Werden Energiesparlampen von Leuchtdioden abgelöst?

Auf der Weltlichtmesse im April 2010 in Frankfurt wurden fast nur noch LED-Produkte ausgestellt. Neuartige dreidimensionale Nano-Leuchtdioden könnten in wenigen Jahren die Energiesparlampe ablösen. In den Entwicklungslaboren strahlen sie schon jetzt heller und verbrauchen weniger Strom als bisherige Leuchtmittel. Doch bis zur Serienreife haben Wissenschaftler noch einige Hürden zu nehmen.

Die Diode wandelt nahezu die Hälfte der elektrischen Energie in Licht um und ist damit sechsmal so effizient wie die Glühlampe, bei der über 90 Prozent als Wärme verloren gehen. LED-Licht lässt sich vollautomatisch dimmen und kontinuierlich in seiner Farbe verändern. Die Helligkeit in Büros und Wohnungen könnte dem natürlichen Verlauf des Sonnenlichts angepasst werden. Das wäre gesünder, proklamieren Lichttherapeuten.

Allerdings müssen für eine Lampe gegenwärtig mehrere Dioden kombiniert werden, da eine einzelne Diode zu wenig Helligkeit spendet. Eine neuartige LED-Straßenlaterne einer Berliner Firma beinhaltet beispielsweise zwölf Dioden. Die hohe Zahl schlägt sich im Preis nieder, zumal die leuchtenden Chips verglichen mit herkömmlichen Leuchtmitteln ein Vielfaches kosten.

Forscher wollen Lichtausbeute erhöhen

Forscher arbeiten deshalb daran, einerseits mehr Licht je Diode zu ernten und andererseits die Kosten zu senken. Im laufenden EU-Projekt SMASH sind Wissenschaftler aus 14 europäischen Universitäten und Firmen unter der Leitung von Osram Opto Semiconductors diesem Ziel nun ein entscheidendes Stück näher gekommen. Während handelsübliche Dioden aus einem flachen Chip bestehen, entwickelt das Konsortium dreidimensionale Nano-LEDs: Auf einer Platte wird eine Art nanometergroße Hochhaussiedlung errichtet, deren Fassaden und Dächer vollständig erleuchtet sind.

Nicht nur die Grundfläche liefert so Licht, sondern das gesamte Hochhausrelief. "Die Lichtausbeute verzehn- bis verzwanzigfacht sich dadurch", sagt Waag. Die Straßenlaterne würde mit nur einer dreidimensionalen Diode heller strahlen als gegenwärtig mit zwölf herkömmlichen Dioden. Die gesamte Lampe könnte kleiner gebaut werden und nähme weniger Platz ein. Die Kosten würden auf einen Bruchteil sinken.

Den Forschern ist es bereits gelungen, den Rohstoff der LEDs, das Halbleitermaterial Galliumnitrid, in der gewünschten Form auf einer Platte zu arrangieren. "Dazu nutzen wir das Prinzip der Selbstorganisation", erläutert Waag. Wenn die Platte wie ein Schachbrettmuster strukturiert und dann mit Gallium und Ammoniak bedampft wird, wachsen von selbst Häuser in die Höhe, ohne das Zutun der Forscher. Wie die Forscher auf einer Halbleitertagung in Florida berichteten, können sie inzwischen sogar die Maße der Nano-Hochhäuser exakt steuern. Die reproduzierbare Herstellung ist eine wichtige Voraussetzung für die geplante Produktion der dreidimensionalen LED.

Lack sorgt für weißes Licht

Doch noch leuchten die Testobjekte im Labor von Andreas Waag nur blau, nicht weiß. Damit eine Diode weißes Licht abstrahlt, wird sie gewöhnlich mit verschiedenen Farbstoffschichten überzogen, die das farbige Licht in weißes umwandeln. "Wir müssen die 3D-LED noch mit Farbstoff beschichten", nennt Waag eine der anstehenden Aufgaben. Der "Lack" soll nicht nur auf dem Dach der Hochhäuser haften, sondern auch an deren Wänden, da diese ebenfalls blau leuchten.

"Die gesamte Halbleiterproduktion ist im Augenblick auf flache Chips ausgerichtet", nennt Waag eine weitere Hürde, die das Konsortium noch nehmen muss. "Alle Fertigungsprozesse müssen in die dritte Dimension gebracht werden." Jedes Nano-Hochhaus muss mit Strom versorgt werden. Diese Verkabelung ist bisher noch nicht erfolgt. Die Technik dafür könne aber aus der etablierten Halbleiterelektronik entlehnt werden, hoffen die Forscher.

An der Universität Kassel entwerfen Forscher um Elektrotechniker Bernd Witzigmann die dreidimensionalen Leuchtdioden am Computer. Entgegen den Erwartungen entdeckten sie, dass sie sich reiner und leichter herstellen lassen als flache Halbleiterschichten. Die Spannungen im Material sind geringer, wenn es sich in die dritte Dimension ausdehnen darf und nicht in die Ebene gezwungen wird. "Die LEDs werden deshalb wesentlich preiswerter sein", glaubt Witzigmann.

Zum Ablauf des Projektes in gut einem Jahr werde man einen Prototypen einer 3D-LED präsentieren, ist Witzigmann überzeugt, und in einigen Jahren rechnet er mit Serienprodukten.

"Mit der Nano-Hochhausstruktur kann erstmals auch eine rein weiße LED entwickelt werden, die es heute nicht gibt", eröffnet Witzigmann eine weitere Zukunftsperspektive. Nach Ablauf des Projektes werde man sich verstärkt diesem Ziel widmen. Jedes Hochhaus müsste dafür in einer anderen Farbe leuchten, eines grün, das nächste blau, das übernächste rot. Im Gesamteindruck erscheine die Diode dann weiß. Das Auftragen von Farbschichten, heute eine notwendige, aber aufwendige Krücke, wäre dann überflüssig - und die Diode noch heller, weil das Licht keinen Farbstoff mehr passieren müsse.