Licht & Displays Leuchtdioden
Ganz schön helle
Leuchtdioden sind wahre Tausendsassas: Sie leben lange, sparen Strom und liefern immer mehr Licht. In einigen Jahren könnten sie der Glühlampe Konkurrenz machen.
Breites Spektrum: Ob als Beleuchtung für die Glasfassade einer Halle des Hotels Weggis am Luzerner See (oben), wo 84 000 LED von Osram zum Einsatz kommen, oder als Anzeigelämpchen und Hinterleuchtungen (rechts) Leuchtdioden erschließen sich immer breitere Anwendungsfelder
Finster und kühl ist es in dem dunklen Raum. Dr. Norbert Stath knipst einen Schalter an, und die Umgebung scheint im Licht funkelnder Sterne zu erstrahlen. Plastikrosen werden von Hunderten von Lichtpünktchen erleuchtet, eine Lichtorgel spielt Töne und Farben, und ein Spielautomat lädt blinkend zum Zocken ein. Aber auch ernste Anwendungen gibt es im Showroom von Osram Opto Semiconductors in Regensburg. Zum Beispiel eine Ampel oder ein Notausgang-Schild. Stath, der Leiter des Innovationsmanagements, deutet auf diverse Auto-Heckleuchten. Phaeton, Maybach und andere illustre Name fallen. Alle Exponate hier haben eines gemeinsam: Sie werden von Leuchtdioden, kurz LED, erhellt. Die Stecknadelkopf kleinen Lämpchen sind uns bestens vertraut. Sie sagen uns, welches Waschprogramm eingestellt ist, ob der Airbag im Auto funktioniert und sie sorgen in Fahrradscheinwerfern auch im Stehen für Sicherheit. In Zukunft sollen die winzigen Stars aber zunehmend auch dort zum Einsatz kommen, wo heute Glühlampen oder Leuchtstoffröhren ihre Arbeit verrichten: Als Frontscheinwerfer in Autos, als Blitzlicht in Handy-Kameras oder als Beleuchtung im Wohnzimmer.
Zweistellige Wachstumsraten prophezeien die Marktforscher den Opto-Halbleitern. Dr. Wolf-Dieter Bopst, Vorsitzender der Geschäftsführung bei Osram, beziffert den Gesamtmarkt fürs Jahr 2007 auf etwa 7 Mrd. . Diese exzellenten Aussichten waren ein Grund dafür, dass Osram im April 2003 bei Regensburg die modernste Optochip-Fabrik der Welt eröffnete. Damit kann Osram bis 2005 seine Produktionskapazität für Opto-Halbleiter glatt verdoppeln.
Bis Leuchtdioden aber zum Universalleuchtmittel aufsteigen, haben die Forscher und Entwickler noch einige Arbeit vor sich. Während die Lebensdauer bei roten LED mit bis zu 100 000 Stunden Spitze ist (Glühbirne: 1 000 Stunden), reicht ihre Helligkeit für viele Anwendungen noch nicht aus. Vor allem die begehrten weißen LED, die über zusätzliche Leuchtstoffe aus blauem Licht gelbes und in der Summe weißes Licht zaubern, hinken klassischen Leuchtmitteln noch hinterher.
LED für Olympia. Bei großen Displays für Reklametafeln und Sportstadien sind LED bereits konkurrenzlos. Ihr Stromverbrauch ist moderat und die Wärmeerzeugung daher gering. Die LED für die einzelnen Bildpixel können unabhängig voneinander angesteuert werden, der Bildschirm lässt sich daher in jede Richtung biegen oder sogar um die Ecke bauen. Die Ausrichter der Olympischen Spiele 2008 in Peking planen hunderte Quadratmeter große LED-Bildschirme auf den Außenwänden der Stadien, auf denen die Wettkämpfe übertragen werden sollen. Von den drei Grundfarben rot, grün und blau bereiten derzeit allerdings noch die grünen LED wegen ihres geringen Wirkungsgrades Sorgen.
Die Entwickler verfolgen mehrere Strategien, um die Lichtausbeute zu erhöhen:
Chipmaterial: Durch optimierte Herstellungsprozesse sollen die Materialeigenschaften besser gesteuert und Materialdefekte vermieden werden. Wichtig ist die gezielte Dotierung der Halbleiter mit Fremdatomen. Wenn im Halbleiter ein Elektron und ein Loch rekombinieren, wird Licht ausgesandt. Ist die Dotierung aber nicht optimal, gehen viele Elektronen für die Lichtumwandlung verloren, weil sie von den falschen Atomen eingefangen werden. Der Quantenwirkungsgrad die Ausbeute bei der Umwandlung von Elektronen in Photonen , liegt heute je nach Wellenlänge bei 15 bis 30 % und soll in Richtung 50 % gesteigert werden. Ein höherer Quantenwirkungsgrad würde zudem die Wärmeverluste verringern, die bei dicht gepackten LED etwa in Heckleuchten zu Hitzeproblemen führen können. Ein Hitzestau wiederum lässt den Wirkungsgrad im Halbleiter sinken eine Katze, die sich in den Schwanz beißt.
Chipdesign: Mit bloßem Auge erscheinen LED als Klötzchen mit wenigen Zehntel Millimeter Kantenlänge schaut man mit dem Mikroskop genauer hin, erkennt man jedoch fein strukturierte Gebilde. Mit teils bizarren Formen wie einer auf der Spitze stehenden Pyramide versucht man, die Lichtausbeute zu erhöhen. Denn nur ein kleiner Teil der Lichtphotonen schafft den Weg aus dem Halbleiter, weil dieser eine hohe Brechzahl von teilweise über drei hat, was an den Grenzflächen den Anteil der Totalreflexion erhöht (siehe Grafik am Ende des Beitrags): Licht, das schräg aus dem Chip heraus möchte, wird ins Innere zurück reflektiert, wo es schließlich absorbiert wird ähnlich dem Licht einer Taucherlampe, mit der man in flachem Winkel von unten gegen die Wasseroberfläche leuchtet. Ein Durchbruch gelang Osram vor zwei Jahren: Normalerweise wachsen die leuchtaktiven Halbleiterschichten auf einem Substrat aus Galliumarsenid, Siliziumkarbid oder Saphir, das der fertigen LED als Trägermaterial dient. Die Osram-Forscher entfernten dagegen das lichtschluckende Substrat und brachten einen Metallfilm auf, der zur Befestigung auf einem Fremdsubstrat und zugleich als Spiegel diente. "Mit dieser Dünnfilmtechnologie haben wir mit einem Schlag die Lichtausbeute verdoppelt", schwärmt Norbert Stath.
Gehäusedesign: Verluste entstehen auch an der Grenze zum Vergussmaterial aus Kunststoff. Der hat eine Brechzahl von 1,5, also nur etwa die Hälfte der des Halbleiters. Die Brechzahlen sollten sich aber möglichst wenig unterscheiden, weil dann die Totalreflexion abnimmt schon eine geringe Erhöhung der Brechzahl des Vergussmaterials würde also den Lichtaustritt merklich verbessern.
Viel effizienter als Glühbirnen. Wenn alle Maßnahmen greifen, müssten in zehn Jahren weiße LED mit einer Lichtausbeute von 100 lm/W machbar sein. Die besten LED schafften bisher 25 bis 30 lm/W, doch die neue Golden Dragon von Osram erreicht bis zu 40 lm/W bei 50 000 Stunden Lebensdauer. 2005 werden sogar Exemplare mit 50 lm/W auf den Markt kommen, verspricht Stath. Verglichen damit ist eine Glühlampe mit 12 lm/W und einem Wirkungsgrad von 5 % bloß eine Heizung, die noch ein bisschen leuchtet. Laut Theorie dürfte die physikalische Obergrenze erst bei 200 lm/W erreicht sein. "Die Praxis wird aber wohl hinter diesem Wert zurückbleiben", vermutet Stath.
Das Moore'sche Gesetz der Leuchtdioden
Leuchtdioden eignen sich nicht nur für Spezialanwendungen. Sowohl bei der Lichtleistung wie bei den Kosten nähern sich LED den Bereichen (gelb markiert), in denen Lampen mit Leuchtdioden den konventionellen Beleuchtungen Konkurrenz machen könnten (Lumen gibt die von einer Lichtquelle in alle Richtungen abgestrahlte Leistung an, gewichtet mit der Empfindlichkeit des menschlichen Auges)
Quelle für beide Grafiken: Roland Haitz, Vortrag vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, März 2003
Eine besonders heiße Spur sind Leistungslaserdioden. Sie besitzen zusätzlich einen optischen Resonator, in dem sich das Licht zu extremer Intensität aufschaukelt. Für Infrarotlicht gibt es bereits Labormuster von Osram, die in einem circa ein mal zehn Millimeter kleinen Stäbchen bei etwa 50 % Wirkungsgrad im kontinuierlichen Betrieb eine optische Leistung von 80 W erzeugen und deshalb mit Wasser gekühlt werden müssen. Die Firma Continental Temic hat mit derartigen Pulslasern ein Abstandskontrollsystem für Autos entwickelt, das günstiger ist als die Radar-gestützten Varianten. "Man kann mit Infrarot-Lasern auch die Fahrbahn ausleuchten und mit einem Nachtsichtgerät die Nacht zum Tag machen", sagt Stath.
Mit infrarotem Licht wollen sich die Osram-Forscher aber nicht zufrieden geben. Sie möchten die extreme Lichtausbeute der Leistungslaser auch für sichtbare Wellenlängen nutzen, vor allem für blaues und grünes Licht. Dazu experimentieren sie mit optischen Kristallen, die aus 3 W Infrarotlicht 0,5 W sichtbares Licht erzeugen. Im Labor funktioniere das schon, sagt Stath, an der Miniaturisierung werde gearbeitet. Bei Erfolg könnten diese Laser in der Projektionstechnik breite Anwendung finden. So könnte das vor Jahren hochgelobte, inzwischen aber totgesagte Laser-TV doch noch ein Renner werden. Statt großer und teurer Feststofflaser kämen kleine Halbleiterlaser zum Einsatz und der Weg zum Großbild-Projektionsfernseher stünde offen.
Entwicklung wie bei Mikrochips. Roland Haitz, früherer LED-Forscher bei Agilent, hat analog zum Moore'schen Gesetz bei Mikrochips errechnet, dass die Lichtausbeute bei roten LED seit Ende der 1960er Jahre alle zehn Jahre um das 20-fache steigt, wobei das Tempo in den letzten Jahren noch zugenommen hat. Gleichzeitig sinkt der Preis pro Lumen jede Dekade auf ein Zehntel.
Für weiße LED verläuft der Trend ähnlich (siehe Grafik oben): Um 2015 kämen nach Haitz' Prognosen weiße Leuchtdioden in Preis- und Leistungsregionen, die für Beleuchtungszwecke attraktiv sind. Kalkuliert man die weit höhere Lebensdauer und den geringeren Stromverbrauch ein, würde sich die LED-Birne schon Ende dieses Jahrzehnts rechnen. Eine 75-W-Glühbirne hat etwa 900 Lumen, das erreicht man mit weißen LED-Lampen etwa 2006, wobei diese jedoch nur 25 W elektrische Leistung benötigen. Um 2020 könnten Lampen mit gebündelten LED dann bis zu 100 000 Lumen erreichen und damit laut Haitz auch Einsatzgebiete wie die Stadionbeleuchtung attackieren.
Ihm geht das alles dennoch zu langsam. Haitz fordert die Regierungen der Industrienationen auf, mehr Geld in die LED-Entwicklung zu stecken. Sein Argument: Allein in den USA ließen sich durch den Austausch aller konventionellen Leuchtmittel gegen LED 40 große Kraftwerke einsparen. "Ich bin überzeugt, dass LED die Beleuchtung revolutionieren und zur dominanten Lichtquelle werden", sagt er.
LED im Speisesaal. Viele Branchen entdecken erst jetzt die Möglichkeiten der Leuchtdioden. Möbeldesigner und Architekten setzen LED zur Akzent- und Markierungsbeleuchtung und für Lichteffekte ein wie im Parkhotel im schweizerischen Weggis. Dort illuminieren 84 000 rote, grüne und blaue Leuchtdioden die gefrosteten Glaswände des Speisesaals und sorgen für wechselnde Lichtstimmungen.
Neue Freiheiten beim Design sind neben der Haltbarkeit auch für die Autobauer interessant. 700 Millionen LED verbaut allein Siemens VDO pro Jahr als Cockpitbeleuchtung in Autos. 320 LED glimmen in jedem Audi A8. Der Trend gehe allerdings weg von vollgesättigten Farben wie dem Volkswagen-Blau oder dem BMW-Orange und hin zu Mischfarben oder gar zu Weiß wie in der neuen Mercedes E-Klasse, beobachtet Dr. Heinrich Noll, Abteilungsleiter Optik/Lichttechnik bei Siemens VDO. Augenärzte vermuten, dass Licht mit einer breiten Wellenlängenverteilung wie bei Weiß das Auge weniger ermüdet.
Als nächstes dürften die in Japan beliebten Black-Panel-Displays Europa erobern. Erst beim Anlassen scheinen die LED von hinten durch die schwarze Scheibe des Cockpits. Dazu braucht man besonders helle LED. Auch in Head-up-Displays, die erstmals im neuen 5er-BMW Informationen in die Windschutzscheibe spiegeln, leuchten sehr helle LED. Siemens VDO hat auch Cockpits vorgestellt, bei denen der Fahrer seine Lieblingsfarbe selbst wählen kann. "Wenn der Kraftstoff zur Neige geht, könnte der Tankzeiger seine Farbe von grün auf rot ändern", schwärmt Noll.
LED-Lok: Siemens hat fuuml;r die Europalokomotive BR 189 einen Scheinwerfer mit über 400 LED entwickelt, der unterschiedlichste Lichtbilder erzeugen kann
Scheinwerfer mit LED. Größte Herausforderung am Auto sind die Frontscheinwerfer. "Wir rechnen noch in diesem Jahrzehnt mit dem futuristischen LED-Licht auf der Straße", sagt Osram-Chef Wolf-Dieter Bopst. Davon wären nicht nur Designer begeistert, auch die Ingenieure könnten die Fahrbahn viel exakter ausleuchten und bei adaptiven Scheinwerfern das Licht leichter in die Kurve schwenken lassen. An anderer Stelle werden weiße LED schon heute in Scheinwerfern eingesetzt, z.B. in der Siemens-Europalokomotive der Baureihe 189. Weil die Lok in 14 Ländern Europas fahren soll, muss sie auch die unterschiedlichen Richtlinien bei der Beleuchtung befolgen. Das Dreilichtspitzensignal muss je nach Land und Fahrzustand (Vorwärts, Rückwärts, Rangieren und ähnliche) viele Muster in verschiedenen Farben, teils mit Blinkfunktion, abbilden. "In jedem unserer Scheinwerfer stecken 248 weiße, 66 grüne und 102 rote LED mit großer Helligkeit", sagt Christian Thoma, Projektleiter bei Siemens Transportation Systems.
Doch auch wenn alle technischen Hürden überwindbar erscheinen, werden Glühlampe, Leuchtstoffröhre und Co. noch lange nicht vom Markt verschwinden. "LED werden sich langsam hochdienen müssen", glaubt Norbert Stath. Dort wo die Vorteile der LED kleine Abmessungen, Farbe, Langlebigkeit ins Gewicht fallen, wird sie sich schneller durchsetzen. Die Glühlampe, von der weltweit jedes Jahr 15 Milliarden Stück verkauft werden, wird sie noch lange nicht verdrängen. Ein kleiner Trost: Auch die Glühlampe hat sich noch nicht wirklich durchgesetzt: Jedes Jahr werden allein in Deutschland noch 114 000 Tonnen Kerzen verkauft.
Bernd Müller
Der Weg des Lichts aus einer Leuchtdiode
In konventionellen LED gelingt es nur wenigen Photonen, nach oben zu entkommen. Viele werden reflektiert oder im Substrat absorbiert. Ein Ausweg: Ein spiegelnder Metallfilm unter der aktiven Schicht verdoppelt die Lichtausbeute auf 50 lm/W (rechts)
