Natürlich warme Leuchtdioden | Wissen & Umwelt | DW | 04.12.2013
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Wissen & Umwelt

Natürlich warme Leuchtdioden

Leuchtdioden, die weißes Licht abstrahlen gibt es schon länger. Doch bisher war das Licht sehr kalt. Die LED-Lampen der Zukunft leuchten aber jetzt genauso schön und warm wie klassische Glühlampen.

Menschen sitzen gemeinsam beim Abendessen in einem Raum, der mit warmweissen LEDs beleuchtet wird (Foto: Philips)

So angenehm kann LED-Licht sein

LED-Lampen kamen bisher meist in Fahrrad- oder Taschenlampen zum Einsatz - also dort, wo es vor allem darum ging, dass die Batterie möglichst lange hält und die Lampe hell leuchtet. Schönes, warmweisses Licht mit guter Farbwiedergabe ist da nicht gefragt. Doch jetzt halten LED-Lampen auch immer mehr im Haushalt Einzug. Möglich macht das eine Erfindung aus Deutschland: Ein Leuchtstoff, der das als kalt empfundene LED-Licht mit viel Blau- und wenig Rotanteil in warmes Licht umwandelt.

"Unsere Leuchtstoffe werden praktisch als dünne Schicht auf den eigentlichen Halbleiter, also die blaue LED aufgebracht," erklärt Peter Schmidt, der das Wundermittel in der Forschungsabteilung von Philips zur Industriereife gebracht hat. "Ein Teil des blauen Lichts kann durch diese Leuchtstoffschicht hindurchtreten, aber ein anderer Teil wird in grünes und rotes Licht umgewandelt, mit Hilfe dieser Leuchtstoffe."

Die Erfinder des Leuchtstoffes Nitridosilikat Wolfgang Schnick, (Uni München) und Peter Schmidt (Philips) Mit ihrer Technik werden bei der Firma Philips in Aachen warmweisse LEDs hergestellt (Foto: Ansgar Pudenz/ Deutscher Zukunftspreis)

Wolfgang Schnick (rechts) kam auf die Idee, Peter Schmidt (links) hat sie zur Industriereife gebracht.

Dabei kommt dann Licht heraus, das sich für das menschliche Auge von dem einer klassischen Glühlampe, einer Halogenlampe oder auch dem Licht einer Kerze kaum mehr unterscheidet. Es gibt aber doch einen entscheidenden Unterschied: Das warme LED-Licht ist viel energiesparender.

Ungiftig und haltbar

"Eigentlich sind alle Lampen, die man so kennt, eher Wärmequellen als wirkliche Lichterzeuger", konstatiert Schmidts Kollege, der Physiker Helmut Bechtel. "Mit den Leuchtdioden kommt man erstmals in einen Bereich, wo man eine Chance hat, mehr Licht als Wärme zu erzeugen." Der Grund: LEDs strahlen nicht noch nebenbei infrarotes oder ultraviolettes Licht aus – also Wellenlängen, die das menschliche Auge ohnehin gar nicht sehen kann, und damit Energie, die man sich auch sparen kann, weil sie ohnehin unsichtbar bleibt.

In der Praxis verbraucht also eine warmweisse LED-Lampe, die soviel sichtbares Licht produziert wie eine klassische 60-Watt Glühbirne nur etwa zehn Watt an Leistung. Selbst eine marktübliche Energiesparlampe ist mit zwölf Watt nicht so sparsam. Vor allem hat die LED-Lampe aber den Vorteil, dass sie kein giftiges Quecksilber enthält und eine viel längere Lebenserwartung hat. Und auch für diejenigen, die in weniger entwickelten Weltregionen leben und keinen eigenen Stromanschluß haben, kann eine LED-Beleuchtung eine gute Lösung sein: Wegen ihrer Niederspannungstechnik, lässt sie sich hervorragend mit kleinen Solar- oder Windanlagen und Autobatterien kombinieren.

Blauweisse LEDs bei der Firma Philips in Aachen (Foto: Ansgar Pudenz/ Deutscher Zukunftspreis)

Zuerst produzieren blau-leuchtende LEDs kaltes Licht...

Die Suche nach dem Stein der Weisen

Den Leuchtstoff, der die Umwandlung von kaltem in warmes Licht möglich macht, hat Schmidt eigentlich nicht selbst erfunden. Die Idee stammte von Wolfgang Schnick von der Universität München. Der Professor für Festkörperchemie hatte herausgefunden, dass Nitridosilikate - das sind Verbindungen von Silizium mit Stickstoff - die wundersame Umwandlung der Wellenlängen bewirken können.

Das Problem: Auf der Welt gab es im Jahr 2001, als Schmidt mit seiner Arbeit begann, nur winzige Mengen synthetischer Nitridosilikate. Die kamen aus Schnicks Labor in München, erinnert sich der Erfinder. In der Natur kommt der Stoff indes überhaupt nicht vor, weil Silizium viel lieber mit Sauerstoff reagiert als mit Stickstoff. Dementsprechend selten war das Material. "Am Anfang war der Weltvorrat an solchen Nitridosilikaten vielleicht 100 Milligramm", so Schmidt. Deshalb habe er nach einem Weg gesucht, diese Substanz in größeren Mengen herzustellen.

Diese Aufgabe hat der Chemiker auf traditionelle Weise gelöst. "Es war ein Trick aus der Alchemie, den man schon im 16. Jahrhundert erstmals angewendet hat", so Schmidt. Damals hatte der Alchemist Vincenzo Casciarolo in Bologna versucht, den Stein der Weisen herzustellen - also Gold aus weniger wertvollem Material zu machen. Dazu hat er Schwerspat – ein natürliches Bariummineral - mit Roggenmehl vermengt und es über Feuer geglüht. "Am nächsten Tag hat er festgestellt, dass es leuchtet," beschreibt Schmidt Casciarolos Entdeckung. "Es war einer der ersten Leuchtstoffe, die hergestellt wurden – der Bologneser Leuchtstein."

Bildbeschreibung: Leuchtstoff-Scheiben aus Nitridolikikat. Damit werden bei der Firma Philips in Aachen warmweisse LED- Lampen hergestellt (Foto: Ansgar Pudenz/ Deutscher Zukunftspreis)

...dann machen grüne und rote Leuchtstoff-Scheiben daraus warmes Licht

Ohne es zu wissen, hatte der Alchemist den Sauerstoff bei der Reaktion entfernt und damit ermöglicht, dass das Metall mit dem Stickstoff reagiert. Einen ähnlichen Überraschungseffekt wie Casciarolo erlebte der Aachener Forscher dann auch selbst.

"Wenn man Kohle mit Substanzen vermengt, ist das eine graue Masse. Wir haben sie in den Ofen geschoben," erinnert sich Schmidt. "Die Hoffnung war nicht so groß, dass es klappt. Aber als wir am nächsten Tag die Substanz aus dem Ofen geholt haben, kam eine leuchtende orangefarbene Masse heraus. Wir wussten sofort: Es hat geklappt. Es ist genau der Leuchtstoff entstanden, den wir herstellen wollten."

Schönes Licht ist auch gesund

Seit dem Experiment hat die Entwicklung warm-leuchtender LEDs riesige Schritte gemacht. Nitridosilikate werden heute industriell in großer Menge hergestellt. Und in den Labors bei Philips geht die Forschung immer weiter. Der Ingenieur Raymond Wijnen versucht sein Glück mit Phosphor. Auch das trägt er, wie die Nitridosilikate, nachträglich auf die kalt-leuchtenden LEDs auf.

"Bei meinen Experimenten baue ich LEDs von Hand. Wir testen dabei verschiedene Phosphor-Kombinationen und versuchen, den optimalen Farbpunkt zu finden", so der Chemiker.

Leuchtstoffe aus Nitridolikikat. Damit werden bei der Firma Philips in Aachen warmweisse LEDs hergestellt (Foto: Ansgar Pudenz/ Deutscher Zukunftspreis)

Nitridosilikat-Pulver verwandelt kaltes blaues in warmes rotes oder grünes Licht.

Peter Schmidt tüftelt unterdessen an der Wohnungsbeleuchtung der Zukunft. Seine Vision: Lampen, die digital gesteuert ihr Lichtspektrum an die biologischen Bedürfnisse der Menschen anpassen können. "Unser Hormonhaushalt wird von Licht gesteuert: Der blaue Spektralanteil macht uns wach, indem er die Serotoninproduktion anregt. Andererseits kann zuviel blaues Licht zu Schlafstörungen führen", erklärt der Erfinder. Deshalb ist vor dem Schlafengehen warmweisses Licht entspannender und auch gesünder. "Mithilfe von farbsteuerbaren Lampen kann man die Beleuchtung so an unseren Biorythmus anpassen", so seine Vision.

Und nicht nur normale Lampen können mit den neuen Farbstoffen besser an die menschliche Biologie angepasst werden – das geht zum Beispiel auch mit der Hintergrundbeleuchtung von Flachbildfernsehern. Vielleicht gibt es dann in Zukunft einen Wachmacher-Bildschirm mit mehr kaltem Licht für die morgendliche Computer-Arbeit und für den Abend einen Bildschirm mit warmem Licht, damit man auch nach dem Fernsehabend gut schlafen kann.

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