LED-valaisimien historia – Tiesitkö, että LED-valaisimia voidaan kutsua myös Nakamuran lampuksi tai millenniumvaloksi? Tiesitkö, että sininen ledi sai aikoinaan alkuun uuden vallankumouksen? Entä sitä, että sinistä lediä ennen löytyi punainen ledi, jota on käytetty jo yllättävän kauan esimerkiksi teollisuudessa?
Lyhyt katsaus valaisimien ja LED-valaisimien historiaan
Kaikki sai alkunsa vuonna 1831, kun Michael Faraday keksi sähkömagneettisen induktion, jonka avulla voitiin tuottaa sähkövirtaa. Tämä mahdollisti sähkövalon keksimisen.
Tämän jälkeen on kehitelty hehkulamppuja, kehitetty niitä ja tutkittu diodeja sekä infrapunavaloja. Nykyaikaisen, kodeissa ja yrityksissä ympäri maailman käytettävän valkoista valoa tuottavan LED-valaisimen kehitystyö on ollut vuosikymmenten kivinen polku, jota johti yksi mies.
Nakamura & Millennium
LED-valoja voidaan kutsua myös Nakamuran lampuiksi. Nimen taustalla on japanilainen insinööri, keksijä ja tutkija Shuji Nakamura, joka sai aikaan sinisellä LED-valolla uuden vallankumouksen.
Nimi millenniumvalo kertoo siitä, että Nakamura sai aikoinaan vuonna 2006 miljoonan euron Millennium-teknologiapalkinnon. Palkinnon Nakamura vastaanotti Suomessa 8. syyskuuta.
LED-valot – uusi vallankumous
LED-valojen on ollut tarkoitus syrjäyttää aikaisemmin käytössä olleet hehkulamput, ja tavoite onkin onnistunut erinomaisesti. Hehkulamppukielto on ollut Suomessa voimassa 1.9.2011 alkaen. Käytännössä tämä tarkoittaa, että lain mukaan 60 wattisia hehkulamppuja ei enää valmisteta, eikä myöskään maahantuoda EU-alueella.
Aluksi LED-valoja valmistettiin kohdevaloiksi, mutta pikkuhiljaa käyttö laajeni mm. merkkivaloihin, otsalamppuihin, autojen valoihin ja vähitellen työvalaistuksen kautta myös yksityishenkilöiden kotien valaisijoiksi.
LED-valojen kehityskauden takana on viidenkymmen vuoden tutkimus- ja kehitystyö, joka voidaan jakaa kolmeen eri osaan: aika ennen Nakamuraa, Nakamuran työ ja nykyinen sinisen ja valkoisen LED-valon aikakausi, sekä tietenkin myös valoisa tulevaisuus!
Nakamuran työ
Elektroniikkainsinööriksi Tokushiman yliopistosta valmistunut Nakamura oli suunnitellut lähtevänsä Tokioon joko Sonyn tai Toshiban kaltaiseen suuryritykseen. Perhesyistä hän jäi kuitenkin asumaan Tokushimaan ja hankkiutui pieneen Nichia Chemical -nimiseen yritykseen, joka valmisti fosforia kuvaputkia ja loistelamppuja varten.
Työ kolmen hengen tutkimus- ja kehitysosastolla tuotti tuloksena galliumfosfidikiteen, joka ei markkinoilla kuitenkaan menestynyt, johtuen Toshibasta ja muista isoista kilpailijoista.
Oli aika siirtyä galliumfosfidista galliumarsenidiin. Kolmen vuoden kuluttua oli valmiina infrapunissa ja punaisissa LED-valoissa käytettävä galliumarsenidikide. Keksinnön menestys markkinoilla oli kuitenkin yhtä heikkoa kuin edeltäjällään.
Kolmas yritys kesti jälleen kolme vuotta. Työn tuloksena oli punaisia LED-valoja varten galliumista, alumiinista ja arseenista valmistettu kiekko. Kaupallinen menestys oli isojen kilpailijoiden vuoksi jälleen heikkoa.
LED-valaisimien historia – Värien löytyminen
Hypätään hetkeksi pois Nakamuran kelkasta ja tutkitaan LED-valaisimien historiaa sekä eri värivaihtoehtojen löytymistä.
Punainen
Nykyaikaisen LED-valaisimen väreistä punainen löytyi ensimmäisenä.
LED-valo on valoa säteilevä diodi. Diodi on puolestaan elektroniikan komponentti, sähköinen palikka, joka päästää sähkövirtaa vain yhteen suuntaan.
Diodien ominaisuudet ovat riippuvaisia siitä, miten aineita seostetaan ja yhdistellään.
Infrapunasäteily
Vuonna 1961 tutkijat Bob Biard ja Gary Pittman Texas Instrumentsissa kehittivät galliumarsenididiodia (GaAs-diodi) ja havaitsivat diodin lähettävän infrapunasäteilyä.
Infrapunadiodin keksimisen aikoihin General Electricin tutkija Nick Holonyak Jr. työskenteli myös galliumarsenidia tutkien. Tutkimustyön tuloksena oli säteilyn taajuuden kasvaminen ja se saatiin aikaan lisäämällä fosforia galliumarsenidiin. Nyt oli saatu aikaan heleänpunainen valo, joka löysi käyttötarkoituksensa erilaisista merkkivaloista ja näytöistä.
Keltainen ja vihreä
Keltainen ja vihreä valo löytyivät myös suhteellisen helposti.
Elektronien siirtyessä diodin atomeissa matalammille kiertoradoille, eli alhaisemmille energiatasoille, saadaan aikaan valoa. Valon taajuus riippuu pudotuksen korkeudesta ja se määrittää valon värin.
Sininen
Sininen valo osoittautuikin sitten kovaksi pähkinäksi!
Punainen väri on sateenkaaren pienitaajuisessa päässä, sininen puolestaan suuritajuisessa päässä.
Sinisen valon luomiseen oli rakennettava diodi, jossa elektroni putoaa tarpeeksi pitkän matkan. Ero muihin väreihin oli teknisesti huomattava, ja tutkijat kamppailivat sinisen valon parissa kolmekymmentä vuotta – tuloksetta! Lopulta Shuji Nakamura teki tämän kauan odotetun läpimurron.
”Kymmenen vuotta olin työskennellyt saadakseni aikaan nämä tuotteet”, kertoi Nakamura myöhemmin aikakauslehti Science Watchille.
Hän oli tehnyt töitä ympäri vuorokauden. Budjetti oli pieni ja kaikki oli tehtävä itse reaktoreista (uunit kiteiden kasvattamista varten) lähtien. Yritysjohto antoi onneksi vielä lisää aikaa ja rahaa kehitystyöhön.
Työtä piinasi alussa materiaalin heikko laatu. Materiaalin laatuongelmat ratkaistiin kuitenkin lopulta galliumnitridillä, jota aikaansaatiin valmistuslaitteita parantelemalla.
Kvanttikaivo
Sinisen valon synnyttämiseksi tarvittiin avuksi kvanttimekaniikan ilmiöitä. Läpimurtoon johtaneen ns. ”kvanttikaivon” Nakamura sai aikaan seostamalla galliumnitridiin indiumia. Kaivoon pudonnut ihminen viisastuu vähän – sen sijaan kvanttikaivoon putoava elektroni rauhoittuu ja pulskistuu. Käytännössä tämä tarkoittaa, että elektroni säteilee pienemmällä taajuudella massaansa kasvattaen ja saa aikaan kirkasta valoa.
Sinisen LED-valon Nakamura esitteli suurelle yleisölle vihdoin vuonna 1993.
Valkoinen
Värivalikoiman laajentuminen oli arvokas tulos ja sen ansiosta oli mahdollista tuottaa myös valkoista LED-valoa.
Koko sateenkaaren sävyjen ollessa käytössä, saadaan valkoista valoa yhdistämällä erivärisiä LED-valoja. Periaate on samanlainen kuin väritelevisiossa.
Valkoista valoa saadaan aikaan myös joko muokkaamalla diodin rakennetta tai seostamalla sopivia aineita siniseen LED-valoon. Nakamura teki esimerkiksi valkoista valoa lisäämällä fosforia siniseen LED-valoon.
Kvanttipisteet
Valkoista valoa voidaan tuottaa myös kvanttipisteiden avulla. Kvanttipisteet syntyvät nanorakenteissa, joissa on vain muutamia kymmeniä atomeja. Kvanttipisteiden valaiseminen sinisellä LED-valolla saa aikaan valkoista valoa.
LED-valaisimet vuonna 2019
LED-valaisimien historia on pitkä ja mutkikas, mutta se on tarjonnut meille ihmiskunnan historian tehokkaimman valaistusratkaisun. Valkoista valoa tuottavat LED-valaisimet toimivat vuonna 2019 energiatehokkaina ja ekologisina valaisimina miljoonissa kodeissa ja yrityksissä maailmanlaajuisesti.
Innovaation alkuperäinen korkea hintataso on vuosien saatossa laskenut jokaisen kuluttajan ulottuville, ja myös valtiot kannustavat kansalaisiaan kohti kestävää kehitystä tukemalla LED-valaisimiin siirtymistä erinäisin säädöksin. LED-valaisimet ovat tällä hetkellä ekologisin ja edullisin valaistusratkaisu, mitä ihminen on keksinyt.
Kuten LED-valaisimien historia meille kertoo, erilaisten valaisimien kehitystyö on jatkuva ja pitkäaikainen prosessi, ja kuten Nakamura, on maailmassa varmasti lukuisia nimettömiä insinöörejä kehittämässä aina vain parempia valaistusratkaisuja väsymättömästi päivästä toiseen. Miten sinä uskot meidän valaisevan kotimme viidenkymmenen vuoden kuluttua?