LED — eine revolutionäre Beleuchtungstechnologie

Leichter, besser, intelligenter, benutzer- und umweltfreundlicher dank Nanotechnologie

Das Wochenthema des aktuellen Credit Suisse Newsletters ist LED, resp. die dank nanotechnologischen Halbleitern und organischen Polymeren verbesserten anorganischen und organischen Licht emittierende Dioden (LED und OLED). Von Miroslav Durana, Leiter Index Development and Nanotechnology.
15.02.2011 Dank dem Einsatz nanotechnologischer Halbleiter und organischer Polymere stehen heute verbesserte anorganische und organische Licht emittierende Dioden (LED und OLED) zur Verfügung. Diese ermöglichen einen technologischen Durchbruch, der die gesamte Beleuchtungslandschaft des 21. Jahrhunderts verändern dürfte.
Der CN Tower in Toronto, das «Auge von London» («London Eye», auch «Millennium Wheel» genannt) und die Chelsea Bridge in London, aber auch der Reichstag in Berlin und der China-Pavillon an der China Expo 2010 in Shanghai sind Beispiele von angewandter LED-Beleuchtung. Am CN Tower zum Beispiel werden kompakte, leichte LED eingesetzt, die zum Teil kleiner als eine Schuhschachtel sind und konventionelle Leuchtmittel ersetzen, die so gross wie eine Waschmaschine waren. Die LED-Leuchten sind programmierbar, Lichtfarben und Intensität des Lichts können verändert werden, während der Energieverbrauch deutlich niedriger ist. Diese LED können Millionen von Farben produzieren und während 50’000 Stunden 50 Prozent ihrer Leuchtkraft aufrechterhalten. Durch den vermehrten Einsatz von neuen LED-Beleuchtungssystemen werden Städte lebensfreundlicher, sicherer und energieeffizienter. Während gleichzeitig weniger Verschmutzung und Abfall entstehen, werden die Städte auch nachhaltiger.

Mobile elektronische Einheiten mit neuen Eigenschaften

Die neue LED-Technologie ist auch ein Wegbereiter für neue Anwendungsmöglichkeiten in elektronischen Geräten. LED-Technologie macht viele Produkte leichter, besser, intelligenter, benutzer- und umweltfreundlicher, weil neue und/oder verbesserte Funktionalitäten zum Einsatz kommen, die viel weniger Energie verbrauchen. LED-Fernseher sowie praktisch alle anderen elektronischen Geräte, die mit LED-Bildschirmen ausgestattet sind – wie Laptops, Tablets oder gar medizinische Instrumente –-, werden kompakter, leichter und verfügen über einen verbesserten Bildkontrast. Diese Produkte haben auch eine längere Lebensdauer und sind energieeffizienter als Geräte ohne LED. In Smartphones und anderen Licht- und Display-Applikationen werden zunehmend OLED eingesetzt. Ein repräsentatives Beispiel ist das Samsung Galaxy Smartphone, in dem Aktiv-Matrix-OLED zur Reduktion der Batterieladefrequenz eingesetzt werden. Durch den Einsatz eines organischen Touchscreen-Displays wird auch die Benutzerfreundlichkeit erhöht. OLED könnten in Zukunft in biegsamen, rollbaren und/oder durchsichtigen Filmschichten für Beleuchtung und Displays tragbarer Geräte zur Anwendung kommen. Die Fahrzeugindustrie und die Gebäudetechnik bieten sich für den grossflächigen Einsatz an.

Ausgezeichnete elektro-optische Eigenschaften

Eine LED ist ein Halbleiterbauteil. Zur Anwendung kommen spezifische Halbleiter in Form von aufeinander aufgetragenen Schichten, die wiederum auf einem Träger wie Saphir oder Silikonkarbid angebracht sind. Diese Schichten haben eine vorgegebene Geometrie im Nanometerbereich, die von der gewünschten Lichtfarbe abhängig ist. Die Verbreitung von LED in der Beleuchtung wurde massgeblich ermöglicht durch die Entwicklung der blauen LED (unter Anwendung von Galliumnitrid) in den Neunzigerjahren. Seither sind rote, grüne und blaue LED mit ausgezeichneten elektro-optischen Eigenschaften hergestellt worden. Ausserdem kann mit einigen LED-Designs weisses Licht erzeugt werden – zum Beispiel mit einer UV-LED, die eine dünne Phosphorschicht anregt (siehe Grafik). Zu den bemerkenswerten elektro-optischen Eigenschaften von LED gehören hohe Lichteffizienz (über 100 Lumen pro Watt), hohe Farbreinheit (beispielsweise zur Verbesserung des Bildkontrasts) und Dimmbarkeit (stufenlose Regelung der Lichtintensität) ohne Verwendung von Quecksilber. Zusätzliche Stärken der LED bestehen in ihrer langen Lebensdauer (30- bis 50-mal länger als herkömmliche Inkandeszenzlampen) und ihre schnelle Ansprechzeit (10’000-mal schneller als Fluoreszenzlampen).

Künftiges Verbesserungspotenzial

Gegenwärtig ist man in der LED-Technologie noch mit einigen Herausforderungen konfrontiert, wie die hohe Wärmeempfindlichkeit der Lampen, die Produktionskosten und die Effizienzmängel. Die Effizienz der besten LED-Systeme (definiert als Umwandlungsgrad von Elektrizität in Lichtkraft auf Systemebene) ist heute bei 30 Prozent. Sie kann stark erhöht werden, indem die Rückresorption von Licht, die durch interne Reflektion an der Halbleiter/Luft-Schnittstelle entsteht, reduziert wird. Firmen wie Nichia, Epistar, Cree, Philips Lumileds, Osram sowie Samsung und Sony entwickeln gegenwärtig innovative Lösungen mit dem Ziel, die Effizienz von LED-Systemen mittelfristig auf mehr als das Doppelte zu erhöhen.
Es wird prognostiziert, dass die Produktionskosten von LED-Lampen dank ständiger technischer Fortschritte und Skaleneffekten im Verlauf dieses Jahrzehnts auf das Niveau der Produktionskosten von Fluoreszenzlampen fallen werden. Deshalb ist es wahrscheinlich, dass LED-Technologie die Beleuchtungsindustrie des 21. Jahrhunderts revolutionieren wird. Schlüsselfaktoren sind das hohe Sparpotenzial bei Energie, CO2 und Quecksilber (je nach Anwendung zwischen 40 und 80 Prozent) sowie verbesserte Lichteigenschaften, besonders bei der Farbwiedergabe, beim Dimmen und besonders beim Lichterlebnis.
Quelle: https://emagazine.credit-suisse.com