Nieuw licht

Lange tijd bespot als een miezerig rood lampje, vindt de lichtgevende diode (led) nu steeds meer toepassingen. Dankzij een aantal cruciale verbeteringen.

Wie de laatste tijd nog verlichte fietsers in het donker is tegengekomen, heeft het gezien. Wie onlangs nog in de buurt was van het Leidse museum Naturalis heeft kon het met eigen ogen waarnemen. En mannen die zich geschoren hebben met de nieuwe Sensotec van Philips zijn er getuige van geweest: de LED, een ordinair lichtgevend brokje halfgeleidermateriaal, neemt revanche voor een lange periode van onbeduidendheid.

Tot voor kort was de Light Emitting Diode (lichtgevende diode) vooral goed voor aan-uitlampjes in huishoudelijke apparatuur en speelgoed. Zijn meest glorieuze rol was nog wel de lichtkrant in snackbar of bus.

Maar sinds een paar jaar verschijnen er nieuwe ontwerpen, zuiniger, en met een grotere lichtopbrengst, en in voorheen onbereikbare kleuren als blauw en wit. Ook het gewone, duurzame ouderwetse LEDje is zuiniger, kleuriger en goedkoper geworden, en rukt snel op in allerlei toepassingen: onverwoestbare fietsachterlichten, verkeerslichten, autoremlichten, zaklantaarns, grote reclameborden en nog een rij nieuwe vindingen. LEDs kunnen tientallen jaren meegaan, en worden eerder lichtzwakker dan dat ze kapot gaan, dus aan onderhoud vergen zulke toepassingen bijna niets.

Kunstenaars zijn bij de eersten die de nieuwe mogelijkheden verkennen. ``Het is echt mijn materiaal'', zegt kunstenares Giny Vos, die op het Leidse natuurhistorisch museum Naturalis een groot LED-display van zo'n honderdduizend LEDs aanbracht in de vorm van het Afrikaanse Victoriameer. Sliertjes en klompjes van brandende rode, groene en blauwe LEDs symboliseren microscopische levensvormen die in steeds afwisselende patronen door de display zwemmen.

Vos: ``Ik blijk vaak op de grens van de technische mogelijkheden te werken. Sommige collega's vinden het heel riskant, wat ik doe. Je weet ook nooit helemaal zeker of het gaat lukken.'' In Leiden waren er aanloopproblemen met corrosie door vocht en zout in de lucht. En het is louter aan de nieuw high-flux LEDs te danken dat het display op de zestig meter hoge toren ook bij daglicht ook werkelijk zichtbaar is.

``We hebben grotere kristallen'', verklaart Erik Swennen de grotere lichtsterkte. Swennen is onderzoeker bij LumiLEDs, een jointventure tussen Philips en Agilent, die zich in 1996 heeft gestort op de nieuwe krachtige `high flux' LEDs. `Luxeon', noemen ze die liever, om de associatie met de miezerige oude LEDjes te vermijden.

Grotere halfgeleiderkristallen produceren meer licht. Daarnaast helpt het ook om de zuiverheid van het kristal op te voeren in het productieproces, of te sleutelen aan de samenstelling. ``Maar ook de inkapseling van de kristallen in hun houder doet er sterk toe'', zegt Swennen.

Licht dat in het kristal ontstaat (zie kader: elektronen en gaten), wordt door een ongunstige invalshoek vaak tegen de binnenwand van het kristal gereflecteerd, zodat het niet kan ontsnappen. Een nieuw ontwerp met een omgekeerde, afgeplatte piramidevorm biedt wel ontsnappingsmogelijkheden, waarmee de verliezen met dertig procent zijn teruggebracht ten opzichte van het ouder ontwerp. Ook met het gewiekst aansluiten van de contacten op het kristal, zodat de bovenkant er niet door afgeschermd wordt, is nog lichtwinst te boeken. De krachtigste witte LED die er bestaat, een vijf watt luxeon, levert een lichtsterkte van 120 lumen (een maat voor gepercipieerde lichtsterkte). Dat komt overeen met een twaalf-wattsgloeilamp. Daarmee is een witte LED bijna tweeënhalf maal zuiniger dan een gloeilamp. Bij rode en groene LEDs kan dat oplopen tot een factor vijf.

Lastig te maken

Hoewel LEDs al eind jaren zestig hun eerste licht gaven – eerst alleen nog rood, later ook geel en groen – kwam de echte ontwikkeling pas in de jaren negentig op gang. In 1993 verschenen de eerste blauwe LEDs, notoir lastig te maken omdat de energie van blauwe lichtdeeltjes groot is vergeleken bij de andere kleuren.

De blauwe LED was vooral een doorbraak omdat daarmee, samen met rood en groen, wit licht is te mengen uit afzonderlijke LEDs. Een alternatief voor de productie van wit licht is ze te bedekken met een `fosfor', een dun opgebracht laagje (overigens niet gemaakt van het element fosfor) dat een deel van het blauwe licht omzet in geel, zodat het mengsel wit licht is.

En met de witte LED komen verlichtingstoepassingen in zicht. De eerste concept-car met koplampen die bestaan uit een batterij krachtige LEDs is al gesignaleerd, en in de gerestaureerde Tuschinski-bioscoop in Amsterdam wordt het art deco-interieur verlicht met combinaties van rode, groene en blauwe LEDs. Die bootsen met kleurmenging nauwkeurig het warme licht van oude gloeilampen na. Ware LED-gelovigen verwachten zelfs dat op den duur vrijwel alle verlichting door LEDs geleverd zal worden. De gloeilamp zal in de toekomst alleen nog een `gezelligheidsfunctie', hebben, vergelijkbaar met de kaarsen die wij in stemmige momenten nog wel eens aansteken, denkt Rob Nolte, van Neonweka, een bedrijf in Amsterdam dat LED-projecten uitvoert.

Onzin, vindt daarentegen René Geerts van Rena, een Zunderts elektronicabedrijf dat zich specialiseert in het bouwen van LED-aansturingen. ``Er is nu een hele hoop te doen op het gebied van LEDs'', zegt hij enthousiast, ``maar de LED is geen vervanger voor de lamp.''

Want er zijn ook nadelen. Zo zijn LEDs voorlopig nog erg duur, gemeten naar de lichtopbrengst, per lumen tot wel honderd maal de prijs van een gloeilamp (inclusief elektronica). Bovendien is de tl-buis voorlopig nóg zuiniger, en is ook de `kleurtemperatuur' van de fosforLEDs nog onbevredigend. Het wit komt, omdat er geen rood in het mengsel zit, kil over. Een beschenen rood vlak blijft donker, een onnatuurlijk effect.

Kilte

Volgens Swennen komen er nog dit jaar nieuwe fosforLEDs, met naast een gele ook een rode fosfor die de kilte van het licht moet wegnemen. Maar die zullen meteen weer minder zuinig zijn, want bij de omzetting van blauw naar rood licht gaat relatief veel licht verloren in de vorm van warmte. Combinatie van LEDs, waarin rood, blauw en groen mengen tot wit, geeft gauw gekleurde schaduwen, omdat de posities van de samenstellende kleuren niet hetzelfde zijn. Voor diffuus licht, zoals achter LCD-schermen, is het wel een oplossing, zegt Swennen.

Vooralsnog zullen nieuwe toepassingen dus vooral specialistisch zijn, beaamt Geerts van Rena. ``Op lastig bereikbare plekken is het handig, of op plaatsen die uitzonderlijke robuustheid vereisen'', oppert hij. Dus is voor de HSL-tunnel LED-verlichting gepland en wordt LED-verlichting overwogen in plekken met veel trillingen: treinen, vliegtuigen en schepen. Ook valt te denken aan de LED-stroken op verschillende Nederlandse snelwegen, die op commando de strepen op de weg kunnen veranderen. Of in de mond van een tandartsbezoeker, waar koele blauwe LEDs vullingen uit kunnen harden.

Roest

Een van de grotere nieuwe toepassingen voor de halfgeleider vormen verkeerslichten en seinen voor scheepvaart en verkeer, in Nederland totaal zo'n 250.000 stuks. Rijkswaterstaat deed in 1998 een proef waarbij de seinlichten van een brug in Sneek werden vervangen door LED-lampen: combinaties van LEDs met regelelektronica. ``Een LED-lamp is geen gloeilamp'', ondervond ingenieur Willem Zandvliet, die ontdekte dat de koude LED boven het vochtige water zijn kastje niet goed droogstookte. Roest sloeg snel toe, maar met een hermetische afsluiting van de lamp ging het beter. Resultaat: het stroomverbruik was tien procent van het oude verbruik, regelelektronica en dimstanden meegerekend. Het rendement is zo hoog omdat er geen licht verloren gaat in gekleurd vensterglas en de LEDs, in tegenstelling tot de gloeilamp, 's nachts op een zuiniger dimstand worden gezet (``dimmen moet je zeker doen, anders schieten de schippers die irritante lampen kapot'', zo hoorde Zandvliet brugwachters zeggen). Exacte cijfers zijn er niet, maar volgens een ruwe schatting van Zandvliet zijn er inmiddels in het hele land circa 25.000 lampen vervangen door LEDs. Daaronder verkeerslichten en treinseinen, die ieder zo'n tien procent van het oude stroomverbruik trekken – het gaat om zo'n tien procent van het totaal aantal lampen, vergelijkbaar met die andere koploper in LEDs-in-verkeerslichten, de Verenigde Staten.

Voor een andere loot aan de LED-boom moet het incasseren nog beginnen: de polymeerLEDs of polyLEDs waar onderzoekers van Philips en een handvol andere bedrijven (o.a. Dupont) aan werken.

Plastic leds

In 1989 werden de eerste LEDs gemaakt van halfgeleidende polymeren, ofwel plastics, in plaats van de halfgeleiderkristallen van de standaard-LED. ``Die gaven nauwelijks licht, en ze brandden niet langer dan een seconde'', zegt prof.dr. Hans Hofstraat, groepsleider bij Philips Research. Toch was de interesse groot. Plastic LEDs boden zicht op dunne, gemakkelijk te produceren (en dus goedkope) LEDs en displays, waardoor geen extreem dure apparatuur voor halfgeleiderfabricage nodig is. In tegenstelling tot de LCD-schermen schakelen LEDs razendsnel, geven ze heldere kleuren, en ze zijn uit alle gezichtshoeken af te lezen. Stapje voor stapje zijn levensduur, de robuustheid en de lichtopbrengsten van de lichtgevende laagjes verbeterd. De beste polyLEDs doen het nu zo'n 40.000 uur, al neemt de leeftijd af met de lichtintensiteit. ``De laagjes plastic brengen we op een ondergrond aan met een aangepaste inktjetprinter'', zegt Hofstraat.

Het ultieme doel, de volledig flexibele televisie of de elektronische oprolbare krant (in kleur), zal nog meer dan tien jaar op zich laten wachten, gokt Hofstraat. Toch levert Philips al sinds vorig jaar de eerste commerciële polyLED-producten. De allereerste, in juli na drie jaar testen gelanceerd, is een eenvoudig displaytje op het nieuwe scheerapparaat Sensotec. Het is het scheerapparaat waarmee James Bond zich in zijn nieuwste film scheert.

Nog een ideaal van de polyLED-makers zijn egale, flexibele lichtgevende vlakken, waarmee ontwerpers van verlichtingsinstallaties geheel nieuwe wegen kunnen inslaan. En zo komen lampenfabrieken als Philips en Osram toch weer op hun oude stiel, verlichting, uit. Terecht, vindt Willem Zandvliet van Rijkswaterstaat, vurig gelover in de LED. ``Ik kijk soms naar mijn oude buizenradio. In moderne radio's zijn die buizen vervangen door transistors. Zo zal het ook gaan met LEDs. We staan nog maar aan de vooravond.''