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Die clevere Technologie der Leuchtdioden
Ob Ampeln, blinkende Schaufensterdekorationen oder das stimmungsvolle indirekte Licht im Hotelzimmer: Was da leuchtet, sind heutzutage meist Leuchtdioden. Sie lösen in vielen Bereichen die älteren Glühlampen ab.
„A curious phenomenon“ – „ein merkwürdiges Phänomen“ – nannte der Forscher Henry Joseph Round eine Beobachtung, die er im Jahr 1907 machte: Er experimentierte mit Elektrizität und bemerkte, dass bestimmte Materialien (wie z. B. Siliziumkarbid) durch eine elektrische Spannung zum Leuchten angeregt werden. Man nennt dieses Phänomen heute Elektrolumineszenz und es ist die Grundlage für die Technologie, die nicht nur hinter Weihnachtsbeleuchtungen, sondern auch hinter deinem Handybildschirm steckt. Doch bis es so weit war, dass man dieses Phänomen im heutigen Umfang nutzen konnte, sollte es noch viele Jahrzehnte dauern.
Leuchtdioden, abgekürzt LED (vom englischen „light emitting diode“), werden bereits seit den 1960er Jahren hergestellt. Je nachdem, aus welchem Material sie bestehen, leuchten sie in unterschiedlichen Farben. Lange Zeit konnte man nur LED in Farben von rot über orange bis gelb-grün produzieren, und ihr Licht war sehr schwach. Als Lampen waren sie deshalb nicht geeignet, denn zur Beleuchtung benötigt man weisses Licht. Jahrzehntelang wurde deshalb an der Entwicklung von blauen LED getüftelt, denn diese sind nötig, um weisses Licht „mischen“ zu können. Der Durchbruch gelang drei japanischen Physikern erst im Jahr 1992; ihr Ansatz für die Herstellung blauer LED wurde 2014 mit dem Nobelpreis geehrt. Heute sind LED in unterschiedlichen Farben allgegenwärtig – von der Fahrplananzeige am Bahnhof über Strassenlampen und Ampeln bis zur Beleuchtung von Elektrogeräten aller Art.
Wie funktioniert eine LED?
Im Gegensatz zu einer Glühlampe wird eine Leuchtdiode nicht erhitzt, um sie zum Leuchten zu bringen. Die LED ist ein elektronisches Bauteil, das durch die Eigenschaften seines Materials zu leuchten beginnt, sobald Strom hindurchfliesst. Das lichterzeugende Material ist ein Halbleiter-Kristall, der aus zwei Schichten besteht: In der einen Schicht befindet sich ein Elektronenüberschuss, es sind dort also zu viele negative Teilchen und die Schicht ist negativ geladen; in der anderen Schicht gibt es „Elektronenlöcher“, sie ist positiv geladen. Dazwischen befindet sich eine sogenannte Übergangs- oder Sperrschicht. Der Strom kann nur in einer Richtung durch diesen Aufbau fliessen. Dabei fallen die Elektronen aus der Übergangsschicht in die Löcher der positiven Schicht und senden ihre überschüssige Energie als Licht aus.
Licht lässt sich beschreiben als energiereiche Welle: Violettes und blaues Licht ist sehr energiereich, grünes etwas weniger, und rotes hat am wenigsten Energie. Welche Farbe eine Leuchtdiode abstrahlt, hat mit dem Material des Kristalls in der Diode zu tun: In bestimmten Materialien ist der „Fall“ des Elektrons in das Elektronenloch nicht so hoch und der Energieunterschied nicht so gross. Das Licht, das aus solchen LED abgestrahlt wird, erscheint rot. Wenn der Energieunterschied zwischen den beiden Zuständen des Elektrons jedoch gross ist, wird blaues oder sogar ultraviolettes Licht abgestrahlt.
Weiss – eine Mischfarbe!
Wenn man rote, grüne und blaue LED zusammen in eine Lampe einbaut, kann man die Stärke der verschiedenen Farben exakt regeln und beliebige Mischfarben erzeugen, zum Beispiel auch weisses Licht („additive Farbmischung“). Dabei lässt sich die Farbe des Lichts auch verändern, zum Beispiel für Fassadenbeleuchtungen mit Farbwechsel. Allerdings gibt es auch einen Nachteil von LED-Beleuchtungen, bei denen das weisse Licht auf diese Weise erzeugt wird: Sie strahlen kein kontinuierliches Spektrum aus wie das Sonnenlicht, sondern eben nur klar definierte Linien im roten, grünen und blauen Bereich. Dadurch erscheinen gewisse Farben im Licht solcher LED-Lampen verfälscht, man kann sie also nicht überall zur Beleuchtung einsetzen. Stell dir vor, in einem Museum hätten die Bilder plötzlich andere Farben ...
Kaltes und warmes Licht
Weisses Licht lässt sich noch auf eine andere Weise erzeugen: Dazu wird eine blaue oder ultraviolette LED mit einer dünnen Schicht aus phosphorhaltigem Material bedeckt. Diese Schicht wird durch die LED zum Leuchten angeregt und gibt dabei gelblich-weisses Licht ab. Der Farbton wird bestimmt durch die genaue chemische Zusammensetzung der leuchtenden Schicht. Heute kann man auf diese Weise „kaltweisses“ und „warmweisses“ Licht erzeugen – letzteres ist dem Licht der alten Glühlampen ziemlich ähnlich und wirkt „gemütlicher“ als das kaltweisse Licht.