Led on varsinainen valopää

Helsingin joulukadut täyttyivät vuonna 2015 lähes 170 000 led-lampusta. Sähköä säästyy entisiin hehkulamppuihin verrattuna huimat 85 prosenttia.
Kuva: Jussi Hellsten / Visit Helsinki.

Led-lampuista on tullut massatuote sen jälkeen, kun niiden kehittymiseen johtava innovaatio sai Millennium-teknologiapalkinnon kymmenen vuotta sitten. Tulevaisuus näyttää kirkkaalta, sillä ledit ovat edelleen kaukana maksimitehostaan.

Helsingin-kulkijat saivat viime jouluna ihastella valaistuja katuja, joiden koristeissa välkkyi lähes 170 000 led-lamppua. Pääkaupungin joulukadut ovat hyvä esimerkki ledien viime vuosien voittokulusta valaistuksessa: hohtodiodit ovat kestossa ja usein myös energiatehokkuudessa ylivoimaisia.

Led-tekniikka on kehittynyt suurin harppauksin sen jälkeen, kun japanilaisen Shuji Nakamuran innovaatio sinisestä ja valkoisesta led-valosta palkittiin Millennium-teknologiapalkinnolla vuonna 2006. Ledeistä saadaan nyt paljon enemmän ja paljon laadukkaampaa valoa selvästi halvemmalla. Tehokkuus on laskenut hintoja, ja kymmenessä vuodessa ledit ovat siirtyneet erikoissovelluksista massamarkkinoille.

”Joka vuosi kehitetään kymmenen prosenttia tehokkaampi led-valo.”

”Joka vuosi kehitetään kymmenen prosenttia aiempaa tehokkaampi led-valo”, kertoo tutkijatohtori Sami Suihkonen Aalto-yliopiston mikro- ja nanotekniikan laitokselta.

Tärkeä kehitysaskel on ollut valon värisävyn muokkaaminen lämpimämmäksi.

”Länsimaista ihmistä varhaisten ledien kylmyys ei miellyttänyt, toisin kuin esimerkiksi Aasiassa. Nykyään sävyistä saadaan hyvinkin lämpimiä, mutta kymmenen vuotta sitten ledien kuluttajamarkkinoilla oli vasta joitakin kelmeitä taskulamppuja”, Suihkonen vertaa.

Juuri valojen värisävyn kehittyminen sai Helsinginkin vaihtamaan pääkatu Aleksanterinkadun hehkulamput muutamaan tuhanteen lediin vuonna 2009.

”Ledeihin siirtymistä tutkittiin vuosien mittaan aiemminkin, mutta ne kelpuutettiin vasta sitten, kun niitä oli saatavilla vanhan hehkulampun värisinä. Jouluksi 2015 oli jo helppo löytää sopivat 160 000 led-valoa koko Esplanadin puistoon”, kertoo Helsinki City Markkinointi ry:n toiminnanjohtaja Riitta Lassander.

Ledien hankkimisesta kiittää myös ympäristö: Helsingissä jouluvalojen energiankulutus romahti alle viidennekseen entisestä.

Tutkijatohtori Sami Suihkonen tutkii Aalto-yliopistossa ledien materiaaleja ja tekee yhteistyötä Millennium-palkitun led-kehittäjän kanssa. Kuva: Laura Manas / TAF.
Tutkijatohtori Sami Suihkonen tutkii Aalto-yliopistossa ledien materiaaleja ja tekee yhteistyötä Millennium-palkitun led-kehittäjän kanssa. Kuva: Laura Manas / TAF.

 

Kehitysvastuu yrityksillä

Led eli hohtodiodi on puolijohdekomponentti, joka kerrosrakenteensa ansiosta säteilee värillistä valoa, kun sen läpi johdetaan sähkövirta. Aallon Sami Suihkonen on Suomen johtavia puolijohdemateriaalien tutkijoita. Hän työskenteli kolme vuotta sitten Millennium-voittaja Nakamuran johtamassa tutkimusryhmässä Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa, ja on edelleen viikoittain yhteydessä ryhmään.

Nykyistenlaisten ledien kehittäminen on Nakamuran Millennium-voiton jälkeen siirtynyt vahvasti yksityisiin yrityksiin. Nakamuran luotsaama Kalifornian yliopiston energiakeskus SSLEEC on sekin lähes täysin yritysten rahoittama.

”Ledien valmistuksen prosessiketju on niin pitkä, että nykyään tehokkaimpia ledejä pystyvät valmistamaan vain yritykset, eivät yliopistot. Suurissa teollisissa reaktoreissa pystytään valmistamaan samanaikaisesti satojen tuhansien ledien materiaalit”, Suihkonen kertoo.

Tekniikka kaupallisten ledien valmistamisessa on kuitenkin edelleen sama kuin se, jolla Nakamura ja hänen tutkimuskumppaninsa Isamu Akasaki ja Hiroshi Amano 30 vuotta sitten tekivät läpimurtonsa. Yritykset soveltavat vanhaa tekniikkaa useilla erilaisilla teknologia-alustoilla ja keskittyvät omien alustojensa hienosäätöön.

”Yhtä ylivertaista valmistusalustaa ei ole vielä löytynyt. Itse valmistusketjussa ei ole kuitenkaan tieteellisesti mitään uutta”, Suihkonen summaa.

Täysi teho vasta edessä

Yrityksille riittää työsarkaa, sillä tänä päivänä kaupan hyllyllä lepäävät led-lamput eivät ole vielä lähelläkään niiden teoreettista hyötysuhdetta. Ledistä saadaan samalta pinta-alalta paljon enemmän valoa kuin loisteputkista tai hehkulampuista, mutta valmistaminen on edelleen kallista verrattuna led-valon laatuun ja lamppujen energiatehokuuteen.

”Jokusen vuosikymmenen päästä kaikki uudet valot ovat ledejä.”

”Nakamura, Akasaki ja Amano saivat vuonna 2014 Nobel-palkinnon siitä, että led-materiaalia pystyttiin 90-luvulla ensimmäisen kerran valmistamaan edes kelvollisesti. Siitä, että edes jonkinlaista valoa saatiin ulos. Tieteellisesti materiaali on kuitenkin edelleen täynnä tehoa laskevia kidevirheitä ja kaukana ihanteellisesta”, Suihkonen kertoo.

Tällä hetkellä led-lamppu on yhtä energiatehokas kuin loisteputki, mutta ledin hankintahinta on jotakuinkin viisinkertainen. Esimerkiksi Helsingin kaupungin 160 000 lediä maksoivat asennuksineen 200 000 euroa.

Siirtymiskustannusten vuoksi led-lamput eivät ole vielä valloittaneet katuja ja kauppoja tai suuria julkisia tiloja. Laadukkaasti tehdyt ledit voivat kilpailla loisteputken kanssa vasta ylivoimaisella kestolla, jonka ansiosta ne vaativat merkittävästi vähemmän huoltoa.

Led-lampun tämänhetkinen puutteellisuus on kuitenkin tulevaisuudessa sen suurin kilpailuetu. Hehkulampun ja loisteputken tehokkuus on Suihkosen sanoin kehitetty jo ”niin pitkälle kuin luonto sallii”, mutta ledeissä fysiikan lakien asettama raja on vielä kaukana. Laboratorio-olosuhteissa ledit ovat jo huimasti energiatehokkaampia kuin muut valonlähteet.

”Kun eletään jokunen vuosikymmenen eteenpäin, kaikki uudet valot ovat luultavasti jo ledejä”, Suihkonen uskoo.

Helsingin Esplanadin puisto täyttyi vuonna 2015 lähes 170 000 led-lampusta. Kuva: Sylvain Manas.
Helsingin Esplanadin puisto täyttyi vuonna 2015 lähes 170 000 led-lampusta. Kuva: Sylvain Manas.

 

Kohti vihreää lediä ja vedenpuhdistusta

Ledien hyötysuhteen parantamisessa yliopistojen rooli saattaa olla ensisijainen. Kun yrityksissä kehitetään olemassa olevaa tekniikkaa eteenpäin, yliopistoissa tutkitaan aivan uusia rakenteita, materiaaleja ja valmistustapoja, joilla ledeistä voisi tehdä laadukkaampia.

Ledien valmistuksessa kustannukset määräytyvät puolijohdemateriaalin pinta-alan mukaan, joten paremmat materiaalit voisivat laskea ledien hinnan jopa murto-osaan nykyisestä. Tällä hetkellä kirkas eli valkoinen led-valo tehdään laittamalla sinisen ledin päälle fosforikerros, joka muuttaa osan sinisestä valosta punaiseksi ja keltaiseksi. Väriyhdistelmä näyttää valkoiselta, mutta fosforin takia valoa menee hukkaan ja hyötysuhde kärsii.

Yksi vastaus ongelmaan olisi vihreän ledin yhdistäminen siniseen ja punaiseen. Tämä tekisi fosforin tarpeettomaksi. Vihreän ledin valmistusmenetelmiä kehitetään parhaillaan esimerkiksi Aalto-yliopistossa, mutta Suihkosen mukaan se on vielä heikko lenkki prosessissa.

”Vihreän ledin kehittämiseen on monta ideaa ja tunnemme materiaalit, joista vihreää valoa voisi saada ulos. Toimiva käytännön sovellus valaistukseen kuitenkin puuttuu.”

Samalla, kun ledien valaisevia ominaisuuksia hiotaan, ledeille syntyy myös aivan uusia käyttökohteita. Nakamuran tekniikalla valmistetaan nykyään esimerkiksi vettä puhdistavia laitteita. Ultravioletilla lyhyen aallonpituuden led-valolla voidaan tappaa bakteereja, ja pattereilla toimivia vedenpuhdistuskyniä on jo kuluttajamarkkinoilla.

Vedenpuhdistusta ledeillä on tutkittu suomalaisissakin yliopistoissa, mutta tekniikka ei yllä vielä kaupalliseen kannattavuuteen.

”Materiaalin valmistustekniikassa ja laitteiden hyötysuhteen nostamisessa on vielä suuria haasteita. Kannattavan valmistusmenetelmän kehittämiseksi tarvitaan uusi Nakamura!”, Suihkonen naurahtaa.

Teksti: Laura Manas

Millennium-teknologiapalkinto 2016 jaetaan 24. toukokuuta Helsingissä.

Lataa pdf.