Hintergrundwissen zu Leuchtdioden (LEDs)

Der Aufbau einer typischen LED.
Der Aufbau einer typischen LED.

Es ist ein Wunderwerk der Chemie, inzwischen spottbillig, winzig und in jeder beliebigen Farbe – oder auch weiß – zu haben. Es geht um die die Leuchtdiode, auch LED (Light Emitting Diode) genannt. Sie gilt inzwischen mit gewissem Recht als Leuchtmittel der Zukunft, auch wenn sie jetzt schon fast überall zu finden ist, vom Times Square bis zum Armaturenbrett. Anders als die Glühbirne wandelt sie Energie nicht so stark in Hitze um, entsprechend sparsam ist sie und bleibt cool. Wie alle Halbleiter ist sie produktionsfreundlich in der Massenherstellung, wenn richtiger Materialmix und Prozess erst einmal gefunden wurden.

Der Aufbau: Alles im Kegel

Eine Leuchtdiode besteht vor allem aus kristallinem Material, das unter Stromfluss zu leuchten beginnt. Außenrum ist ein Reflektor, der das Licht sammelt und bündelt. Eine LED ist also weder ein Punkt- noch ein Flächenstrahler, auch wenn beispielsweise die Hersteller von LCD-Fernsehern alles dafür tun, ein Backlight so gleichmäßig wie möglich zu machen.

Dazu kommen noch elektrische Kontakte für den Stromfluss. Eine Besonderheit ist die Tatsache, dass LEDs nicht beliebig klein oder groß werden können. Das schränkt die Bauweise von Bildschirmen ein, die nur aus Leuchtdioden bestehen. LED-Displays, die zum Beispiel gern bei Großereignissen wie Konzerten oder im Sport eingesetzt werden, haben eine nach unten limitierte Pixelgröße, sind also eher groß bis riesig – aber lassen sich nicht im Wohnzimmer-Format bauen. Dafür sind sie extrem hell, was ihren Einsatz auch bei hellsten Sonnenlicht erlaubt. Aufwendig ist hierbei vor allem die Verdrahtung und die Ansteuerung.

Was sich schlicht und einfach „LED-Schirm” nennt, ist in der Regel nur ein LCD mit entsprechender Hintergrundbeleuchtung anstelle von dünnen, langen Röhren wie man sie früher in den meisten Fällen verwendet hat (CCFL Leuchtstoffröhren). Trotz ihrer eher geringen Abmessungen können auch LEDs nicht verleugnen, dass Strom fließt. Bei der Umwandlung von Elektronen in- Photonen entsteht ein Widerstand und damit Wärme.

Die Abwärme ist nach wie vor ein Problem, denn auch wenn Halbleiter wenig Wärme abgeben, bei Stromfluss bieten sie einen Widerstand. Also entsteht Mehrtemperatur, die der restlichen Elektronik und den Lötstellen zu schaffen macht. Die Lichtleistung wird deshalb auch mit LED begrenzt und stellt hohe Anforderungen an Kontruktion wie Einsatz.

Geschichte

Die Vergangenheit der Leuchtdiode reicht weit zurück bis zu den ersten Forschungen über das Verhältnis von Strom und festen oder flüssigen Kristallen, aus denen auch die LCDs hervorgingen. Sie verändern ihre Eigenschaften unter Spannung, richten sich aus oder emittieren Licht. Dabei wird der Fortschritt in Lichtstrom pro Latt gemessen (lm/W), anfangend bei Werten unter 0,1 und inzwischen bei mindestens 200 angelangt.

Die ersten LED strahten orangenes Licht aus, inzwischen ist praktisch jede Farbe und Tönung möglich. Ein Durchbruch gelang dem Japaner und frisch gebackenen Nobelpreisträger Shuji Nakamura, der für die damalige Chemiefirma Nichia nicht nur blaue LEDs, sondern auch Laser entwickelte, wie sie heute in Blu-ray-Playern eingesetzt werden.

Die ersten Exemplare leuchteten noch orange, was daran lag, dass man keine andere Materialkombination als Galliumnitrit (GaN) beherrschte.

Herstellung: Sortierung von Massen

Das schwierigste Kapitel der Produktion ist das sogenannte Binning, worunter die Auswahl einzelner LED-Exemplare je nach abgegebener Wellenlänge zu verstehen ist. Die ist nämlich, anders als bei Lasern, nicht eindeutig festgelegt, sondern variiert je nach Material und Herstellungprozess sowohl spektral wie leistungsmäßig.

Das Ergebnis wird dann eingeteilt in Klassen, die wiederum Rückschlüsse auf die Herstellung erlauben. Wer hier nicht anspruchsvoll ist, kann die Leuchten zu Centbeträgen erwerben, oft schon fertigungstechnisch vorbereitet auf Bändern.

Anwendungen: LEDs sind inzwischen überall

Von inzwischen alltäglichen Anwendungen wie Kontrollleuchten oder Taschenlampen hat sich die LED schnell weiterentwickelt – Licht wird überall gebraucht. Ein Beispiel dafür sind Projektoren oder LCD-Bildschirme, ebenso öffentliche Reklame oder Bebäudebeleuchtung. Leuchtdioden sind so günstig und praktisch, dass sie herkömmliche Lampen schon weitgehend verdrängt haben oder noch dabei sind. Das Verbot von „incandescent lamps”, also Glühbirnen tut da häufig nur Selbstverständliches.

Größenvergleich: LED und Laserlichtquellen sind deutlich kompakter als UHP-Lampen.
Größenvergleich: LED und Laserlichtquellen sind deutlich kompakter als UHP-Lampen.

Eine Schwierigkeit ist allenfalls noch der Bedarf an Schwachstrom, der den Einsatz von Trafos nötig macht – etwa als Ersatz herkömmlicher Lampen mit Schraubfassungen. Überall dort, wo mit Spannungen unter fünf Volt gearbeitet wird, ist eine Leuchtdiode nicht weit.

Eigenschaften: Klein, sparsam, schnell

Besonderes Merkmal der aktuellen LEDs ist ihr geringer Stromverbrauch, die sie auch für mobilen Einsatz geeignet machen. In vielen Fällen reicht eine Batterie oder ein USB-Anschluss, was vor allem davon abhängt, wie viel Licht gewünscht oder benötigt wird.

Ebenfalls bemerkenwert ist die Tatsache, dass Leuchtdioden extrem schnell an- und ausgeschaltet werden können. Die Frequenz ist dann so hoch wie die des Steuerstroms, weshalb man mit dem Licht auch Daten übertragen kann. Erste Versuche mit einer getakteten Raumbeleuchtung, die WLAN ersetzt, hat es bereits gegeben. Auch das Backlight eines LCD-Fernsehers eignet sich theoretisch dafür, die LED-Impulse lassen sich sogar in ein Glasfaserkabel einspeisen. Mit Hitzestrahlern und auch mit Gasdampflampen wäre das undenkbar.

Typischer Backlight-Aufbau eines LCD-Fernsehers am Beispiel von Sharp.
Typischer Backlight-Aufbau eines LCD-Fernsehers am Beispiel von Sharp.

Limitiert ist allerdings auch die maximale Größe. Mehr Licht lässt sich deshalb vor allem durch mehr LEDs erreichen. Nach unten hin galt bis vor kurzem ein Millimeter als kritische Grenze, die aber bereits unterschritten wurde.

Alle Farben sind möglich

Während die ersten LEDs nur eine Farbe abstrahlten, ist heute damit praktisch jede Wellenlänge des Spektrums machbar. Mischbarben oder Weiß lassen sich aber nur auf zwei Arten erzeugen:

1) Durch die Kombination verschiedenfarbiger Leuchtdioden, was eine stufenlose Verschiebung möglich macht; sogar bei LCDs gab es dazu Versuche und Studien, die in Verbindung mit Local dimming, der zonenweisen Ansteuerung, sehr vielversprechend aussahen. Allerdings sind die Kosten dafür wesentlich zu hoch.

2) Durch Zugabe von anderen Leuchtmitteln, meistens Phosphor – mittlerweile aber auch gelegentlich Quantum Dots. Eine weiße Einheit besteht dann häufig aus einer blauen LED mit gelbem Phosphor, manchmal wird auch ein roter und grüner Stoff verwendet. Hier ist aber das Spektrum nicht für alle Anwendungen geeignet. Bei Quantum Dots können Wellenlängen quasi beliebig umgewandelt werden. Eine einzige Wellenlänge (z.B. Laser) genügt dann schon, um ein breites Spektrum an Farben zu erzeugen. Kritisch ist dabei der Inhalt der Zusatzstoffe, der nicht immer mit gängigen Umweltregeln übereinstimmt (Fachausdruck RoHS compliant).

Das Licht der Leuchtdiode selbst wird direkt festgelegt durch das Material aus dem sie gebaut ist, zum Beispiel aus Zinkselenid oder Indiumgalliumnitrid für Blau. Durch neue Materialien gelang auch der große Durchbruch, unter anderem bei weißen LEDs.

Varianten der Technik: OLED, CLED, Laser

Leuchtende Halbleiter gibt es in vielen Spielarten, die teilweise das LED im Namen führen:

Ein Laser nutzt die gleichen Materialkombinationen, ist im Aufbau und dem Licht aber anders. Hier wird die abgestrahlte Welle durch interne Reflexionen verstärkt, womit sich die Leistung direkt hochschaukelt (was auch die ausgeschriebene Form Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation erklärt). Dadurch ist er sehr leistungsstark, einheitlich in der Wellenlänge und eine Punkt-Lichtquelle.

Bei OLED kommt ein organisches Material zum Einsatz, das aber im Gegensatz zu normalen LEDs als Paste aufgetragen werden kann. Schwierig ist hier die Ansteuerung im Zwischenbereich, also von Mischtönen oder niedrigen Sättigungen.

CLED ist eine 2012 vorgestellte Technologie von Sony, wobei das C wie bei Leuchtdioden für Crystal steht. Wie sie funktioniert, ist bis heute geheim; es gibt Vermutungen, dass hier die Firma QD Vision beteiligt war. Sony gibt an, dass hier für jeden Pixel eine Leuchtdiode verwendet würde, es kann sich dabei aber nicht um einzelne LEDs handeln. Angeblich ist intern die Wahl auf OLED gefallen.

 

Interessante Links:

Crystal LED /CLED bei Wikipedia (englisch)

Wikipedia über Leuchtdioden

Homepage von QD Vision, dem Entwickler von Color IQ: