LED-Licht
Leuchtdioden sind weiter verbreitet, als man denkt. Sie verbergen sich in Taschenlampen, Handydisplays, Ampeln und Autorückleuchten. Das war allerdings erst der Anfang. Heutzutage revolutionieren die effizienten, platzsparenden und nahezu wartungsfreien Lichtquellen die gesamte Beleuchtungstechnik.
Wir leben in einer Zeit, in der sich der technische Fortschritt immer mehr zu beschleunigen scheint. Zur Unterstreichung dieser Tatsache wird gerne das Moore'sche Gesetz angeführt. Laut dem Mitbegründer der Firma Intel verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren, die auf einem Mikrochip integriert werden können, alle 18 Monate. Nicht überall zeigt die Entwicklungskurve allerdings so steil nach oben wie in der Mikroelektronik. Auf anderen Gebieten, etwa in der Beleuchtungstechnik, geht es um einiges gemächlicher zu. Mit der Glühlampe kann sich dort immer noch eine Lichtquelle behaupten, die seit ihrer Erfindung im Jahr 1879 durch Thomas Alva Edison in den Grundzügen unverändert geblieben ist. Dabei gäbe es durchaus Verbesserungsbedarf. Mit einer Lichtausbeute von 16 Lumen pro Watt (lm/W) und einem Wirkungsgrad von fünf Prozent ist die Glühlampe nämlich mehr Heizkörper als Lampe. Den Löwenanteil der elektrischen Energie strahlt sie nicht als Licht, sondern als Wärme ab.
Das andere Licht
Alternativen zu der Glühlampe gibt es durchaus. Die gebräuchlichsten sind Halogen-,
Energiespar- und Leuchtstofflampen. Vor allem Letztere wandeln den elektrischen Strom wesentlich
effizienter in Licht um als eine Glühbirne und erreichen eine Lichtausbeute von bis zu 100 lm/W.
Eine echte Revolution der Beleuchtungstechnik ist von diesen Lichtquellen allerdings kaum zu erwarten.
Dazu sind sie der Glühlampe zu ähnlich. Ganz anders verhält es sich mit Leuchtdioden
(LED). Diese Halbleiterbauelemente sind nahezu punktförmige Lichtquellen, die ihr Licht in einen
relativ schmalen Raumbereich abstrahlen. Im Vergleich zu Glühlampen besitzen sie eine fast
hundertmal längere Lebensdauer. Außerdem erhitzen sie sich nicht so stark. Der wichtigste
Unterschied ist jedoch die Farbe. Während gewöhnliche Lampen weißes Licht abstrahlen,
leuchten LED je nach Halbleitermaterial in den verschiedensten Farben - von Rot über Grün bis
Blau. Anders als gewöhnliche Lampen lassen sich die winzigen Lichtquellen beliebig anordnen und in
Fassaden-, Wand- oder Deckenelemente integrieren. Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten des
Lichtdesigns.
Das Moore'sche Gesetz der LED
Der Grundstein für diese neue Art der Lichtgebung wurde bereits Mitte des letzten Jahrhunderts
gelegt. Damals gelang es erstmals, den schon 1907 beobachteten Effekt der Elektrolumineszenz auf eine
Rekombination von elektrischen Ladungsträgern zurückzuführen. Zu einer Lichtemission
kommt es demnach, wenn in einem halbleitenden Kristall eine Schicht mit Elektronenüberschuss auf
eine Schicht mit Elektronenmangel trifft. Legt man eine Spannung an die beiden Schichten an, so wandern
Elektronen und Löcher (fehlende Elektronen) in das Übergangsgebiet und rekombinieren dort. Die
Wellenlänge des dabei emittierten Lichts hängt in erster Linie von der Bandlücke des
Halbleiters ab und in zweiter Linie von der Dotierung, durch die aneinander grenzenden Schichten p- oder
n-leitend gemacht werden.
1962 brachte General Electric die erste rote Leuchtdiode auf den Markt. Als lichtemittierendes Medium
fungierte ein Mischkristall aus Galliumarsenid und Galliumphosphid. In den folgenden Jahren konnten
durch andere Materialkombinationen der orange, gelbe und grüne Wellenlängenbereich erschlossen
werden, 1993 schließlich auch der blaue. Vor allem aber gelang es, die anfangs noch bescheidene
Lichtausbeute kontinuierlich zu steigern. Dazu trugen verschiedene Entwicklungen bei.
Zum einen konnte durch reinere Materialien und verbesserte Herstellungsprozesse der interne
Quantenwirkungsgrad, also das Verhältnis von Photonen zu Elektron-Loch-Paaren, gesteigert werden.
Zum anderen gelang es durch Veränderungen beim Chip-Design, einen höheren Prozentsatz der
erzeugten Photonen aus der Leuchtdiode zu extrahieren. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang die
von Osram entwickelte Dünnfilmtechnologie. Die lichtemittierende Halbleiterschicht sitzt hier nicht
auf einem dicken, lichtabsorbierenden Substrat, sondern auf einem dünnen Metallfilm, der zusätzlich
als Spiegel dient. Durch diese Maßnahme ließ sich die Effizienz auf einen Schlag verdoppeln.
Die besten roten Leuchtdioden bringen es heute auf eine Lichtausbeute von 50-60 lm/W, im Labor wurden sogar schon 100 lm/W gemessen. Zu kürzeren Wellenlängen hin fällt die Lichtausbeute deutlich ab. Dennoch: Lässt man die Entwicklung der letzten 30 Jahre Revue passieren, so stellt man fest, dass sich die Lichtausbeute jede Dekade verzehnfacht hat. Wie beim Moore'schen Gesetz der Mikroelektronik steigt die Entwicklungskurve also exponentiell an. Fast in gleichem Maß ist der Preis, der pro Lumen zu entrichten ist, gefallen. Diese beiden Entwicklungen haben ihren Niederschlag in einer zunehmenden Verbreitung von Leuchtdioden gefunden. Anfangs wurden LED vor allem als Anzeigenlämpchen in Stereoanlagen und im Display von Taschenrechnern verwendet. Mitte der 1980er Jahre entdeckte dann die Automobilindustrie die Vorzüge der langlebigen und platzsparenden Lichtquellen, die sich ohne weiteres in das Armaturenbrett integrieren ließen. Einen weiteren Schub brachte in den 1990er Jahren die Entwicklung neuer Halbleiterkombinationen für den grün-blauen und den rot-orange-gelben Wellenlängenbereich. Damit wurden LED auch für Autoheckleuchten, für die Markierung von Fahrbahnen oder Flugfeldern sowie für den gesamten Bereich der Signaltechnik interessant.
Aus Bunt wird Weiß
Dass sich Leuchtdioden vor allem dort durchzusetzen beginnen, wo farbiges Licht benötigt wird, ist
kein Zufall. Möchte man nämlich mit gewöhnlichen Lichtquellen farbiges Licht erzeugen, so
muss man dieses filtern. Dabei treten erhebliche Verluste auf, die den geringen Wirkungsgrad von Glühlampen
zusätzlich reduzieren. Umgekehrt erfordert es einigen Aufwand, mit farbigen Leuchtdioden weißes
Licht zu generieren, das zur Grundbeleuchtung von Räumen unerlässlich ist. Deshalb haben LED
in lukrativen Massenmärkten wie der Haus- und Industriebeleuchtung erst ansatzweise Fuß
fassen können.
Die gängige Methode zur Erzeugung von weißem Licht besteht darin, eine rote, eine grüne
und eine blaue Leuchtdiode in ein gemeinsames Gehäuse zu verpacken und ihre Farben zu überlagern.
Indem man dem weißen Licht mehr rote oder mehr blaue Farbanteile beimischt, lassen sich sowohl
warme als auch kalte Lichtstimmungen erzeugen. Ein Nachteil dieser sogenannten RGB-Leuchtdioden ist
jedoch die mangelnde Farbkonstanz. Da die verschiedenfarbigen Leuchtdioden in unterschiedlichem Masse
altern und auch unterschiedlich auf wechselnde Betriebsbedingungen reagieren, kann sich die Lichtfarbe
mit der Zeit verändern. Auch lässt die Farbwiedergabequalität zu wünschen übrig,
da die farbigen LED schmalbandiges Licht emittieren. Im überlagerten Spektrum klaffen deshalb Lücken,
was dazu führt, dass im reflektierten Licht einer RGB-Leuchtdiode manche Farben besser zur Geltung
kommen als andere.
Eine blaue Leuchtdiode wird mit einem Farbstoff umgeben, der einen Teil des blauen Lichts absorbiert und
als gelbes Licht wieder abgibt. Der nicht absorbierte Anteil des blauen Lichts überlagert sich dann
mit dem gelben Licht zur Farbe Weiß. Da das gelbe Licht sehr breitbandig ist, sind die Lücken
im Spektrum weniger gravierend als im Fall von RGB-Leuchtdioden; damit ist auch die Farbwiedergabe
besser. Allerdings treten bei der Konversion des blauen Lichts zusätzliche Verluste auf, die sich
nachteilig auf den Wirkungsgrad der blauen Leuchtdiode auswirken.
Am Ende entscheidet der Preis
Die Lichtausbeute einer weißen Konversions- Leuchtdiode kann in punkto Effizienz zwar jetzt schon
mit Halogenlampen messen, aber noch nicht mit Leuchtstoffröhren. Auch der Herstellungspreis ist mit
ungefähr 10 Eurocent/lm noch nicht konkurrenzfähig. Einer der unbestreitbaren Vorzüge von
Glühlampen ist nämlich, dass sie mit 0,1 Eurocent/lm spottbillig sind.
Dessen ungeachtet sind auch weiße LED dabei, sich gegenüber gewöhnlichen Lampen zu
behaupten. Sie werden beispielsweise in Taschenlampen eingesetzt oder zur Hinterleuchtung von Flüssigkristallanzeigen
in Handys und Digitalkameras verwendet.
Die nächste Herausforderung besteht darin, weiße Frontscheinwerfer auf LED- Basis zu
entwickeln. Noch in diesem Jahrzehnt wollen die LED-Hersteller auf dem Markt der Autoscheinwerfer Fuß
fassen, wo wegen der engen Preismargen ein anderer Wind weht als in Nischenmärkten. Im nächsten
Jahrzehnt sollte der Preis für weiße LED dann so weit gefallen sein, dass man das eigentliche
Ziel in Angriff nehmen kann: Nach fast 150-jähriger Dominanz möchte man der Glühlampe das
ihr angestammte Gebiet der Raumbeleuchtung streitig machen.
