LEDs erleuchten die Zukunft

Ein Lichtunfall überfällt einen Besucher, der die Lobby von Color Kinetics im 17. Stock eines Bürogebäudes in der Innenstadt von Boston betritt. Wirbelnde Designs auf Postern wechseln von Orange zu Grün, klare Plastikformen leuchten in schneller Abfolge blau, lila und rot. Und bald stellt sich die Frage: Welche Farbe hat diese Couch? Es glänzt kirschrot, verblasst zu Purpur, wird babyblau, dann beginnt der Zyklus von neuem.

Höchstspannungsübertragungsleitung

Tatsächlich ist die Couch rot. Es ist immer rot, und nur das Licht, das von Dutzenden winziger Scheinwerfer darauf scheint, ändert sich, da Color Kinetics die möglichen Effekte seiner digitalen Lichter demonstriert. Jede kleine Lampe enthält rote, grüne und blaue Leuchtdioden (LEDs), die computergesteuert in unterschiedlichen Kombinationen aufleuchten. Wir revolutionieren die Beleuchtungsindustrie mit einer unserer Meinung nach disruptiven Technologie, schwärmt Firmenpräsident George Mueller, groß und mit Pferdeschwanz mit dem Gen-X-Standard-Spitzbart. Es ist eine neue Art, Licht zu erzeugen.

Der große Gen Grab

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom September 2000



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Mueller und sein Mitbegründer Ihor Lys haben Computersoftware mit einem Jahrzehnt der Fortschritte in der LED-Technologie verbunden. LEDs sind im täglichen Leben allgegenwärtig geworden und leuchten aus den Gesichtern von Videorecordern, Radioweckern und Mikrowellenherden. Aber diese LEDs waren bescheidene Kontrollleuchten für alle Arten von elektronischen Geräten. Einst in ihrer Helligkeit begrenzt und am roten Ende des Spektrums festgefahren, sind LEDs in den letzten zwölf Jahren leistungsstärker geworden. Und ein Durchbruch in den frühen 1990er Jahren schuf blaue LEDs, die plötzlich den ganzen Regenbogen verfügbar machten und das Versprechen von Weißlicht-LEDs hielten - entweder durch Mischen der Leistung von farbigen LEDs oder durch exotischere Techniken. Color Kinetics kauft LEDs von Geräteherstellern wie Agilent und Cree und integriert sie in Lampen, die praktisch jeden Farbwechsel einer weißen Wand oder eines Ladendisplays von blassgrün bis pink nach Belieben abgeben.

Ihre Geräte, die sich derzeit hauptsächlich an den Einzelhandels- und Unterhaltungsmarkt richten, machen sich einige der besonderen Eigenschaften von LEDs zunutze: geringe Größe, geringes Gewicht, geringer Stromverbrauch, nahezu unendliche Farbauswahl. Aber Beleuchtungsexperten sagen, dass dies nur der Anfang ist. Vor Ihnen liegen ganze Gebäude, die leuchten, Ampeln, die ein Jahrzehnt halten, Scheinwerfer, die Ihre Autobatterie nicht entladen, wenn Sie sie anlassen, und vielleicht sogar billige, langlebige Lampen, die Glüh- und Leuchtstofflampen zum Aussterben bringen.

Licht wirken lassen

Thomas Edison wird vor allem dafür gefeiert, dass er die Glühbirne erfunden hat. Während seine anderen Erfindungen – wie der Phonograph, der Mimeograph und der Tickerband-Automat – in den letzten Jahrzehnten durch digitale Technologien verdrängt wurden, leuchtet die Glühbirne weiter. Jetzt, nach 12 Jahrzehnten, droht der technologische Fortschritt sie endgültig zu entthronen. In Erwartung des Übergangs gehen die großen Beleuchtungshersteller Allianzen mit LED-Herstellern ein. General Electric Lighting hat sich im vergangenen Jahr mit dem Chiphersteller Emcore zusammengetan, um eine Beleuchtungsabteilung namens GELCore mit Sitz in Independence, Ohio, zu gründen. Philips Lighting und Agilent Technologies, ein Spin-off von Hewlett-Packard, haben LumiLeds in San Jose gegründet. Und Osram Sylvania hat sich mit dem Halbleitergeschäft seiner Muttergesellschaft Siemens zusammengetan. Sie sehen eine große Nachfrage von Glühbirnenherstellern, die in gewisser Weise ihr eigenes Geschäft auffressen, aber mit der Erkenntnis, dass es andere tun werden, wenn sie es nicht tun, sagt Makarand Chipalkatti, Marketing- und technischer Leiter für LED Lichtgottesdienste bei Osram Sylvania in Danvers, Massachusetts.

Allerdings sind nicht alle Player in diesem Bereich große Unternehmen. Auch Startups mischen mit. Mueller und Lys von Color Kinetics lernten sich an der Carnegie Mellon University kennen, wo Lys in Elektrotechnik promovierte und Mueller Computer und Elektrotechnik mit Nebenfach bildende Kunst als Hauptfach studierte. Ihr erster Versuch, sich im Jahr 1992 mit der Beleuchtung zu befassen, bestand darin, ein neuartiges Schild zu bauen, wie es Mueller im Detroit Science Center gesehen hatte. Eine einzelne vertikale Reihe von LEDs zeigte spaltenweise Ausschnitte eines Bildes an. Das menschliche Gehirn, das reagierte, als ob das Auge des Betrachters ein ununterbrochenes Bild überfliegen würde, würde das Bild wieder zusammensetzen. Das erste Zeichen, das Mueller machte, sagte LIEBE; er gab es seiner Mutter. Dann baute er für die Mitbewohner, die darauf wetten, dass er es nicht schafft, ein Schild mit der Aufschrift BIER.

Wir haben darum einen Businessplan geschrieben, weil ich Business School-Kurse besucht habe, erinnert sich Mueller. Er hatte drei Ziele für die daraus resultierende Firma Stone Age Technologies. Die ersten beiden waren typische Studentenwünsche: Biergeld verdienen und ein paar Werbegeschenke (in diesem Fall kostenlose Schilder) erhalten. Das dritte Ziel war es, auf dem Cover des Magazins In Pittsburgh zu erscheinen, sagt er, und durchwühlte einen Korb mit Designer-Kartoffelchips, um die orangefarbenen zu finden. Mein neues Ziel ist Rolling Stone.

Ich begnüge mich mit dem Wall Street Journal, fügt Lys hinzu, die kurzhaarige, weniger kinetische Hälfte des Paares. Der technische Guru Lys ist ein Ingenieur, der wie seine Kollegen bei Computer-Startups gegen Mittag zur Arbeit kommt und lange bleibt.

Obwohl Lys und Mueller 1993 die Idee zur digitalen Beleuchtung hatten, legten sie sie beiseite, als Mueller und sein Bruder Gary das Wirtschaftsforschungsunternehmen Internet Securities, Inc. gründeten. Die Brüder verkauften 80 Prozent des in Boston ansässigen Unternehmens letztes Jahr für 43 Millionen Dollar. Mueller verachtet die traditionelle Messing-, Glas- und Gasbeleuchtungsindustrie. Es ist langweilig, erklärt er. Es ist keine Technologie beteiligt.

Vielleicht nicht, aber es geht sicherlich um Geld. Die Vereinigten Staaten kaufen jedes Jahr Glühbirnen, Leuchtstoffröhren und Halogenlampen im Wert von 3,5 Milliarden Dollar; weltweit beträgt der Markt 11,5 Milliarden US-Dollar. Bisher ist der Markt für helle LEDs mit sichtbarem Licht relativ mickrig – etwa 680 Millionen US-Dollar, so das Forschungsunternehmen Strategies Unlimited. Fortschritte in der LED-Technologie führen jedoch dazu, dass diese Geräte in immer mehr Anwendungen eingesetzt werden, und der Markt wird voraussichtlich in fünf Jahren auf 1,8 Milliarden US-Dollar anwachsen.

Die weiße Antwort

Die ersten LEDs wurden Anfang der 1960er Jahre gebaut. Die winzigen Chips aus Halbleitermaterial, die von einem klaren Epoxidharz umgeben sind, geben ein einfarbiges Licht ab, wenn Strom durch sie fließt. Negativ geladene Elektronen bewegen sich, um positiv geladene Bereiche im Material zu füllen, die Löcher genannt werden, in denen Elektronen fehlen. Die Kombination eines Elektrons und eines Lochs erzeugt ein Lichtphoton. Je größer der Energieunterschied zwischen Elektron und Loch – die sogenannte Bandlücke – desto höher ist die Energie des austretenden Photons. Die Energie des Photons entspricht wiederum der Farbe des Lichts; innerhalb des sichtbaren Spektrums tragen blaue und violette Photonen die meiste Energie, orange und rote Photonen am wenigsten. Unterschiedliche Materialien haben natürlich unterschiedliche Bandlücken. Um das Energieniveau und damit die Farbe der Photonen zu ändern, züchten Ingenieure die kristallinen Halbleiter aus verschiedenen Legierungen (siehe Begleitartikel: They Come in Colours).

Monochromatische LEDs mit hoher Helligkeit sind auf dem Markt bereits auf dem Vormarsch. Etwa 10 Prozent der roten Ampeln in den USA wurden durch LEDs ersetzt. Sie sind teurer als herkömmliche Glühbirnen, haben aber andere Vorteile, die die Kostenfrage überwiegen. Einer davon ist die Effizienz: Eine rote LED-Ampel verbraucht nur 15 Watt Strom anstelle der 150 Watt herkömmlicher Ampeln. Ein weiterer Faktor ist die Langlebigkeit – die LEDs sollen den Verkehr zum Stillstand bringen, ohne ein ganzes Jahrzehnt lang durchzubrennen. Kompaktheit, geringer Stromverbrauch, intensive Farben und geringe Wärmeentwicklung lassen einfarbige LEDs auch als Auto-Rücklichter, Flugzeugwarnlichter auf Funktürmen und Start- und Landebahnlichter auf Flughäfen auftauchen. Doch die Köpfe der Forscher und die Augen der Lichtindustrie sind auf Weiß gerichtet.

Und das stellt eine Herausforderung dar: Wie bekommt man weißes Licht aus Geräten, die von Natur aus einfarbig sind? Eine Methode besteht darin, LEDs verschiedener Farben zu mischen, damit sie weiß erscheinen. So wie ein Fernsehgerät alle Farben, die es anzeigt – einschließlich Weiß – aus leuchtenden roten, grünen und blauen Leuchtstoffen macht, kann die richtige Kombination von LEDs weiß erscheinen. Die Standardmethode zum Mischen ist mit drei separaten roten, grünen und blauen Dioden, aber die richtige Kombination von nur zwei – sagen wir Blau und Orange – kann auch Weiß erzeugen.

Der photonische Squeeze

Welche Methode auch immer gewählt wird, um weißes Licht zu erzeugen, die beteiligten LEDs müssen mehr Licht abgeben und energieeffizienter werden, wenn sie die Glühbirnen von Edison ersetzen sollen. Weiße LEDs erzeugen etwa 10 Lumen Beleuchtung pro Watt verbrauchten Stroms, was mit der Leistung von Glühbirnen vergleichbar ist (ein Lumen ist ein Maß dafür, wie hell das Auge Licht wahrnimmt). Etwa 10 Prozent des Stroms, den sie verbrauchen, wird in Licht umgewandelt – geringfügig besser als die 7 bis 8 Prozent für Glühbirnen. Aber LEDs sind immer noch zu teuer, um Ihr durchschnittliches GE Soft White herauszufordern. Im örtlichen Discounter erhältlich, kosten 100-Watt-Glühbirnen etwa einen Dollar für ein Viererpaket und liefern pro Stück 1.500 Lumen Beleuchtung. Ich kann für 25 Cent keine LED herstellen, die 1.500 Lumen liefert, sagt Roland Haitz, Forschungs- und Entwicklungsleiter der Halbleiterproduktgruppe bei Agilent. Er prognostiziert, dass seine Gruppe in einigen Jahren in der Lage sein wird, eine 1.500-Lumen-LED herzustellen, die für 150 US-Dollar verkauft werden könnte. Er bezweifelt, dass der durchschnittliche Hausbesitzer sich beeilen wird, um ein solches Produkt zu kaufen.

LEDs aus AlInGaP sind ziemlich effizient darin, Elektrizität in Licht umzuwandeln. Etwa 90 Prozent der Elektronen, die in die Diode eintreten, erzeugen Photonen. Leider hat diese Halbleiterlegierung auch einen hohen Brechungsindex (ein Maß dafür, wie stark ein Material Lichtstrahlen beugt). Anstatt für alle sichtbar zu leuchten, prallen die meisten Photonen daher im Inneren der Diode herum und werden in Abwärme umgewandelt; nur 30 Prozent davon treten als sichtbares Licht auf. GaN hat einen niedrigeren Brechungsindex, sodass mehr Licht von LEDs aus diesem Material entweicht. Allerdings werden nur 30 Prozent des Stroms, der in ein GaN-Gerät eingespeist wird, in Licht umgewandelt, sodass der Endwirkungsgrad immer noch nur etwa 10 Prozent beträgt. Das ist für so etwas wie eine Ampel ausreichend hell, aber nicht für die Allgemeinbeleuchtung.

Dies ist kein unüberwindbares Problem, sagt George Crawford, Chief Technical Officer bei LumiLeds. Forscher dort experimentieren mit neuen Strukturen der Dioden, um mehr Photonen entweichen zu lassen. Herkömmliche LEDs bestehen aus würfelförmigen Kristallen. Aber durch die unterschiedliche Anordnung der Halbleiterschichten und das Schneiden der Wafer, um schräge Seiten zu erzeugen, hat LumiLeds eine umgekehrte Pyramide geschaffen, die zu einem kürzeren optischen Weg für die Photonen führt. LumiLeds hat es im Labor geschafft, die Hälfte der Photonen aus einer invertierten Pyramiden-LED aus AlInGaP herauszuholen, und sie hoffen, solche LEDs noch in diesem Jahr in der kommerziellen Produktion zu haben. Fünfzig Prozent sind plausibel, aber schwer, sagt Crawford, fügt aber hinzu: Ich kann mir nur schwer vorstellen, noch viel besser zu sein.

Die Hälfte der Photonen von AlInGaP zu erhalten, kann ausreichen, um mit Leuchtstoffröhren zu konkurrieren, aber nicht allein. Geräte aus diesem Material liefern nur das rote und gelbe Licht. Die komplementären blauen Photonen, die für die Erzeugung von weißem Licht benötigt werden, müssen aus Galliumnitrid stammen, und dort ist die Technologie noch in den Kinderschuhen. Wir verstehen wirklich nicht die Grundlagen, wie man einen besseren Kristall in Galliumnitrid bauen kann, sagt Steve Johnson, Leiter der Beleuchtungsforschungsgruppe am Lawrence Berkeley National Laboratory.

Forscher suchen nach staatlichen Mitteln, um ihre Suche zu unterstützen. Arpad Bergh, Präsident der Optoelectronics Industry Development Association, wünscht große Anstrengungen in Forschung und Entwicklung, um LEDs so weit zu bringen, dass sie mit herkömmlichen Lichtquellen konkurrieren können. Seine Gruppe arbeitet mit Johnson bei Lawrence Berkeley an der Entwicklung eines Forschungsplans für effizientere Weißlicht-LEDs und beabsichtigt, den Kongress um ein fünfjähriges Finanzierungsprogramm in Höhe von 50 Millionen US-Dollar pro Jahr zu bitten, das bereits 2002 beginnen soll schrieb ein Weißbuch mit Sandia National Laboratories, in dem die Regierung aufgefordert wurde, über einen Zeitraum von 10 Jahren 500 Millionen US-Dollar in die Forschung zu investieren. Solche Ausgaben seien nötig, argumentiert Haitz, um LED-Beleuchtung über die Hürden zu heben, die jetzt den Fortschritt behindern. Allein gelassen, argumentiert er, werde die Beleuchtungsindustrie LEDs bis 2025 nur so weit vorantreiben, dass sie etwa ein Zehntel des Beleuchtungsmarktes einnehmen könnten. Aber mit staatlicher Hilfe könnten die Geräte bis zu diesem Jahr die Hälfte des Marktes ausmachen. Da die Beleuchtung in den USA etwa 20 Prozent des Stromverbrauchs ausmacht, könnte eine Umstellung auf die effizientere LED-Technologie zu erheblichen Energieeinsparungen führen.

Roboter, der Geschirr spült

Ein unheimliches Leuchten

Wenn LEDs jedoch einen großen Anteil am Beleuchtungsmarkt erobern sollen, müssen sie Licht mit dem richtigen Ton erzeugen. Jeder, der schon einmal ein Innenfoto mit Außenfilm gemacht hat, weiß, dass Glühlicht einen starken Gelbstich hat und Designer sagen, dass es sich warm anfühlt. Weiße Phosphor-LEDs hingegen leuchten deutlich bläulich. Wenn Sie versuchen, ein rotes Objekt mit einer weißen LED zu beleuchten, die nur Blau und Gelb im Spektrum hat, erhalten Sie kein sehr schönes Rot, warnt Kathryn Conway vom Lighting Research Center am Rensselaer Polytechnic Institute . Das kann zum Beispiel bei der menschlichen Haut ein Problem sein, die unter Licht, das nicht dem Tageslicht ähnelt, unnatürlich aussieht. Der renommierte New Yorker Lichtdesigner Howard Brandston weist darauf hin: Man möchte nicht, dass morgens jemand aufwacht, in den Spiegel schaut und sagt: ‚Egads! Ich könnte ohne Make-up für The Addams Family vorsprechen.’

Aber die Technologie wird sich definitiv weiter verbessern, da sich dies zum Teil auszahlt, weil Sie bei LEDs ein Drehrad drehen können, um die Beleuchtung mit dem richtigen Gefühl für die jeweilige Situation zu erhalten. Brett Andersen, Senior Designer bei Focus Lighting, einem in New York ansässigen Lichtdesign-Unternehmen, stellt sich einen Tag vor, an dem die Menschen in der Lage sein werden, die Farbe und Helligkeit des Lichts in ihren Häusern je nach Stimmung einzustellen. Diese Art der Steuerung macht den altmodischen Dimmer zu einem primitiven Werkzeug, um Atmosphäre zu schaffen. Darüber hinaus bieten LEDs neue Möglichkeiten, die grundlegendere Fragen darüber aufwerfen, wie Menschen über Beleuchtung denken, sagt Chipalkatti von Osram Sylvania. Wie würde es aussehen, wenn das Gebäude selbst eine Leuchte wäre? er fragt. Sie könnten Ihren Boden oder Ihre Decke beleuchten lassen.

In den Büros von Color Kinetics sitzt Software-Autor Mike Blackwell auf der Chamäleon-Couch und demonstriert sein Programm, das er für Lichtdesigner entwickelt hat, um mit den Leuchten des Unternehmens Effekte zu erzielen. Er stellt eine Reihe von Lampen so ein, dass sie das Spektrum durchlaufen und den Zyklus alle 10 Sekunden wiederholen. Dann fügt er einen weißen Impuls hinzu, der einmal pro Sekunde die Reihe nach unten bewegt. Die Wirkung ist irritierend und erinnert an die psychedelischen Lichtshows der 1960er Jahre. Es deutet auch auf Artefakte einer anderen Ära hin: diese Desktop-Newsletter der Mitte der 1980er Jahre, die vor kollidierenden Schriftarten strotzen. Aber wenn Lichtdesigner Recht haben, können anspruchsvollere Benutzer subtilere Effekte erzielen oder ihre Wände mit Licht neu streichen. Und vielleicht gesellt sich die Glühbirne zu einem früheren Beleuchtungsstandard, der Kerze, als uriger Akzent für besondere Anlässe, während unsere Tage und Nächte im Schein kleiner Chips erleuchtet werden.

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