Licht komt al meer dan een eeuw uit een glazen omhulsel. Maar niet meer voor lang, denkt prof.dr. Kouchi Zhang. “Light emitting diodes gaan het licht bevrijden.”
E en medewerkster van Philips veegt met haar vinger over het scherm van haar smartphone. Alle langwerpige verlichtingselementen met gasontladingslampen hoog in het plafond van de ‘assemblagehal voor vrachtwagens’ draaien plots een kwartslag en er komen leds (light emitting diodes) voor in de plaats. Het doet denken aan de roterende nummerborden op de auto van James Bond.
We zijn in een van de vele demonstratieruimtes voor verlichting bij de divisie Philips Licht in Eindhoven. De hostess van het elektronicabedrijf demonstreert aan een tiental Delftse promovendi de voordelen van de led.
Leds zijn energiezuinig, je kunt ze dimmen, ze gaan twintig duizend uur mee en ze zijn klein, en daardoor in allerlei materialen te verwerken; volgens Philips is de led de lichtbron van de eenentwintigste eeuw.
De jonge onderzoekers hebben weinig uitleg nodig. Ze doen allemaal led-gerelateerd onderzoek in nauwe samenwerking met Philips. Het bezoek is voor hen een leuk uitje.
De begeleider van de promovendi is prof.dr. Kouchi (G.Q.) Zhang, sinds twee jaar deeltijdhoogleraar bij het Delft Institute of Microsystems and Nanoelectronics (Dimes). Zhang, die ook een aanstelling bij Philips heeft, is een Messias van het nieuwe licht. “Tegen 2020 zijn driekwart van alle lampen leds.”
Zijn dat dan allemaal led-lampen die je in een fitting draait? Zhang hoopt van niet. “Ik voorspel de liberation of light. Retrofit is eigenlijk iets heel doms. Als je leds voedt met batterijen – en dat kan steeds beter, want ze worden alsmaar zuiniger – dan heb je die hele infrastructuur met draden en fittingen niet meer nodig.”
Leds lijken in geen enkel opzicht op gloeilampen, spaarlampen, gasontladingslampen en tl-buizen. Het zijn chips die werken als een soort omgekeerde zonnecellen.
Absorberen de halfgeleidermaterialen in zonnecellen fotonen en gaat als gevolg van de aangeslagen toestand van het materiaal een stroompje lopen; bij leds leiden elektronenstromen door de halfgeleidermaterialen er juist toe dat fotonen worden uitgezonden. En dat doen ze op dit moment met zo’n 150 lumen per watt tien maal efficiënter dan een gloeilamp.
Het feit dat leds chips zijn, maakt dat je er allerlei elektronica en sensoren aan kunt koppelen. Wat te denken van leds die in ruiten verwerkt zitten, die meten hoeveel zonlicht er naar binnen schijnt en bijschijnen zodra het buiten donker wordt? Of leds met temperatuur- en rooksensoren die je bij een brand de veiligste vluchtroute aanwijzen?
Het is allemaal denkbaar, meent Zhangs collega, dr. Henk van Zeijl. “Sinds de uitvinding van elektrisch licht door Edison zit het licht gevangen in glas. Elektronische functies werden tot vlak na de Tweede Wereldoorlog ook gerealiseerd met glas; glazen radio buizen. Toen transistors het mogelijk maakten elektronica zonder glas te maken, leidde dat tot een revolutie. Zoiets gebeurt ook met verlichting.”
De Delftse promovendi richten zich bij hun onderzoek op tal van vraagstukken die betrekking hebben op de elektronica en de sensoren voor leds. Maar ook de behuizing van de chip – deze bepaalt voor een belangrijk deel de kleur van het licht – en technieken om oververhitting van de lamp te voorkomen, zijn belangrijke onderzoeksonderwerpen. (Zie kader ‘Een greep uit het Delftse led-onderzoek’)
Met in totaal vijftien promovendi en postdocs is Zhangs groep volgens hem een van de belangrijkste academische spelers in Europa. Zoek je echter in de wetenschappelijke literatuur op publicaties met het steekwoord light emitting diode, dan ontdek je tal van onderzoeksgroepen elders in Europa die veel meer publiceren (waaronder in Duitsland, Zwitserland en Frankrijk). En ook de TU Eindhoven scoort hoog.
Is de groep bij Dimes werkelijk zo’n belangrijke speler? “Wat wij doen is micro electronics and lighting systems integration”, reageert Zhang. “Daar richten we ons op, niet op de chip zelf. Je zult zien dat wij op dat gebied nummer één zijn in Europa. En dan moeten veel van onze artikelen nog gepubliceerd worden, want we zijn pas enkele jaren geleden begonnen met deze groep.”
Ook prof.dr. Paul Urbach van de sectie optica bij Technische Natuurwetenschappen (TNW), denkt dat de TU in Europa een grote academische speler is wat led-onderzoek betreft. Hij heeft ook regelmatig studenten en promovendi die onderzoek doen naar leds, meestal in samenwerking met Philips. “Met Philips om de hoek is het logisch dat wij groot zijn op dit gebied”, zegt hij.
Zhang wil de komende jaren zijn groep uitbreiden en ook meer samenwerken met collega’s van TNW (waaronder prof. Urbach), 3Me en Bouwkunde. Met hen wil hij een Centre for Solid State lighting (een andere benaming voor led) opzetten.
Lange weg te gaan
De stoet in Eindhoven is inmiddels doorgelopen naar een donkere onderzoeksruimte waar onderzoekers testen of lampen wel egaal in alle richtingen schijnen. Ondanks alle mooie vergezichten steekt Philips, voor wat de consumentenmarkt betreft, vooralsnog vooral veel energie in led-lampen die je in een fitting kunt draaien. Een van die lampen werd hier onlangs getest, de zogenaamde L-lamp.
Philips heeft de L-lamp ontwikkeld ter vervanging van de zestig watt-gloeilamp. In 2011 won het bedrijf er een prijs van tien miljoen dollar mee (de Bright Tomorrow Lighting Prize), die uitgeschreven was door het Amerikaanse Ministerie van Energie. De led-lamp heeft een energieverbruik van tien watt en gaat als het goed is vijfentwintigduizend uur mee.
Promovendus ir. René Poelma heeft een vergelijkbare led-lamp thuis, vertelt hij. “Hij geeft fijn licht. Heel diffuus. Je merkt helemaal niet dat het een led-lamp is in plaats van een gloeilamp.”
Toch betwijfelt Poelma of we aan de vooravond staan van een led-revolutie. “Zelf had ik die lamp niet gekocht. Ik vind hem nog te duur. Ik denk dat we nog een lange weg te gaan hebben voordat ze voor de consument interessant worden.”
Het bekroonde ontwerp kost bij Philips nog zestig euro. Volgens Zhang zijn er echter al kwalitatief hoogstaande led-lampen te koop voor veel minder. En gaat de ontwikkeling weldegelijk razendsnel. “In China kun je voor tien euro al een goede lamp kopen.”
Hoe werkt de light emitting diode?Hoe werkt de light emitting diode?
Hoe werkt de light emitting diode?
Een chip ter grootte van een zandkorrel ligt op het bureau van dr. Henk van
Zeijl bij Dimes. Meer is het niet. “Maar als ik er spanning op zet, moet je echt niet recht in deze led kijken”, zegt Van Zeijl. “Dan raak je verblind, zo fel schijnt hij.”
In het halfgeleidermateriaal van de chip zitten vrije bewegelijke elektronen en elektrongaten. Zet een spanning op het materiaal en de elektronen bewegen door het materiaal totdat ze een gat tegenkomen dat ze kunnen opvullen. Als het elektron terugvalt van de hoge energietoestand in die lagere energietoestand van het elektrongat, komt er licht vrij.
Van Zeijl: “Beschouw de elektronen als water en het verschil in energieniveau tussen een beweeglijk elektron en het energieniveau van het elektron dat net een gat heeft opgevuld als de hoogte van een waterval. De hoogte bepaalt de kleur van het uitgezonden licht. Van de tien emmers water die de waterval afgaan, worden er acht à negen omgezet in licht. De interne efficiëntie is dus maar liefst tachtig à negentig procent.”
Een deel van dat licht verlaat de chip echter niet; het wordt even later weer geabsorbeerd, waardoor de efficiëntie van de led toch lager ligt, zo rond de dertig à veertig procent. Maar de verwachting is dat de chips veel efficiënter zullen worden.
Sinds de jaren zestig worden leds al gebruikt in elektronica. Decennia lang zonden de chips slechts zwak rood licht uit. Na veel experimenteren met legeringen maakt men sinds de jaren negentig ook heldere blauwe leds met de halfgeleidermaterialen gallium nitride en indium gallium nitride. Deze blauwe leds kunnen gecombineerd worden met groene en rode leds om wit licht te maken. Maar meestal creëert men wit licht door een omhulsel om de blauwe led aan te brengen met zogenaamde fosfors (dit zijn doorgaans zeldzame aardmetalen) die het uitgezonden blauwe licht verkleuren naar wit licht.
Samen met China
De Delftse led-onderzoekers werken nauw samen met collega’s in China. Sinds 2011 heeft de TU een dependance in Beijing. Daar werken zeven promovendi onder Delftse begeleiding, en dat moeten er in de loop van dit jaar tien worden. En omgekeerd werkt de samenwerking ook. Sinds enkele maanden huisvest Dimes een dependance van het Chinese State Key Laboratorium (SKL). De samenwerking lijkt een verstandige zet. China heeft in 2011 22 miljard yuan (2,8 miljard euro) gereserveerd voor de promotie van ‘green lighting’. Daaronder verstaat het vooral led-verlichting.
Een greep uit het Delftse led-onderzoek
Led-lampen kunnen over een tijd misschien wel honderdduizend uur branden, denkt promovenda ir. Sima Tarashioon. Om dat voor elkaar te krijgen moet duidelijk zijn wat de levensduur is van alle verschillende onderdelen van de lamp en hoe die onderdelen elkaar beïnvloeden. Tarashioon doet simulaties om hier beter zicht op te krijgen. Ze richt zich op de elektronica van de lamp. The physics of failure heet haar vakgebied.
Ir. René Poelma onderzocht de rekbaarheid van siliconen. Leds worden op een wafer gemaakt en één voor één met de hand voorzien van silicone lensjes. Als je de lensjes allemaal tegelijk op de wafer zou kunnen aanbrengen, zou je enorm veel kosten besparen. Maar dan moeten de lensjes wel goed loskomen van de bovenliggende gietvorm. Poelma onderzoekt onder welke omstandigheden dit het beste lukt.
En gloeilamp wordt letterlijk gloeiend heet. Maar ook leds kunnen flink opwarmen. Meer dan de helft van de energie die je erin steekt, zetten ze om in warmte. Deze warmteontwikkeling is de beperkende factor bij de levensduur van leds. De meeste leds zijn voorzien van een passief koelsysteem; metalen structuurtjes die de warmte wegleiden. Ir. Huaiyu Ye bedacht iets anders. De promovendus ontwikkelde een koelsysteem met koelvloeistof . Via een piepklein circulair buisje laat hij een paar milliliter water per seconde langs een led stromen. Dat is voldoende om de temperatuur van de led stabiel op honderd graden Celsius te houden. En het mooie is; het gaat vanzelf. Door de faseovergangen van het water, van vloeibaar naar gasvorm en weer terug, stroomt het vanzelf rond. Zolang het licht brandt natuurlijk.
Geminiaturiseerde retrofit halogeenlampjes zijn klein en geven veel licht. Maar o, wat slurpen ze een stroom.
Philips wil dit lampje qua uiterlijk daarom nabootsen met leds. De grote uitdaging is om de leds, die opgesloten zitten in een kleine ruimte, genoeg licht te laten produceren zonder dat ze oververhit raken. In de lamp is geen ruimte voor koelsystemen. Ir. Pan Liu denkt de oplossing gevonden te hebben. Ze maakt vouwbare chips waar ze leds op gaat aanbrengen. Met vijf aaneengesloten leds in een L-vorm kun je een open kubus vouwen, een kubus die naar alle kanten toe licht geeft en die door zijn open structuur zijn warmte kwijt kan.
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.