Die LED-Technologie gilt als die Beleuchtungstechnologie der Zukunft. Auch österreichische Forscher entwickeln sie ständig weiter. Dabei untersuchen sie auch, wie das Licht aus den Leuchtdioden auf den Menschen wirkt.
Der Dezember ist der dunkelste Monat des Jahres. Bis zur Wintersonnenwende nehmen die Tage weiter ab, dann wird es langsam wieder heller. Gerade in der finsteren Jahreszeit gewinnt künstliche Beleuchtung noch einmal an Bedeutung: zu Hause, in den Geschäften und Büros und auf der Straße. Und auch die ersten vorweihnachtlichen LED-Lichterketten zieren bereits manche Vorgartentanne.
Lichtemittierende Dioden, kurz LED, funktionieren anders als konventionelle Lampen. Nicht ein Glühdraht oder Gas erzeugt das Licht. Sie brennen, wenn Strom durch Elektronikchips aus einer Halbleiterverbindung, etwa Galliumnitrid, fließt. Welches Material man für den Halbleiter verwendet, beeinflusst die elektronische Struktur der LED-Leuchten.
Auch wenn sie im Handel bereits erhältlich sind, gibt es für Forscher noch viel zu verbessern: Zentral ist etwa die Energieeffizienz, denn Beleuchtungen sind für 19Prozent des weltweiten Verbrauchs an elektrischer Energie verantwortlich. „Ziele für die Forschung liegen in der Verbindung von Effizienz und Weißlichtqualität“, sagt Paul Hartmann, der das Institut Materials bei Joanneum Research (JR) leitet.
Die Mischung zählt
Denn eigentlich erzeugen LED-Lampen blaues Licht. „Das weiße Licht entsteht erst durch die Mischung mit gelbem und rotem Licht“, so Hartmann. Umgewandelt wird es etwa durch das Prinzip der Lumineszenzkonversion: Über einen blauen LED-Chip wird eine dünne Phosphor-Leuchtschicht aufgebracht. Der gelbe Phosphor verwandelt einen Teil des blauen Lichts in weißes Licht. So lassen sich verschiedene Weißtöne erzeugen: von warmem bis zu kaltem Weiß. Dadurch kann man bei bestimmten LEDs die Lichtfarbe ändern wie beim Dimmen.
Für Spezialprodukte sind aber durchaus auch Effektfarben wie Rot und Blau gefragt: etwa bei der Beleuchtung von Auslagen oder bei Veranstaltungen. „Dabei geht es um Effekte, nicht um ein möglichst gutes Weiß“, sagt Hartmann. Die richtige Mischung aus blauen, gelben und roten Farblichtanteilen ist eine Herausforderung. Blaues Licht strahlt eher nach vorn, gelbes in alle Richtungen. Billige LED-Fahrradlampen erkenne man etwa daran, dass sie hässliches Licht bilden, sagt Hartmann: Sie sind in der Mitte blau und haben einen gelben Rand.
Um die Qualität des Weißlichts für verschiedene Anforderungen im Raum und im Freien weiter zu verbessern, simulieren die Wissenschaftler die Optik von LED-Leuchten. Dabei wollen sie – in enger Kooperation mit der Industrie – außerdem die Effizienz erhöhen: Das Licht soll besser in den Raum übertragen werden.
Rotes Licht macht müde
Aber nicht nur die Technik steht im Mittelpunkt der Forschung. Gemeinsam mit Architekten der TU Graz, dem JR-Institut Policies, dem Human Research Institut und der Firma Lumitech starteten die Wissenschaftler heuer das Projekt Light Life. Darin wollen sie untersuchen, wie LED-Licht auf den Menschen wirkt. Das ist noch wenig erforscht. „Der Mensch ist an ein warmes, sonnenähnliches Farblichtspektrum gewöhnt, auch Glühlampen erzeugen eher oranges, rötliches Licht. LEDs bieten verschiedene spektrale Varianten mit häufig starkem Blauanteil“, sagt der Physiker. „Wir wissen bereits, dass ein starker Blauanteil aktivierend wirkt, aber rötliches Licht als angenehmer empfunden wird.“
Für die Praxis heißt das: „Man könnte etwa Schulen oder Büros in der Früh mit eher warmem und tagsüber stärker mit blauem Licht beleuchten.“ Das entspreche auch dem zirkadianen Rhythmus des Menschen: „Die Sonne scheint in der Früh rötlich, mittags gelb-grün und abends wieder rötlich“, so Hartmann. Letzteres fördert dann wieder die Müdigkeit. Mit dem gut steuerbaren LED-Licht ließe sich die Lichtfarbe den Bedürfnissen jedenfalls leicht anpassen.
Mann und Frau vergleichen
Light Life läuft noch zwei Jahre. Die Forscher wollen im Rahmen des vom Technologieministerium unterstützten Projekts noch untersuchen, ob es einen Unterschied zwischen Männern und Frauen oder zwischen jungen und alten Menschen gibt. Und daneben geht die Forschung an den Materialien der Bauteile weiter.
Den Vergleich mit konventionellen Alternativen wie Glühbirnen oder Energiesparlampen gewinnt die LED-Technologie bereits. Experten sagen ihr eine große Zukunft voraus. LED-Beleuchtung ist siebenmal effizienter als die mittlerweile aus dem Handel verbannten Glühbirnen. Diese geben als Temperaturstrahler etwa 95 Prozent der Energie als Wärme und nur fünf Prozent als Licht ab. LEDs sind umweltfreundlicher, weil sie – im Gegensatz zu Energiesparlampen – kein giftiges Quecksilber enthalten. Beim Einschalten wird es gleich hell, Energiesparlampen müssen sich erst aufwärmen. Im Vergleich zu Glühfäden sind LED-Leuchten außerdem unempfindlicher gegen Stoßen und Fallen.
Generell leben LED-Leuchten deutlich länger: Während das Licht der Glühbirne nach 1000 Stunden erlischt, brennen LED-Lampen circa 10.000 bis 20.000 Stunden lang. Energiesparlampen immerhin noch 2000 bis 4000 Stunden. „Der begrenzende Faktor ist derzeit noch die Elektronik“, sagt Hartmann.
Aber auch wenn den LEDs viel Potenzial zugetraut wird, sind die Lampen derzeit noch relativ teuer. Mit wachsender Stückzahl soll sich das aber ändern. „Auch Energiesparlampen waren anfangs teuer und wurden mit wachsender Nachfrage billiger. Das wird auch bei den LEDs passieren“, so Hartmann. Er ist sich sicher: LED werde in den nächsten Jahren zur dominierenden Beleuchtungstechnologie und bleibe das wohl zumindest bis 2030. Dann könnten Alternativen wie etwa Leuchten mit Laserlichtquellen stärker an Bedeutung gewinnen.
Die LED-Technologie ist jedenfalls auf gutem Weg, etablierte Beleuchtungsmethoden langfristig abzulösen. Ob sie damit eine ähnliche Erfolgsgeschichte schreibt wie die Glühbirne, ist aber offen. Denn diese hielt sich so lang wie kaum eine andere Technologie, nämlich rund hundert Jahre.
LEXIKON
LED steht für lichtemittierende Dioden. Sie basieren auf Halbleiterverbindungen. Legt man eine elektrische Spannung an, geben sie Licht ab.
OLEDs sind organische Leuchtdioden. Das Funktionsprinzip ist gleich wie bei den LEDs, nur dass Bauelemente aus sehr dünnen organischen Schichten das Licht aussenden.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 06.12.2014)