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50 Jahre LED: Eine Technologie erobert die Welt

Die LED wurde vor genau 50 Jahren erfunden. Jeanine Chrobak-Kando, Business Development Manager bei Verbatim, beschreibt, wie weit die Entwicklung der LED-Beleuchtungstechnologie seither bereits fortgeschritten ist.
Leuchtdioden (LEDs) sind heute alltägliche elektronische Bauelemente, die in vielfältigen Anwendungen eingesetzt werden. 2011 machten allgemeine Beleuchtungsanwendungen den größten Anteil (35%) des LED-Marktes aus, gefolgt von Mobilgeräten (30%) und Anwendungen im Bereich Anzeige-/Signalbeleuchtung (18%). Nach Einschätzung von MarketWatch werden die Kosten einer LED-Lampe bis 2020 im Vergleich zu heute um die Hälfte sinken. Schon bald werden LEDs zu einem Preis erhältlich sein, bei dem von einer marktbeherrschenden Stellung der Technologie ausgegangen werden kann. Aber wie hat das alles überhaupt angefangen?

Rote LEDs machen den Anfang

Vor 50 Jahren wurde die erste praktisch nutzbare LED mit sichtbarer Emission entwickelt. Obwohl das Phänomen der Elektrolumineszenz bereits 1907 vom englischen Forscher Henry Round entdeckt worden war, sollten weitere Jahre vergehen, bis der Physiker Nick Holonyak im Oktober 1962 zum ‚Erfinder der LED‘ wurde. Während seiner Anstellung bei General Electric reichte er ein Dokument über die Herstellung einer roten Galliumarsenidphosphid(GaAsP)-basierten LED im sichtbaren Wellenlängenbereich beim American Institute of Physics (AIP) ein. Ausgehend von Holonyaks Erfindung wurden bereits im Jahr 1964 die ersten LED-Displays auf den Markt gebracht. Diese handgefertigten Geräte waren teuer und während des folgenden Jahrzehnts waren auch nur rote LEDs erhältlich. Aufgrund ihrer Größe jedoch boten die winzigen roten LEDs gerade ausreichend Lichtstärke und Lebensdauer, um als Anzeigen in Taschenrechnern und Digitaluhren von Anfang bis Mitte der 70er Jahre eingesetzt zu werden. Holonyak, ein Student des Nobelpreisgewinners John Bardeen, der den Transistor entwickelte, erfand auch den Quantum-Well-Laser (der später die Grundlage für CD-Player und Glasfasertechnik bilden sollte) und entwickelte den ersten Dimmschalter zur Haushaltsbeleuchtung.

Stetige Weiterentwicklung

Innovationen in der Materialwissenschaft, den Optiken und der Entwicklung von Halbleitertechnologien haben seither zu einer beständigen Ausweitung der LED-Anwendungen beigetragen und eine verbesserte Lichtausbeute, eine erhöhte Effizienz und eine zunehmende Anzahl von Farben ermöglicht. Durch die Verwendung verschiedener Halbleiterverbindungen wie Gallium-Aluminium-Arsenid-Phosphid (GaAlAsP), Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) und Aluminium-Gallium-Phosphid (AlGaP) in Verbindung mit Phosphorbeschichtungen konnten LEDs entwickelt werden, die das sichtbare Spektrum abdecken. Während der vergangenen 50 Jahre hat sich die Technologie von roten über orangefarbene, gelbe und grüne LEDs in den 80er Jahren zu den ersten lichtstarken blauen Galliumnitrid(GaN)-basierten LEDs ein Jahrzehnt später weiterentwickelt. 1991 gelang dem japanischen Professor Shuji Nakamura ein weiterer Durchbruch mit der Entwicklung einer weißen LED. Er stellte die erste ultrahelle Galliumnitrid-LED vor, die ein strahlend blaues Licht erzeugte, welches durch eine Schicht aus Phosphor-Leuchtstoff teilweise als gelb abgegeben wurde.

Gesteigerte Lichtstärke und erhöhte Energieeffizienz

Aber natürlich spielt nicht nur das breite Spektrum heute erhältlicher LED-Farben eine entscheidende Rolle, sondern auch die erheblich gesteigerte Lichtstärke und die erhöhte Energieeffizienz. Interessanterweise folgt der LED-Fortschritt einer zum Moore’schen Gesetz in der Halbleiterwelt analogen Faustregel, dem so genannten Haitz’schen Gesetz. Das zuerst im Jahr 2000 von Dr. Roland Haitz vorgestellte Gesetz hat als Kernaussage, dass alle zehn Jahre die Kosten zur Herstellung von LEDs pro Lumen (Einheit des ausgestrahlten nutzbaren Lichtes) auf ein Zehntel sinken, während die Lichtausbeute pro LED-Package um das 20-fache steigt. Haitz sagte auch voraus, dass die Effizienz LED-basierter Beleuchtung im Jahr 2020 200lm/W erreichen könnte, sofern ausreichend Forschungs- und Entwicklungsgelder in die Weiterentwicklung von LED-Technologien seitens der Regierungen und der Beleuchtungsindustrie investiert würden.

LEDs zur Hintergrundbeleuchtung

Die Verwendung von LEDs zur Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays ist heute in mobilen Verbraucheranwendungen wie Mobiltelefonen, Digitalkameras, MP3-Playern und Fernsehgeräten weit verbreitet. Gegenüber LCD-Displays mit CCFL-Hintergrundbeleuchtung (Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen) bietet die LED-Technologie neben ihrer extremen Flexibilität viele Vorteile wie geringe Kosten, eine niedrige Ansteuerspannung, einen breiten Sichtwinkel, einen hohen Kontrast und eine breite Farbpalette.

OLED: Neue Dimension der Beleuchtung

Eine Weiterentwicklung der LEDs, die in diesem Zusammenhang erwähnenswert ist, ist die organische LED-Technologie (OLED), die im Wesentlichen aus einer Schicht eines elektrolumineszierenden Materials zwischen zwei organischen Polymerschichten besteht. Die OLED-Technologie verspricht eine neue Dimension der Beleuchtung. Mitsubishi Chemical Corporation, die Muttergesellschaft von Verbatim, konnte die Prozesse zur Fertigung von farbveränderlichen (RGB) OLED-Panels aufgrund des umfassenden Wissens und der Erfahrung in der Beleuchtungsindustrie entscheidend verbessern. Verbatim stellte kürzlich das weltweit erste farbveränderliche und dimmbare OLED-Modul vor, das eine Helligkeit von bis zu 2.000cd/m² bietet. Die Velve-OLED-Module der neuesten Serie des Unternehmens sind doppelt so hell wie frühere Module. Architekten und Innenarchitekten können mit der OLED-Technologie eine atmosphärische Beleuchtung ohne Lichtpunkte, Blendeffekte oder ungemütliche Intensität kreieren. Verbatims Velve-OLED-Module können zur Gestaltung dynamischer Wandbeleuchtungen verwendet werden. Die OLEDs eignen sich besonders für den kreativen Einsatz bei Bühnenbeleuchtungen und für neuartige Anwendungen in Diskotheken und Bars, da sie harmonisch-sanftes Licht, integrierte Kalibrierung und eine gleichmäßige Lichtverteilung zwischen den einzelnen Paneln bieten.

Steigerung der Effizienz von LEDs

LEDs werden zum Standard in der öffentlichen Außenbeleuchtung, beispielsweise in Ampeln, Verkehrswarnschildern und Anzeigetafeln. Vor allem die Automobilindustrie greift den Trend auf und ersetzt Glühlampen durch LEDs. Dank ihrer Energieeffizienz eignen sich LED-Lampen besonders für Elektro- und Hybridautos. Angaben zufolge verlängert sich die Reichweite von Elektroautos bei Verwendung von LED-Scheinwerfern um knapp 10km. Auch in den Bereichen Aquarien- und Gartenbaubeleuchtung kann von einem beträchtlichen Wachstum ausgegangen werden. Beispielsweise sind Pflanzen gegenüber bestimmten Wellenlängen des Lichts hoch empfindlich, was eine verstärkte Chlorophyllabsorption und Fotosynthese zur Folge hat, wenn die Pflanzen blauem und rotem Licht ausgesetzt werden.

LED-Beleuchtung marktführende Anwendung bis 2014

Die LEDs werden in den nächsten Jahren an die Spitze der energieeffizienten Leuchtmittel aufsteigen und sich damit vor den herkömmlichen Technologien der Glüh-, Halogen- und Kompaktleuchtstofflampen positionieren. Mit Sicherheit werden LEDs schon bald zu einem Preis erhältlich sein, bei dem mit einer marktbeherrschenden Stellung der Technologie zu rechnen ist. Gemäß den Prognosen des Electronics.ca Research Network könnte der Markt für LEDs zur Allgemeinbeleuchtung 19,5Mrd. US-Dollar (15,5Mrd. Euro) im Jahr 2012 und 31,4Mrd. US-Dollar (25Mrd. Euro) im Jahr 2017 erreichen. Während dieses Wachstum derzeit von Anwendungen im Bereich LCD-Monitore und LED-Hintergrundbeleuchtung für Fernseher, gefolgt von mobilen Displays, getragen wird, gehen Marktforscher davon aus, dass LED-Beleuchtung bis 2014 die Marktführung übernehmen wird. Und bis zum Jahr 2021 soll die LED-Beleuchtung außerdem einen Marktanteil von über 50% in der kommerziellen Gebäudebeleuchtung erreichen.

Heute einschalten

Im September 2012 trat ein Verbot der Herstellung und des Imports herkömmlicher Glühlampen in der gesamten EU in Kraft. Grund für diese Entscheidung war die alarmierend geringe Energieeffizienz herkömmlicher Glühlampen, denn sie setzen normalerweise weniger als 10% der zugeführten Energie in sichtbares Licht um. Demgemäß müssen Verbraucher und Gewerbetreibende jetzt auf alternative energiesparende Leuchtmittel wie Leuchtdioden (LEDs) und Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) zurückgreifen. Im Unterschied zu Kompaktleuchtstofflampen verfügen LED-Lampen über eine fünfmal längere Lebensdauer, schalten sofort ein und enthalten keine gefährlichen Materialien wie Quecksilber. LED-Lampen sind außerdem unempfindlicher gegenüber Stößen und Vibrationen. Angesichts der Abschaffung herkömmlicher Glühlampen hat Verbatim eine komplette Reihe kostengünstiger Retrofit-LED-Lampen für den Hausgebrauch als Antwort auf die wachsende Nachfrage nach zuverlässiger, hochwertiger und energiesparender Beleuchtung eingeführt.

Das Licht der Zukunft

Aber was hält die Zukunft für LED-Leuchtmittel bereit, außer dass ihre Energieeffizienz und ihre bekannten Stärken fortwährend verbessert werden? LEDs werden künftig immer smarter. Einen Begriff werden wir in den kommenden Jahren noch oft zu hören bekommen: das ‚Internet der Dinge‘, bei dem alle elektronischen Geräte, selbst einzelne LED-Lampen, über eine eigene IP-Adresse verfügen. Dadurch könnten wir die Beleuchtung zu Hause und im Büro von unserem Smartphone aus programmieren. Was immer die Zukunft bereithält, für LEDs ist sie äußerst vielversprechend.

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