Historische achtergronden

De historie van leds

In 1906 maakte Henry Joseph Round tijdens een experiment met SiC (carborundum) voor het eerst melding van ‘elektroluminescentie’, en de eerste Light Emitting Diode (of led) was geboren. Gedurende de daaropvolgende 50 jaar werd er maar weinig vooruitgang geboekt totdat het onderzoek naar diodes en halfgeleiders echt van de grond kwam. In het midden van de 20e eeuw ontdekten onderzoekers in de universitaire en industriële wereld verschillende methoden om lichtstraling te genereren op de pn-overgang van diodes bij gebruik van specifieke materialen en processen. De lichtopbrengst was echter laag, de leds waren duur en er waren maar enkele specifieke kleuren verkrijgbaar. De weg naar hogere lichtopbrengsten, lagere kosten en een breder scala aan kleuren en wit was lang en lastig, maar wel goed gedocumenteerd.

In het begin van de jaren zestig gingen groepen bij RCA, IBM, GE en MIT zich actief toeleggen op de ontwikkeling van leds. Een van de eerste in de handel verkrijgbare leds was een 870 nm IR product dat door Texas Instruments werd verkocht voor USD 130. Ongeveer in dezelfde periode distribueerde GE rode leds via het Radiohandboek van Allied voor USD 260. leds waren dus zeer duur en werden alleen in kleine hoeveelheden verkocht. In 1964 gebruikte IBM GaAsP-leds op printplaten in een van zijn eerste mainframecomputers. Dit was een belangrijke ontwikkeling: voor het eerst boden leds ten opzichte van de conventionele verlichtingstechno¬logie een interessant alternatief voor zowel fabrikanten als eindgebruikers. Als lampje voor aan/uit-indicatie konden leds rechtstreeks op de printplaat worden gemonteerd; ze verbruikten minder stroom en hadden een schijnbaar onbeperkte levensduur, waardoor onderhoud overbodig werd. Veel van deze voordelen vormden de basis voor verdringing van andere lichtbronnen naarmate leds efficiënter, goedkoper en helderder werden.

Hoewel het lichtrendement van leds in de jaren zestig en zeventig vrij beperkt bleef, ontwikkel¬den Monsanto en Hewlett-Packard lijnen met een hoge productiecapaciteit die leidden tot aanzienlijk lagere kosten en snel groeiende markten voor alfanumerieke displays mogelijk maakten, eerst voor rekenmachines en later voor polshorloges. Voorbeelden hiervan zijn de rekenmachines SR-56 van Texas Intruments en HP-67 van Hewlett-Packard, en het Pulsar digitale uurwerk van Hamilton Watch Corporation. Hierbij maakten de zeer kleine lichtpunten die door de leds werden gegenereerd het mogelijk verschillende cijfers elektronisch weer te geven in dezelfde fysieke ruimte. Leds hadden een van tevoren niet mogelijke markt gecreëerd, die ze domineerden tot aan de komst van LCD’s met achtergrondverlichting.

In diezelfde periode resulteerde voortdurende technologische vooruitgang op het gebied van GaP-technologie in een groene led. Hoewel deze een lager kwantumrendement bezat, leek de groene led hetzelfde helderheidsniveau te hebben als de bestaande rode leds doordat de gevoeligheid van het menselijk oog voor groen tien maal zo hoog is als voor rood. In de jaren zestig maakte de ‘Princess’-telefoon van AT&T furore, mede omdat het toetsenblok oplichtte wanneer de hoorn van de haak werd genomen; het toestel had echter een 110 V-aansluiting nodig om de interne lamp te laten branden en als deze doorbrandde moest er iemand van het telefoonbedrijf langskomen. Voor meer geavanceerde telefoontoestellen met meerdere lijnen, die in die tijd door telefonistes en secretaresses werden gebruikt, waren tientallen leidingen nodig om schakelaars op afstand te synchroniseren om aan te geven welke lijnen vrij en welke bezet waren. De installatie- en onderhoudskosten waren erg hoog. Het gebruik van het fraaiere groene licht in particuliere telefoons en van leds in het algemeen in telefoontoestellen met meerdere lijnen, samen met interne elektronische circuits, leidde tot een daling van de onderhoudskosten en de daarmee verbonden garantiekosten voor de telefoonmaatschappijen. Ook hier verdrongen leds met hun lange levensduur en hoge duurzaamheid, ditmaal in combinatie met de geminiaturiseerde en geïntegreerde stuurelektronica, de kleine indicatiegloeilampjes.

In de jaren negentig boekten Nakamura en andere onderzoekers vooruitgang in de InGaN-led-technologie, wat leidde tot massacommercialisatie van blauwe en groene halfgeleider¬bronnen en de ontwikkeling van witte leds. Dankzij een volledig kleurenpalet verdrongen leds al snel de conventionele lampen in tal van applicaties van gekleurd licht.

Vandaag de dag zijn mobiele telefoons en andere elektronische apparaten de grootste verbruikers van leds. Naar schatting werken ongeveer 30% van de verkeerslichten in de Verenigde Staten met leds; de led ‘vidiwalls’ met grote beeldschermen (zoals op Times Square) zijn wijdverspreid en tal van bedrijven hebben door de FAA goedgekeurde vliegveldverlichting en andere signalerings¬verlichting ontwikkeld.

Digitale sturing van gekleurde leds heeft een nieuwe dimensie toegevoegd aan architectonische verlichting; bij veel van de IALD Design Awards 2003 werd gebruik gemaakt van gekleurde leds. Met de komst van een volledig kleurenpalet voor high-power leds ontwikkelden zich meer geavanceerde architectonische designs, naast theater- en studioverlichting. In juni 2004 werden 11 van de 14 podia op het popfestival van het Britse Glastonbury verlicht met high-power leds; het hoofdpodium werd belicht door circa 196 door James Thomas Engineering ontwikkelde Pixel Par-armaturen met in kleur veranderende high-power RGB-leds via een nieuw videobesturingssysteem dat elke armatuur ‘pixeliseerde’. In elk van deze voorbeelden zorgden de gekleurde leds voor een aanzienlijk lager stroomverbruik, aangezien bij filtering het verlies aan witlicht kan oplopen tot 90%.

Leds leiden ook tot eenvoudigere installaties omdat dunnere bedrading kan worden gebruikt. Daarnaast zijn de robuustheid van de led, de veiligheid van de laagspanningsvoeding en de afwezigheid van warmte (IR) en UV-straling in de lichtbundel extra factoren die het gebruik van leds voor deze toepassingen aantrekkelijk maken. En ten slotte betekent de lange levensduur meestal een terugverdienperiode van 1 tot 3 jaar voor gekleurde leds op basis van de besparingen in energie en onderhoud, wat over het algemeen de hogere initiële kosten rechtvaardigt.