The origin of the LED lamp

Duizenden jaren lang gebruikten mensen olielampen en kaarsen om hun huizen te verlichten tijdens de uren van duisternis. Geen van beide gaf veel licht en beide waren onhandig in gebruik omdat hun brandstof regelmatig moest worden bijgevuld. Daarnaast is open vuur berucht gevaarlijk. Toen, aan het begin van de 19e eeuw, bleken gaslampen die werden gevoed door steenkoolgas, verdeeld via een netwerk van leidingen, een innovatieve oplossing voor het probleem van het verlichten van de straten van Europese steden. Gaslampen werden een groot succes, maar bleven ook gevaarlijk vanwege hun open vuur en giftige dampen. Talrijke theaters verlicht door gaslampen brandden af, waarbij velen omkwamen. De wereld verlangde naar een veiliger soort licht!

Hoe een dode kikker leidde tot elektrisch licht
Vooruitgang komt soms voort uit bizarre experimenten. Dat was zeker het geval bij de Italiaan, Luigi Galvani, die ooit het been van een ontleed dode kikker aanraakte met een metalen voorwerp. Het kikkerbeen bewoog alsof het leefde. Dit trok de aandacht van mensen voor het fenomeen elektriciteit. Alessandro Volta, eveneens Italiaan, zette de experimenten voort in de hoop het fenomeen te begrijpen en ontwikkelde de allereerste batterij. Dit leverde de eerste praktische bron van elektriciteit, die vervolgens werd gebruikt door David Humphrey voor nog meer elektriserende experimenten. Hij nam een groot aantal batterijen en een platina strip en liet er een elektrische stroom doorheen gaan totdat deze licht gaf. En daar was het, elektrisch licht door gloeien!

Een tweede experiment dat licht produceerde, maakte gebruik van een boog tussen twee koolstofstaven. De elektrische boog leidde tot een eerste gecommercialiseerde versie van elektrisch licht, bekend als de booglamp. Dit was echter niet ideaal. De lamp produceerde een intens licht dat niet gedimd kon worden. Bovendien produceerde het nog steeds onaangename dampen en moesten de staven regelmatig vervangen worden.

Gloeilicht verlichtte het elektriciteitsverbruik van de wereld
Decennia van baanbrekende experimenten leverden uiteindelijk gloeilampen op. In 1879 claimden twee verschillende uitvinders aan beide zijden van de Noord-Atlantische Oceaan een patent voor een eerste gloeilamp die gebruikmaakte van dunne koolstofdraden die oplichtten en gloeiden wanneer voldoende elektriciteit erdoorheen werd geleid. De uitvinders in kwestie waren Joseph Swan in het VK en Thomas Alva Edison in de VS. Zij waren geenszins de eersten die met deze lampen experimenteerden. Niet minder dan 19 uitvinders claimden patenten op gloeilampen vóór Swan en Edison. Al deze baanbrekende voorgangers slaagden er echter niet in hun uitvindingen te commercialiseren.

De gloeilamp was de eerste grootschalige toepassing van elektriciteit. Natuurlijk vereist dit elektriciteitscentrales om te genereren en netwerken om de elektriciteit te distribueren. In de begindagen domineerde gelijkstroom (DC) en konden alleen korte afstanden worden overbrugd tussen de elektriciteitscentrale en het gebruikspunt. Op dat moment was er nog geen spanningsstandaard in netwerken. Pas toen netwerken wisselstroom (AC) begonnen te gebruiken, konden ze grotere afstanden overbruggen en ontstond de behoefte om dezelfde spanningen te gebruiken in gekoppelde AC-netwerken. Vanaf dat moment raakte de wereld verdeeld in 110 Volt- en 220 Volt-netwerken, iets dat sindsdien niet is veranderd.

De gloeilamp was een enorm succes. De eerste typen met koolstofdraden konden slechts ongeveer 40 uur worden gebruikt. Dit betekende dat lampen vrij vaak vervangen moesten worden. Als gevolg hiervan ontstond een grote industrie voor de productie van gloeilampen. Deze nieuwe industriële bedrijven begonnen uitvinders in dienst te nemen die experimenteerden met allerlei materialen en constructies met als doel de levensduur van de lamp te verlengen. Toen eenmaal duidelijk werd hoe wolfraam verwerkt kon worden tot buigzame draden, verbeterde de levensduur van de gloeilamp tot ongeveer duizend uur. Toch moest hij nog regelmatig vervangen worden, meestal één keer per jaar, en daarom werd de schroeffitting ontworpen en werd dit een standaard die we vandaag de dag nog steeds gebruiken. De lamp die op deze manier evolueerde, werd bekend als de algemene verlichtingsoplossing of GLS en bleef bijna een eeuw lang het voorkeurs-type elektrische verlichting voor consumenten.

De oorsprong van het koude licht op kantoor: Gasontlading 
Uitvinders halverwege de 19e eeuw ontdekten dat licht kon worden geproduceerd door gasontlading in een glazen buis. Het proces lijkt op de flits die door bliksem wordt geproduceerd, maar dan op veel kleinere schaal en in een gecontroleerde en niet-gevaarlijke vorm. Opnieuw waren er decennia van experimenteren en enkele primitieve toepassingen nodig voordat de elementen die nodig waren voor wat bekend werd als de buislamp (TL) begin jaren 1930 klaar waren. Toen begon de Tweede Wereldoorlog en werd de betere verlichting die TL's boden verwelkomd door de oorlogsproductie-industrie. Het gebruik van TL's nam snel toe. Consumenten in Europa en Noord-Amerika, die gewend waren aan het warme licht van de GLS-gloeilampen, waren niet enthousiast over veel koud TL-licht in hun huizen. In regio's waar consumenten echter nog niet gewend waren aan gloeilicht, was de ontvangst veel positiever en werden TL's snel op grote schaal gebruikt.

Hoe milieubewustzijn de productevolutie inspireerde
Een dreigende ramp, aangekondigd in ‘De grenzen aan de groei’, dat in 1972 werd gepubliceerd door een denktank genaamd de Club van Rome, gaf het startschot voor het milieubewustzijn. Het veranderde het perspectief van velen op de leefbaarheid van de aarde en de beschikbaarheid van natuurlijke hulpbronnen. Een jaar later liet de eerste oliecrisis ook zien hoe de toegang tot olie plotseling een probleem kon worden en mensen begonnen zich te realiseren dat het voordelig zou zijn als we ons energieverbruik konden verminderen. Als gevolg van deze veranderende omstandigheden begonnen overheden onderzoek naar efficiëntere soorten verlichting te stimuleren.

Vervolgens, nogmaals in hetzelfde jaar (1976) en aan beide zijden van de Atlantische Oceaan, werd een nieuw type elektrische lamp gepatenteerd. Deze keer waren het de Compacte Fluorescentielampen of CFL. Laboratoria van zowel Philips, gevestigd in Nederland, als GE in de Verenigde Staten ontwikkelden een handiger gevormde versie van de TL met de schroefvoet, zodat deze gebruikt kon worden in dezelfde fittingen die tot dan toe alleen GLS-gloeilampen hadden gehuisvest.

Aanvankelijk bracht alleen Philips de lamp op de markt die in 1981 werd geïntroduceerd. Deze eerste spaarlamp woog meer dan een halve kilo en was zo groot dat hij niet in veel lampenkappen paste. Naast het bleke licht, flikkerde hij ook vervelend gedurende de drie minuten die nodig waren om op te warmen en hij was duur. Het was dan ook geen verrassing dat mensen deze nieuwe lamp niet echt omarmden.

Dankzij veel ontwikkeling en de steeds kleiner wordende omvang van elektrische componenten werd in de jaren negentig een tweede generatie spaarlampen geïntroduceerd. Deze tweede generatie werd efficiënter, compacter en elimineerde het flikkeren. Het duurde echter een tweede golf van milieubewustzijn voordat spaarlampen populairder werden. Deze keer was de oorzaak de opwarming van de aarde veroorzaakt door broeikasgassen, die besproken werd in het Kyoto-protocol van 1997. Overheden werden nu aangespoord maatregelen te nemen om het energieverbruik te verminderen om klimaatverandering af te wenden. De sterk verbeterde tweede generatie spaarlampen was een levensvatbaar alternatief geworden voor de GLS-gloeilampen en beleidsmakers erkenden de kans die dit energiezuinige alternatief bood. Kortom, dit leidde meer dan tien jaar later tot het verbieden en uitfaseren van de GLS-gloeilamp. Intussen werd een nog beter alternatief beschikbaar.

Het onverwachte betere alternatief: LED 
De halfgeleiderindustrie die aan het einde van de jaren 1950 ontstond, gaf ons meer dan computerchips. De technologie die microscopische magie op siliciumwafels mogelijk maakt, wordt ook gebruikt om zogenaamde Light Emitting Diodes of LEDs te maken. Officieel wordt de familie van verlichtingstechnologie waarvan de LED deel uitmaakt Solid State Lighting (SSL) genoemd. De eerste bekende toepassingen van LEDs waren de kleine rode indicatoren die op veel elektronische apparaten werden gebruikt en de LED-matrixdisplays op vroege desktoprekenmachines. Zoals gebruikelijk is in veel technologische vakgebieden, zijn initiële toepassingen beperkt tot een smalle reeks niet zo veeleisende toepassingen. Vervolgens produceren ontwikkelingsinspanningen door legers van wetenschappers en ingenieurs na verloop van tijd veel verbeterde versies van de jonge technologie, waardoor deze zich kan verspreiden naar veeleisendere toepassingen. Hetzelfde gebeurde met de LED.

Toen wetgevers hun plannen opstelden om de GLS-gloeilamp uit te faseren, konden ze nog niet vertrouwen op de beschikbaarheid van de LED-lamp. Daarom ging de wetgeving ervan uit dat de spaarlamp de taak zou kunnen vervullen. Echter, tegen de tijd dat de wetgeving voor het uitfaseren van de GLS-gloeilamp tussen 2007 en 2012 van kracht werd, had de LED-lamp al zijn intrede gedaan.

Philips introduceerde in 2009 voor het eerst een 60W gloeilamp GLS-equivalente LED-lamp, om de oude werkpaard te vervangen. In die tijd was de LED-lamp nog veel duurder dan de spaarlamp, maar de prijzen daalden snel. De eerste LED-lampen op de markt produceerden slechts één lichtkleur en werden op dezelfde manier bediend als traditionele GLS-gloeilampen met aan-uit-schakelaars. Slechts een paar jaar later, in 2012, introduceerde Philips opnieuw een verbazingwekkende noviteit, namelijk LED-lampen die miljoenen kleuren konden produceren, de intensiteit konden veranderen en ‘verbonden’ waren met het Internet der Dingen (IoT).

Deze nieuwe lampen kunnen draadloos worden bediend met een smartphone, zelfs als de gebruiker ver van huis is. Bovendien kunnen apps worden geprogrammeerd om de lichtintensiteit of kleur onder verschillende omstandigheden te veranderen, waardoor het aantal mogelijke toepassingen wordt uitgebreid. De gloeilamp was de killerapplicatie van de elektrificatie en nu leek zijn uiteindelijke opvolger klaar te staan om de eerste grootschalige IoT-toepassing te worden.

LED: het recept voor onze toekomst? 
Het lijkt erop dat de LED-lamp de toekomst heeft. Lege fittingen, achtergelaten door gloeilampen, slaan de spaarlamp over en worden gevuld met LED-lampen. Het verlichten van grote oppervlakken was ooit het domein van TL-buizen. Nu wordt er ook een op LED gebaseerd alternatief op de markt gebracht voor TL-fittingen.

De CFL sluit niet goed aan bij de smaak van consumenten en kon daarom de GLS-gloeilamp niet op eigen merites verdringen. De retrofit LED-lamp lijkt veel beter gepositioneerd om aan de wensen en behoeften van consumenten te voldoen. Hoe lampen zich in de toekomst zullen ontwikkelen, blijft nog enige tijd onderwerp van discussie. De retrofit-toepassing van LED-lampen met schroeffitting zal echter mogelijk niet voor altijd blijven bestaan. Wat is immers het nut van een schroeffitting als de lampen 20 tot 50 keer minder vaak vervangen hoeven te worden dan gebruikelijk was bij GLS-gloeilampen?

Over de oorsprong van de LED-lamp
De LED-lamp werd mogelijk gemaakt door technologische vooruitgang die LED's en micro-elektronica leverde. De beschikbare infrastructuur van schroeffittingen, gecombineerd met de nakende uitfasering van de GLS-gloeilampen, creëerde vervolgens de voorwaarden voor het ontstaan van de LED-lamp.

De evolutie van producten zoals de LED-lamp kan niet worden begrepen als deze alleen in technologische termen wordt beschreven. Een vollediger beeld wordt geboden door een beschrijving van de factoren die de opkomst en daaropvolgende evolutie van deze producten beïnvloeden. In dit geval creëerde maatschappelijke verandering bewustzijn onder het grote publiek dat gedragsveranderingen nodig waren om klimaatrampen af te wenden. Beleidsmakers stelden wetgeving vast die de uitfasering van de GLS-gloeilamp afdwong, ten gunste van energiezuinigere alternatieven. Al met al lijken deze contextuele factoren een integraal onderdeel te zijn van de evolutie van de LED-lamp.

‘Over de Oorsprong van Producten’ is uitgegeven door Cambridge University Press en mede geschreven door NNN-lid Huub Ehlhardt. De komende weken neemt Huub ons mee op een intellectuele achtbaan over de oorsprong van de tekstverwerker, e-bike, LED-lamp en smartphone. Blijf op de hoogte!