Einbauen und Vergessen

Gelb blinkende, in den Boden an der Bahnsteigkante eingelassene Signalleuchten warnen Fahrgäste der U-Bahn in der schwedischen Hauptstadt Stockholm vor einem einfahrenden Zug. Unter den Markierungslampen verbergen sich Leuchtdioden – wenige Quadratmillimeter kleine Lämpchen aus halbleitenden Materialien, die elektrischen Strom direkt in Licht verwandeln. Sie ersetzen seit letztem Sommer an immer mehr Stockholmer Bahnhöfen die Halogenlampen. Deren Wartungsaufwand war den U-Bahn-Betreibern zu hoch: Jedes Jahr verschlissen mehrere hundert Lampen. Leuchtdioden (LED: „Licht emittierende Dioden”) dagegen bestechen durch eine enorme Robustheit und Langlebigkeit. Je nach Farbe und Umgebungsbedingungen halten die Winzlinge bis zu 100000 Stunden durch. Bei einem Betrieb rund um die Uhr würde eine LED also bis zu elf Jahre lang leuchten. Die herkömmlichen Glühbirnen machen dagegen schon nach 1000 bis 2000 Betriebsstunden schlapp. Auch häufiges Ein- und Ausschalten schadet einer LED nicht. Ein weiterer Vorteil der Leuchtdioden: Sie gehen weitaus sparsamer und effizienter mit Energie um als Glühlampen, die rund 95 Prozent des elektrischen Stroms schlicht in Wärme verwandeln. „ Bisher werden Leuchtdioden vor allem dort eingesetzt, wo wenig Platz vorhanden ist und ein häufiges Wechseln umständlich und teuer wäre”, sagt Wolfgang Schnabel, Produktmarketing-Manager für Industrieanwendungen bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg. Daher haben sich die langlebigen Leuchtzwerge zunächst bei Anzeigenlämpchen von Hi-Fi-Anlagen und Industriemaschinen durchgesetzt. Auch die meisten Displays von Mobiltelefonen, Organizern und Navigationssystemen werden von Leuchtdioden erhellt. „Der wichtigste Treiber hinter der Entwicklung der Leuchtdioden ist jedoch die Automobilindustrie”, berichtet Schnabel. So begannen zunächst BMW und Audi, ihre Armaturen mit LEDs zu beleuchten. Heute leuchten auch hinter der Tachoscheibe von VW Passat, Beetle und Lupo blaue LEDs. Im Armaturenbrett des Audi TT als erstem Fahrzeugmodell debütierten schließlich auch weiße Dioden. Auf sie mussten die Lichtdesigner lange warten. Denn über zwei Jahrzehnte lang standen ihnen nur rote, gelbe und grüne LEDs zur Verfügung. Erst seit Mitte der neunziger Jahre gibt es eine leistungsfähige blaue Variante – die Voraussetzung, um den Halbleiter-Lämpchen heute auch weißes Licht zu entlocken (siehe Kasten „Wege zum weißen Licht”). Die LEDs gewinnen im Automobilbau immer weiter an Boden. Sie verbergen sich bei den meisten Fahrzeugen in den hoch gestellten dritten Bremsleuchten und werden mehr und mehr auch in Blinkern und Haupt-Bremsleuchten eingesetzt. Da sie ihre volle Helligkeit schneller erreichen als Glühbirnen, können Leuchtdioden in den Bremslichtern Auffahrunfälle vermeiden helfen. Im neuen 7er BMW speisen rote LEDs erstmals die Rücklichter. „Und bis 2010 werden Prototypen von Frontscheinwerfern mit weißen LEDs in den ersten Autos sein”, prophezeit Wolfgang Schnabel. Zuvor aber müssen die Leuchtdioden deutlich heller werden. Bislang erreichen sie eine Lichtausbeute von rund 20 bis 30 Lumen. Für einen Pkw-Frontscheinwerfer wären aber 1000 Lumen erforderlich. Ähnlich düster sind momentan die Aussichten bei der Beleuchtung von Innenräumen: Um mit Leuchtstoffröhren mithalten zu können, muss die Lichtausbeute der LEDs mindestens auf das Fünffache gesteigert werden. Auch der Preis ist für den Einsatz in Wohnungen oder Büros noch viel zu hoch: So kostet das Licht einer weißen LED mit rund 50 Cent pro Lumen derzeit etwa 500-mal mehr als das Licht einer Glühbirne. Allerdings sind die Preise der Leuchtdioden seit Jahren im Sinkflug, und ihre Lichtleistung hat sich seit Ende der sechziger Jahre alle 18 bis 24 Monate verdoppelt. George Craford, Leiter der Technologieabteilung bei Lumileds Lighting in San Jose, Kalifornien, ist daher zuversichtlich: Weiße LEDs sollen in fünf bis zehn Jahren mit herkömmlichen Lichtquellen konkurrieren können. Entscheidend für eine Kostenreduzierung: „Es geht vor allem darum, die Menge an Licht, die aus der LED ausgekoppelt wird, zu erhöhen”, erklärt Dr. Klaus Streubel, Senior Manager bei Osram Opto Semiconductors. Zwar wird in der leuchtenden Schicht einer LED rund 90 Prozent der zugeführten elektrischen Energie in Licht verwandelt, doch gelangen davon ohne technische Tricks nur etwa zwei Prozent aus dem Material nach außen. Denn wegen der sehr unterschiedlichen Brechzahlen von Halbleitermaterial und Luft wird das meiste Licht unter der Oberfläche ins Innere der Leuchtdiode reflektiert. Zusätzlich schluckt das lichtundurchlässige Substratmaterial, auf dem die LEDs gefertigt werden, einen Großteil der erzeugten Lichts. Die Osram-Entwickler setzen auf eine komplexe Strukturierung der Leuchtdioden-Oberfläche und bringen zudem nachträglich einen dünnen Metallspiegel an Stelle der Substratschicht in die LED ein. Auf diese Weise lassen sich einer Leuchtdiode rund 40 Prozent des erzeugten Lichts entlocken. „Eine dieser roten LEDs bringt es heute auf 50 bis 60 Lumen pro Watt. Im Labor sind sogar doppelt so hohe Werte möglich”, berichtet Streubel. Weiße Leuchtdioden könnten dieser Entwicklung bei der Lichtausbeute in den nächsten Jahren folgen. Ob sie dann eine Chance haben werden, Glühbirnen und Leuchtstoffröhren bei der Raumbeleuchtung zu verdrängen, ist trotzdem offen. Wolfgang Schnabel von Osram jedenfalls glaubt nicht daran. Er sieht die Chance der LEDs weiterhin vor allem in Nischenmärkten: zum Beispiel als Designerlampen zur Beleuchtung exquisiter Möbelstücke, als Notbeleuchtung in Kinos und Konzertsälen, als Ersatz für die Lampen in PC-Scannern und zum Belichten des Toners in LED-Druckern. Leuchtende Löcher und Elektronen Herkömmliche anorganische Leuchtdioden bestehen aus mehreren Schichten von Halbleiterverbindungen. Das Licht entsteht im Grenzbereich einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Die n-dotierte Schicht ist durch eingefügte Fremdatome so präpariert, dass ein Überschuss an Elektronen herrscht. Die p-dotierte Schicht dagegen enthält zu wenige dieser Ladungsträger – an den Stellen der fehlenden Elektronen befinden sich „Löcher”. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung mit Minuspol am n-dotierten und Pluspol am p-dotierten Material bewegen sich Elektronen und Löcher aufeinander zu und vereinigen sich an der Grenze beider Schichten. Das Resultat: Licht wird ausgesandt. Ein Strom von wenigen Milliampere reicht aus, um die Diode zum Leuchten zu bringen. Das entstehende Licht hat eine bestimmte Farbe, die vom verwendeten Material und dessen genauer Zusammensetzung abhängt. Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid (InGaAlP) bildet die Basis für rot, orange oder gelb leuchtende Dioden, Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) liefert grünes oder blaues Licht. Eine technologische Alternative zu den anorganischen Leuchtdioden sind die organischen Leuchtdioden (OLED). Sie bestehen aus extrem dünnen Schichten organischer Moleküle – zum Beispiel aus Polyphenylvinylenen oder Polyfluorenen. Über die elektrischen Kontakte werden Elektronen und Löcher injiziert, die bei ihrer Vereinigung Licht aussenden. Wege zum weissen Licht Jede Leuchtdiode (LED) sendet ausschließlich Licht einer bestimmten Farbe aus. Um die begehrten weiß leuchtenden LEDs herzustellen, muss Licht so gemischt oder durch zusätzliche Materialien verändert werden, dass es einen möglichst breiten Bereich des sichtbaren Farbspektrums abdeckt. Dazu werden drei verschiedene technische Verfahren eingesetzt: In den meisten heute benutzten weißen Leuchtdioden verbirgt sich als Lichtquelle eine blau leuchtende LED. Deren Oberfläche ist mit einem Leuchtstoff – oft schlicht als „Phosphor” bezeichnet – beschichtet, der einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht verwandelt. Durch die Überlagerung von blauen und gelben Lichtanteilen entsteht das weiße Leuchten. Der Vorteil dieses Verfahrens: Weiß leuchtende LEDs lassen sich auf diese Weise einfach und preisgünstiger in Massenfertigung herstellen. Der Nachteil: Dem weißen Licht fehlen grüne und rote Farbanteile. Es wirkt daher leicht bläulich, seine Farbwiedergabe ist vergleichsweise schlecht. Damit angestrahlte Objekte erscheinen nicht in derselben Lichtfarbe wie bei Tageslicht. Eine deutlich bessere Farbwiedergabe versprechen weiße Leuchtdioden, die statt einer blauen eine ultraviolett strahlende Diode als Lichtquelle enthalten. Deren Strahlung, die für das menschliche Auge unsichtbar ist, lässt sich durch drei Farbstoffe in rotes, grünes und blaues Licht verwandeln. Die Mischung dieser drei Farben ergibt einen Weißton, der dem Tageslicht sehr nahe kommt. Der Nachteil: Mit jeder Verschiebung der Lichtfarbe geht Energie verloren. Eine dreifach beschichtete LED wandelt deshalb die zugeführte elektrische Energie deutlich weniger effizient um als ihr Pendant mit nur einem Farbstoff. Außerdem schädigt das energiereiche UV-Licht die Materialien im Gehäuse der Diode. Deren Lebensdauer ist daher relativ kurz. UV-Licht-gespeiste weiße Leuchtdioden sind auch aus diesem Grund noch im Laborstadium. Die dritte Variante sind Leuchtdioden, die von vornherein aus einer Kombination dreier einzelner LEDs bestehen: je einer roten, grünen und blauen. Da keine Farbstoffe benötigt werden, lässt sich auf diese Weise die höchste Lichtausbeute erreichen. Allerdings ist auch der technische Aufwand groß: Die drei kombinierten LEDs sitzen auf separaten Chips. Jeden von ihnen müssen die Ingenieure mit einer separaten elektronischen Regelung versehen, da die drei LEDs mit unterschiedlichen Betriebsspannungen arbeiten. Dieser Aufwand macht solche Leuchtdioden teuer. Sie werden daher kaum zum Erzeugen von weißem Licht verwendet, sondern vor allem dort, wo durch Mischen der drei Grundfarben ein Licht mit beliebiger, veränderlicher Farbe erzeugt werden soll.

Ralf Butscher