LED und OLED

von Prof. Dr. Peter Walther

Im Zuge der wachsenden Umweltverschmutzung können Lichtquellen mit hohem Wirkungsgrad einen wesentlichen Beitrag zur CO2-Reduktion leisten. Prof. Dr. Peter Walther blickt auf die Möglichkeiten von LED´s. Praktisch gibt es sie in allen Farbtönen mit Leistungen bis zu 100 W und einer Lichtausbeute von bis zu 132 Lumen pro Watt (APRIL 30, 2009 - Cree, Inc). Die organische Variante der LED, die sog. OLED, könnte der LED sogar den Rang ablaufen.

Wie macht eine LED Licht aus Strom?

Eine LED (egl. Light Emitting Diode), zu Deutsch einfach Leuchtdiode, ist eine Halbleiterkristall- Festkörperlichtquelle, bestehend aus einem PN-Übergang, der Licht aussendet, wenn eine Spannung zwischen den beiden als Anode und Kathode bezeichneten Elektroden angelegt wird. Diese angelegte Spannung ist klein und liegt für rote LEDs bei 1.7 V und bei blauen bei 3 – 4 V. Eine LED strahlt in einem schmalen Spektrum Licht ab. Sie haben also nur eine spezifische Farbe, abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial.
Durch die Wahl des Halbleitermaterials kann man LEDs für fast alle Farben herstellen. Das Farbspektrum reicht von Infrarot bis Ultraviolett. Die ersten LEDs kamen etwa 1960 auf den Markt, zunächst nur für rotes Licht. Im Verlaufe der Zeit kamen die Farben Gelb, Amberrot und Grün hinzu. Dreißig Jahre später, im Jahre 1993, erfolgte ein Quantensprung durch die Nichia Chemicals, Japan, mit dem die ersten lichtstarken und preisgünstigen blauen und grünen LEDs verfügbar wurden. Damit war die Grundlage für weiße LEDs gelegt. Kombiniert man eine rote mit einer grünen und einer blauen LED, so lassen sich alle Regenbogenfarben durch unterschiedliche Intensitäten der einzelnen Farben erzeugen. Diese Kombination der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau wird bei Großbildschirmen zur Videodarstellung verwendet, die in Bahnhöfen oder Flughäfen anzutreffen sind. Weißes Licht kann aber auch durch Verwendung nur einer blauen LED, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff versehen ist, erzeugt werden. Dabei wird ein Teil des blauen Lichts durch den Fluoreszenzfarbstoff in die Komplementärfarbe Blau gewandelt, das – mit dem restlichen blauen Licht gemischt – Weiß ergibt. Je nach Einstellung des Farbstoffes kann eine LED kaltweißes oder warmweißes Licht abgeben.

Die LED als zukünftige Lichtquelle

LEDs gab es zunächst nur für kleinere Ströme um die 20 mA mit entsprechend kleinen Leistungen. Für Beleuchtungszwecke waren sie ungeeignet. Als Anzeigelämpchen in der Technik sind sie allgegenwärtig.
In den letzten Jahren hat eine enorme Entwicklung eingesetzt, deren Ende noch nicht abzusehen ist, die der sog. Power LED. Heute gibt es sie für Leistungen von 1 W bis 100 W. Die Power LEDs sind jedoch noch ziemlich teuer und daher wenig verbreitet. Die viel versprechende lange Lebensdauer einer LED ist nur unter der Voraussetzung garantiert, dass die Temperatur des LED-Kristalls ca. 80 °C nicht übersteigt! Dies erfordert entsprechende Kühlmaßnahmen, z. B. ein als Kühlkörper ausgestaltetes Lampengehäuse. Dies schränkt die Freiheit der Lampengestaltung ein. Die Power LED hat folgende attraktive Eigenschaften:

- eine hohe Lichtausbeute, Lumen/Watt,
- eine sehr lange Lebensdauer (bei genügender Kühlung) und
- es gibt sie in allen erdenklichen Far

Daneben gibt es aber auch nicht zu unterschätzende Nachteile wie:

- den hohen Preis,
- die niedrige Betriebsspannung (Ausnahme LED von ACriche) und
- den Betrieb mit Gleichspannung (Ausnahme LED von ACriche).

Bezüglich der Lichtausbeute und der Effizienzklasseneinteilung sind die LEDs vergleichbar mit den Energiesparlampen, so etwa mit den Kompaktfluoreszenzlampen, sog. CFL (engl. Compact Fluorescent Lamp).
Beide Lichtquellen liegen bei ca. 60 – 90 Lumen/Watt und gehören zur Effizienzklasse A. Gute Kompaktfluoreszenzlampen haben eine Lebensdauer von gegen 20.000 Std., eine LED kommt bei idealen Bedingungen auf gegen 50.000 Std. Bei diesen Betriebszeiten dürfte die für den Betrieb benötigte Elektronik in beiden Fällen aber die Lebensdauer stark beeinflussen. Heute werden weltweit etwa 15 Milliarden Glühlampen hergestellt. Diese werden jedoch sukzessive verboten und müssen durch andere Lichtquellen ersetzt werden. Der jährliche Bedarf von CFL liegt bei 1,5 Milliarden und wird in den nächsten 3 Jahren auf über 5 Milliarden Stück pro Jahr geschätzt.
Die LED holt auf und man schätzt den Markt bis 2012 auf 1.4 Mia. Euro. Marktleader wird die Firma Nichia Chemicals, Japan mit einem Marktanteil von 24 % sein, gefolgt von Osram (Opto) mit 10,5 %, Philips (Lumiled) mit 6.5 % und Seoul Semiconductor (Acriche; keine Prozentangabe).

Power LEDs als Ersatz der Glühbirne

Das Licht einer LED wird eher punktförmig abgestrahlt und so ist sie nicht unbedingt als direkter Ersatz für eine Glühlampe geeignet. Aber als Ersatz einer Spothalogenlampe kann sie gut dienen, da diese das Licht bündelt, was bei einer Spotlampe gewünscht ist. Abbildung 4a zeigt dazu ein Beispiel. Gut erkennbar ist das als Kühlkörper ausgestaltete Lampendesign. Abbildung 4b zeigt eine 1W LED in Tropfenform. Der Kühlkörper liegt hier zwischen Sockel und Mitte des Lampenglases. In Abbildung 4c ist der Ersatz einer 60 W Glühbirne zu sehen. Die Lichtabstrahlung ähnelt der einer Glühlampe, da viele kleine LEDs zylinderförmig angeordnet sind. Das Design ist allerdings etwas gewöhnungsbedürftig. Der Verbraucher wünscht eher eine Lampe, die der Glühlampe ähnelt. Hier gibt es noch erheblichen Handlungsbedarf.

Power LEDs im Einsatz für Straßenbeleuchtung

Die Vorteile der LED, die lange Lebensdauer und die hohe Lichtausbeute, bringen die Kommunen und Gemeinden auf den Plan. Lässt sich durch den Einsatz von LEDs bei der Straßenbeleuchtung etwas gewinnen? Diese Frage wird derzeit in Deutschland mit einem Projekt in Mainhausen in der Gemeinde Offenbach in Hessen und in der Schweiz in Landquart beantwortet. In Landquart soll die Straßenbeleuchtung der ganzen Gemeinde auf LED umgestellt werden. In Mainhausen w ird die Straßenbeleuchtung der Ringstraße mit LED ausgestattet. Dabei werden natürlich alle möglichen Untersuchungen gemacht. Wie sind die Lichtverhältnisse im Vergleich zu den bisher verwendeten Natriumdampflampen, wie groß ist der Energieverbrauch, lassen sie sich intelligent einsetzen, z. B. durch Ein- und Ausschalten mit Bewegungsmeldern oder durch Absenken der Helligkeit während der Nachtstunden zwischen 1 Uhr und 5 Uhr in der Frühe etc.? Dies alles lässt sich mit den bisher verwendeten Quecksilber- und Natriumdampflampen nicht realisieren.

Eine Alternative zu den LEDs ist bereits in Sicht – die OLED

Kaum ist man in der Lage, Power LED für die Beleuchtung herzustellen und den Markt dafür aufzubauen, droht schon Konkurrenz durch die OLED. OLED steht für Organic Light Emitting Diode und ist eine Diode aus Kunststoff. Im Prinzip handelt es sich um eine Diode auf Polymerbasis, wobei es im Wesentlichen kurz- und langmolekulare Polymere gibt, aus denen eine OLED gefertigt werden kann. Zur Herstellung von kurzmolekularen OLEDs wird ein Vakuum benötigt, in dem die Moleküle auf das Substrat aufgedampft werden. Dieses Verfahren ist relativ teuer und wird etwa für kleinere Displays in Autoradios und Handys verwendet. Die langkettigen Polymere lassen sich einfacher auf das Substrat aufbringen, etwa im Siebdruckverfahren oder durch eine Tintenstrahldrucktechnik, was ein wesentlich einfacheres Verfahren ist. Es ist noch nicht wirklich zu einem Durchbruch gekommen, da die Lebensdauer und die Effizienz momentan den Anforderungen nicht genügen.
Immerhin hat kürzlich die Firma Osram einen Erfolg verbuchen können. Sie hat eine OLED mit einer Effizienz von 42 Lumen/Watt bei einer Lebensdauer von 5.000 Std. entwickelt. Ein großer Unterschied der OLED zu den LEDs liegt darin, dass erstere Flächenstrahler und nicht Punktstrahler sind. Damit ergeben sich ganz andere Einsatzmöglichkeiten. Abbildung 5 zeigt eine mögliche Anwendung, bei der OLEDs in Fenster eingebaut sind und so nachts den Raum erhellen. Grundsätzlich geben OLED ein diffuses Licht ab und blenden weniger. OLEDs können auch auf Kunststofffolien aufgebracht werden, sodass diese Lichtquellen flexibel sind. Damit lassen sich auch z. B. Lichtröhren herstellen, die ev. die Fluoreszenzlampen eines Tages ersetzen werden. OLED haben das Potenzial, die Lichtquellen der Zukunft zu werden und die LED sogar zu überholen.

peter.walther@bfh.ch