EW juni Omslag 600
Juli/Augustus 2010

Oled belooft efficiënte platvlaklichtbron

EW-600x400Een prototype van Philips-Oled’s voor verlichting.

Terwijl ledlicht zich snel ontwikkelt en marktaandeel wint, werken onderzoekers al aan oled-licht. Een opvallende platvlaklichtbron die, zo wordt gehoopt, op de rol verkocht gaat worden. De efficiëntie ervan moet die van tl-licht overtreffen en die van ledlicht evenaren. De aloude gloeilamp, die sinds 1935 niet noemenswaardig is veranderd, blijkt nu ineens ook zuiniger met energie om te kunnen gaan. Philips ontwikkelde modellen die zo zuinig zijn dat ze niet worden uitgefaseerd.

Oled is een lichtbron in een plat vlak, waar veel onderzoek naar wordt verricht en waarvan de eerste toepassingen op de markt verschijnen. Tijdens een minisymposium van ingenieursvereniging Kivi-Niria  in Woerden lieten geïnteresseerden in de ‘Verlichting van de Toekomst’ zich bijpraten over Oled, maar ook over traditionele lichtbronnen, waaraan fabrikanten inmiddels veel hebben verbeterd.

Het Holst Center, een open innovatiecentrum waarin tno en het Belgische Imec deelnemen, is een van de instellingen die Oled’s onderzoekt en ontwikkelt. Ton van Mol is programmamanager bij het Holst Center en begint eerlijk: ‘Vraag me niet om de prijs van Oled-verlichting uit te drukken in euro’s per lumen. We hebben nog een lange weg te gaan.’ Van Mol vervolgt met een uitleg over de techniek. ‘Net als led is Oled een halfgeleiderlichtbron, maar in tegenstelling tot de puntlichtbron led, is Oled een oppervlaktelichtbron. De opbouw bestaat meestal uit een glasplaat met daarop een of meer dunne laagjes organisch materiaal. De speciale eigenschap van het organische  materiaal  is dat het oplicht wanneer er een stroom doorheen loopt.’

Lichtbron printen

Er bestaan twee soorten Oled. De small molecules (kleine moleculen) Oled bevat kleine, speciaal ontwikkelde moleculen met iridium of andere metalen. Bij de productie ervan zijn hoge temperaturen en een vacuüm nodig. De small molecules-Oled bevat 5 – 20 lagen. De tweede soort Oled is de polymeer-Oled. Deze is gemakkelijker te maken en daarom verwachten deskundigen dat dit type eerder rendabel is. Polymeer-Oled’s bestaan uit lange polymeerketens die verschillende lichtkleuren kunnen produceren. De polymeren zijn oplosbaar en het grote voordeel ervan is dat het materiaal te printen zal zijn op een ondergrond.

In 1987 werd de eerste small molecules-Oled gemaakt en in 1990 de eerste polymeer-Oled. In eerste instantie bleef de efficiëntie beperkt tot maar 4 procent. Aan het eind van de jaren negentig werd daar met fosforescentie een oplossing voor gevonden. In theorie is nu 100 procent interne efficiëntie haalbaar: elk electron genereert dan een foton (lichtdeeltje). Aan het probleem dat slechts een vijfde deel van de lichtdeeltjes eruit komt en de rest terugkaatst op de verschillende laagjes, wordt nog gewerkt.
De materialen die voor anode en kathode worden gebruikt zijn barium en calcium. Vooral de kathodematerialen zijn zeer gevoelig voor de inwerking van zuurstof en water. Wanneer de kathode oxideert wordt op die plaats geen licht meer geproduceerd en ontstaat een donker vlekje. Om dat te voorkomen, moeten Oled’s goed worden afgesloten. Het meest gebruikte materiaal daarvoor is glas. Er wordt wel onderzoek gedaan naar folies die dicht genoeg zijn, maar deze zijn nog niet van voldoende kwaliteit.

De onderzoekers staan voor meer uitdagingen, vertelt Van Mol: ‘Voor grote apparaten zijn zeer homogene lagen nodig. Denk aan lagen van slechts 100 nm, waarvan de dikte hooguit 2 procent mag variëren. Een ander aspect is de stroomsterkte: bij een oppervlak van 60x60 cm komt de stroomsterkte al snel uit tussen  de 6 en 30 A. ito is een transparante geleider, maar bij deze toepassing wordt de spanningsval over de weerstand van 7,5 Ω te groot. We zijn daarom van plan om een zilverrooster, met banen van enkele micrometers dik, te gebruiken voor de stroomverdeling.’

Flexibel

De dikte van de laagjes in een Oled is minder dan een micrometer en flexibele Oled’s zijn goed mogelijk. Van Mol laat een lichtgevende, buigbare Oled zien en vertelt: ‘Oled-licht geeft een enorme ontwerpvrijheid. Je kunt het inbedden in producten, bijvoorbeeld als binnenverlichting in een tasje.’ Oled-displays zijn nu al op de markt; vooral de dure high-endelektronica, zoals een autoradiodisplay van Pioneer en verschillende merken smartphones. Er zijn zelfs al Oled-televisies te koop. Binnen twee tot drie jaar verwacht Van Mol flexibele signs op de markt.

De industrie ontwikkelt Oled’s nu voor een toepassing als lichtbron. Van Mol maakt duidelijk waarom: ‘Oled- licht is simpel, veilig en robuust. Het is niet kapot te krijgen. Het is een compleet andere manier van verlichten: op laagspanning en als product oprolbaar. Het belooft energie-efficiënt te zijn – er wordt gemikt op 120 lm/W – en het krijgt een lange levensduur.’ Van Mol voorziet dat Oled’s straks in de bouwmarkt op rol worden verkocht. Thuis kan de gebruiker het zelf in de gewenste vorm knippen.
Het Europese programma Oled100.eu is een onderzoeksprogramma van grote bedrijven die gezamenlijk ambitieuze doelen hebben gesteld: Oled-licht met een efficiëntie van 100 lm/W, een levensduur van meer dan 100.000 h en een oppervlak van 100x100 cm tegen kosten van maximaal 100 €/m2.

Andere lichtbronnen

Tijdens het minisymposium schetste Marco Haverlag van Philips de geschiedenis van andere vormen van verlichting waarbij hij vooral inging op het energiegebruik. Zo vertelde hij dat de totaalkosten van ledlicht nu al lager zijn, zelfs bij een prijs van 25 euro per lichtpunt. De lange levensduur speelt daarin een rol, evenals de lagere arbeidskosten voor vervanging van lampen.

Voor consumenten lijkt de prijs nog wel een probleem te zijn. In een gemiddeld huishouden brandt een lamp 750 h/a en dat staat in geen verhouding tot de levensduur van 50.000 h. De bij particulieren al wel ingeburgerde spaarlamp is qua efficiëntie vergelijkbaar met led, al heeft die laatste wel het voordeel van de korte inschakeltijd.
Ontladingslampen, zoals die in tuinbouwkassen en boven sportvelden en snelwegen worden toegepast, zijn nog steeds het efficiëntst. In 1931 werden al lagedruknatriumlampen met een opbrengst van 200 lm/W gemaakt. Haverlag gaf aan dat de toepassing nog beperkingen kent: ‘Omdat het licht te oranje is, zijn ontladingslampen alleen geschikt voor de verlichting van snelwegen. Veel onderzoek is gericht op de toepassing van zeldzame elementen om de lichtkleur te verbeteren.’

Ook fluorescentieverlichting, zoals in tl-buizen, is volgens Haverlag nog te verbeteren: ‘Een mogelijkheid is betere fosfors, bijvoorbeeld tri-bandfosfor, te gebruiken. Daarmee is 25 procent te winnen. Het rendement verbetert ook wanneer de koper- en ijzerballast door elektronica wordt vervangen.’
De state-of-the-artverlichting is volgens Haverlag de T5-verlichting, met ecofosfor, optimale gasvulling en voorschakelelectronica: ‘Daarmee is 114 lm/W te behalen. Ook bestaande verlichtingsinstallaties zijn flink te verbeteren. Het energiegebruik is te halveren door T5-lampen en elektronische ballast te installeren.’

Efficienter gloeilamplicht

Enigszins verrassend concludeerde Haverlag dat er toekomst is voor gloeidraadlicht, dat toch niet bepaald als energiezuinig bekend staat. Het principe is eenvoudig: een elektrisch verhitte draad straalt licht uit, maar daarbij gaat helaas veel warmte verloren. De lamp die Edison uitvond had een ‘gloeistaaf’ van koolstof en een lichtopbrengst van slechts 1 – 3 lm/W. Daarna is de efficiëntie verbeterd, tot in 1935 een lichtopbrengst van 14 lm/W werd bereikt met een Wolframgloeidraad. Een waarde die nu nog steeds gangbaar is.

Fundamentele limiet
De ooggevoeligheid van de mens bepaalt de fundamentele limiet van de haalbare lichtopbrengst. De menselijke ogen zijn het gevoeligst voor groen licht met een golflengte van 555 nm. Wanneer het licht roder of blauwer wordt, ziet de mens daar een steeds kleiner percentage van. Marco Haverlag van Philips: ‘Wanneer een lamp al het elektrische vermogen omzet in groen licht van 555 nm, is de opbrengst 663 lm/W. dat is de hoogste haalbare lichtopbrengst. voor wit licht is 400 lm/W de fundamentele limiet. tegenwoordig hebben we in de praktijk lichtbronnen die 200 lm/W leveren.’   

Haverlag legde de route naar betere energie-efficiëntie uit: ‘Dé manier om gloeidraadverlichting zuiniger te maken is vermindering van de warmteafgifte. Bijvoorbeeld door de vuldruk in de lamp te verminderen. Dan verdwijnt minder warmte via het vulgas. Helaas kan de vuldruk niet straffeloos omlaag, omdat dan de Wolframdraad sneller verdampt en de levensduur van de lamp drastisch terugloopt. Het warmteverlies is ook terug te brengen met een warmtereflecterende coating op de bol. Wanneer de bol de goede vorm heeft en de warmte precies op de spiraal terugkaatst, is 40 – 50 procent van de uitgestraalde energie terug te absorberen.’

Philips heeft die principes toegepast in effectieve gloeilampen die niet worden uitgefaseerd. De Eco Classic-lampen bestaan uit een halogeenlamp die in een klassiek uitziend ‘peertje’ is verwerkt. Haverlag: ‘Bij een winkelprijs van twee á drie euro is het ener- giegebruik 30 procent lager dan dat van een gewone gloeilamp. De opbrengst is 17 lm/W en de lamp gaat 2.000 h mee. Deze lamp is tot 2016 toegestaan.’

Een nog energiezuiniger versie van de Eco Classic mag ook na 2016 worden verkocht. ‘De opbrengst daarvan is 23,7 lm/W en de besparing is 50 procent. Dat is inclusief de trafo en de elektronica die in de lampvoet zijn verwerkt. De lamp bevat een laagspanningshalogeengloeidraad en de bol is voorzien van een infraroodcoating.’ 

Tekst: Rik Vollebregt
Fotografie: Industrie