Das ist die Lichtquelle der nächsten Generation
Leuchtdioden werden nicht nur Räume erhellen, sondern Tapeten zum Leuchten und das Fernsehen auf die Folie bringen
Die Glühbirne ist eine Jahrhunderterfindung. Sie ist so bedeutend wie das Rad oder der Buchdruck. Kein Haushalt kommt heutzutage ohne sie aus. Trotzdem wird sie langsam in den Schatten gestellt – von Leuchtdioden.
Diese "lichtemittierenden Dioden" (LEDs) tauchten vor rund 30 Jahren zunächst als unscheinbare Funktionslämpchen in elektronischen Geräten auf. Mittlerweile existieren blaue, grüne, gelbe, rote sowie weiße LEDs und auch nahezu jede Farbnuance dazwischen. Sie dienen als Lichtquellen in Auto-Scheinwerfern, Anzeigetafeln, als Taschen- oder Fahrradlampen oder CD-Laser. Experten sind sich einig, dass dies erst der Anfang sein wird.
Die technischen Daten der kleinen Dioden beeindrucken: Bis zu 60 Prozent der eingespeisten Energie wandeln sie schon in flimmerfreies Licht um. Mehr als 50 000 Stunden können sie leuchten.
Sie benötigen wenig Platz und können überall dort leicht eingebaut werden, wo Beleuchtung aus Platzgründen bislang schwierig war, etwa als Kachel an dünnen Wänden. Erschütterungen bereiten ihnen keine Probleme, denn sie besitzen keinen Hohlkörper. So wie die Glühbirne.
Glühbirnen sind Energieverschwender
Die Birne leuchtet, weil in ihr ein Wolframdraht erhitzt wird. Dabei setzt die Birne aber weniger als 10 Prozent der eingesetzten Energie in Licht um, mehr als 90 Prozent verpuffen als Wärme. Ein äußerst schlechter Wirkungsgrad, zumal bei einer Nutzungsdauer von gerade einmal 1000 bis 2000 Stunden – vorausgesetzt der Glühfaden reißt nicht vorher.
Osram ist weltweit einer der drei führenden Leuchtmittelhersteller. Mehr als die Hälfte des Umsatzes macht das Unternehmen aus München mit Glühbirnen, Halogen- und Energiesparlampen. Noch: "LEDs sind für uns definitiv ein wichtiges Zukunftsthema", sagt Sprecher Markus Rademacher.
Bereits 11 Prozent – Tendenz steigend – beträgt der Anteil der Halbleitertechnik am Umsatz des Unternehmens. Für die Herstellung dieser Technologie hat Osram in Regensburg eine der modernsten Fertigungsanlagen der Welt errichtet.
Ist für die Industrie der Abschied von der Glühbirne zu Gunsten der Leuchtdiode womöglich beschlossene Sache? Nein, sagt Rademacher, dafür sei die Halbleiter-Produktion noch zu teuer: Eine LED koste immer noch zehnmal mehr als eine Glühbirne.
"Außerdem hieß es bereits damals zur Einführung von Energiespar- oder Halogenlampen, sie würden jeweils die Glühbirne ablösen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit ihnen zusätzliche Anwendungen erschlossen werden konnten. Das erwarte ich auch mit Fortentwicklung der Dioden", sagt Rademacher.
Spezialisten für diese Technologie forschen an der Technischen Universität (TU) Braunschweig. Professor Andreas Hangleiter, Leiter des TU-Institutes für Angewandte Physik, ist einer von ihnen. Er untersucht in erster Linie, warum Dioden überhaupt leuchten. Für die Wissenschaft ist dieses Phänomen längst noch nicht abschließend geklärt.
Vom Erfolg der LEDs ist Hangleiter überzeugt: Ihre Lichtleistung verdoppele sich gegenwärtig nahezu alle zwei Jahre. In punkto Effizienz überträfen die Dioden mittlerweile Halogenlampen und würden ähnlich wenig wie moderne Energiesparlampen verbrauchen. "Wir arbeiten massiv daran, ihren Wirkungsgrad zu steigern", so Hangleiter. Denn bis jetzt gehe auch bei der Leuchtdiode ein großer Teil der Energie in Wärme verloren. Außerdem nehme ihre Leuchtkraft mit Nutzungsdauer ab.
Trotzdem gehöre LEDs die Zukunft, vor allem auf dem Beleuchtungsmarkt: "Ich erwarte, dass sie in den nächsten zwei Jahren in unsere Haushalte Einzug halten und die Glühbirnen langsam ablösen werden", ist sich der Physiker sicher.
Bei Verkehrsampeln sei dies längst der Fall. Hangleiter: "Dioden sind dort unschlagbar. Sie sparen nicht nur Kosten ein, weil sie weitaus weniger Energie als herkömmliche Lampen benötigen. Wegen ihrer hohen Lebensdauer ist ihr Wartungsaufwand im Gegensatz zu herkömmlichen Ampel-Leuchtmitteln ist weitaus geringer."
LEDs werden aber mehr als nur Licht spenden, da ist Hangleiter sicher. UV-Leuchtdioden könnten künftig zur Wasseraufbereitung, zur Reinigung von Luft und sogar zum Nachweis von biologischen Kampfstoffen eingesetzt werden.
Hangleiter arbeitet mit dem Halbleiter-Material Galliumnitrid, das als Schicht auf einen Saphir-Kristall aufgetragen wird. Diese können maximal 10 Zentimeter groß geschnitten werden, deshalb eignen sich die Galliumnitrid-LEDs vor allem als Punktbeleuchtung. Professor Wolfgang Kowalsky, Leiter des TU-Institutes für Hochfrequenztechnik, entwickelt dagegen OLEDs – organische Leuchtdioden, die vor allem als Flächenstrahler geeignet sind.
Sie bestehen aus extrem dünnen Schichten, ähnlich wie Plastikfolien, die direkt aus elektrischem Strom Licht erzeugen, ohne dabei merklich Wärme zu produzieren. Aus ihnen lassen sich flache, flexible Leuchtkörper herstellen. Der größte Anwendungsmarkt für OLEDs sind derzeit Displays von Mobiltelefonen.
Kowalsky rechnet damit, dass Leuchtfolien bald nicht nur vermehrt in Laptops oder Klein-Computern eingesetzt werden, sondern auch LCD-Fernseher ablösen. Denn sie bräuchten für mehr Licht viel weniger Strom und brächten aus jedem Betrachtungswinkel einen brillanten Farbeindruck.
Die OLED-Forschung wird in Deutschland stark gefördert. Unter Leitung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung haben sich zahlreiche deutsche Firmen und Universitäten zu einer Initiative zusammengeschlossen, die mit mehreren hundert Millionen Euro gefördert wird. Darunter sind beispielsweise Osram und die TU Braunschweig. Ziel ist es, OLEDs als Beleuchtungsmittel zur Marktreife hin zu entwickeln.
Auf Knopfdruck ändert die Tapete bald ihre Farbe
Kowalsky ist zuversichtlich: "Diese Halbleiter werden den Beleuchtungsmarkt revolutionieren. Sie könnten in die Tapete integriert werden, so dass man auf Knopfdruck im Raum die Farbe oder Stimmung verändern könnte."
Der Elektrotechnik-Ingenieur forscht an durchsichtigen Displays. Neuartige Fahrerassistenzsysteme seien damit möglich: "OLEDs könnten den Autofahrern Warnhinweise auf der Windschutzscheibe anzeigen. Man könnte auch auf einer Fensterscheibe tagsüber nach draußen schauen – und abends darauf das Fernseh-Programm."
Halbleiter-Materialien der nächsten Generation entwickelt Professor Andreas Waag, Leiter des TU-Institutes für Halbleitertechnik. Er möchte die Vorteile der LED- und der OLED-Technologie vereinen. "LEDs haben eine lange Lebensdauer und sind hell. Für die Herstellung von großen Flächen ist das zugrunde liegende Material Galliumnitrid aber zu teuer. OLEDs sind preiswert und flexibel, aber nicht so hell und langlebig."
Der Physiker setzt auf Zinkoxid. Dieses Material ist nichts Neues: Jährlich werden davon weltweit rund hunderttausend Tonnen verbraucht. Zinkoxid wird etwa bei der Vulkanisierung von Autoreifen benutzt oder dient als UV-Blocker in Sonnenschutzcremes.
Der große Vorteil dieses günstigen Halbleiters sei, so Waag, dass seine Herstellung bereits bei niedrigen Temperaturen möglich sei und somit Kunststoffe verkleidet werden könnten. "Zinkoxid ist so transparent wie OLEDs. Wir können damit günstige, durchsichtige Displays bauen. Möglicherweise wird auch die Zeitung der Zukunft auf so einer biegbaren Folie erscheinen."
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