NRC Handelsblad van 11-01-2003, Pagina 33, Wetenschap & Onderwijs,
Achtergrond

Nieuw licht
Bruno van Wayenburg
VERBETERDE LED HEET LUXEON EN IS BEZIG AAN GESTAGE OPMARS
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.'

Het Amsterdamse stoplicht-ledje

``Ik was helemaal alleen op de labzaal, er was niemand om het te laten
zien', herinnert Steve Welter, promovendus chemie aan de Universiteit van
Amsterdam, zich die ene avond. Onverwacht vond hij een nieuw effect
terwijl hij een nieuw type rode polymeer-LED aan het doormeten was. Als
de stroom de andere kant op door de LED liep, gaf deze ineens groen
licht, in plaats van de stroom te blokkeren. ``Een complete verrassing',
zegt de Luxemburger, die zijn vondst twee weken geleden publiceerde in
Nature (2 jan), samen met collega's van de UvA en Philips.
In Welter's LED van polyphenyleenvinyleen (PPV) zaten kleine hoeveelheden
van een organisch molecuul dat het zware element ruthenium bevat. Het
idee was om zo de lichtopbrengst van de LED te verbeteren, en als het kon
ook nog aan de kleuren te sleutelen, maar het onverwachte effect was ook
welkom.
``Niemand begreep eerst hoe het kon', zegt Welter. Nadat alle mogelijke
fouten, toevalstreffers en misrekeningen waren uitgesloten, oppert zijn
onderzoeksgroep in de Nature-publicatie dat het om een complexe vorm van
elektronenoverdracht in het ruthenium-molecuul gaat. Welter: ``Dat is
voor vijfennegentig procent zeker.'
De zoektocht was extra zwaar, omdat de primeur zorgvuldig geheim gehouden
moest worden. ``We zijn hier drie jaar geleden aan begonnen, maar als het
uitlekt, kan een ander het in drie weken nadoen. Dan is al je werk voor
niets.'
Een mogelijke toepassing van het effect is een besparing op de
productiekosten van displays met meer kleuren. In plaats van twee
verschillende LEDs voor rood en groen, zou er maar één type nodig zijn.
Maar ook als natuurkundig verschijnsel zal de van kleur verschietende LED
onderzoekers lokken, denkt de chemicus. ``Het is een compleet nieuw
veld', zegt Welter.
Een led is een simpel ding
De Light Emitting Diode is een van de simpelste halfgeleiderschakelingen,
nog eenvoudiger dan de veel beroemdere transistor. Een
halfgeleidermateriaal, bij gewone LEDs vaak galliumarsenide (GaAs),
geleidt van zichzelf maar matig elektrische stroom, omdat de elektronen
vast zitten aan de atomen in het kristalrooster, en dus niet kunnen
stromen.
Dat kan veranderen door het materiaal te verontreinigen (doteren of
`dopen') met een minuscule hoeveelheid andere atomen, bijvoorbeeld goud,
die wel in het kristalrooster passen, maar die van zichzelf een elektron
meer of minder bij zich hebben. Dat elektron, of juist het gebrek eraan
(een gat), kan gaan zwerven door het materiaal, bijvoorbeeld als er een
spanning over wordt aangelegd. De gedoteerde stof geleid dus beter.
Een diode is een stukje halfgeleidermateriaal met gaten (het
P-materiaal), geplakt tegen een stukje materiaal met elektronen over
(N-materiaal). Eén eigenschap van deze configuratie is dat die de stroom
maar in één richting kan stromen, van het P-materiaal naar het
N-materiaal. In dat geval bewegen zowel de gaten in het P-materiaal als
de elektronen in het N-materiaal naar het grensgebied, waar de elektronen
recombineren met de gaten. Ze vallen als het ware op hun plaats. De
energie die daarbij vrijkomt, wordt uitgezonden als licht. In gewone
diodes is dat infrarood licht, dat al snel door het halfgeleidermateriaal
geabsorbeerd wordt. LEDs zijn zo gebouwd dat het energieverschil hoger
is, waardoor er zichtbaar licht uitgezonden wordt. Daarnaast absorbeert
het materiaal minder licht, waardoor dat naar buiten kan.
Ingewikkelder LED-ontwerpen bevatten meerdere lagen, die selectief gaten
of elektronen transporteren naar de laag waar ze recombineren. Nieuwere
types LEDs zin gebaseerd op galliumfosfide (GaP) en galliumnitride (GaN)
voor de blauwe en groene LEDs.
PolyLEDs bestaan juist uit één laag geleidend polymeer, waarin zowel het
gatentransport, het elektronentransport als de recombinatie plaatsvindt.
Wel is er een extra laagje transparant indiumtinoxide nodig om de
ondergrond van glas glad genoeg te maken.

DE 'OMGEKEERDE LED
De AMsterdamse LED heeft een lintvormig organisch molecuul met ruthenium
(plusjes). NRC Handelsblad 110103
HET PRINCIPE VAN EEN LED
In een gewone LED recombineren gaten en elektronen onder uitzending van
licht. NRC Handelsblad 110103
Geheel boven LED-kunstwerk van Gerard Hadders in de Dexia-bank in
Amsterdam. FOTO MAURICE BOYER
Boven Luxeon truncted inverted pyramid (TIP), waaruit het licht
gemakkelijker kan ontsnappen dan uit het tradionele LED-blokje. Rechts
LED-stoplichten bij de Geeuwbruggen in Sneek. FOTO WILLEM ZANDVLIET
Links `Lust for Life', LED-kunstwerk van G.Vos in de vorm van het
Victoriameer, op de toren van Naturalis, Leiden. FOTO'S GERT JAN VAN ROOY

Copyright: Wayenburg. Bruno van