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Lichttechnik: Physik-Nobelpreis für blaue LED

Der Nobelpreis für Physik 2014 geht an drei Wissenschaftler aus Japan: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Huji Nakamura wurden für die Entwicklung blaues Licht emittierender Leuchtdioden ausgezeichnet. Sie sind Voraussetzung für LED-Scheinwerfer, wie es sie demnächst auch in Lkw, Bussen und Transportern geben dürfte.

Die Forschungsarbeit der drei Wissenschaftler  ermöglichen Leuchtdioden, die helles, blaues und vor allem energiesparendes Licht aussenden. Laut dem Komitee der königlich-Schwedischen-Akademie der Wissenschaften honoriert der Preis, der im Geiste Alfred Nobels jährlich verliehen wird, eine Erfindung oder Entwicklung, "die sich für die Menschheit als großer Vorteil erweist".

Effizienter und länger haltbar

Mit dem Einsatz von blauen LED lasse sich auf neue Art weißes Licht erzeugen. Die LED-Technologie biete eine länger haltbare und wesentlich effizientere Alternative zu älteren Lichtquellen wie Halogen- oder Gasentladungslampen. Dotiert ist der vom Nobelkomitee der Wissenschaften vergebene Preis für Physik mit insgesamt umgerechnet 880.000 Euro. Die Bekanntgabe fand am 7. Oktober im Rahmen einer Pressekonferenz im Gebäude der Akademie der Wissenschaften in Stockholm statt.

Einsatz als Hauptlicht im Fahrzeug

Ihr Licht strahlt in Rot, Orange, Grün und seit geraumer Zeit auch in Blau sowie in Weiß. Damit eignen sich LED (Light Emitting Diodes) nicht mehr nur für Schluss- und Bremslichter oder die Beleuchtung von Fahrzeuginnenräumen und Armaturen, sondern inzwischen auch für den Einsatz als Hauptlicht. In absehbarer Zeit wird sie auch im Lkw, Bus und Transporter Halogen- und Xenon-Lampen ersetzen.

Die Technologie erlebt einen rasanten Aufschwung

Seitdem der US-Konzern General Electric im Jahr 1962 die kleinen Dioden erstmals in großem Stil nutzte, erlebte die LED-Technik einen rasanten Aufschwung. Bis heute hat sich die Effektivität von LED jedes Jahrzehnt um das Zehnfache erhöht. Erste Anwendungen als Hauplicht in Pkw-Scheinwerfern gab es vor knapp zehn Jahren. In Fahrzeug-Scheinwerfern übernehmen LED mittlerweile die Funktionen Abblendlicht, Fernlicht, Tagfahrlicht und Blinklicht.

Bessere Wärmeableitung

Das Abblendlicht eines LED-Scheinwerfers erreicht einen Lichtstrom von rund 1000 Lumen. Das liegt etwa auf dem Niveau des Abblendlichts eines Bi-Xenon-Scheinwerfers. Und auch die für ein extrem helles Fernlicht erforderlichen Lichtstärken lassen sich heute problemlos erreichen. Möglich machen es weniger aufwendige Fertigungsprozesse und eine gleichzeitig verbesserte Wärmeableitung.

Leuchtflächen von wenigen Quadratmillimetern

Die Leuchtflächen von LED bewegen sich höchstens im Quadratmillimeter-Bereich, umso mehr zahlen sich aber ihre Vorzüge aus: Gegenüber Lichtquellen wie Glühlampen, Xenon-Licht oder Neonleuchtmittel sind LED stoß- sowie vibrationsfester, erreichen nach dem Einschalten schneller ihre vollständige Leuchtkraft, besitzen eine höhere Lebensdauer und verbrauchen weniger Strom.

Phänomen der Elektrolumineszenz

Lichttechniker profitieren bei Leuchtdioden vom Phänomen der Elektrolumineszenz: Die auf einer Halbleiterdiode basierende LED sendet beim Anlegen von Strom Licht aus. Es kommt dabei zu einem Ladungsausgleich zwischen freien Elektronen und ionisierten Atomen, also positiven Ladungsträgern. Der frei werdende Energiebetrag wird vom Halbleitermaterial in Licht umgewandelt und aus einer Sperrschicht heraus abgestrahlt.

Schmalbandiges Licht

In den ersten Anwendungen vor gut 40 Jahren nutzten die Hersteller als Halbleitermaterial Elemente aus der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems. Dazu gehören Verbindungen wie Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN), die rotes bis gelbes Licht erzeugen und Galliumphosphid (GaP), das grün leuchtet. Die Wellenlänge des Lichts, das dabei entsteht, ist im Vergleich zu Temperaturstrahlern relativ schmalbandig. Das heißt, dass es im nahen ultravioletten Bereich oder im sichtbaren Infrarotbereich liegt.

Unempfindlich gegenüber Vibrationen

Die Vorteile der LED fußen hauptsächlich auf der Art und Weise, wie sie ihr Licht erzeugt. Leuchtdioden benötigen für den Betrieb mit mittlerer Lichtausbeute eine verhältnismäßig niedrige Stromspannung. Im Gegensatz zu Glühwendeln und Glühdrähten, die sich bei Stößen oder Vibration entweder verhaken und dann zu heiß werden oder sofort brechen, sind Leuchtdioden gegenüber Erschütterungen unempfindlich. Zudem umgibt sie kein Hohlkörper, der bei Einwirkung von außen implodieren kann.

Helles Licht fordert hohe Ströme

Die strahlenden Halbleiter haben aber einen gewichtigen Nachteil: Helles Licht ist nur mit hohen Strömen zu erzeugen. Stärkerer Strom entwickelt aber mehr Wärme, die wiederum mehr Ladungsträger bewirkt, wodurch der Strom weiter ansteigt und sich der Halbleiter noch mehr erhitzt. Dieses Spiel läuft jedoch nur bis zu einer bestimmten Temperaturgrenze ab, oberhalb derer sich die Kristallstruktur des Halbleiters aufzulösen beginnt und schließlich zerfällt. Zu stoppen ist das Straucheln nur, indem ein Widerstand den Durchlassstrom begrenzt und die entstehende Wärme in der Diode wirksam ableitet.

Weißes Licht durch additive Farbmischung

Auf einem anderen Gebiet ist die LED-Entwicklung Anfang der 90er Jahre jedoch einen entscheidenden Schritt weitergekommen. Es gelang, Elektrolumineszenz auch in einer Reihe weiterer Verbindungen auf organischer Basis zu nutzen. Inzwischen stehen organische Dioden (OLED) zur Verfügung, die auch blau leuchten. Damit lässt sich wiederum weißes Licht erzeugen. Eine blau leuchtende LED wird dabei mit einer internen Leuchtschicht versehen, die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Durch additive Farbmischung entsteht dann weißes Licht. Aber auch die Lichtstärke konventioneller LED hat sich noch einmal deutlich verbessert. Dank neuer Gehäuseformen erlauben aktuelle LED jetzt auch höhere Ströme.

Erste Einsätze in Displays und Anzeigetafeln

Das Phänomen der Lichterzeugung durch elektrische Anregung eines Festkörpers wurde im Jahr 1907 von H. J. Round an einem Siliziumkarbid-Kristall entdeckt. In Gang kam die LED-Entwicklung aber erst 1962 mit der Nutzung von Mischkristallen aus Galliumarsenid und Galliumphosphid.1971 waren dann zu den rotleuchtenden LED auch grüne, orange und gelbe LED auf dem Markt. In den frühen 80er Jahren konnte die Effektivität der roten LED deutlich gesteigert werden. Dadurch eigneten sie sich erstmals für den Einsatz in Displays und Anzeigetafeln.

Blaue LED in den frühen neunziger Jahren

Anfang der 90er Jahre erhöhte sich ihre Effektivität im rot-orangen bis gelben und grünen Spektralbereich. Eine weitere Steigerung erreichte Hewlett Packard 1994, indem die Entwickler Galliumarsenid als Substrat in Rente schickten und durch ein transparentes Galliumphosphid-Substrat ersetzten. 1992 gelang den drei japanischen Nobelpreisträgern Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura mit Galliumnitrid-Substrat der Durchbruch bei blau leuchtenden Dioden. Sie sind inzwischen effektiver, wegen der schwierigen Herstellung der Substratmaterialien aber auch teuer.

Molekülstrukturen in hauchdünnen Lagen

Billiger ist heute die Herstellung organischer Leuchtdioden. So sind kupferhaltige Verbindungen in blauen Dioden auch Ausgangsmaterial gewöhnlicher blauer Farbe. In der Produktion werden die Molekülstrukturen in hauchdünnen Lagen auf einen Glasträger gedampft. Die Leuchtschicht ist nur wenige Millionstel Millimeter dick. Durch die Herstellung im Vakuum entstehen absolut reine Strukturen, die die Lebensdauer der Diode entscheidend erhöhen.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Foto

Daimler

Datum

8. Oktober 2014
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