Gaismas diodes apgaismo nākotni

Gaismas dumpis uzbrūk apmeklētājam, kurš ieiet Color Kinetics vestibilā Bostonas centra biroju ēkas 17. stāvā. Virpuļotie plakātu dizaini mainās no oranžas uz zaļu, skaidras plastmasas formas ātri pēc kārtas mirdz zilā, purpursarkanā un sarkanā krāsā. Un drīz rodas jautājums: kādā krāsā ir tas dīvāns? Tas spīd ķiršu sarkanā krāsā, izbalē līdz sārtinātam, kļūst zīdaini zils, pēc tam atkal sāk ciklu.

Patiesībā dīvāns ir sarkans. Tas vienmēr ir sarkans, un mainās tikai gaisma, kas uz to spīd no desmitiem sīku prožektoru, jo Color Kinetics demonstrē iespējamos efektus ar savām digitālajām gaismām. Katrā mazajā lampiņā ir sarkanas, zaļas un zilas gaismas diodes (LED), kas datora vadībā iedegas dažādās kombinācijās. Mēs radikāli mainām apgaismojuma nozari ar to, ko uzskatām par graujošu tehnoloģiju, sajūsmina uzņēmuma prezidents Džordžs Millers, garš un zirgaste ar Gen-X standarta kazbārdu. Tas ir jauns veids, kā radīt gaismu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2000. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Mueller un viņa līdzdibinātājs Ihors Lys ir apprecējuši datoru programmatūru ar LED tehnoloģiju progresu desmit gadus. Gaismas diodes ir kļuvušas visuresošas ikdienas dzīvē, mirdzot no videomagnetofonu, radio pulksteņu un mikroviļņu krāsnīm. Taču šīs gaismas diodes ir bijušas pieticīgas visu veidu elektronisko ierīču indikatora gaismas. Kad gaismas diodes ir ierobežotas ar spilgtumu un iestrēgušas spektra sarkanajā galā, pēdējo desmit gadu laikā tās ir kļuvušas jaudīgākas. Un izrāviens 1990. gadu sākumā radīja zilas gaismas diodes, pēkšņi padarot pieejamu visu varavīksni un saglabājot baltās gaismas gaismas diožu solījumu – vai nu sajaucot krāsainās gaismas diodes, vai izmantojot eksotiskākas metodes. Color Kinetics iegādājas gaismas diodes no ierīču ražotājiem, piemēram, Agilent un Cree, un iekļauj tās lampās, kas izdala praktiski jebkuru krāsu, mainot baltu sienu vai veikala displeju no gaiši zaļas līdz rozā.

Viņu ierīces, kas šobrīd galvenokārt ir paredzētas mazumtirdzniecības un izklaides tirgiem, izmanto dažas no LED īpašajām īpašībām: mazs izmērs, viegls svars, zems enerģijas patēriņš, gandrīz bezgalīga krāsu izvēle. Taču apgaismojuma eksperti saka, ka tas ir tikai sākums. Priekšā ir veselas ēkas, kas iedegas, luksofori, kas kalpo desmit gadus, priekšējie lukturi, kas neizlādēs jūsu automašīnas akumulatoru, ja atstājat tos ieslēgtus, un, iespējams, pat lētas, ilgstošas ​​​​lampas, kas izdzēsīs kvēlspuldzes un dienasgaismas spuldzes.

Gaismas iedarbināšana

Tomass Edisons galvenokārt tiek atzīts par spuldzes izgudrošanu. Kamēr citus viņa izgudrojumus, piemēram, fonogrāfu, mimeogrāfu un čemodānu automātu, pēdējās desmitgadēs ir izspiedušas digitālās tehnoloģijas, spuldze turpina degt. Tagad, pēc 12 gadu desmitiem, tehnoloģiju attīstība beidzot draud to gāzt no troņa. Paredzot pāreju, lielākie apgaismojuma ražotāji veido alianses ar LED ražotājiem. General Electric Lighting pagājušajā gadā apvienoja spēkus ar mikroshēmu ražotāju Emcore, lai izveidotu apgaismojuma nodaļu ar nosaukumu GELCore, kas atrodas Neatkarības pilsētā Ohaio štatā. Philips Lighting un Agilent Technologies, Hewlett-Packard blakusprodukts, Sanhosē izveidoja LumiLeds. Un Osram Sylvania ir apvienojies ar sava mātes uzņēmuma Siemens pusvadītāju biznesu. Jūs novērojat lielu impulsu no spuldžu ražotājiem, kuri savā ziņā ēd paši savu biznesu, taču apzinās, ka, ja viņi to nedarīs, to darīs kāds cits, saka Makarands Čipalkati, LED mārketinga un tehniskais vadītājs. gaismas dievkalpojumi Osram Sylvania, Danvers, Masa.

Tomēr ne visi spēlētāji šajā jomā ir lieli uzņēmumi. Jaunuzņēmumi arī iesaistās darbībā. Millers un Līss no Color Kinetics tikās Kārnegija Melona universitātē, kur Liss ieguva doktora grādu elektrotehnikā, bet Millers ieguva datortehnikā un elektroinženierzinātnēs, bet nepilngadīgo tēlotājmākslā. Viņu pirmais uzņēmums apgaismojuma jomā 1992. gadā bija izveidot jaunuma zīmi, kādu Millers bija redzējis Detroitas Zinātnes centrā. Viena vertikāla gaismas diožu rinda rādīja attēla šķēles pa vienai kolonnai. Cilvēka smadzenes, reaģējot tā, it kā skatītāja acs skenētu nedalītu attēlu, saliktu attēlu no jauna. Pirmā zīme, ko Muellers izteica, teica MĪLESTĪBU; viņš to iedeva savai mātei. Tad istabas biedriem, kuri likās, ka viņš to nevar izdarīt, viņš uzcēla zīmi ar uzrakstu ALUS.

Mēs rakstījām biznesa plānu, jo es mācījos biznesa skolā, atceras Muellers. Viņam bija trīs vārti uzņēmuma Stone Age Technologies labā. Pirmās divas bija tipiskas studentu vēlmes: nopelnīt alus naudu un saņemt pāris bezmaksas biļetes (šajā gadījumā bezmaksas zīmes). Trešais mērķis bija būt uz žurnāla In Pittsburgh vāka, viņš saka, izlasot dizaineru kartupeļu čipsu grozu, lai atrastu oranžos. Mans jaunais mērķis ir Rolling Stone.

Es samierināšos ar Wall Street Journal, ievietošu Lys, īsāka spalvaino, mazāk kinētisko pāra pusi. Tehniskais guru Lys ir inženieris, kurš, tāpat kā viņa kolēģi datoru palaišanas laikā, ierodas darbā ap pusdienlaiku un kavējas.

Lai gan Lys un Mueller nāca klajā ar ideju par digitālo apgaismojumu 1993. gadā, viņi to nolika malā, kad Millers un viņa brālis Gerijs nodibināja ekonomikas pētījumu firmu Internet Securities, Inc. Brāļi pārdeva 80 procentus no Bostonā bāzētā uzņēmuma. pagājušajā gadā par 43 miljoniem ASV dolāru. Millers nicina tradicionālo misiņa, stikla un gāzes apgaismojuma nozari. Tas ir garlaicīgi, viņš paziņo. Nav iesaistīta neviena tehnoloģija.

Varbūt nē, bet nauda noteikti ir saistīta. ASV katru gadu pērk kvēlspuldzes, dienasgaismas lampas un halogēna spuldzes par 3,5 miljardiem dolāru; pasaules tirgus ir 11,5 miljardi USD. Saskaņā ar pētījumu firmas Strategies Unlimited datiem, līdz šim spilgto, redzamās gaismas gaismas diožu tirgus ir salīdzinoši niecīgs - aptuveni 680 miljoni USD. Taču LED tehnoloģiju attīstība pārceļ šīs ierīces uz arvien vairāk lietojumu, un paredzams, ka piecu gadu laikā tirgus pieaugs līdz 1,8 miljardiem USD.

Baltā atbilde

Pirmās gaismas diodes tika uzbūvētas 1960. gadu sākumā. Sīkās pusvadītāju materiāla mikroshēmas, kas ietvertas caurspīdīgā epoksīda slānī, izdala vienu krāsu gaismu, kad caur tām plūst elektrība. Negatīvi lādēti elektroni pārvietojas, lai aizpildītu materiāla pozitīvi lādētos reģionus, ko sauc par caurumiem, kur trūkst elektronu. Elektrona un cauruma kombinācija rada gaismas fotonu. Jo lielāka ir enerģijas atšķirība starp elektronu un caurumu — tā saukto joslas spraugu —, jo augstāka ir fotona enerģija. Fotona enerģija savukārt atbilst gaismas krāsai; redzamajā spektrā visvairāk enerģijas nes zilie un violetie fotoni, vismazāk oranžie un sarkanie fotoni. Dažādiem materiāliem dabiski ir atšķirīgas joslas spraugas, tāpēc, lai mainītu enerģijas līmeni un līdz ar to arī fotonu krāsu, inženieri audzē kristāliskos pusvadītājus no dažādiem sakausējumiem (skatiet pavadošo rakstu: Tie nāk krāsās).

Augsta spilgtuma monohromatiskās gaismas diodes jau gūst panākumus tirgū. Aptuveni 10 procenti sarkano luksoforu Amerikas Savienotajās Valstīs ir aizstāti ar LED. Tās ir dārgākas nekā parastās spuldzes, taču tām ir arī citas priekšrocības, kas atsver izmaksu problēmu. Viens no tiem ir efektivitāte: sarkans LED luksofors patērē tikai 15 vatus elektroenerģijas, nevis 150 vatus, ko patērē tradicionālie bremžu signāli. Vēl viena ir ilgmūžība — paredzams, ka gaismas diodes apturēs satiksmi, neizdegot veselu desmit gadu. Vienkrāsu gaismas diožu kompaktums, zemā jauda, ​​intensīvās krāsas un zemais karstums liek tiem parādīties arī kā automašīnu aizmugurējie lukturi, lidmašīnu brīdinājuma gaismas radio torņos un skrejceļa gaismas lidostās. Taču pētnieku prāti un apgaismojuma nozares acis ir vērstas uz balto krāsu.

Un tas rada izaicinājumu: kā iegūt baltu gaismu no ierīcēm, kas pēc būtības ir vienkrāsainas? Viena metode ietver dažādu krāsu gaismas diožu sajaukšanu, lai tās izskatītos baltas. Tāpat kā televizorā tiek parādītas visas krāsas, tostarp baltās krāsas no kvēlojoša sarkanā, zaļā un zilā luminofora, pareiza gaismas diožu kombinācija var radīt baltu izskatu. Standarta sajaukšanas veids ir ar trim atsevišķām sarkanām, zaļām un zilām diodēm, taču pareizā kombinācija, kurā ir tikai zilā un oranžā krāsa, var radīt arī baltu krāsu.

Fotoniskā saspiešana

Neatkarīgi no tā, kura metode tiek izvēlēta, lai radītu baltu gaismu, iesaistītajām gaismas diodēm ir jārada vairāk gaismas un jākļūst energoefektīvākām, ja tās vēlas nomainīt Edisona spuldzes. Baltas gaismas diodes rada aptuveni 10 lūmenus apgaismojuma uz vienu patērētās elektroenerģijas vatu, kas ir salīdzināms ar kvēlspuldžu veiktspēju (lūmenis ir mērs, cik spilgti acs uztver gaismu). Aptuveni 10 procenti no patērētās elektroenerģijas tiek pārvērsti gaismā, nedaudz labāk nekā kvēlspuldžu 7–8 procenti. Taču gaismas diodes joprojām ir pārāk dārgas, lai izaicinātu savu vidējo GE Soft White. Pārdošanā vietējā zemo cenu veikalā 100 vatu kvēlspuldzes maksā apmēram dolāru par četrām spuldzēm un nodrošina 1500 lūmenu apgaismojumu katrā. Es nevaru izgatavot LED, kas sniedz jums 1500 lūmenus par 25 centiem, saka Rolands Haits, Agilent pusvadītāju produktu grupas pētniecības un attīstības vadītājs. Viņš prognozē, ka pēc dažiem gadiem viņa grupa varēs izgatavot 1500 lūmenu LED, ko varētu pārdot par 150 USD. Viņš šaubās, ka vidusmēra mājas īpašnieks steigsies iegādāties šādu produktu.

Gaismas diodes, kas izgatavotas no AlInGaP, diezgan efektīvi pārvērš elektrību gaismā. Apmēram 90 procenti elektronu, kas nonāk diodē, ģenerē fotonus. Diemžēl šim pusvadītāju sakausējumam ir arī augsts refrakcijas indekss (mērs, cik ļoti materiāls saliec gaismas starus). Tā vietā, lai visi redzētu, lielākā daļa fotonu atsitās ap diodes iekšpusi un pārvēršas izlietotā siltumā; tikai 30 procenti no tiem parādās kā redzama gaisma. GaN ir zemāks refrakcijas indekss, tāpēc no šī materiāla izgatavotajām gaismas diodēm izplūst vairāk gaismas. Tomēr tikai 30 procenti no GaN ierīcē ievadītās elektroenerģijas vispirms tiek pārvērsti gaismā, tāpēc galīgā efektivitāte joprojām ir tikai aptuveni 10 procenti. Tas ir pietiekami spilgts, piemēram, luksoforam, bet ne vispārējam apgaismojumam.

Tā nav nepārvarama problēma, saka Džordžs Krofords, LumiLeds galvenais tehniskais darbinieks. Pētnieki ir eksperimentējuši ar jaunām diožu struktūrām, lai ļautu vairāk fotonu izkļūt. Parastās gaismas diodes sastāv no kuba formas kristāliem. Bet, izkārtojot pusvadītāju slāņus atšķirīgi un sagriežot vafeles, lai izveidotu slīpas malas, LumiLeds ir izveidojis apgrieztu piramīdu, kuras rezultātā fotoniem ir īsāks optiskais ceļš. Laboratorijā LumiLeds ir izdevies iegūt pusi fotonu no apgrieztas piramīdas gaismas diodes, kas izgatavota no AlInGaP, un viņi cer, ka šogad šādas gaismas diodes būs komerciālā ražošanā. Piecdesmit procenti ir ticami, bet grūti, saka Krofords, taču piebilst: Man ir grūti iedomāties, ka man iet daudz labāk.

Puse fotonu iegūšana no AlInGaP var būt pietiekama, lai konkurētu ar dienasgaismas spuldzēm, bet ne pati par sevi. No šī materiāla izgatavotās ierīces nodrošina tikai sarkano un dzelteno gaismu. Papildu zilajiem fotoniem, kas nepieciešami baltās gaismas ražošanai, ir jānāk no gallija nitrīda, un tur tehnoloģija joprojām ir embrionāla. Mēs patiešām nesaprotam pamatprincipus, kā izveidot labāku kristālu gallija nitrīdā, saka Stīvs Džonsons, Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas apgaismojuma pētniecības grupas vadītājs.

Pētnieki meklē valsts finansējuma iespēju, lai palīdzētu viņu meklējumos. Optoelektronikas nozares attīstības asociācijas prezidents Arpads Bergs vēlas veikt lielus pētniecības un attīstības centienus, lai gaismas diodes varētu konkurēt ar tradicionālajiem gaismas avotiem. Viņa grupa sadarbojas ar Džonsonu Lorensā Bērklijā, lai izstrādātu efektīvāku baltās gaismas gaismas diožu izpētes plānu, un plāno lūgt Kongresam piecu gadu finansēšanas programmu 50 miljonu ASV dolāru apmērā gadā, kas sāktos 2002. gadā. Tikmēr Haics uzrakstīja balto grāmatu ar Sandia National Laboratories, aicinot valdību 10 gadu laikā ieguldīt pētniecībā 500 miljonus dolāru. Haitz apgalvo, ka šādi izdevumi ir nepieciešami, lai paceltu LED apgaismojumu pāri šķēršļiem, kas šobrīd kavē progresu. Viņš apgalvo, ka, paliekot vienatnē, apgaismojuma nozare virzīs gaismas diodes tikai tik daudz, lai līdz 2025. gadam ieņemtu apmēram vienu desmito daļu apgaismojuma tirgus. Taču ar valdības palīdzību, viņš saka, līdz tam gadam ierīces varētu veidot pusi no tirgus. Tā kā apgaismojums veido aptuveni 20 procentus no Amerikas Savienotajās Valstīs patērētās elektroenerģijas, pāreja uz efektīvāku LED tehnoloģiju varētu ievērojami ietaupīt enerģiju.

Šausmīgs mirdzums

Bet, ja gaismas diodes vēlas ieņemt lielu apgaismojuma tirgus daļu, tām būs jārada gaisma ar pareizo toni. Ikviens, kurš kādreiz ir uzņēmis iekštelpu attēlus ar āra plēvi, zina, kvēlspuldzei ir spēcīga dzeltena krāsa, un dizaineri saka, ka tai ir silta sajūta. Savukārt baltās fosfora gaismas diodes izstaro izteikti zilganu spīdumu. Ja jūs mēģināt izgaismot sarkanu objektu ar baltu gaismas diode, kuras spektrā ir tikai zilā un dzeltenā krāsa, jūs neiegūsit ļoti skaistu sarkanu krāsu, brīdina Ketrina Konveja no Renselāras Politehniskā institūta Apgaismojuma pētniecības centra. . Tā var būt problēma, piemēram, ar cilvēka ādu, kas izskatās nedabiski gaismā, kas neatbilst dienasgaismai. Slavenais Ņujorkas apgaismojuma dizainers Hovards Brendstons norāda: jūs nevēlaties, lai kāds no rīta pamostos un paskatītos spogulī un teiktu: 'Egads! Es varētu noklausīties Addams Family bez kosmētikas.

Taču tehnoloģija noteikti turpinās uzlaboties, jo atmaksāšanās lielā mērā ir saistīta ar to, ka, izmantojot gaismas diodes, jūs varēsiet pagriezt pogu, lai apgaismojums būtu tieši tāds, kāds ir konkrētajai situācijai. Brets Andersens, Ņujorkā bāzētā apgaismojuma dizaina firmas Focus Lighting vecākais dizaineris, paredz dienu, kad cilvēki savās mājās varēs iestatīt gaismas krāsu un spilgtumu atbilstoši savam noskaņojumam. Šāda veida vadība padarīs vecmodīgo reostata slēdzi par primitīvu instrumentu atmosfēras radīšanai. Turklāt LED piedāvā jaunas iespējas, kas rada būtiskākus jautājumus par to, kā cilvēki domā par apgaismojumu, saka Chipalkatti no Osram Sylvania. Kā viss izskatītos, ja pati ēka būtu gaismas ķermeņi? viņš jautā. Jūs varētu izgaismot grīdu vai griestus.

Color Kinetics birojos programmatūras autors Maiks Blekvels sēž uz hameleona dīvāna un demonstrē programmu, ko viņš ir izstrādājis apgaismojuma dizaineriem, lai radītu efektus ar uzņēmuma gaismām. Viņš iestata lampu rindu, lai tās darbotos pa spektru, atkārtojot ciklu ik pēc 10 sekundēm. Pēc tam viņš pievieno baltu impulsu, kas reizi sekundē virzās uz leju pa rindu. Efekts ir satraucošs, atgādinot 60. gadu psihedēliskos gaismas šovus. Tas arī liecina par cita laikmeta artefaktiem: 80. gadu vidus datorā publicētajiem informatīvajiem izdevumiem, kas bija pārpildīti ar pretrunīgiem fontiem. Bet, ja apgaismojuma dizaineriem ir taisnība, izsmalcinātāki lietotāji varēs radīt smalkākus efektus vai pārkrāsot sienas ar gaismu. Un, iespējams, kvēlspuldze pievienosies agrākam apgaismojuma standartam, svecei, kā savdabīgs akcents īpašiem gadījumiem, kamēr mūsu dienas un naktis tiek izgaismotas sīku skaidiņu mirdzumā.

paslēpties