdą zmianę koloru białej ściany lub ekspozycji sklepowej od jasnozielonego do gorącego różu.

Ich urządzenia, skierowane obecnie głównie na rynek detaliczny i rozrywkowy, wykorzystują niektóre szczególne cechy diod LED: mały rozmiar, lekkość, niski pobór mocy, niemal nieskończony wybór kolorów. Ale eksperci od oświetlenia twierdzą, że to dopiero początek. Przed nami całe budynki, które się świecą, sygnalizacja świetlna, która trwa dekadę, reflektory, które nie wyczerpią akumulatora samochodowego, jeśli je zostawisz, a może nawet tanie, trwałe lampy, które doprowadzą do zgaśnięcia żarówek i żarówek fluorescencyjnych.

Lekka praca

Thomas Edison jest ceniony przede wszystkim za wynalezienie żarówki. Podczas gdy jego inne wynalazki – takie jak fonograf, mimeograf i magnetofon – zostały w ostatnich dziesięcioleciach wyparte przez technologie cyfrowe, żarówka nadal świeci. Teraz, po 12 dekadach, postęp technologiczny w końcu grozi jej detronizacją. Przewidując przejście, główni producenci oświetlenia nawiązują sojusze z producentami diod LED. General Electric Lighting połączyło siły z producentem chipów Emcore w zeszłym roku, tworząc oddział oświetleniowy o nazwie GELCore z siedzibą w Independence w stanie Ohio. Philips Lighting and Agilent Technologies, spinoff firmy Hewlett-Packard, stworzył LumiLeds w San Jose. Osram Sylvania połączyła siły z działem półprzewodników swojej firmy macierzystej, Siemens. Widzimy dużą popularność producentów żarówek, którzy w pewnym sensie pochłaniają swój własny biznes, ale mając świadomość, że jeśli tego nie zrobią, zrobi to ktoś inny, mówi Makarand Chipalkatti, kierownik ds. marketingu i techniki LED lekkie usługi w Osram Sylvania w Danvers, Mass.

Jednak nie wszyscy gracze na tym polu to duże firmy. Do akcji wkraczają również startupy. Mueller i Lys of Color Kinetics spotkali się na Carnegie Mellon University, gdzie Lys uzyskała doktorat z elektrotechniki, a Mueller ukończyła specjalizację z informatyki i elektrotechniki, ze specjalizacją ze sztuk pięknych. Ich pierwszym przedsięwzięciem związanym z oświetleniem, w 1992 roku, było zbudowanie nowego znaku, takiego jak ten, który Mueller widział w Detroit Science Center. Pojedynczy pionowy rząd diod LED wyświetlał fragmenty obrazu, po jednej kolumnie na raz. Ludzki mózg, reagujący tak, jakby oko widza skanowało nieprzerwany obraz, ponownie złożyłby obraz. Pierwszy znak, jaki zrobił Mueller, mówił: MIŁOŚĆ; dał go swojej matce. Następnie dla współlokatorów, którzy założyli się, że nie może tego zrobić, zbudował tabliczkę z napisem PIWO.

Napisaliśmy wokół tego biznesplan, ponieważ chodziłem na zajęcia do szkoły biznesu, wspomina Mueller. Miał trzy cele dla powstałej firmy Stone Age Technologies. Pierwsze dwa były typowymi studenckimi pragnieniami: zarobić trochę pieniędzy na piwo i dostać kilka gratisów (w tym przypadku gratisów). Trzecim celem było znalezienie się na okładce magazynu In Pittsburgh, mówi, przeglądając koszyk designerskich chipsów ziemniaczanych, aby znaleźć pomarańczowe. Moim nowym celem jest Rolling Stone.

Zadowolę się Wall Street Journal, umieszcza Lys, krótkowłosą, mniej kinetyczną połowę tej pary. Lys, guru techniki, jest inżynierem, który, podobnie jak jego koledzy z komputerowych start-upów, przychodzi do pracy około południa i zostaje do późna.

Chociaż Lys i Mueller wpadli na pomysł cyfrowego oświetlenia w 1993 roku, odłożyli go na bok, gdy Mueller i jego brat Gary poszli założyć firmę badawczą w dziedzinie ekonomii, Internet Securities, Inc. Bracia sprzedali 80 procent bostońskiej firmy w zeszłym roku za 43 miliony dolarów. Mueller gardzi tradycyjnym przemysłem oświetleniowym z mosiądzu, szkła i gazu. To nudne, deklaruje. Nie ma w tym żadnej technologii.

Może nie, ale z pewnością w grę wchodzą pieniądze. Stany Zjednoczone kupują każdego roku żarówki, świetlówki i lampy halogenowe o wartości 3,5 miliarda dolarów; globalny rynek wynosi 11,5 miliarda dolarów. Jak dotąd rynek jasnych diod LED w świetle widzialnym jest stosunkowo niewielki – około 680 milionów dolarów, według firmy badawczej Strategies Unlimited. Ale postępy w technologii LED powodują, że te urządzenia znajdują coraz więcej zastosowań, a rynek ma wzrosnąć do 1,8 miliarda dolarów w ciągu pięciu lat.

Biała odpowiedź

Pierwsze diody LED zbudowano na początku lat 60. XX wieku. Małe kawałki materiału półprzewodnikowego, otoczone przezroczystą żywicą epoksydową, emitują pojedynczy kolor światła, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Ujemnie naładowane elektrony przemieszczają się, aby wypełnić dodatnio naładowane obszary materiału, zwane dziurami, w których brakuje elektronów. Połączenie elektronu i dziury wytwarza foton światła. Im większa różnica energii między elektronem a dziurą – tak zwana przerwa wzbroniona – tym wyższa energia fotonu, który się pojawia. Energia fotonu odpowiada z kolei barwie światła; w zakresie widzialnym najwięcej energii niosą fotony niebieskie i fioletowe, najmniej fotony pomarańczowe i czerwone. Różne materiały naturalnie mają różne przerwy wzbronione, więc aby zmienić poziom energii, a tym samym kolor fotonów, inżynierowie wyhodowali krystaliczne półprzewodniki z różnych stopów (patrz artykuł towarzyszący: Przychodzą w kolorach).

Na rynku pojawiają się już monochromatyczne diody LED o wysokiej jasności. Około 10 procent czerwonych świateł drogowych w Stanach Zjednoczonych zostało zastąpionych przez diody LED. Są droższe niż tradycyjne żarówki, ale mają inne zalety, które przeważają nad kosztami. Jednym z nich jest wydajność: czerwone światło drogowe LED zużywa tylko 15 watów energii elektrycznej zamiast 150 watów zużywanych przez tradycyjne światła stopu. Innym jest długowieczność — oczekuje się, że diody LED zatrzymają ruch bez przepalania się przez całą dekadę. Kompaktowość jednokolorowych diod LED, niska moc, intensywne kolory i niskie temperatury sprawiają, że pojawiają się one również jako tylne światła samochodów, światła ostrzegawcze samolotów na wieżach radiowych i światła na pasach startowych na lotniskach. Ale umysły badaczy i oczy branży oświetleniowej skupiają się na bieli.

A to stwarza wyzwanie: jak wydobyć białe światło z urządzeń, które z natury są monochromatyczne? Jedna metoda polega na mieszaniu diod LED o różnych kolorach, aby wydawały się białe. Tak jak telewizor wyświetla wszystkie kolory, które wyświetla — w tym biel ze świecących luminoforów w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim, tak właściwa kombinacja diod LED może nadać wygląd bieli. Standardowym sposobem mieszania jest użycie trzech oddzielnych diod czerwonej, zielonej i niebieskiej, ale właściwa kombinacja tylko dwóch, powiedzmy, niebieskiej i pomarańczowej, może również dać biel.

Fotoniczne ściskanie

Bez względu na to, które metody zostaną wybrane do uzyskania białego światła, zaangażowane diody LED muszą emitować więcej światła i stać się bardziej energooszczędne, jeśli mają zastąpić żarówki Edisona. Białe diody LED wytwarzają około 10 lumenów oświetlenia na wat zużytej energii elektrycznej, co jest porównywalne z wydajnością żarówek (lumen jest miarą tego, jak jasno oko postrzega światło). Około 10 procent zużywanej przez nich energii elektrycznej zostaje zamienione na światło – minimalnie lepsze niż 7 do 8 procent w przypadku żarówek. Ale diody LED są nadal zbyt drogie, aby rzucić wyzwanie przeciętnemu GE Soft White. W sprzedaży w lokalnym sklepie dyskontowym 100-watowe żarówki żarowe kosztują około dolara za opakowanie czterech sztuk i dostarczają 1500 lumenów światła na sztukę. Nie mogę zrobić diody LED, która dałaby 1500 lumenów za 25 centów, mówi Roland Haitz, kierownik ds. badań i rozwoju grupy produktów półprzewodnikowych w firmie Agilent. Przewiduje, że za kilka lat jego grupa będzie w stanie wyprodukować 1500-lumenową diodę LED, którą można by sprzedać za 150 USD. Wątpi, by przeciętny właściciel domu spieszył się z zakupem takiego produktu.

Diody LED wykonane z AlInGaP są dość wydajne w przekształcaniu energii elektrycznej w światło. Około 90 procent elektronów, które wchodzą do diody, generuje fotony. Niestety, ten stop półprzewodnikowy ma również wysoki współczynnik załamania światła (miara tego, jak bardzo materiał ugina promienie świetlne). Zamiast świecić tak, aby wszyscy mogli to zobaczyć, większość fotonów odbija się od wnętrza diody i zamienia się w ciepło odpadowe; tylko 30 procent z nich pojawia się jako światło widzialne. GaN ma niższy współczynnik załamania, więc więcej światła ucieka z diod wykonanych z tego materiału. Jednak tylko 30 procent energii elektrycznej dostarczanej do urządzenia GaN jest w pierwszej kolejności przekształcane w światło, więc końcowa wydajność nadal wynosi tylko około 10 procent. To wystarczająco dużo jak na sygnalizację świetlną, ale nie dla ogólnego oświetlenia.

To nie jest problem nie do pokonania, mówi George Crawford, dyrektor techniczny w LumiLeds. Naukowcy eksperymentowali z nowymi strukturami diod, aby umożliwić ucieczkę większej ilości fotonów. Konwencjonalne diody LED składają się z kryształów w kształcie sześcianu. Ale poprzez inne rozmieszczenie warstw półprzewodnika i cięcie płytek w celu uzyskania pochyłych boków, LumiLeds stworzył odwróconą piramidę, która powoduje krótszą ścieżkę optyczną, przez którą przechodzą fotony. W laboratorium LumiLeds udało się wydobyć połowę fotonów z odwróconej piramidy LED wykonanej z AlInGaP i mają nadzieję, że takie diody LED trafią do produkcji komercyjnej w tym roku. Pięćdziesiąt procent jest prawdopodobnych, ale trudnych, mówi Crawford, ale dodaje: Ciężko mi sobie wyobrazić, że uda mi się zrobić coś znacznie lepszego.

Uzyskanie połowy fotonów z AlInGaP może wystarczyć do konkurowania ze światłami fluorescencyjnymi, ale nie samo w sobie. Urządzenia wykonane z tego materiału dostarczają tylko czerwone i żółte światło. Komplementarne niebieskie fotony potrzebne do wytworzenia światła białego muszą pochodzić z azotku galu, a tam technologia jest wciąż w fazie embrionalnej. Naprawdę nie rozumiemy podstaw budowy lepszego kryształu z azotku galu, mówi Steve Johnson, lider grupy badawczej ds. oświetlenia w Lawrence Berkeley National Laboratory.

Naukowcy szukają zastrzyku funduszy rządowych, które pomogą w ich poszukiwaniach. Arpad Bergh, prezes Stowarzyszenia Rozwoju Przemysłu Optoelektronicznego, chce podjęcia poważnych wysiłków badawczo-rozwojowych, aby doprowadzić diody LED do punktu, w którym mogą konkurować z tradycyjnymi źródłami światła. Jego grupa współpracuje z Johnsonem w Lawrence Berkeley nad opracowaniem planu badań nad bardziej wydajnymi diodami LED o białym świetle i zamierza poprosić Kongres o pięcioletni program finansowania w wysokości 50 milionów dolarów rocznie, który miałby się rozpocząć już w 2002 roku. napisał białą księgę z Sandia National Laboratories, wzywając rząd do przeznaczenia 500 milionów dolarów na badania w ciągu 10 lat. Haitz przekonuje, że takie wydatki są potrzebne, aby znieść oświetlenie LED nad przeszkodami, które obecnie hamują postęp. Twierdzi, że pozostawiony sam sobie przemysł oświetleniowy rozwinie diody LED tylko na tyle, aby do 2025 r. zająć około jednej dziesiątej rynku oświetleniowego. Ale z pomocą rządu, jak twierdzi, urządzenia mogą do tego roku stanowić połowę rynku. Ponieważ oświetlenie odpowiada za około 20 procent energii elektrycznej zużywanej w Stanach Zjednoczonych, przejście na bardziej wydajną technologię LED może przynieść znaczne oszczędności energii.

Niesamowity blask

Ale jeśli diody LED mają zdobyć dużą część rynku oświetlenia, będą musiały wytwarzać światło o odpowiednim odcieniu. Jak wie każdy, kto kiedykolwiek robił zdjęcia w pomieszczeniach z filmem plenerowym, światło żarowe ma mocno żółty odcień, a projektanci twierdzą, że jest ciepłe. Z drugiej strony białe diody fosforowe emitują wyraźnie niebieskawą poświatę. Jeśli próbujesz oświetlić czerwony obiekt białą diodą LED, która ma tylko kolor niebieski i żółty w widmie, nie uzyskasz bardzo ładnie wyglądającej czerwieni, ostrzega Kathryn Conway z Lighting Research Center w Rensselaer Polytechnic Institute . To może być problem na przykład z ludzką skórą, która wygląda nienaturalnie w świetle, które nie przypomina światła dziennego. Znany nowojorski projektant oświetlenia Howard Brandston zwraca uwagę: Nie chcesz, aby ktoś obudził się rano, spojrzał w lustro i powiedział: „Egady! Mogłabym przesłuchać do Rodziny Addamsów bez makijażu.

Ale technologia z pewnością będzie się poprawiać, ponieważ zysk jest duży, ponieważ dzięki diodom LED będziesz mógł obracać tarczą, aby uzyskać oświetlenie z odpowiednim wyczuciem dla danej sytuacji. Brett Andersen, starszy projektant w Focus Lighting, nowojorskiej firmie projektowej zajmującej się projektowaniem oświetlenia, przewiduje dzień, w którym ludzie będą mogli ustawić kolor i jasność światła w swoich domach zgodnie z ich nastrojami. Ten rodzaj sterowania sprawi, że staromodny ściemniacz stanie się prymitywnym narzędziem do tworzenia nastroju. Poza tym diody LED oferują nowe możliwości, które rodzą bardziej fundamentalne pytania o to, jak ludzie myślą o oświetleniu, mówi Chipalkatti z Osram Sylvania. Jak by to wyglądało, gdyby sam budynek był oprawą oświetleniową? On pyta. Możesz zapalić podłogę lub sufit.

W biurach Color Kinetics programista Mike Blackwell siedzi na kanapie kameleona i demonstruje program, który opracował dla projektantów oświetlenia do tworzenia efektów za pomocą lamp firmy. Ustawia rząd lamp, które biegną przez widmo, powtarzając cykl co 10 sekund. Następnie dodaje biały impuls, który przesuwa się w dół rzędu raz na sekundę. Efekt jest wstrząsający, przypominający psychodeliczne pokazy świetlne z lat sześćdziesiątych. Sugeruje również artefakty z innej epoki: biuletyny wydawane na komputerach stacjonarnych z połowy lat 80., przepełnione kolidującymi ze sobą czcionkami. Ale jeśli projektanci oświetlenia mają rację, bardziej wyrafinowani użytkownicy będą mogli tworzyć subtelniejsze efekty lub przemalowywać ściany światłem. A może żarówka dołączy do wcześniejszego standardu oświetlenia, świecy, jako osobliwy akcent na specjalne okazje, podczas gdy nasze dni i noce będą rozświetlane blaskiem malutkich chipów.

ukryć