Leuchtdioden revolutionieren die Beleuchtungstechnik: Die winzigen LEDs sind langlebig, verbrauchen vergleichsweise wenig Energie und könnten schon heute herkömmliche Lampen in Reklametafeln, Verkehrsampeln oder in Projektoren ersetzen. Die Effizienz der LEDs ist höher als von Glühlampen. Mit ihnen ließen sich große Mengen an Kohlendioxid einsparen.
Innovation in der LED-Technik: Osram-Entwickler haben lichtstarke Leuchtdioden entwickelt, deren Licht mit einer speziellen Optik zu einem Strahl gebündelt werden kann. Foto: PR
DÜSSELDORF. Leuchtdioden gibt es seit Mitte der 60er Jahre. Fast dreißig Jahre lang waren sie aber kleine, schwache Lichtquellen für wenige Farben (rot, gelb, gelb-grün). Erst Anfang der 90er-Jahre wurde mit der Erfindung der blauen LED der Startschuss für eine rasante Entwicklung gegeben. Plötzlich war es möglich, LEDs in allen Farben, einschließlich Weiß, herzustellen.
Die ersten Leuchtdioden hatten allerdings einen großen Nachteil: Sie hatten nur eine geringe Leuchtkraft. Das haben Forscher des Regensburger Unternehmens Osram Opto Semiconductors und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena Anfang dieses Jahrhunderts geändert. Ihre LEDs leuchten nun fast fünfmal so stark wie ihre Vorgänger. Für ihre Innovation wurden sie in diesem Jahr für die Endausscheidung um den Deutschen Zukunftspreis nominiert.
Die Osram-Entwickler Klaus Streubel und Stefan Illek nutzen für die Produktion ihrer lichtstarken Leuchtdioden Dünnfilmtechnik und spezielle Gehäuse. „Die Halbleiter hatten schon immer viel Licht in sich, doch früher gelangte nur ein Bruchteil nach außen“, sagt Streubel. Der größte Teil des erzeugten Lichts werde intern zurück reflektiert und könne den Chip nicht verlassen, erläutert der Physiker. Die Tüftler fanden dafür eine Lösung und integrierten eine Metallschicht, die wie ein Spiegel das Licht im Inneren des Chips auffängt und an die Oberseite bringt.
LEDs sind aus drei Elementen aufgebaut: einem Halbleiterchip, in dem das Licht durch eine elektrische Spannung erzeugt wird, einem Gehäuse und einer Optik, die das Licht in die gewünschte Form bringt. Die besondere Leistung der Forscher liegt darin, dass sie einen Prozess entwickelt haben, mit dem es gelingt, eine dünne Metallschicht in den Chip zu bekommen. „Das war mit den damals bekannten Verfahren nicht möglich“, sagt Streubel. Erst mit Hilfe der Dünnfilmtechnik sei es gelungen, im Inneren der LED eine Metallschicht aufzubringen.
Die LED-Chips sind aber nur ein Teil der Innovation. „Für die leistungsstarken Leuchtdioden mussten passende Gehäuse gefunden werden“, sagt Streubel. Mit sogenannten Ostar-Packages sei es erstmals gelungen große, für hohe Ströme ausgelegte Chips dicht nebeneinander in einem Gehäuse unterzubringen. Damit gelang es großflächige LEDs zu bauen, die große Lichtmengen erzeugen und zu hellen Leuchtkörpern verarbeitet werden können. Ein weiterer Vorteil: Weil das Licht nach oben abgestrahlt wird, kann die entstehende Abwärme nach unten abgeführt werden.
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Obwohl die LED-Chips das Licht über ihre Oberseite abstrahlen, geht es von dort aus dennoch in alle Richtungen des Raumes. Wirklich nutzbar ist jedoch nur das Licht, das fast senkrecht nach oben abgestrahlt wird, während alles andere Licht verloren ist. Hier kommt nun der dritte Teil der Erfindung ins Spiel. Andreas Bräuer vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik hat eine Optik entwickelt, die das Licht effektiv einsammelt und in eine für die jeweilige Anwendung optimale Form bringt. Die Möglichkeit zur Verformung des Lichtprofils, hat den Leuchtdioden zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten erschlossen.
Erste Produkte kamen 2002 auf den Markt. Die ersten roten Dünnfilm-Chips finden sich etwa in den Brems- und Rückscheinwerfern einiger Autos. „Da sich Leuchtdioden inzwischen für alle Farben, einschließlich dem unsichtbaren Infrarot, mit derselben Technologie herstellen lassen, kann man in den Gehäusen unterschiedlich farbiges Licht mühelos zu allen gewünschten Farbtönen oder zu weißem Licht mischen“, sagt Bräuer. Die am Fraunhofer-Institut entworfene Spezialoptik sammelt das aus der Chipoberfläche austretende Licht und bündelt es in die gewünschte Abstrahlrichtung. Ein weiteres optisches Element ermöglicht es, der Lichtintensität ein fast beliebiges Profil zu geben.
Mit dieser Technik werden nun in Innenräumen neue, ausgefallene Beleuchtungskonzepte realisierbar – etwa über den ganzen Raum verteilte Leuchtkörper, deren Farbe und Intensität sich beliebig verändern lässt, oder Fensterrahmen und Bilderrahmen, die gleichzeitig als Leuchtkörper dienen. Wenn da nicht der hohe Preis wäre: „Um einen 20 Quadratmeter großen Raum zu beleuchten, braucht man noch sehr viele LEDs und sehr viele LED-Module, die in der Summe noch sehr teuer sind“, räumt Streubel ein.
