LED——世界未来之光

即使荧光灯从二十世纪三十年代开始流行，通用技术工程师ED Hammer在1975年首次提出怎样将长的充气管旋转让他能够旋入标准插槽中（弯曲灯管是他主要的成就，许多荧光灯依然靠手工扭曲）。GE的荧光灯与白炽灯相比只消耗其20%的电能。但是荧光灯不会暗淡， 但是他们易碎。他们制造的灯光温暖，且接近于脱脂牛奶的颜色。通用技术搁置了Hammer的设计，而不是投资资金是的新技术上市。
1980年，Philips成为第一家销售生产使用一系列弯曲的设计而不是通用公司的螺旋形设计的荧光灯的公司。但是随着二十世纪七十年代能源危机的到来，市场却对此设计毫无兴趣。直到二十世纪九十年代，荧光灯才因为公众对能源效率的关注才得到发展。通用技术公司终于将Hammer的螺旋形设计投入生产。到了2005年左右，荧光灯已经占据了白炽灯的地位。首先，消费者信任这种科技，另一部分原因是它节省能源，也因为发起的大量的公共灯泡派送项目。洛杉矶水资源与能源中心在2009年分发24亿只荧光灯，并预计这些灯泡每年能减少13100吨二氧化碳的排放，相当于从马路上减少了24000辆汽车。
但是灯光变暗，频闪，灯光颜色等问题仍然存在。厂商宣称的灯泡的使用寿命，质量都有很大程度上的夸张。消费者不理解为什么当他们在十五分钟内开关荧光灯会让灯泡快速烧坏，也不理解为什么他们把灯泡装嵌在天花板中的是时候，灯泡会过热而烧毁。他们甚至没有被告知，这里根本不存在60,75,或者100瓦白炽灯的替换标准。
“无论他们想要什么，那里总有他们想要的产品。 ”飞利浦北美灯光系统总经理 Ed Crawford 说，“这里有太多的保证。”即使现在的灯光行业总宣称很多问题来源于早期大量的便宜的进口灯泡涌入市场，事实上荧光灯已经取得了不小的进步，但是争论仍然存在。那些杂牌的灯泡仍然表现的很差，甚至一些大品牌仍然通过销售来污染这个行业，比如经常在在户外行动传感系统中使用的大型荧光灯。考虑到这些灯泡必须很快的开关导致他们的损坏，这绝对是不恰当的使用。当消费者知道荧光灯中含有水银是对荧光灯最重的打击，其含量使得环境保护署不得不出版了长达三页的清理破碎灯泡的说明。在这份说明中，首先是开窗通风并且疏散人和动物。
在2008年，强制禁止白炽灯作为这项法律的一部分，美国能源部通过发起一项旨在开始向LED过渡竞争的宣布了荧光灯死刑。L-Prize（未来灯光设计奖的缩写）提供了100亿美元的大奖给第一家能够设计出符合多项标准且能避免荧光灯那样的灾难的60瓦灯泡的公司（额外的大奖将在未来宣布）。项目要求灯泡的耗电功率不能超过10瓦，它不能变暗，在开关的时候不能闪烁或者停顿，并且可以产生令人愉快的光芒，可以适应标准插口，能够使用超过20年。
这笔钱不能承担这样的一个灯泡的开发成本，但是获胜者将获得的知名度以及在利润丰厚的***合同上的有利地位。在八月三号，美国能源部宣布Philips获得胜利，Philips也是唯一一家提交报告的公司。这项决定是在对灯泡进行了几乎两年的评估后做出的 。
创造一个能够满足L-Prize的10瓦要求的灯泡是可能，同时创造一个能够让消费者买得起的灯泡也是可能的。但是，根据 Sharenow 所说，同时满足这两者确实不可能的。Sharenow认为造成这种状况的原因是L-Prize并没有意识到要限制资金。所以Switch决定忽略L-Prize而专注于消费者市场。实际上，当Philips以每只40美元出售60W的灯泡时，他获得L-Prize奖的设计是独特的，具有独特竞争力。
Switch的灯泡每只30美元，这仍然不便宜。一只极好的60W白炽灯花费不超过1美元。但是，一只真正的LED灯泡是极为复杂的，需要物理，化学，光学，设计以及制造方面的专门知识。因此，之前还没有人能够制造出结合多种工艺。如此复杂的照明产品，而且方法也不尽相同。
正如个人电脑，摄影和移动电话一样，LED代表的巨大变化或许给那些行动迅速的企业家敞开了一扇门。这种动力通过像Switch和Cree ——一家经常被奥巴马引用的来说明国内创新的北卡罗来纳州的LED生产商展现出来，并且伴随着像加州大学戴维斯分校和在纽约州立大学阿尔巴尼分校等大学中固态照明项目的增加。
同样的，特斯拉汽车公司因为提前发展可行的和令人兴奋的电动汽车从而成为汽车行业的超级大国，所以如果有一个灵敏的开始，那么将会在固态照明的革命中成为领导者。这就是VantagePoint Capital Partners的CEO Alan Salzman所希望的。这家为特斯拉提供资金的公司虽然不会提供确切的数字，但是他认为给Switch的投资是八位数的。“你将会再三听到他，”Szlzman 说，“当一个行业出现变革，一些企业适应变化，但是很多却不能，这就是发生在灯光行业的事情。”

通用技术公司在1962年发明发光二极管。二十世纪七十年代，这些发着红光的二极管在太空时代被广泛使用，它出现在收音机闹钟，袖珍计算器以及电子手表上。在接下来的几十年中，其他颜色的二极管逐渐出现。
LED加工或多或少像其他的半导体工业。每一个二极管都是从硅或者蓝宝石薄片上切割下来的。在早期的LED上，晶体层是砷化镓或者磷化镓，这些都使得LED发出红光。其他颜色以及增加亮度需要更精确的控制晶体的成分以及厚度。现代的LED生产商通过精确的控制铟,镓,铝和氮在晶体层中的比例，来制造蓝色的光亮。​
但是，即使先进的LED也不能产生适合起居室的灯光，淡蓝色的灯光虽然适合作为钥匙环上面的小灯，但是却不能令人类的眼睛感受到它渴望的温暖。
现在，LED的制造商创造出了两种方式可以使得LED发出令人愉快的白光。在二十世纪九十年代，比较受欢迎的技术是将红色，绿色和蓝色的LED灯组合在一起。但是，他们的效率不同，而且有系统运行的要求。热量管理，电力供应，以及驱动——灯泡控制电路板，这一切使得LED更加复杂了。
所以，现在家用的LED是将蓝色的发光二极管的外壁涂上粉末状的磷，其中含有的稀土元素可以把蓝光过滤掉。磷粉一般是黄色的，这取决于磷粉的成分以及滤过蓝光的比例。它发出的白光既可以令人感到温馨足够家用，也可以发出冷色调白光给零售商店和户外使用。
即使现在生产LED仍然很昂贵，但是它会像Haitz定律预测的那样，随着科技的进步和经济规模的扩大，越来越便宜。它们也会变得更加明亮，这意味着工厂可以使用更少的灯泡，从而使得灯泡的价格下降。世界发展迅速，实际上，已经退休的Haitz认为他的定律即将失效。大约在2020年，他说，灯管基础设施建设将达到最大规模，因为，从某一点发射出的格外的光亮会非常刺眼。“我们遇到了一个极限，我们不得不通过生产大量没人需要的灯泡来进步，”他说。之后，只有爱迪生插座消失，世界上所有的灯泡都被移除，那么进程还能继续。Haitz说。
在我们能制造可行的，能够让消费者支付得起的家用LED灯泡之前，工程师需要解决一系列挑战，例如冷却二极管以及灯光的形状。冷却是基本的问题，因为过热的二极管不能工作很长时间，同时，二极管越冷，他就可以更有效率地利用电能，每只二极管可以发出更多的光。让一只二极管发出的光照亮整个房间可能是更大的挑战。LED是点光源，它只能在向一个方向发光。 这就使得它更适合做成投射灯或者交通信号灯，但是，为了让LED能够代替爱迪生灯泡，它们必须能向四周发光。
一旦你达成这个目标，你仍然需要一个驱动板来控制独立的二极管，这就意味着额外的电路与固件。在目前看来，把这些元素放入独立的外壳中做成可以支付的起的LED已经被证明是一个漫无边际的挑战。​
这家公司的基础建立在Ron Lenk所说的名为SuperBulbs的一项2007年所申请的专利。在MIT毕业的物理学家Lenk描述了一种新的科技来解决散热和光源形状问题，这种灯泡使用了导热流体或者胶体和塑料来使得LED产生的热量传导出去。这种物质分散在灯泡里也能使得灯管得以分散。
在加利福利亚的雷德伍德城，Lenk与他的电气工程师妻子Carol开始建立一种可以直接连接电源并且可以放进婴儿食品瓶中的原始LED原型。这对夫妻花了两年的时间成功的研制出了他们想要的冷却剂，这是一种像在婴儿尿布中使用的具有超强吸收功能的凝胶。（Lenk毫不隐晦的嘲笑了那些关于他的发明与婴儿食品瓶和尿布相关的言论，事实上，Carol在灯泡实验的过程中生下了他们第三个孩子。）
2007年，Lenk夫妇成立SuperBulbs公司。凭借他们的个人储蓄，他们建立了工作原型并且雇佣了市场部副总裁Ethan Thorman来帮助他们打开局面。Thorman建议与他的剧组中的一员Brett Sharenow进行磋商。
Thorman和Sharenow曾经在一家名为Pathogen的独立法人公司一起工作过。但是Thorman知道，Sharenow也是一名有MBA学位的训练有素的化学家，他曾经给像Pacific Bell 和Verio这样的科技公司做了二十年的顾问。在Oakland的一个会议上，Sharenow让Lenk假装他在与一个风险投资家见面。十五分钟之后，Sharenow停住他。他说“你希望看到实在的盈利还是你希望看到你的公司败落？”
在接下来的四个小时里，Sharenow提出了残酷的批判。“这不是商业运作，”他回答道，“没有经济上的假设，那么甚至革命性的产品也不会在三大公司鼎立的市场中取胜。”
Sharenow从2008年二月份开始与Lenk夫妇合作。在五月份，他把原型拿到了拉斯维加斯。在那里 ，他与George Abittan会面。George Abittan 的公司 Advanced Lighting & Electric Service为宾馆与娱乐场所提供照明服务。Abittan吧Sharenow带到了一张装备三只灯泡的桌子前。一只是白炽灯，一只是荧光灯，第三只是Sharenow的LED。
SuperBulbs的灯光非常好，Sharenow说，但是Abittan不相信固态电子技术。他在灯泡上连接了仪表来提供电能以用来检查。测量证明LED只需要10瓦的电能就能产生相当于40瓦白炽灯所发出的光亮。如果这个产品能够量产，Abittan说，每一家拉斯维加斯的娱乐城都会买它。
Sharenow与Lenk夫妇已经与VantagePoint，这家Alan Szlzman领导的风险投资公司讨论了数次。这家公司在Redwood City的总部离SuperBulb公司只有10分钟的车程。紧接着，他们前往 Vegas，最终成功的得到了他们希望的头子。另外，在未来的二十多年里，Tesla，VantagePoint 投资了第一家公司在美国建立LED生产厂。BrightSource的太阳能工程正在莫哈韦沙漠做着测试。VantagePoint 希望扩大能源组合，决定投资SuperBulbs。“我们已经看到了成果，”Salzman说。“拥有64只LED的灯泡花费八十美元。但这在将来不会很多，因为那些家伙们会找到解决方案的。”
Sharenow和Lenks夫妇开始制定商业计划和制作原型灯泡。但是原型仍然未被生产，因为SuperBulb作为产品仍然有不少问题。

2009年2月，David Horn，California’s Lawrence Livermore National Laboratory的物理学家工程师，作为CTO加入SuperBulbs公司。Horn曾经工作在VantagePoint投资的公司里，也是几个太阳能公司的顾问，他们希望能共扩大公司的投资范围。Horn在新工作中的第一个举动就是测试经过SuperBulb改良过的40瓦的灯泡原型。他的发现极为令人失望。以至于撼动了整个照明行业，SuperBulbs的设计需要60瓦甚至更多的电能。但是，当他触摸到灯泡的玻璃部分时，他却感觉不到热量。她说:“这种胶体并没有像它需要的那样工作。”这种冷却剂不足以使得60W的灯泡冷却。
在Lenk的设计里，冷却胶体充满了玻璃外壳，以便于将LED发出的热量传递到外部。灯泡以这种方式散热会使得它太热不能触碰。Horn 认为SuperBulbs 所使用的冷却剂并不十分有效，这就意味着灯泡产生的热量几乎通过灯泡底部的铝制散热器散失了。散热器工作了，他们是大部分LED灯泡设计，但是冷却胶体确实更加有效的散热方式，因为一种较好的散热剂可以使得每只LED可以将更多的热量传递出去。这意味着每只灯泡中可以装置更少的LED，这就是公司商业计划的核心，使得SuperBulb灯泡可以卖的更便宜。
接下来的一系列测试证明了Horn的怀疑，这种胶体没有起作用，所以，他开始检测液体。作为一种可以自由流动的液体，它在灯泡的中心处被加热，然后上升到玻璃，把热量传递到外面，冷却，然后流回灯泡的底部，这种过程叫做被动热量对流。
液体可以工作，但是胶体有着更重要的优点。它无毒，而且不贵。而且他有着液体无法比拟的非凡的扩散性质。
Link相信这种胶体足够给商业可用的相当于40W白炽灯的LED降温。“我希望迅速占领市场，”他说。即使产量较低，他们仍然拥有一种革命性的产品，其他的任何公司没有生产出来。“如果我们把它换成液体，”他争论到，“我们将是白手起家。”但是，那时Sharenow和Horn并不相信这种低亮度的灯泡之后会拥有如此庞大的市场。
于此同时，SuperBulbs几乎破产。VantagePoint最初的投资让这家公司雇佣了十二名员工。现在，一半员工已经解雇了。Horn向投资公司汇报，这种产品仍然有机会，只要他有资金来投资研究寻找一种液态冷却剂，比现在的胶体黏性更小。
Lenks夫妇在2009年末离开公司搬去了Atlanta（即使Carol继续在公司里做了几个月的顾问），在哪里Ron成立了一家公司来生产LED代替天花板上的电子荧光灯（这种产品不需要液体冷却）。“我们已经厌倦了疲惫的步伐，而且从来没有看到过我们的孩子。”Lenk说。这对夫妇仍然与Switch关系融洽。Switch作为股东，如果公司成功，他们自然会盈利。但是SuperBlubs，现在只有Shraenow，Horn以及四个员工，进入了Sharenow所说的“隐匿模式”。
那一年的九月，当Horn继续寻找理想的冷却剂的时候，Philips宣布在L-Prize中获胜。然后，2010年12月，世界上最大的照明公司推出了一种较为节能的版本，40美元的AmbientLED（或者在一些商场中叫EnduralLED）。现在，人们只会买只有相当于60W的LED。
Philips灯泡看起来一点都不像Switch的灯泡。Switch的灯泡像Fritz Lang’s Metropolis系列，AmbientLED有一个工业的朋克般的外表。一个铝制的散热器从插槽中延伸出来，占据了产品的一半高，而且它也比传统的产品更加显出圆锥体，但是，更令人注意的是Philips灯泡并没有玻璃罩。
​与1879年爱迪生发明的灯泡形状相同这不是一个偶然。这种设计能使得热量最大化散失。但是Philips灯泡​当它点亮的时候，它的稍平的顶部并不是热到不能触摸，因为这不是灯泡的散热系统的主要部分。散热工作落在了散热器以及从他上面的三个爪型扩展散热器。这些扩展散热器之间的装配用了三片一套的黄色塑料板覆盖着蓝色的光，使得灯泡能发出类似于白炽灯的令人愉快的灯光。
最终的结果看起来和我们想象的灯泡如此不同，每只AmbientLED的包装上都贴上了大大的标语：亮如白昼。
L-Prize两年之后宣布Philips是大奖的得主的部分原因是LED灯泡是新奇的。即使要求标准很明确，并且难以置信的高标准，并且设计新的难以捉摸的方法来测试灯泡。Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory的关于测试参加L-Prize的灯泡的项目管理Kelly Gordan“这种类型的产品工作方式与传统的白炽灯和荧光灯有很大的不同。”“测试方法必须完全不同。”但是如果这个行业要避免宣称对荧光灯的以来的痛苦，重复性的实验室必须的。
Gordon把标准分为四类：寿命，颜色，光量，光源形状。L-Prize的参赛者要求提交2000只灯泡，这是一个足够大的样本确保有足够的灯泡来做实验。
最大的障碍是寿命。LED不容易被烧坏。相反的，他们会变暗。现在的标准叫做L70，这意味着LED只能产生刚生产出来时候的70%的光。L-Prize标准要求参赛灯泡至少点亮25000小时才打到L70.这大概意味着灯泡需要连续工作3年，如果每天使用三个小时，那么它大概可以使用20年。Gordon说：“没有人会有这样的时间。”
Switch一直在进行自己的寿命测验。灯泡制造商通过加温来模拟多年的使用。高温使得LED加速老化，以便更方便地测量使用时间。Switch参考的能源部的L70协议是在华氏113度中使用6000小时（250天）。Switch公司的办公室中有一个测试区域，其中填满了看起来像一系列带有有色玻璃的特大面包烤箱，在后面有数十个灯泡在发光。这种效应就像一个屋里摆满了许愿蜡烛。另一个区域，有着提示危险的标志，有着极其明亮的白色光源。禁止未带墨镜进入此区域——一张警告贴在了阻光帆布上。
“我们第一个原型只维持了几个小时，”Horn看着烤箱室说。“我们在星期五把它点亮，在星期一回来看的时候，它们熄灭了。”在七个月中，他尝试了从矿物油到乙二醇中超过200种液态冷却剂。但却没有种稠度，扩散性和价格的合适组合。
Horn开始把之前的那些冷却剂混合在一起，尝试看看混合在一起的物质而不是单一的物质能不能凑效。2009年11月，他成功了。Switch 不会透露这种专利混合剂中有什么，但是却表明这非常的便宜而且环保。Horn说：“你可以用一张普通的纸巾就能把它清理干净。”
他说，其他的最终设计——散热器，驱动器，和形状很快就完成了。灯泡里面的十只覆盖着黄色荧光粉的发光二极管紧贴着环形铝制栅格的边缘。这种环形的灯光设计充分地利用了灯泡的设计，并且也有利于灯泡发出类似于白炽灯的光型。
今天，Horn说，这些灯泡自从2010年八月份就没有关过。在2011年4月，公司在十月份就要结束的照明展上召开了新品发布会，正式把SuperBulbs作为灯泡的新名字。Sharenow说，相当于60W的LED灯泡上市后，Switch相当于75W白炽灯的LED将会在11月上市，100W的模型将在2012年2月份发布。
Sharenow 说：“这些灯泡终将改变世界！”