Lysdioder lyser upp framtiden

Ett upplopp av ljus överfaller en besökare som går in i lobbyn till Color Kinetics på 17:e våningen i en kontorsbyggnad i centrala Boston. Virvlade mönster på affischer ändras från orange till grönt, klara plastformer lyser blått, lila och rött i snabb följd. Och en fråga uppstår snart: Vilken färg har den där soffan? Den lyser körsbärsröd, bleknar till röd, blir babyblå och börjar sedan cykeln igen.

Faktum är att soffan är röd. Den är alltid röd, och bara ljuset som lyser på den från dussintals små spotlights ändras, eftersom Color Kinetics visar de möjliga effekterna med sina digitala lampor. Varje liten lampa innehåller röda, gröna och blå lysdioder (LED), som lyser i olika kombinationer under datorstyrning. Vi revolutionerar belysningsindustrin med vad vi betraktar som en störande teknik, entusiasmerar företagets president George Mueller, lång och hästsvansad med Gen-X standardskickskägg. Det är ett nytt sätt att skapa ljus.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2000

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Mueller och hans medgrundare, Ihor Lys, har gift datorprogram med ett decennium av framsteg inom LED-teknik. Lysdioder har blivit allestädes närvarande i det dagliga livet och lyser från ansiktena på videobandspelare, klockradioapparater och mikrovågsugnar. Men dessa lysdioder har varit ödmjuka indikatorlampor på alla slags elektroniska apparater. En gång begränsade i ljusstyrka och fastnat i den röda änden av spektrumet har lysdioder blivit kraftfullare under de senaste dussin åren. Och ett genombrott i början av 1990-talet skapade blå lysdioder, som plötsligt gjorde hela regnbågen tillgänglig och höll upp löftet om LED-lampor med vitt ljus - antingen genom att blanda ut färgade lysdioder eller genom mer exotiska tekniker. Color Kinetics köper lysdioder från enhetstillverkare som Agilent och Cree och integrerar dem i lampor som avger praktiskt taget vilken färg som helst på en vit vägg eller en butiksdisplay från ljusgrön till varmrosa på ett infall.

Deras enheter, som just nu främst riktar sig till detaljhandeln och underhållningsmarknaden, drar fördel av några av de speciella egenskaperna hos lysdioder: liten storlek, låg vikt, låg strömförbrukning, nästan oändligt urval av färger. Men belysningsexperter säger att detta bara är början. Framför ligger hela byggnader som lyser, trafikljus som håller i ett decennium, strålkastare som inte tar ur ditt bilbatteri om du låter dem vara tända och kanske till och med billiga, långvariga lampor som kommer att driva glödlampor och lysrör till utsläckning.

Att få lätt att fungera

Thomas Edison är hyllad framför allt för att ha uppfunnit glödlampan. Medan hans andra uppfinningar - som fonografen, mimeografen och tickertapemaskinen - har förskjutits under de senaste decennierna av digital teknik, fortsätter glödlampan att lysa. Nu, efter 12 decennier, hotar tekniska framsteg äntligen att avsätta den. I förutseende av övergången, sluter de stora belysningstillverkarna allianser med LED-tillverkare. General Electric Lighting gick samman med chiptillverkaren Emcore förra året för att bilda en belysningsdivision som heter GELCore, baserad i Independence, Ohio. Philips Lighting and Agilent Technologies, en spinoff från Hewlett-Packard, skapade LumiLeds i San Jose. Och Osram Sylvania har samarbetat med halvledarverksamheten i sitt moderbolag, Siemens. Du ser en stor drivkraft från glödlampstillverkare, som i någon mening äter sig in i sin egen verksamhet, men med insikten att om de inte gör det så kommer någon annan att göra det, säger Makarand Chipalkatti, marknads- och teknisk chef för LED ljusgudstjänster på Osram Sylvania i Danvers, Mass.

Alla aktörer på detta område är dock inte stora företag. Nystartade företag är också på gång. Mueller och Lys från Color Kinetics träffades vid Carnegie Mellon University, där Lys tog en doktorsexamen i elektroteknik och Mueller tog huvudämne i dator- och elektroteknik, med ett biämne i konst. Deras första satsning på belysning, 1992, var att bygga en nyhetskylt som en Mueller hade sett i Detroit Science Center. En enda vertikal rad med lysdioder visade delar av en bild, en kolumn i taget. Den mänskliga hjärnan, som svarade som om betraktarens öga skannade över en obruten bild, skulle återmontera bilden. Det första tecknet Mueller gjorde sa KÄRLEK; han gav den till sin mamma. Sedan byggde han en skylt där det stod ÖL till de rumskamrater som slog vad om att han inte kunde göra det.

Vi skrev en affärsplan runt det eftersom jag gick kurser på handelshögskolan, minns Mueller. Han hade tre mål för det resulterande företaget, Stone Age Technologies. De två första var typiska studentönskningar: tjäna lite ölpengar och få ett par freebies (i det här fallet gratis skyltar). Det tredje målet var att vara på omslaget till tidningen In Pittsburgh, säger han och plockar igenom en korg med designerpotatischips för att hitta de apelsiner. Mitt nya mål är Rolling Stone.

Jag nöjer mig med Wall Street Journal, skriver Lys, den korthåriga, mindre kinetiska halvan av paret. Den tekniska gurun, Lys är en ingenjör som, precis som sina motsvarigheter vid datorstartups, kommer till jobbet vid lunchtid och stannar sent.

Även om Lys och Mueller kom på idén till digital belysning 1993, lade de den åt sidan när Mueller och hans bror Gary åkte iväg för att grunda ett ekonomiskt analysföretag, Internet Securities, Inc. Bröderna sålde 80 procent av det Boston-baserade företaget förra året för 43 miljoner dollar. Mueller föraktar den traditionella mässings-, glas- och gasbelysningsindustrin. Det är tråkigt, förklarar han. Det är ingen teknik inblandad.

Kanske inte, men det är säkert pengar inblandade. USA köper glödlampor, lysrör och halogenlampor för 3,5 miljarder dollar varje år; globalt är marknaden 11,5 miljarder dollar. Hittills är marknaden för ljusa LED-lampor med synligt ljus relativt ringa - cirka 680 miljoner dollar, enligt analysföretaget Strategies Unlimited. Men framsteg inom LED-teknik flyttar dessa enheter till ett ökande antal applikationer, och marknaden förväntas växa till 1,8 miljarder dollar på fem år.

Det vita svaret

De första lysdioderna byggdes i början av 1960-talet. De små chipsen av halvledarmaterial, inkapslade i en klar epoxi, avger en enda färg av ljus när elektricitet rinner genom dem. Negativt laddade elektroner rör sig för att fylla positivt laddade områden i materialet, så kallade hål, där elektroner saknas. Kombinationen av en elektron och ett hål producerar en foton av ljus. Ju större skillnaden är i energi mellan elektron och hål - det så kallade bandgapet - desto högre energi har fotonen som kommer fram. Fotonens energi motsvarar i sin tur ljusets färg; inom det synliga spektrumet bär blå och violetta fotoner mest energi, orange och röda fotoner minst. Olika material har naturligtvis olika bandgap, så för att ändra energinivån och därmed färgen på fotonerna odlar ingenjörer de kristallina halvledarna ur olika legeringar (se medföljande artikel: They Come in Colors).

Monokroma lysdioder med hög ljusstyrka gör redan framsteg på marknaden. Cirka 10 procent av de röda trafikljusen i USA har ersatts av lysdioder. De är dyrare än konventionella glödlampor men har andra fördelar som uppväger kostnadsfrågan. En är effektivitet: Ett rött LED-trafikljus använder bara 15 watt elektricitet istället för de 150 watt som förbrukas av traditionella stoppljus. En annan är livslängden - lysdioderna förväntas få trafiken att stanna utan att brinna ut under ett helt decennium. Enfärgade LEDs kompakthet, låga effekt, intensiva färger och låga värme gör att de också dyker upp som bilbaklyktor, flygplansvarningslampor på radiotorn och banaljus på flygplatser. Men forskarnas sinnen och belysningsindustrins ögon är fokuserade på vitt.

Och det skapar en utmaning: Hur får man ut vitt ljus från enheter som till sin natur är monokromatiska? En metod går ut på att blanda lysdioder i olika färger så att de ser vita ut. Precis som en TV gör alla färger som den visar – inklusive vit – av lysande röda, gröna och blå fosforer, kan den rätta kombinationen av lysdioder ge ett vitt intryck. Det vanliga sättet att blanda är med tre separata röda, gröna och blå dioder, men den rätta kombinationen av bara två, säg blå och orange, kan också ge vitt.

The Photonic Squeeze

Oavsett vilka metoder som väljs för att göra vitt ljus måste de inblandade lysdioderna släcka mer ljus och bli mer energieffektiva om de ska ersätta Edisons glödlampor. Vita lysdioder producerar cirka 10 lumen belysning per watt förbrukad el, vilket är jämförbart med prestandan hos glödlampor (en lumen är ett mått på hur starkt ögat uppfattar ljus). Ungefär 10 procent av elen som de förbrukar förvandlas till ljus marginellt bättre än siffran på 7 till 8 procent för glödlampor. Men lysdioder är fortfarande för dyra för att utmana din genomsnittliga GE Soft White. Till försäljning i den lokala lågprisbutiken, 100-watts glödlampor går ungefär en dollar för ett paket med fyra och ger 1 500 lumen belysning styck. Jag kan inte göra en lysdiod som ger dig 1 500 lumen för 25 cent, säger Roland Haitz, forsknings- och utvecklingschef för halvledarproduktgruppen på Agilent. Han förutspår att hans grupp om några år kommer att kunna tillverka en 1 500-lumen LED som kan säljas för 150 dollar. Han tvivlar på att den genomsnittlige husägaren kommer att rusa ut för att köpa en sådan produkt.

Lysdioder gjorda av AlInGaP är ganska effektiva för att förvandla elektricitet till ljus. Cirka 90 procent av elektronerna som kommer in i dioden genererar fotoner. Tyvärr har denna halvledarlegering också ett högt brytningsindex (ett mått på hur mycket ett material böjer ljusstrålar). Istället för att lysa ut för alla att se, därför studsar de flesta fotoner runt det inre av dioden och förvandlas till spillvärme; endast 30 procent av dem kommer fram som synligt ljus. GaN har ett lägre brytningsindex, så mer ljus släpps ut från lysdioder gjorda av det materialet. Endast 30 procent av elen som matas in i en GaN-enhet omvandlas till ljus i första hand, så den slutliga effektiviteten är fortfarande bara cirka 10 procent. Det är mycket ljust för något som ett trafikljus, men inte för allmän belysning.

Det här är inget oöverstigligt problem, säger George Crawford, teknisk chef på LumiLeds. Forskare där har experimenterat med nya strukturer av dioderna för att låta fler fotoner fly. Konventionella lysdioder består av kubformade kristaller. Men genom att arrangera halvledarens lager på olika sätt och skära av skivorna för att skapa sluttande sidor, har LumiLeds skapat en inverterad pyramid som resulterar i en kortare optisk väg för fotonerna att korsa. I labbet har LumiLeds lyckats få ut hälften av fotonerna ur en inverterad pyramid-LED gjord av AlInGaP, och de hoppas få sådana lysdioder i kommersiell produktion i år. Femtio procent är rimligt, men svårt, säger Crawford, men tillägger: Det är svårt för mig att föreställa mig att göra mycket bättre än så.

Att få hälften av fotonerna från AlInGaP kan vara tillräckligt för att konkurrera med lysrör, men inte av sig självt. Enheter gjorda av det materialet ger bara det röda och gula ljuset. De komplementära blå fotoner som behövs för att producera vitt ljus måste komma från galliumnitrid, och där är tekniken fortfarande embryonal. Vi förstår verkligen inte grunderna för hur man bygger en bättre kristall i galliumnitrid, säger Steve Johnson, ledare för belysningsforskningsgruppen vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

Forskare letar efter ett skott av statlig finansiering för att hjälpa deras strävan. Arpad Bergh, ordförande för Optoelectronics Industry Development Association, vill ha en stor FoU-satsning för att få lysdioder till den punkt där de kan konkurrera med traditionella ljuskällor. Hans grupp arbetar med Johnson på Lawrence Berkeley för att utveckla en forskningsplan för effektivare LED-lampor med vitt ljus och har för avsikt att be kongressen om ett femårigt finansieringsprogram på 50 miljoner dollar per år som skulle starta så snart som 2002. Samtidigt har Haitz skrivit en vitbok med Sandia National Laboratories som uppmanar regeringen att satsa 500 miljoner dollar på forskning under 10 år. En sådan utgift behövs, hävdar Haitz, för att lyfta LED-belysning över de hinder som nu hindrar framsteg. Lämnad på egen hand, hävdar han, kommer belysningsindustrin att utveckla lysdioder bara tillräckligt för att ta ungefär en tiondel av belysningsmarknaden till 2025. Men med statlig hjälp, säger han, kan enheterna det året stå för halva marknaden. Eftersom belysning står för cirka 20 procent av den elektricitet som förbrukas i USA, kan en övergång till den mer effektiva LED-tekniken göra betydande energibesparingar.

En kuslig glöd

Men om lysdioder ska ta en stor del av belysningsmarknaden måste de producera ljus med rätt ton. Som alla som någonsin har tagit en inomhusbild med utomhusfilm vet, har glödljus en stark gul gjutning, och designers säger att det har en varm känsla. Vita fosforlysdioder, å andra sidan, avger ett distinkt blåaktigt sken. Om du försöker belysa ett rött föremål med en vit lysdiod som bara har blått och gult i spektrumet, kommer du inte att få ett mycket snyggt rött, varnar Kathryn Conway från Lighting Research Center vid Rensselaer Polytechnic Institute . Det kan till exempel vara ett problem med mänsklig hud, som ser onaturlig ut under ljus som inte närmar sig dagsljus. Den berömda ljusdesignern Howard Brandston i New York påpekar: Du vill inte att någon ska vakna på morgonen och titta sig i spegeln och säga, 'Egad! Jag skulle kunna provspela för The Addams Family utan smink.'

Men tekniken kommer definitivt att förbättras, eftersom utdelningen delvis är stor eftersom du med lysdioder kommer att kunna vrida på en ratt för att få belysning med precis rätt känsla för situationen. Brett Andersen, senior designer på Focus Lighting, ett New York-baserat ljusdesignföretag, föreställer sig en dag då människor kommer att kunna ställa in färgen och ljusstyrkan på ljuset i sina hem efter deras humör. Denna typ av kontroll kommer att göra den gammaldags dimmern till ett primitivt verktyg för att skapa atmosfär. Utöver det erbjuder LED nya möjligheter som väcker mer grundläggande frågor om hur människor tänker kring belysning, säger Chipalkatti från Osram Sylvania. Hur skulle det se ut om själva byggnaden var en armatur? han frågar. Du kan få ditt golv eller ditt tak att lysa upp.

På Colour Kinetics kontor sitter mjukvaruförfattaren Mike Blackwell på kameleontsoffan och demonstrerar programmet han har utvecklat för ljusdesigners för att skapa effekter med företagets lampor. Han ställer in en rad med lampor att köra genom spektrumet och upprepar cykeln var 10:e sekund. Sedan lägger han till en vit puls som rör sig ner i raden en gång i sekunden. Effekten är skrämmande, påminner om 1960-talets psykedeliska ljusshower. Det antyder också artefakter från en annan era: dessa skrivbordspublicerade nyhetsbrev från mitten av 1980-talet, fulla av krockande typsnitt. Men om ljusdesigners har rätt, kommer mer sofistikerade användare att kunna skapa subtilare effekter eller måla om sina väggar med ljus. Och kanske kommer glödlampan att ansluta sig till en tidigare belysningsstandard, ljuset, som en pittoresk accent för speciella tillfällen, medan våra dagar och nätter är upplysta i skenet av små chips.

Dölj