03 augustus 2011
In het vervolg van dit artikel zal worden ingegaan op vier mogelijke troonopvolgers van de gloeilamp: Tl-buizen, spaarlampen, LED en OLED. Daarnaast wordt aan het eind ingegaan op wat de toekomst verder nog kan brengen.
De opkomst van de LED
De meest bekende opvolger van de gloeilamp is de light-emitting diode (LED). LEDs zijn onderdeel van een nieuwe familie van halfgeleiders die geen gebruik maken van elektrische draden of plasma-ontlading. Anders gezegd zijn LED’s semiconductors die bij het verzenden van elektrische lading fotonen uitzenden.
LEDs begonnen hun commerciële leven als in de jaren 70 van de vorige eeuw en werden gebruikt als simpele lampjes om een status aan te geven. Denk bijvoorbeeld aan het lampje dat aangeeft dat je TV op stand-by staat. Tegenwoordig kunnen de kleinste LEDs echter al een behoorlijke lichtbron zijn. De LEDs die nu in de winkel liggen zijn door een lichtrendement van 100 lumen per watt (lm/w) gebroken, waarmee ze tien keer zo efficiënt zijn als oude gloeilampen.
De exponentiele verbetering in het lichtrendement werd ontdekt door Dr. Roland Haitz in 2000. De wet van Haitz, die kan worden vergeleken met de wet van Moore, voorspelt elke drie jaar een verdubbeling van de LED lumen output terwijl de prijs voor een lumen 10 keer zo laag wordt. In 2000 voorspelde Haitz hiermee dat de 100 lm/w zou worden doorbroken in 2010. En hij kreeg gelijk. Het sterk verbeterde lichtrendement heeft ervoor gezorgd dat de LED niche na niche kon veroveren: van fietslampjes door stoplichten en van indicatielampje tot nachtkastlampje.
Maar LEDs hebben meer voordelen dan lichtrendement. Producenten claimen dat de levensverwachting van een LED groter is dan 50.000 branduren. Dit betekent dat LEDs bijna zes jaar continu kunnen branden voor ze moeten worden vervangen. Daarnaast kunnen ze makkelijk in een grote verscheidenheid aan kleuren worden vervaardigd en zie je steeds meer, rood, blauw, cyaan, magenta en warm wit licht. Vooral de laatste ontwikkeling was cruciaal: in het verleden werd LED-licht gezien als ‘koud’ en ‘ongezellig’.
Hoge initiële kosten zorgden dat LEDs niet snel werden gekocht door consumenten, maar nu de prijzen snel naar beneden gaan, beginnen alle producenten te geloven in LEDs. Niet alleen zijn LEDs energiebesparend, er wordt vrijwel geen glas of kwik gebruikt, waardoor het milieu minder wordt belast als de lamp het eind van z’n leven heeft bereikt.
LEDs staan op het punt om ook de buitenverlichting over te nemen. Gasontladingslampen werden traditioneel als eerste keus gebruikt voor decoratieve verlichting van de buitenkant van gebouwen. Deze lichtkanonnen zijn soms meer dan een kilowatt per stuk. LEDs verbruiken minder energie dan gasontladingslampen, maar zijn op dit moment nog niet efficiënter (sommige hogedruk sodiumlampen halen 150 lm/w). Het voordeel is wel dat LEDs kleiner zijn en daardoor makkelijker te monteren. In plaats van een paar grote lampen te gebruiken die een heel gebouw verlichten, kan nu per verdieping worden gewerkt. Dat de LED-lampen langer meegaan is ook een bijkomend voordeel, bovendien valt dan, omdat veel meer kleinere lampen worden gebruikt, maar een klein gedeelte van de verlichting weg.
De grootste innovatie is echter dat het lichtarchitecten nieuwe mogelijkheden geeft. Als het nodig is kan een gebouw elke paar seconden van kleur veranderen omdat de arrays zo kunnen worden geprogrammeerd dat omstebeurt rode, groene en blauwe LEDs kunnen worden gedimd. Hierdoor zijn de LEDs doorgebroken in binnen de verlichtingtechnologie. Buckingham Palace in Londen en het Yas Hotel in Abu Dhabi zijn voorbeelden van decoratieve LED-verlichting. Uiteraard hadden deze prestigieuze projecten wel het budget om alle voordelen van LEDs uit te buiten.
De wereldmarkt voor LED-verlichting wordt in 2011 geschat op $15.4 miljard. Hoewel dit veel lijkt, is het nog maar tien procent van de totale markt. Het is echter wel twee keer zo hoog als de vijf procent in 2010. Omdat de gloeilamp in veel landen uit de winkels wordt gehaald, wordt verwacht dat LEDs in 2013 zestien procent van de markt in handen zullen hebben. Maar om echt door te breken moet de LED ook nog een andere concurrent verslaan, die op dit moment in bedrijfsruimtes, universiteiten en ziekenhuizen nog volop wordt gebruikt: de Tl-buis. Ondanks de wet van Haitz en de niet te stoppen opmars van LEDs, blijkt de Tl-buis (fluorescentielamp) een hardnekkig obstakel.
Fluorescentielampen
Het verhitten van wolfraam (zoals in gloeilampen) is niet echt een efficiënte manier voor het omzetten van elektrische energie. Daarom was tot verkort (behalve als je totaal niet op de elektriciteitsrekening lette), fluorescentie de enige optie voor bedrijven. Een fluorescentielamp is een lamp die licht geeft door het oplichten van een fluorescerende laag onder invloed van ultraviolette stralen die opgewekt worden door gasontlading in de lamp. De bekendste voorbeelden zijn de TL (dit komt uit het Frans: tube luminescent, “lichtgevende buis”) en de zogenoemde spaarlampen.
De perceptie van fluorescent licht is echter dat het flikkerend, groenachtig licht geeft, wat voor veel mensen niet als prettig wordt ervaren. Gebouwen die dit licht gebruiken worden getypeerd als gebouwen met het ‘sick building syndrome’. Dit zijn echter verhalen uit het verleden, aangezien magnetische controllers er voor zorgen dat het flikkeren niet meer plaatsvindt. Trifosforbuizen kunnen licht uitzenden in het rood, groen en blauwe spectrum, waardoor echt wit licht kan worden gecreëerd en werknemers geen last meer hebben van ‘onecht’ licht.
Moderne T5 fluorescentiebuizen halen ook een lichtrendement van 100 lm/w, waarmee ze op gelijke hoogte komen met LEDs voor een fractie van de kosten. Hoewel de LEDs een langere levensspan claimen te hebben en daarmee lagere totale gebruikskosten hebben (sommige bedrijven claimen 50% goedkoper te zijn), zijn de aanschafkosten van fluorescentielampen soms wel drie keer zo laag. Toch wordt aangenomen dat de TL en de spaarlamp in de toekomst zullen worden overschaduwd door de LED, voornamelijk door de grotere efficiëntie en een langere levensduur.
Ook thuis was de fluorescentielamp de initiële winnaar en de potentiële opvolger van de gloeilamp. De ‘compacte’ spaarlamp is de afgelopen jaren erg populair gebleken. Volgens een rapport van de Clinton Foundation (2011) is het aantal spaarlampen in de Verenigde Staten toegenomen van 20 miljoen lampen in 2003-2004 tot 255 miljoen in 2009-2010.
Zonder een serieuze technologische doorbraak is de fluorescentielamp echter ten dode opgeschreven. Als de kosten en het lichtrendement van LED-verlichting daadwerkelijk zo snel zullen verbeteren, zal in 2015 het grootste gedeelte van de spaarlampen zijn vervangen door LED-varianten. De heerschappij van de LEDs kan echter in gevaar raken als de OLED nog verder wordt verbeterd.
OLEDs
Organische licht emitterende diodes (OLED) zijn vergelijkbaar met LEDs. Het verschil is dat de halfgeleiders van de OLED organisch zijn. Hierdoor zijn de OLEDs grote-vlakkenstralers, terwijl de LEDs felle puntbronnen zijn. OLEDs zijn daarom beter voor het verlichten van oppervlakten, terwijl LEDs handiger zijn voor het verlicht van objecten.
De opbouw van de OLED maakt hem ideaal voor het verlichten van een computerscherm of TV. Maar hoewel zowel Philips en Osram (van de drie grootste lichtfabrikanten) OLED-lampen op de markt hebben sinds 2009, is de het lichtrendement nog maar 25 lm/w. De OLED is daarom vrijwel alleen nog maar beschikbaar voor de rijke consumenten en een paar industriële toepassingen.
De technologie wordt wel snel verbeterd. Universal Display Corporation heeft het magische doel van 100 lm/w gehaald en het Ministerie van Energie van de VS heeft een nieuw doel gesteld op een lichtrendement van 150 lm/w in 2015. De huidige OLED-panelen zijn minder dan 3 millimeter dik, maar in de toekomst is het de bedoeling dat de panelen dunner worden dan een millimeter.
OLEDs zijn grote-vlakkenstralers, waardoor het een ideale bron is voor uniforme verlichting. OLEDs zijn daarom goed gepositioneerd om de opvolger te worden van de fluorescentielamp als lichtbron binnen kantoren. Dit wil overigens niet zeggen dat OLEDs kunnen worden geplaatst op de plekken waar nu Tl-buizen hangen. De lichtintensiteit van van OLEDs zijn veel lager dan van Tl-buizen, waardoor een veel groter oppervlak moet worden gebruikt om de dezelfde lichtsterkte te krijgen. Hoewel dit een zwakte lijkt, zou het ook kunnen worden gebruikt als een sterkte: OLEDs voorzien in een innovatieve nieuwe verlichtingstrategie voor kantoren: hele plafonds of muren kunnen een zacht diffuus licht genereren, waardoor de buitenlucht kan worden gesimuleerd. Dit kan weer leiden tot rustigere, geconcentreerde werknemers.
Een ander, meer tot de verbeelding sprekende mogelijkheid, is de vervaging tussen lichttechnologie en schermtechnologie. Nieuws, aandelenkoersen, weerberichten en TV kunnen worden afgebeeld op OLED-muren. Transparante OLEDs kunnen over ramen worden geplaatst, waardoor de gedurende de dacht buitenlicht doorlaten en ’s nachts elektrisch licht afgeven.
Vorig jaar werd ongeveer 50 procent van het ontwikkelbudget van zowel GE als Osram besteed aan LED en OLED technologie. In 2011 is dit voor Osram zelfs ‘meer dan 60 procent’. Dat in beide technologieën wordt geïnvesteerd lijkt logisch: ze kunnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt: diffuus en omgevingsverlichting voor OLEDs en intense puntverlichting met LEDs.
De toekomst van verlichting: lichtgevende bomen?
Naast LEDs en OLEDs wordt er geld besteed aan andere een technologieën binnen het onderzoeksbudget van de grote fabrikanten. Voorbeelden zijn nanogestructureerde lichtbronnen, zoals halfgeleidernanostaafjes en quantum dots, laag voltage cathodoluminescent bronnen, stabiele organische luminscerende materialen, lasers en multifotonfosforen. Onderzoekers richten zich voornamelijk op duurzame, langlevende bronnen voor zowel spotverlicht en volumetrische verlichting. Er wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van ongevaarlijke en veel voorkomende materialen. De hierboven genoemde technologieën zijn nog in de onderzoeksfase en moeten worden gezien als potentiële opvolgers van LED en OLED. Volgens alle grote onderzoeksafdelingen en fabrikanten zijn LED en OLED de technologieën van de toekomst.
Maar het kan altijd nog gekker. Een team studenten van de universiteit van Cambridge presenteerde vorig jaar aan de International Genetically Engineerd Machines (iGEM) competitie een plan om bouwstenen van de genetisch materiaal te extraheren wat kan worden gebruikt in verlichting. Het genetisch materiaal dat een vuurvlieg en bepaalde lichtgevende algen en bacteriën in zich hebben om licht te geven kan wellicht worden gebruikt in andere dieren of planten. Hoewel het team goede vooruitgang kon aantonen is het nog erg twijfelachtig of lichtgevende bomen ooit de straatverlichting kunnen vervangen.
Yen Hsun Su en zijn team in Taipei hebben het al voor elkaar gekregen om waterplanten licht uit te laten zenden. Ze hebben een aquariumplant in een oplossing van gouden nanodeeltjes gedoopt. De deeltjes worden geabsorbeerd door de cellen van de plant. Als de planten worden blootgesteld aan Uv-straling dan zenden ze een blauwig licht uit. Een bijkomstigheid is dat het ervoor zorgt dat de fotosynthese van de plant wordt geaccelereerd, waardoor meer CO2 wordt opgenomen. Hierdoor kan potentieel worden bijgedragen van het verminderen van het broeikaseffect. Deze bio-LEDs zijn nog ver verwijderd van commerciële productie, maar er is hoop dat ze ooit de straatlantaarns van de toekomst kunnen zijn.
Bron: Ars Technica & Wikipedia
Foto’s: Philips