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Nobelpreise für Leuchtdioden-Entwicklung

Der Physik-Nobelpreis 2014 wurde für die Entwicklung blau strahlender Leuchtdioden aus Galliumnitrid vergeben. Die TU Wien gratuliert – und der Dekan der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik erklärt die Hintergründe.

Blaue LEDs (Foto: Creative Commons, Gussisaurio, Share Alike 3.0 Unported)

Blaue LEDs (Foto: Creative Commons, Gussisaurio, Share Alike 3.0 Unported)

Blaue LEDs (Foto: Creative Commons, Gussisaurio, Share Alike 3.0 Unported)

Blaue LEDs (Foto: Creative Commons, Gussisaurio, Share Alike 3.0 Unported)

"Leuchtdioden sind die Lichtquellen der Zukunft – daran besteht kaum Zweifel. Sie sind billig, energieeffizient und haben eine lange Lebensdauer", sagt Prof. Karl Unterrainer, Dekan der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien. Dass Leuchtdioden heute in vielen Bereichen ihren Siegeszug antreten können, liegt an Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura, denen der Physik-Nobelpreis 2014 zugesprochen wurde.

Es begann in rot
Die ersten Leuchtdioden wurden bereits in den 1960er Jahren hergestellt. Anfangs bestanden sie aus Galliumarsenid und leuchteten rot. Man machte sich auf die Suche nach Möglichkeiten, auch Leuchtdioden mit einer Strahlung im höherenergetischen blauen Farbbereich herzustellen, doch das stellte sich als sehr schwierig heraus.

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt von den quantenphysikalischen Eigenschaften des verwendeten Materials ab. In Europa versuchte man, Leuchtdioden aus Tellurid herzustellen, hatte dabei aber große Schwierigkeiten mit der extrem geringen Haltbarkeit dieser Dioden. In Japan ging man einen anderen Weg: Nakamura, Akasaki und Amano verwendeten das Material Galliumnitrid. Man wusste, dass seine elektronischen Eigenschaften, durch die die Farbe des emittierten Lichts bestimmt wird, sehr günstig sind, allerdings ist Galliumnitrid extrem schwierig herzustellen. Um eine Leuchtdiode zu bauen, muss es gelingen, ein ausreichend großes Kristallstück ohne Fehler im Kristallgitter wachsen zu lassen. Lange fand man keinen Weg, passende fehlerfreie Galliumnitridschichten herzustellen.

Nach über 20 Jahren harter Arbeit gelang das Kunststück in den 1990er Jahren allerdings doch: Eine blau leuchtende Diode aus Galliumnitrid wurde entwickelt. "Die Hartnäckigkeit der Nobelpreisträger muss man wirklich bewundern", sagt Prof. Karl Unterrainer. "Es gab nicht die eine entscheidende Idee, die alle Probleme gelöst hätte, für den Erfolg waren viele mühsame kleine Schritte nötig."

Aus blau mach weiß
Blaue Leuchtdioden verwendet man heute auch um weißes Licht zu erzeugen. Durch fluoreszierende Beschichtungen kann das energiereiche blaue Licht in Lichtfarben geringerer Energie umgewandelt werden, so entsteht ein angenehmes weißes Licht, das viele verschiedene Wellenlängen enthält. Erst durch den entscheidenden Durchbruch, auch Leuchtdioden mit kurzer Wellenlänge im blauen (und später auch im ultravioletten) Bereich herstellen zu können, wurde der Siegeszug der "weißen" Leuchtdiode möglich, der heute erst so richtig beginnt.

Wenn Sie diesen Text lesen, sitzen Sie wahrscheinlich vor einem LCD-Schirm, der durch weiße Leuchtdioden (LEDs) beleuchtet wird. Im Automobilbereich werden die klassischen Scheinwerfer Zug um Zug durch LED-Scheinwerfer ersetzt, deren Lebensdauer bereits die des Gesamtfahrzeuges übertrifft. Die LEDs müssen also nie mehr getauscht werden.

LEDs haben eine sehr hohe Lichtintensität, sie können also viel kompakter gebaut werden als klassiche Leuchtmittel wie Leuchtstoffröhren oder Glühbirnen und brauchen keine komplizierte Beschaltung (wie bei der Leuchtstoffröhre). Die Gewichtsersparnis ist vor allem für alle mobilen Geräte enorm wichtig.