LED Leuchttechnologie der Zukunft?

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1 LED Leuchttechnologie der Zukunft? Was ist eine LED? Die LED (Licht emittierende Diode bzw. light-emitting diode, Leuchtdiode) gehört zu den Elektrolumineszenzstrahlern. Als Elektrolumineszenz bezeichnet man den Vorgang, wenn elektrischer Strom zur Lumineszenz und Lichterzeugung anregt. Technologie Leuchtdioden basieren auf unterschiedlich dotierten Halbleiterverbindungen: einer n-schicht mit einem Elektronenüberschuss und einer p-schicht, die wegen des daraus resultierenden Elektronenmangels positiv gepolt ist. Zwischen den beiden Schichten liegt als Übergangsbereich die aktive Schicht, auch Sperrschicht genannt, die auch der Ort der Lichterzeugung ist. Schließt man nun eine elektrische Spannung in Durchlassrichtung an, bekommen die Elektronen im n-bereich genügend Energie, um das Hindernis der Sperrschicht zu überwinden und in den p-bereich zu wandern, dort kommt es zu einer Rekombination mit den Löchern, und Energie setzt sich in Form von elektromagnetischer Strahlung frei [5] (siehe Abbildung 1). Dies beschreibt im Wesentlichen auch die Funktionsweise einer herkömmlichen Diode; durch spezielle Kombinationen von Halbleitermaterialien und Dotierungen liegen diese Wellen aber im Bereich des sichtbaren Lichts, und es entsteht eine punktförmige Lichtquelle. Vorteile Die LED hat viele gute Eigenschaften, doch ihr entscheidender Vorteil ist ihre Energieeffizienz. Ihr außergewöhnlich geringer Energieverbrauch ist durch ihren extrem hohen Wirkungsgrad zu erklären: 90 % des Stroms werden in Lichtenergie umgewandelt. So können bei Verwendung von LED-Leuchten bis zu 80 % an elektrischer Energie eingespart werden [6]. Dank ihrer Flexibilität bezüglich ihrer Wellenlänge und Leistung können Leuchtdioden auch in einem sehr weitläufigen Gebiet eingesetzt werden. Seit dem Start der LED-Forschung in den frühen 60er Jahren des letzten Jahrhunderts hat sich diese Technologie um ein Vielfaches weiterentwickelt und verbessert. Heute können inzwischen viele Bereiche von den Vorteilen dieser Lichttechnik profitieren. Ihrer geringen Größe und ihrer kompakten Form verdankt die LED ihr Haupteinsatzgebiet, das Anwendungen im Bereich von LED-Leuchten, Displays, Backlighting und Mobiltelefone umfasst. Da LEDs beinahe frei von UV- und IR-Strahlung und exakt steuerbar sind und zudem ein breites Farbspektrum besitzen, wird diese Technik auch in bestimmten Bereichen der Architektur (Beleuchtung von Außenfassaden, Vitrinen, Verkaufsräumen etc.) eingesetzt. Daneben gibt es auch noch die herkömmlichen Einsatzgebiete in der Not- und Signalbeleuchtung. Anna Pferschy: LED Leuchttechnologie der Zukunft? 1

2 Für die nächsten Jahre wird ein Rückgang im Bereich der Display-, Mobiltelefon- und Backlighting-Technik prognostiziert, was vor allem auf die Verbesserung der OLED(Leuchtdioden mit organischen Halbleitermaterialien)-Technologie zurückzuführen ist. Die Zukunft der LEDs liegt in einem anderen Bereich: Heute bieten Leuchtdioden eine attraktive Alternative zur Glüh- und Energiesparlampe. Außerdem besitzt diese Technologie in allen anderen Bereichen wie Haushalt, Industrie, Gewerbe, Verkehr, öffentliche Beleuchtung etc. ebenfalls ein großes Energiesparpotenzial. Status quo In der Theorie gibt es verschiedene Methoden für die Herstellung von Weißlicht-LEDs. Besonders effektive weiße (und auch blaue) Leuchtdioden können durch Luminiszenzkonversion erzeugt werden. Dabei entsteht mittels einer Kombination einer blauen (UV-Licht emittierenden) LED und eines Luminiszenzfarbstoffs weißes Licht. Die Farbstoffschicht absorbiert einen Teil des kurzwelligen blauen Lichts, welches zum Leuchten angeregt wird, wodurch ein gelboranges, aber weiß anmutendes Licht emittiert wird [5] (siehe Abbildung 2). Technisch umgesetzt wird dies durch Galliumnitrid(GaN)-Schichten, welche auf Siliziumscheiben gesetzt werden. Bisher übliche Saphir-Substrate können auf diese Weise entfallen. Diese Methode zur Herstellung von neuen, besonders leistungsfähigen weißen und blauen LEDs wurde von Wissenschaftlern des Fraunhofer- Instituts entwickelt [7]. Hindernisse und Barrieren Heute sind LED-Lampen schon ein vollwertiger Ersatz für herkömmliche Glühbirnen, die Lebenserwartung dieses neuen Leuchtmittels ist rund 25-mal so hoch wie die einer Glühbirne. Ihre außergewöhnlich lange Leuchtdauer macht auch den hohen Anschaffungspreis, der immer wieder als Hauptargument gegen diese Beleuchtungstechnologie angeführt wird der, wie immer wieder behauptet wird, diese Beleuchtungstechnologie zu teuer mache, wieder wett. Ein anderes weit verbreitetes Vorurteil ist, dass Leuchtdioden nur ein kaltes, sehr klinisch anmutendes Licht geben. Dies ist aber bei den neuesten LED-Leuchten nicht mehr der Fall. So können mithilfe verschiedenster optischer und technischer Maßnahmen die unterschiedlichsten Farbmischungen und damit jede gewünschte Lichtatmosphäre erzielt werden. Der Ausdruck Ressourceneffizienz ist in aller Munde, doch fehlt es dieser Lichtlösung, die umwelttechnisch die beste und praktikabelste wäre, am nötigen Marketing. So ist die Verbreitung der LED-Technik sowohl in den privaten Haushalten als auch in der Industrie, im Gewerbe, im Verkehr und in allen anderen Bereichen noch äußerst gering, obwohl diese Anna Pferschy: LED Leuchttechnologie der Zukunft? 2

3 Technologie schon weit genug ausgereift ist, um für den Einsatz in der Praxis bestens geeignet zu sein. In den letzten Jahren wurden konventionelle Glühlampen für Haushaltsanwendungen schrittweise vom Markt genommen. Trotzdem werden diese Heizköper noch lange ihren Dienst verrichten, zumal sie weiter für industrielle und gewerbliche Zwecke erzeugt werden dürfen und damit auch weiter ihren Weg zum privaten Verbraucher finden. Aktuell werden die sogenannten Compact Fluorescent Lamps (CFL) forciert, welche auch unter der Bezeichnung Energiesparlampe bekannt sind. Diese bilden momentan wohl noch das größte Hindernis für den Einsatz von LED-Leuchten als Hauptleuchtträger. Die CFL ist zwar wesentlich energiesparender als die alte Glühbirne, hat aber einen höheren Energieverbrauch als eine LED-Lichtlösung und bei ebenfalls relativ hohen Anschaffungskosten eine wesentlich geringere Lebenserwartung als gleichwertige LED- Birnen. Dieser Umweg über die Energiesparlampen erscheint mir unverständlich und sinnlos, zumal diese durch die Verwendung von Quecksilber im Betrieb und bei der Entsorgung keineswegs umweltfreundlich sind. Dies würde zwar keine unüberwindbare Barriere darstellen, sorgt aber in wirtschaftlicher und auch umwelttechnischer Hinsicht für einen ungleich höheren Aufwand, als es bei LED-Lampen der Fall ist, für welche es einfache Sammelsysteme gibt. Diese Leuchtmittel stellen damit einen schlechten Kompromiss dar, der offenbar durch gutes Lobbying einiger weniger großer Hersteller bei der EU durchgesetzt wurde, aber im Endeffekt unserer Umwelt wenig bringt und wenig zur Nachhaltigkeit beiträgt. Die LED-Technologie besitzt sicherlich noch großes Entwicklungspotenzial, nicht unbedingt nur im Bereich der Technik und des Energiesparpotenzials, sondern vielmehr im Design von Beleuchtungslösungen für alle Einsatzbereiche. Meine Vision Um meine Erläuterungen leichter vorstellbar zu machen, rechnete ich das Energiesparpotenzial von LED-Beleuchtungslösungen mit konkreten Zahlen von Österreichs Haushalten hoch (siehe Abbildung 3). Das gewaltige Einsparungspotenzial, das allein durch das Auswechseln von Glühbirnen erreicht werden kann, ist aus dieser Berechnung klar ersichtlich. Die oben angenommenen Zahlen bilden zwar nur Durchschnittswerte, geben aber trotzdem relativ konkrete Vorstellungen. So geht hervor, dass, unter der Annahme einer Energieersparnis von 80 %, über 157 Millionen Euro und beinahe Tonnen CO 2 Emissionen pro Jahr eingespart werden können. Natürlich ist eine wie eben gezeigte totale Umstellung utopisch und in keinerlei Hinsicht realistisch. Dass der momentane Zustand aber nach Änderungen und Verbesserungen verlangt, daran besteht dennoch kein Zweifel. Anna Pferschy: LED Leuchttechnologie der Zukunft? 3

4 Unschwer ist zu erkennen, dass sich im Laufe der letzten Jahrzehnte in dieser Nische unglaublich viel verändert und weiterentwickelt hat. Auch wird es in den folgenden Jahren wohl kaum zu einem Stillstand kommen. Wenn ich mich am Anfang auch noch gefragt habe, ob LED denn wirklich die Leuchttechnologie der Zukunft sei, beantworte ich nun diese Frage voller Überzeugung mit JA! Es besteht kein Zweifel, dass das Gebiet der Beleuchtungstechnik zukunftsträchtig ist. Wir werden auch in Zukunft immer (mehr) darauf angewiesen sein. Somit sind wir verpflichtet, eine möglichst energiesparende und umweltfreundliche Lösung zu finden. Rechnet man die oben genannten Zahlen auf den gesamten Weltverbrauch hoch, so würde dies ein gewaltiges Einsparungspotenzial von elektrischer Energie und von CO 2 -Emissionen bedeuten, ohne irgendwelche Komfortverluste. Sogar im Gegenteil sinnvoll eingesetzte LED-Lösungen, welche den jeweiligen Situationen angepasst werden können, würden zu einer enormen Steigerung der Lebensqualität sowohl im Heimbereich als auch am Arbeitsplatz, in der Industrie, auf öffentlichen Flächen und in öffentlichen Gebäuden führen. Eine Umstellung auf LED kann vielleicht sogar schneller möglich sein, als man glaubt: Fortschritt geschieht, wohin man nur schaut, und wenn es uns gelingt, diesen Fortschritt in den Sinne der Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz zu stellen in Richtung Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz zu lenken, kann vieles erreicht werden. Für diverse Beleuchtungstechnologien würde dies konkret ein generelles Umdenken bedeuten, einen Wandel von einer Verschwendungsgesellschaft zu einer nachhaltigen Verwendungsgesellschaft. Dies ist die Richtung, die ich mir wünsche, die im Staat Österreich, in der EU und in der ganzen Welt eingeschlagen werden soll. Der Gedanke an Nachhaltigkeit soll in unserem Handeln erkennbar sein. Dies soll nicht aufgrund irgendwelcher EU-Richtlinien geschehen, sondern aus einem ganz einfachen und egoistischen Anlass: nur für uns selbst! Es hat mir große Freude bereitet, im Zuge dieses Praktikums an der Montanuniversität Leoben mehr über das Thema Nachhaltigkeit und über diverse Beleuchtungsenergien zu erfahren. Die Recherche in diesem Gebiet öffnete mir in einigen Bereichen die Augen, und somit möchte ich diesen Bericht mit einem von meinem Betreuer und mir gemeinsam ausgesuchten Leitspruch von Victor Hugo abschließen: Nichts auf der Welt kann eine Idee aufhalten, deren Zeit gekommen ist! Anna Pferschy: LED Leuchttechnologie der Zukunft? 4

5 Anna Pferschy Mag. Robert Treimer Anna Pferschy: LED Leuchttechnologie der Zukunft? 5