クリスマスライトの背後にある特許| スポンサー| スミソニアン - 記事、芸術、文化、イノベーション、エネルギー、スポンサー

常緑樹は、冬至を祝う特別な場所です。年の最も短い日と冬の公式の始まりをマークするために、キリスト教以前のヨーロッパの人々は、悪を遠ざけるお守りとして、春と永遠の命の希望の象徴として、常緑樹の枝をドアや窓に掛けました。 3世紀から4世紀にキリスト教がヨーロッパに広まったため、常緑樹の枝で飾る伝統がクリスマスに取り入れられました。

生きた常緑樹を屋内に持ち込み、装飾することは、16世紀のドイツの伝統となりました。プロテスタントの改革者マーティン・ルーサーは、夜に星に照らされた木を見た後、彼の家のクリスマスツリーにろうそくと照明を追加したと歴史的に信じられています。キャンドルで照らされた木はドイツの伝統となり、初期のドイツ人入植者によってアメリカに持ち込まれましたが、ウィンザー城の英国王室のクリスマスツリーの彫刻がThe Illustrated London Newsに公開されるまで、アメリカではセンセーションになりませんでしたアルバート王子はドイツ人であり、ビクトリア女王の母親もドイツ人だったため、装飾された木は王室になじみのあるものでした。この彫刻は、オーナメントと火のともったろうそくで覆われた段状の木を示し、クリスマスツリーを普及させました。彼らはその日のトレンドセッターでした。ビクトリアとアルバートがそうであったように、世界の残りが続きました。

ビクトリア女王、アルバート王子、および1848年12月の王室のクリスマスツリーを称賛する子供たちの彫刻。（ウェブスター博物館）

ろうそくで木を照らすことは非常に危険でした。木は新鮮である必要がありました。通常、クリスマスツリーを照らすには、近くに置かれた水で満たされたバケツを使用して、ツリーまたは周囲の領域が火事になった場合にそれを消します。これらすべての予防措置を考えると、キャンドルはクリスマスイブに一度点灯します。

1882年、トーマスエジソンが実用的な電球を開発した後、エジソンのイルミネーションカンパニーの友人でありパートナーであるエドワードジョンソンは、80の赤、白、青のライトのストリングである「クリスマスライト」の最初のセットを作成しました。彼のクリスマスツリー。 1895年、ホワイトハウスのクリスマスツリーは、何百ものマルチカラーの白熱灯に照らされました。

1901 General Electricの広告

白熱灯は20世紀を通じてクリスマスツリーを照らしていました。改善はありましたが、それらはすべてエジソンの元の電球と同じ基本的な方法で機能していました：電気の流れは電球のフィラメントを考え、フィラメントは電気抵抗によって加熱され、電球は非常に熱くなり、フィラメントの金属は光を発します電子がより高い軌道レベルに励起され、ほぼ即座に元の軌道レベルに戻るほど熱くなる。

生成される光の色は、光源の作成に使用される材料内の電子の励起に直接関係します。電子は、HOMOまたは最高占有分子軌道と呼ばれる1つの軌道レベルから次のLUMOまたは最低非占有分子軌道にジャンプし、電子が緩和すると、可視光などの電磁放射が放出されます。電磁放射の性質は、2つのレベル間の距離（HOMO-LUMO）に関連しています。

この励起によって生成される光の色は、軌道レベル間の距離にも依存します。多くの異なるエネルギーレベルがあるため、従来のエジソン（白熱）電球は白色光を生成し、スペクトルのすべての色が生成されます。これが、電球からの白色光をプリズムに通すと、異なる色に分割される理由です。

白熱電球は特にエネルギー効率がよくありません。エネルギーのかなりの割合が熱として失われます。また、白熱電球はキャンドルを使用して木を照らすよりもはるかに安全であり、複数回使用することもできますが、それでも非常に熱くなります。乾燥した非常に可燃性の常緑針に着火する球根から発生する熱で、多くの乾燥したクリスマスツリーが火事になりました。

一方、LED（Light Emitting Diode）クリスマスライトは、エネルギー効率と温度、および新しい照明設計と技術に関して利点を提供します。 LEDは、白熱灯が量子レベルで行うのと同じ方法で光を生成します。電子は、リラックスすると励起され、光を放出します。違いは、この励起の発生方法にあります。LEDの場合、材料を流れる電気は、熱ではなく電子を直接励起します。このプロセスにより、LEDライトは、同等の白熱クリスマスライトよりも80〜90％少ないエネルギーを使用します。

LEDは、Texas Instrumentsで働いていたときに、James BiardとGary Pittmanが最初に特許を取得しました。「半導体放射ダイオード」と題され、1966年12月20日に付与された彼らの特許（特許第3, 293, 513号）は、電気から光を生成する最初の特許取得済みの固体デバイスについて説明しました。ガリウムヒ素ダイオードは、人間の目には見えない赤外光を生成しました。

1966年12月20日に特許を取得したJR Biardらの「半導体放射ダイオード」（米国特許第3, 293, 513号）

ニック・ホロニアックはゼネラル・エレクトリックで働いている間に、結晶から放出される光を赤外線から赤にシフトするリンでガリウムヒ素を変更することで、可視光、この例では赤を生成する最初のLEDを発明しました。この研究の基礎は、1966年5月3日に付与された彼の特許（特許第3, 249, 473号）によってカバーされています。

広いスペクトルの光を生成し、色を変える塗料でコーティングされていない限り白く見える白熱電球とは異なり、LEDライトは、光を生成するために選択された化合物に応じて色を生成します。赤色の光を発する化合物、青色の光を発する化合物の青色の化合物などです。白いLEDライトは異なります。イットリウム-アルミニウムガーネット（Y ₃ AL ₅ O ₁₂ ）材料など、LEDに入れると白色光を生成する材料がいくつかあります。ただし、ほとんどの白色LEDライトは、バルブ構造内の異なる発光化合物（通常、青色発光化合物、赤色発光化合物、緑色発光化合物など）を慎重に組み合わせることで光を生成します。

赤色LEDの生産における大きな進歩は、ポール・ベイリーとモンサントで働いている彼の同僚の仕事から来ました。 1977年8月2日の米国特許4, 039, 890。彼らは、LEDの2次元アレイを発明しました。この構造は、グリッドパターンで赤色光を生成しましたが、「他の組み合わせと材料は、異なるカラーまたはマルチカラーディスプレイを提供するために、当業者によって容易に想像できます。」

1977年8月2日に特許を取得したBaileyらの「Integrated Semiconductor Light-Emitting Display Array」（米国特許第4, 039, 890号）

この独創的な特許は、コンピューターからテレビ、電話まであらゆるものに使用されるLEDスクリーンディスプレイの基盤を提供しました。 LEDスクリーンは、赤、緑、青のライトをさまざまな組み合わせで混合することにより、さまざまな色を生成します。 RGB（赤緑青）カラーモデルに基づいて、これら3色から任意の色を生成できます。

赤、緑、青のライトの最新のLEDアレイ（WikiCommons経由のMartin Kraft）

最新のLEDにあるピクセルの配列は、個々のライトが制御される調整可能なクリスマスライトとディスプレイの基盤を提供します。画面上のピクセルが色を変えて画像の一部を表示するのと同じように、同じ電球に赤、緑、青を放射するLEDを備えたクリスマスライトは、虹の色と白色光を生成できます。個々のライトのオンとオフを切り替えたり、色を変更したりできます。

これで、クリスマスツリーに1セットのライトを配置し、希望の色に変更することができます。また、このタイプの技術により、建物全体で照明が踊り、音楽に合わせて色を変えることができる大型の屋外ディスプレイが可能になります。これらのライトとコンピューター化されたコントローラーは、毎年テクノロジーに精通した消費者がアクセスしやすくなり、エドワード・ジョンソンがクリスマスツリーに巻き付けた初期の一連の赤、白、青のライトよりもテレビ画面と共通しています。

2013年12月24日、パット。米国特許第8, 614, 632号は、ケネス・ウェルズとビクター・ハッチに「音源に応じて光源を制御する方法と装置」を授与されました。このシステムはRGBライトを制御し、音波をライトを制御する信号に変換します。、ライトを音楽に合わせてプログラムする代わりに、システムが音楽を解釈してライトショーを作成できるようにすることができます。