Technik kurz erklärt Die Entwicklung der LED-Leuchte

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In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir regelmäßig Meisterwerke der Konstruktion und besondere Entwicklungen vor. Heute: das LED-Leuchtmittel.

Es leuchtet und strahlt wohin das Auge auch blickt – rund um die Adventszeit und Weihnachten sind Vorgärten, Häuser, Wohnungen, Fenster, Schaufenster und Bäume aller Art stimmungsvoll geschmückt und illuminiert. Doch spätestens seit der – aktuell sehr bewusst wahrgenommenen – Energiekrise sollte der Fokus auf der Energieeffizienz liegen. Grund genug, die Entwicklung des energieeffizienten LED-Leuchtmittels unter die Lupe zu nehmen.

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Sie sind heute nicht mehr wegzudenken: Längst schon leuchten LEDs in fast allen Gerätedisplays, sorgen für ein helles Bild im Fernseher und machen unsere Räume hell. Die ersten Leuchtdioden wurden bereits in den 1950er Jahren erfunden und erweisen sich heute als enorm effizient und energiesparend.

Grundlage ihrer Leuchtkraft ist ein Halbleiterkristall mit spezieller Dotierung – also Fremdatomen im Kristall, die in einer Schicht für einen Elektronenüberschuss, in der anderen für einen Mangel – die sogenannten Löcher – sorgen. Fließt durch diese Halbleiter Strom, dann können sich die Elektronen mit den Löchern kombinieren und geben dabei Energie in Form von Licht ab. Das Halbleitermaterial bestimmt dabei, welche Wellenlänge das ausgesendete Licht hat – und damit auch, welche Farbe das Licht einer LED hat.

Die Geschichte der LED

• Die Geschichte der Leuchtdiode (LED) beginnt 1907: Der Engländer Henry Joseph Round entdeckt, dass anorganische Stoffe unter elektrischer Spannung leuchten können. Seine Erfindung veröffentlicht er in der Zeitschrift „Electrical World“. Da Round aber hauptsächlich mit der Entwicklung eines neuen Funkortungsverfahrens für die Seefahrt beschäftigt war, geriet seine Entdeckung zunächst wieder in Vergessenheit.

• 1921 widmet sich der Physiker Oleg Vladimirovich Losev erneut dem Phänomen. beobachtet diese Lichtemission erneut. Er vermutet darin die Umkehrung des Einstein’schen photoelektrischen Effektes und untersucht das Phänomen genauer.

• Der französische Physiker Georges Destriau entdeckte 1935 diesen Effekt an Zinksulfit und benannte ihn „Lossew-Licht“.

• 1951 wird mit der Entwicklung des Transistors, also eines stromverstärkenden Geräts auf Basis von Halbleitern, ein wichtiger Fortschritt erreicht in der Halbleiterphysik erreicht, da damit die Lichtemission erklärbar wird.

• Ab 1957 konzentrieren sie Wissenschaftler auf die Lichterzeugung durch Halbleiter, genauer gesagt auf Galliumarsenid und Galliumphosphid, welche die Lichtemissionen sichtlich erhöhten.

• 1962 kommt die erste rote LED (Typ GaAsP) kommt auf den Markt, entwickelt von dem Amerikaner Nick Holonyak. Diese Entwicklung gilt als Geburtsstunde der industriell gefertigten LED.

• Die Entwicklung der LED geht weiter und wird bunter. Dank verbesserter Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN) gibt es nun auch die Farben Grün, Orange und Gelb. Gleichzeitig verbessern sich Leistung und Effizienz, und so wird die LED-Technik schon dort angewendet, wo es auf einen geringen Energieverbrauch ankommt und keine allzu große Lichtausbeute nötig ist, beispielsweise bei der Instrumentenbeleuchtung im Auto.

Meilenstein: Die Entwicklung der blauen LED

Um die LEDs als effizientes Leuchtmittel einsetzen zu können, brauchte man weißes Licht. Doch trotz vieler Versuche gelang es zunächst nur, Licht längerer Wellenlänge zu erzeugen: rot, gelb und grün. So suchten Forscher in aller Welt nach Möglichkeiten, blaue und UV-LED zu produzieren. Um dies zu erreichen, musste die bei der Rekombination der Elektronen mit den Löchern abgegebene Energie besonders hoch sein. Das ist dann der Fall, wenn die sogenannte Bandlücke, der Energieunterschied zwischen den Zuständen der Elektronen, groß ist.

Auch die japanischen Wissenschaftler Isamu Akasaki und Hiroshi Amano von der Universität von Nagoya sowie Shuji Nakamura, Wissenschaftler bei dem kleinen Unternehmen Nichia Chemicals, arbeiteten daran – basierend auf Galliumnitrid, auf unterschiedlichen Wegen – aber mit Erfolg:

• Die Herstellung der benötigten Kristalle war ein Problem: Sie ließen sich mit den bisher gängigen Methoden nicht in der nötigen Qualität herstellen. 1986 dann gelang Akasaki und Amano der Durchbruch: Als sie eine Schicht von Aluminiumnitrid auf eine Saphiroberfläche auftrugen, ließen sich darauf die gesuchten Kristalle züchten. Durch einen Zufall entdeckten sie zwei Jahre später, dass die Bestrahlung des Kristalls mit einem Elektronenstrahl im Elektronenmikroskop genau die Dotierungen und Feinstrukturen und damit die p-Schicht schafft, die für blaues Licht nötig ist. 1992 schließlich präsentierten die beiden Forscher ihre erste blau leuchtende LED.

• Nakamura gelangte fast zur gleichen Zeit ans Ziel, wählte aber eine andere Methode: Er züchtete erst eine dünne Schicht Galliumnitrid, die er dann durch entsprechende Anpassung der Temperaturen immer dicker werden ließ. Statt eines Elektronenstrahls erhitzte er den Halbleiter, um ihm die gewünschten Eigenschaften zu verleihen und eine funktionsfähige p-Schicht zu erzeugen. Unabhängig von Akasaki und Amano gelang es ihm so ebenfalls, eine blaue LED zu erzeugen.

2014: Wissenschaftler erhalten Physik-Nobelpreis

Diese Erfindungen ebneten den Weg zu weißen, leistungsfähigen LEDS, denn weißes Licht kann jetzt mithilfe der blauen LEDs auf zwei Arten erzeugt werden:

• Entweder kombiniert man sie mit einer roten und grünen LED, so dass sich ihr Licht zu weiß ergänzt.

• Oder aber man nutzt nur die blaue LED und versieht sie mit einer Schicht aus Phosphor. Dieses wird durch das energiereiche Licht der LED angeregt und gibt dann rotes und grünes Licht ab – und ergänzt so das Spektrum des blauen Lichts zu weiß.

2014 erhalten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura für ihre Erfindungen den Nobelpreis: Nach Ansicht des Komitees in Stockholm ehrt der Preis im Geiste Alfred Nobels eine Erfindung von größtem Nutzen für die Menschheit – mithilfe von blauen LEDs lässt sich weißes Licht auf eine neuartige Art erzeugen. So lassen sich Lichtquellen bauen, die länger halten und effizienter sind als herkömmliche Leuchten wie zum Beispiel Glühbirnen.

Diese Vorteile haben LED-Leuchten

Knapp 10 Prozent der Jahres-Stromkosten im Haushalt entfallen auf die Beleuchtung. Es lohnt sich daher, beim Kauf von Lampen und Leuchten genauer hinzuschauen:

• LED-Leuchten verbrauchen 90 Prozent weniger Strom als herkömmliche Glühbirnen und 70 Prozent weniger als Halogenlampen.

• LED-Lampen sind zudem langlebig – bei einer täglichen Nutzung von drei Stunden erreichen hochwertige LEDs 25 Jahre Lebensdauer.

• LED-Lampen kosten zwar mehr in der Anschaffung als eine Halogenlampe, dank des wesentlich geringeren Energieverbrauches lohnt sich die Investition aber schon nach etwa einem Jahr.

• Trotz der hohen Leuchtkraft von LED-Leuchtmitteln entwickeln diese im Gegensatz zu Halogen- oder Glühlampen deutlich weniger Wärme. Während man z. B. eine Halogenlampe im Betrieb nicht anfassen sollte, da diese extrem heiß wird, sind Lampen mit LEDs meist kaum mehr als handwarm.

• LED-Leuchten kommen ohne hochgiftige Substanzen aus. LED-Lampen und auch Leuchten mit LED-Leuchtmitteln werden aufgrund der elektronischen Bauteile als Elektroschrott entsorgt und zunehmend wiederverwertet.

• Inzwischen stehen für alle Fassungen Retrofitlampen zur Verfügung.

• Vielfältig sind auch die Lichtfarben und Helligkeiten: 2.700 Kelvin: Lichtfarbe warm-weiß, 4.000 Kelvin: Lichtfarbe neutralweiß, 5.000 Kelvin: Lichtfarbe kaltweiß/tageslichtweiß.

LED-Leuchten und die EU-Ökodesign-Richtlinie

2009 hat die Europäische Union die Ökodesign-Richtlinie verabschiedet, die strengere Effizienzkriterien für eine ganze Palette von energieverbrauchsrelevanten Geräten und Produkten vorschreibt. Seitdem wurden in der EU schrittweise Glühbirnen und andere Leuchtmittel mit hohem Energieverbrauch vom Markt genommen. Seit dem 1.9.2018 dürfen auch bei Halogenlampen bis auf wenige Ausnahmen nur noch Rest- und Lagerbestände verkauft werden.

Seit 1. September 2021 dürfen bestimmte Leuchtmittelarten, insbesondere Energiesparlampen und ein paar Halogenlampen, aufgrund von EU-Anforderungen nicht mehr in Verkehr gebracht werden. Am 1. September 2023 folgen weitere Leuchtmittelarten.

Quellen:

www.nobelprize.org

www.licht.de

www.dpma.de

www.oeko.de

www.nobelprize.org

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