Meilensteine der Elektronik

Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Lichtquellen

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Zukünftige Entwicklungen in der Beleuchtungstechnik

Die seit über 130 Jahren gewohnte und bewährte Glühlampe ist passé, den Halogenlampen geht es „an den Kragen“, ob die energieeffiziente IRC-Halogenlampe (Halogen-plus Xenonfüllung und Druckerhöhung) mit der höchsten Lichtausbeute der Temperaturstrahler von 35 bis 40 lm/W überleben kann, ist unklar. 2009/2010 stand die Kompakt-Leuchstofflampe noch im Fokus als energiesparender Ersatz von Glühlampen.

Diese Prognose zur Substitution der Glühlampe durch CFL hat sich im Wohnbereich nicht erfüllt. Seit 2012 sind in der EU die ersten Quecksilberdampflampen (HQL) sowie Leuchtstofflampen mit Halophosphatleuchtstoffen verboten. Da nach der von den Vereinten Nationen am 10. Oktober 2013 beschlossenen „Minamata Konvention“ es ab 2020 grundsätzlich verboten sein wird, quecksilberhaltige Leuchtmittel zu produzieren oder zu verkaufen, bleibt die weitere EU-Entwicklung abzuwarten [32].

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Seit der im Jahr 1993 erfolgten Entwicklung der blauen LED und der 1995 erfolgten Luminezenzkonversion durch eine Leuchtstoffbeschichtung zur Erzeugung weißen Lichts ist die Halbleitertechnologie aus der Lichtquellentechnik nicht mehr wegzudenken. Neben der Entwicklung und Einführung von LED-Leuchtmitteln vollzieht sich, fast unbemerkt von der Öffentlichkeit, der nächste Durchbruch in der Lichtquellentechnik: die OLED [33].

Die OLED ist die erste wirklich flächige Lichtquelle. Die Flexibilität der OLED sowie Lichtausbeuteprognosen von 65 bis 100 lm/W eröffnen neue Dimensionen in der Display-Technologie und der Beleuchtung.

Beleuchtung mit LEDs und OLEDs ist einer der großen Wachstumsmärkte in der nahen Zukunft. Sie werden eine entscheidende Rolle dabei spielen, einige wichtige globale Probleme wie Urbanisierung, demographische Entwicklung, Ressourcenverknappung, Energieeinsparung und Umweltschutz zu lösen.

Abschließend sollen zwei aktuelle amerikanische Entwicklungen aus dem MIT in Boston erwähnt werden: Die Forschungsergebnisse von Ognjen Ilic et al. [35] könnten der Glühlampe vielleicht zu einem Comeback verhelfen. Seine Forschungsgruppe hat eine Methode entwickelt, mit der die Lichtausbeute eines Glühkörpers auf 40% erhöht werden kann.

Dazu wird der Glühkörper mit einer Nanostruktur umgeben, die sichtbares Licht passieren lässt, aber Infrarotstrahlung nicht. So werden 80 bis 92% der Wärmestrahlung reflektiert und vom Glühkörper absorbiert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Glühlampe wird keine Wendel sondern eine Wolframfolie verwendet. Diese Technik [34] liefert neben einer angenehmen Farbe eine Lichtausbeute von 45 lm/W, eine Effizienz, die vergleichbar mit Leuchtstoffröhren und LED-Lampen ist (Bild 11).

Die zweite Entwicklung nutzt Graphen (Nobelpreis für Physik an Konstantin Noveselow und Andre Geim, 2010), um Elektrizität in Licht zu wandeln [36]. Die Wechselwirkung zwischen Graphenoberfläche, Elektronentransportgeschwindigkeit und Licht führt zur Emission eines fokussierten Lichtstrahls. Dies könnte die Grundlage für Schaltkreise aus Licht bilden und damit eine entscheidende Entwicklung der Computertechnik zu erheblich effizienteren und schnelleren Geräten darstellen.

Danksagung: Der Autor möchte Lazlo Bartha, Budapest / H; Wolf Dieter Schubert, Wien / A; Hugo M. Ortner, Reutte / A; Gerhard Leichtfried, Innsbruck / A und Bernhard Altmann, Schwabmünchen / D für die Zusammenarbeit, Bereitstellung von Informationen und Bildmaterial sowie der Lichtschau (OSRAM AG München) und der Bibliothek des Technik-Museums in Berlin danken.

Ergänzendes zum Thema
Wechselwirkung zwischen Lichttechnik und Materialwissenschaft
  • 1898 – Auer von Welsbach: Erste Metallfadenlampe mit „squirted“ Osmiumfäden
  • 902 – W. von Bolton: Ziehtechnologie für Feinstdrähte (Tantal ≤ 50 µm)
  • 1903 – A. Just, F. Hanaman: Wolframabscheidung aus der Gasphase
  • 1904 – A. Just, F. Hanaman: Erste Wolframlampe mit „squirted“ Wolframfäden
  • 1909 – W. D. Coolidge: Entwicklung „duktiler Wolframdrähte“ durch Pressen von Wolframpulver, Sintern und Verformung, begründete den Beginn der industriellen Entwicklung der heutigen Pulvermetallurgie zur heutigen Schlüsseltechnologie
  • 1912 – I. Langmuir: Nachweis der „Langmuir-Schicht“
  • 1913 – I. Langmuir: Stickstoff-Füllung von Glühlampen Komprimierung des Leuchtdrahts in Form der Wendel
  • 1913 – W. D. Coolidge: Entwicklung der Coolidge-Röhre zur Röntgendiagnostik
  • 1913 – E. Friedrich, K. Mey, R. Jacoby: Argonfüllung von Glühlampen
  • 1923 – K. Schröter: Erfindung des Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetalls: Basis der heutigen Materialbearbeitung im Maschinenbau
  • 1930 – I. Brody, P. Tury: Kryptonfüllung von Glühlampen
  • 1932 – I. Langmuir Nobelpreis in Chemie
  • 1936 – W. Geiss: Einführung der Wolfram-Doppelwendel
  • 1953 – E. Lundblat Diamantsynthese
  • 1959 – E. Fridrich, E. G. Zubler, F. Mosby: Einführung des Wolfram-Halogen-Kreisprozesses
  • 1962 – N. Holonyak: Erste rote Lumineszenzdiode (GaAsP)
  • 1962 – R. L. Coble: Entwicklung translucenter Aluminiumoxid-Keramik (Lucalox)
  • 1974 – DeBeers: Erste synthetische polykristalline Diamantziehsteine
  • 1989 – H. Amano, I. Akasaki: Blaue LED auf Siliziumkarbidsubstrat
  • 1993 – S. Nakamura: Blaue LED auf Saphirsubstrat
  • 1995 – NICHIA Weiße LED über Luminiszenzkoversion über äußere Leuchtstoffschicht
  • 1994 – A. Langer: Einführung UV-Stop-Quarzglas (Ceraluminat-Dotierung)
  • 1996 – A. Bunk et al.: Einführung IRC-Technik (infrarotreflektierende Schichten) bei Halogenlampen
  • 2000 – A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid, H. Shirakawa Nobelpreis in Chemie: “for discovery and development of electrically conductive polymers”
  • 2006 Erste LEDs mit 100 lm/W
  • 2014 – I. Akasaki, H. Amano, S.Nakamura Nobelpreis in Physik „for the invention of efficient blue light-emitting diodes”

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Literatur

[1] „F. A.Lampadius – 100 Jahre Gaslicht in Freiberg“, Freie Presse, Chemnitz, 10.06.2012

[2] „Es wurde Licht“, http://www.spiegel.de/einestages/erste-gaslaterne-der-welt-in-london-es-wurde-licht-a-961352.html 01.04.2014, abegerufen 11.7.2016

[3] M. Engshuber, Gas-Erdgas 132(1991) 2

[4] C. Auer von Welsbach, DE 39 162, 1885

[5] W. Nernst, DRP 104 872, 1897

[6] H. C. Förster, TU Berlin intern Nr.11, November 2012

[7] C. Auer von Welsbach, DRP 138 135, 1898

[8] W. von Bolton, O. Feuerlein, Elektrotechn. Z. 26(1905)4, 105

[9] A. Just, F. Hanaman, DRP 154 262, 1903

[10] A. Just, F. Hanaman, DRP 182 766, 1904

[11] P. Schade, Int. J. of Refractory Metals & Hard Materials 28(2010), 648-660

[12] P. Schade, Lichttechnisches Kolloquium, TU Berlin, 02.11.2011

[13] P. Schade, H. M. Ortner, I .Smid, 9th Int. Conference on Tungsten, Refractory and Hardmaterials, Orlando, FL, May 18-22, 2014

[14] H.-J. Lunk, Chem Texts (2014) 1:3, Springer Intern. Publishing, 02.12.2014

[15] W. D. Schubert, E. Lassner, P. Schade, ITIA Newsletter, London, December 2004

[16] W. D. Schubert, E. Lassner, ITIA Tungsten Brochure, London, 2009

[17] G. Zissis, Vortrag RM 64, 15. Plansee Seminar, Reutte, 2001

[18] „Erdöl, Kohle und Erdgas bleiben Hauptlieferanten“, Die Welt, 06.12.2013

[19] ELC: http://www.elcfed.org

[20] Lightcycle Retourlogistik und Service GmbH, Gasentladungslampen in Deutschland; Marktstudie, 2006

[21] W. D. Schubert, E. Lassner, ITIA Newsletter, London, June 2007

[22] http://www.smh.com.au/news/environment, vom 19.02.2007

[23] ELC: Press Release; Brussels 5 June, 2007

[24] USA: Energy Independence and Security Act, 2007; US Government Information Services GPO *H.R.6 “Light Energy Efficiences”, pp. 82-105

[25] I. Boehme/Umweltbundesamt: zitiert in Spiegel Online Wissenschaft, 27.01.2016

[26] M. Born, T. Jüstel: Physik Journal 2(2003)2, 43

[27] H. Amano, I. Akasaki: Mater. Res. Soc., Fall Meeting 1989

[28] S. Nakamura: Applied Physics Letters 64(1994), 1687-1689

[29] Nobel Price 2014: http://nobelprize.org/nobelprizes/physics/laureates/2014

[30] R. Haitz: Haitz’s Law – 9th Intern. Symposium on the Science and Technology of Light Sources, Cornell Univ., Ithaka, NY, 2001, Paper No. 110

[31] J. Winterhagen: Ampere (ZVEI) 01(2014), 13

[32] Minamata Konvention: Bundesministerium für Umwelt und Naturschutz, Pressemitteilung Nr. 149/13 vom 10.10.2013

[33] BMW Group: Pressemitteilung vom14.08.2015

[34] D. L. Chandler: MIT News Office, Boston, June 13, 2016 “Researchers discover new way to turn electricity into light, using graphene” http://news.mit.edu/2016/new-way-turn-electricity-light-using-graphene-0613, abgerufen 11.7.2016

[35] O. Ilic, P. Bermel, G. Chen, J.D. Joannopoulos, I. Celanovich, M. Soljacic: “Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source”

[36]. I. Kaminer, Y. Tenenbaum Katan, H. Buljan, Y Shen, O. Ilic, J.J. Lopez, L.J. Wang, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic: “Efficient plasmonic emission by the quantum Cerenkov effect from hot carriers in Graphen” Nature Communications 7(13 June 2016), No. commons 11880

* Dr.-Ing. Peter Schade ist Berater für Hochtemperatur-Werkstoffe in Berlin.

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