Meilensteine der Elektronik

Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Lichtquellen

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Ende des vorigen Jahrhunderts gipfelte die Entwicklung der Temperaturstrahler schließlich in der Kombination des Halogenkreisprozesses und infrarot-reflektierender Beschichtung des Lampenkolbens (IRC-Lampen) mit vorher nicht erreichten Lichtausbeuten von 35 bis 40 lm/W [15, 21].

Das Prinzip der Lichterzeugung in Gasentladungslampen beruht auf der Anregung von Atomen, Ionen oder Molekülen in der Gasphase durch Stoßprozesse [26]. Bei Niederdruckentladungslampen mit Stoßprozessen im thermischen Ungleichgewicht erhalten die Elektronen aufgrund ihrer großen mittleren Weglänge, die bei Fülldrücken von wenigen Pascal im Bereich des Durchmessers des Entladungsgefäßes liegt, Energien von einigen Elektronenvolt.

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Mit diesem Energieniveau können die kalten Quecksilberatome der Füllung durch inelastische Stöße so angeregt werden, dass Resonanzstrahlung bei einer Wellenlänge von 185 und 254 nm emittiert wird. Diese UV-Strahlung wird dann durch entsprechende Leuchtstoffschichten auf der Innenseite des Entladungsgefäßes in sichtbares Licht konvertiert [26].

Bei Betriebsdrücken von mehr als 40 kPa nähern sich die Temperaturen von geladenen und neutralen Partikeln aufgrund der geringeren mittleren freien Weglängen und den daraus resultierenden erhöhten Stoßfrequenzen einander an. Das entstehende Plasma befindet sich in der Nähe des thermischen Gleichgewichts. Dies ist der Bereich der sogenannten Hochdruck-Bogenentladungen, in denen Plasmatemperaturen von 5000 bis 10 000 K vorliegen.

Ein Teil der Plasmaenergie geht zwar durch Verlustprozesse wie Wärmeleitung, Strahlungstransport, Konvektion und Diffusion verloren, aber der verbleibende Wärmefluss führt zu Wandtemperaturen von etwa 1000 bis 1500 K, so dass Gefäßwände aus Quarz oder keramischen Festkörpern notwendig wurden (siehe Robert L. Coble, Entwicklung Lucalox, 1962).

Die relativ hohen Temperaturen führen konsequenterweise dazu, dass weniger flüchtige bzw. sogar schwer verdampfbare Verbindungen in die Gasphase gelangen. In Hochdruckentladungslampen werden daher Metalle oder leichter flüchtige Metallhalogenide wie NaJ und Seltenerdhalogenide (DyI3, HoI3, TmI3, ScI3) als Zusätze verwendet. Der Vorteil dieser Verbindungen liegt in ihrer niedrigen Anregungsenergie von wenigen Elektronenvolt, was eine effiziente Abstrahlung im sichtbaren Spektralbereich ermöglicht. Da sowohl Atom- als auch Molekülübergänge zur Emission beitragen, entsteht ein quasikontinuierliches Spektrum mit teilweise sehr guter Farbwiedergabe [26].

Die Bilder 3 bis 6 sollen an ausgewählten Beispielen den Übergang von den inzwischen verbotenen Glühlampen bzw. vom Verbot betroffenen Halogenglühlampen über Entladungslampen bis hin zu den neuesten Entwicklungen von Halbleiterlichtquellen illustrieren. Die Substitution der Glühlampe durch Kompaktleuchtstofflampen (Compact Fluoreszenz Light – CFL) hat sich nicht erfüllt. Es ist abzusehen, dass mit weiteren Fortschritten der LED-Lampentechnologie auch die CFL nur noch für Nischenbereiche tragfähig sind.

Noch ungefährdet erscheint die Anwendung von Halogenlicht (H4, H7) bzw. XENARC-Licht im Automobilbereich. Eine der gegenwärtig hocheffizientesten Metallhalogenidlampen mit Keramikbrenner (Lichtausbeute ≥100 lm/W bei sehr guter Farbwiedergabe) ist in Bild 5 gezeigt, während in Bild 6 eine der leistungsstärksten Hochdruck-Entladungslampen (Xenon-Kurzbogenlampe, 15 kW) abgebildet ist.

Lichttechnik und Werkstoffwissenschaft sind untrennbar miteinander verbunden. Mehr als 40 Elemente des Periodensystems werden in der Lichtindustrie in elementarer oder in Form ihrer Verbindungen entweder als Temperaturstrahler in Glüh- und Halogenlampen, als atomare bzw. molekulare Emitter in Entladungslampen oder als Leuchtstoffe für die Transformation von UV-Strahlung in sichtbares Licht, als Stromzuführungen, Getter, Hilfswerkstoffe oder als Hüllwerkstoffe verwendet. Um die starke Wechselwirkung zwischen Lichttechnik und Werkstoffwissenschaft zu illustrieren, sind im Kasten beispielhaft einige Meilensteine zusammengefasst [11, 12].

„Phasing-out“ von Energie ineffizienten Lichtquellen

Seit etwa zehn Jahren ist der globale Klimawandel mit allen Folgen zunehmend in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Eine Zielrichtung ist dabei eine energieeffizientere Beleuchtung zur Energieeinsparung und Verminderung des CO2-Ausstoßes. Nach der ersten, weitgehend erfolglosen kubanischen Initiative von Fiedel Castro zum Glühlampenverbot, war das australische Umweltministerium der Vorreiter für den Bann traditioneller Glühlampen in der Wohnraumbeleuchtung [22], nur wenig später gefolgt von der EU-Kommission (Bild 7) [21, 23]. Ein ähnliches Szenario für das „phasing-out“ von Glühlampen, beginnend im Jahr 2011, existiert in den USA mit dem Ziel einer generellen Lichtausbeute von ≥45 lm/W bis zum Jahr 2020 [24].

Das Verbot der Glühlampe wurde 2009 als Untergang der „Industriekultur“ beklagt. Gegenwärtig gibt es immer noch Glühlampen (aus „Altbeständen“), der kulturelle Industrieschock blieb aus. Der geplante und erwünschte Übergang zur Beleuchtung mit Kompakt-Leuchtstofflampen (CFL) blieb allerdings auch aus. Dafür sind inzwischen zahlreiche alternative und noch energieffizientere LED-Leuchtmittel auf dem Markt. In Europa werden bei der Substitution der Glühlampen durch LEDs Einsparpotenziale von ≥200 TWh erwartet.

In Erweiterung der bisherigen EU-Direktiven „EU-Verordnung Nr. 245/2009“ einschließlich „EU-Änderungsverordnung Nr. 347/2010“ sowie der „EU-Energieeffizienz Richtlinie“ vom 4. Dezember 2012 sind inzwischen weitere Lampentypen wie Quecksilberdampflampen (HQL), Natrium-Hochdrucklampen (HPS), Halospot-Lampen und Halophosphat-Leuchtstofflampen vom „phasing-out“ betroffen.

Es bleibt weiterhin abzuwarten, wie sich das generelle Verbot der Produktion und des Verkaufs von quecksilberhaltigen Leuchtmitteln ab 2020 auf die weitere Verwendung von entsprechenden Lichtquellen auswirken wird. Auch für die neue LED-Lichtgeneration in der Wohnraumbeleuchtung wird mit der EU-Verordnung Nr. 1194/2012 bereits ein Verbot für LED-Leuchtmittel mit der Farbwiedergabe Ra ≤ 80 prognostiziert [19]. Es bleibt noch die Frage zu beantworten, ob die vorhergesagten Einsparungs- und Umwelteffekte auch erreicht wurden. Das Umweltbundesamt publiziert für die Haushaltsbeleuchtung der Jahre 2008 bis 2015 tatsächlich eine Verringerung des Energieverbrauchs durch das Glühlampenverbot von 12,3 TWh auf 9,3 TWh [25], allerdings wird für die Privathaushalte gleichzeitig eine Steigerung des Energieverbrauchs um 8,0 TWh, entsprechend einer Steigerung um mehr als 30% gegenüber 2008, ausgewiesen.

Was die Revolution in der Beleuchtung durch LEDs bringt

Die neuere Geschichte der Lichtquellen beginnt mit der Entwicklung der ersten roten Luminiszenzdiode auf der Basis von GaAsP mit einer Lichtausbeute von 0,1 lm/W durch Nick Holonyak im Jahr 1962 [12]. Isamo Akasaki und Hiroshi Amano [27] entwickelten 1989 die „blaue“ LED auf der Basis eines SiC-Subs­trats. Im Jahr 1993 folgte eine effektive blaue LED auf Basis eines Saphir-Einkristallsubstrats von Shuji Nakamura [28].

Damit war es erstmals möglich, weißes Licht durch Kombination von roten, gelben und blauen LEDs zu erzeugen. Parallel dazu folgte 1995 ein weißes LED-Leuchtmittel, das eine blaue LED und Lumineszenzkonversion durch eine zusätzliche Leuchtstoffschicht kombinierte. Im Jahr 2014 wurden Akasaki, Amano und Nakamura für ihre Entwicklungen mit dem Nobelpreis für Physik geehrt [29].

Gegenwärtig gibt es eine große Anzahl von LED-Ausführungen in verschiedenen Formen, Größen und Farben (Bilder 8 und 9). In Handy-Displays, TV-Geräten, Ampel-Signalanlagen oder Autos hat sich LED-Licht bereits durchgesetzt. Hinsichtlich der Effizienz haben die LEDs die IRC-Halogenlampen, die Energiesparlampen und Leuchtstofflampen bereits überholt.

Der ZVEI [31] schätzte 2014 ab, dass alle 6 bis 8 Monate eine neue LED-Generation entsteht. Lichtausbeuten ≥100 lm/W, Langlebigkeit (≥15 000 bis 30 000 h) sowie Energieeinsparungen von 80% im Vergleich zu klassischen Glühlampen machen LEDs als nachhaltige Lösungen nahezu unverzichtbar. Für die nahe Zukunft sind jedoch noch einige Probleme zu lösen:

  • Herstellungskosten, Preis,
  • thermische Stabilität,
  • Probleme bei Außentemperaturen ≤–25 und ≥45°C,
  • internes Wärmemanagement (heat sinks),
  • Farbwiedergabe (noch Ra ≤ 75 bis 80), mit steigender Lichtausbeute sinkt die Farbwiedergabe,
  • Gewöhnungsbedürftige, futuristische äußere Wärmeableitung beim Glühlampenersatz (GE, PHILIPS).

Der gegenwärtig stattfindende Wandel in der Lichtbranche dürfte sich nochmals verstärken, wenn sich organische Leuchtdioden „als das Licht der Zukunft“ auf dem Markt durchsetzen. OLEDs sind die ersten wirklich flächigen Lichtquellen. Gegenüber den punktförmig strahlenden anorganischen LEDs nutzen sie organische Halbleiter zur Lichterzeugung. Hauptproblem ist die Empfindlichkeit der organischen Moleküle gegenüber Luftfeuchtigkeit, so dass entsprechende flächenhafte Verkapselungen erforderlich werden. Eine aktuelle Weiterentwicklung stellen leuchtende Kunststofffolien, sogenannte PLEDs, dar.

In Deutschland initiierte das BMBF mit dem VDI-Technologiezentrum in Düsseldorf bereits 2012 das Förderprogramm „Photonik Forschung Deutschland – Licht mit Zukunft“ (Fördervolumen 100 Mio €). Darüber hinaus stellt auch im EU-Forschungsprogramm „Horizons 2020“ die Photonik gemeinsam mit der Mikro- und Nanotechnologie einen der fünf Schwerpunkte dar.

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