LED Historie

Vom Taschenrechner zum Leuchtmittel der Zukunft - die Geschichte der LED

Mit zwei Nobelpreisen – verliehen im Abstand von mehr als hundert Jahren – wurden Wissenschaftler ausgezeichnet, deren Forschungen Anfänge und aktuellen Stand der Entwicklung der Leuchtdiode markieren. Von der Grundlagenforschung bis zur LED, die Abkürzung für den englischen Begriff light-emitting diode, als alltägliches Leuchtmittel war es ein weiter Weg.

1876: Karl Ferdinand Braun erkennt Halbleiter-Eigenschaften

Bereits 1876 beschrieb der Physiker Karl Ferdinand Braun aus Fulda die Eigenschaft eines Sulfidkristalls, Strom nur in einer Richtung zu leiten. Das passte überhaupt nicht in die damaligen Kenntnisse über leitende und isolierende Materialien, und es sollte noch sechs Jahrzehnte dauern, bis die Physik eine Erklärung für diesen Halbleiter-Effekt fand. Wie bedeutend die Entdeckung sein würde, war damals nicht abzusehen. Den Nobelpreis erhielt Braun im Jahr 1909 deshalb auch für seine Beitrag zur Erfindung der drahtlosen Telegrafie, die seit Beginn des Jahrhunderts die Kommunikation ebenso revolutionierte, wie Halbleiter später die Welt durch integrierte Schaltungen, Photovoltaik und eben auch LED verändern sollten.

1907: Henry Joseph Round entdeckt Lichtemission anorganischer Stoffe

Anorganische Stoffe können leuchten, wenn man elektrische Spannung anlegt. Diese Entdeckung veröffentlichte der Engländer Henry Joseph Round 1907 in der Zeitschrift „Electrical World“. Einen praktischen Nutzen sah aber wohl niemand in dieser Beobachtung, und so geriet sie zunächst in Vergessenheit.

Erst 1921 griff der russische Wissenschaftler Oleg Wladimirowitsch Lossew das Thema erneut auf und forschte daran bis zu seinem Tod 1942. Unterstützung erhielt er ab 1935 von Georges Destriau. Dem Franzosen wird die Entdeckung der Elektrolumineszenz zugeschrieben – dabei war es eigentlich nur ein Zufall, dass das von ihm für die Messung von Leitfähigkeiten von Metalllegierungen verwendete Zinksulfid mit Kupfer verunreinigt war. Die beobachtete Leuchterscheinung beim Anlegen starker elektrischer Felder nannte er Lossew-Licht. Destriau gelang es, eine Elektrolumineszenz-Folie bis zur Marktreife zu entwickeln. Sie diente zunächst als Hintergrundbeleuchtung beispielsweise in Cockpits von Militärflugzeugen, konnte später aber auch zivil in Flüssigkristall-Displays eingesetzt werden. Auch wenn sich die physikalischen Prinzipien der LED und der Elektrolumineszenz-Folie unterscheiden, finden wir mit dem Destriau-Effekt eine erste praktische Anwendung von Leuchteffekten anorganischer Materialien.

1962: Die Geburtsstunde der LED

Dem Amerikaner Nick Holonyak wird die Entwicklung der ersten industriell gefertigten LED im Jahr 1962 zugeschrieben. Voraus gingen wichtige Forschungen und Entwicklungen. 1947 wurde der Bipolartransistor in den Bell Laboratories erstmals präsentiert, 1956 gab es für die Physiker Shockley, Bardeen und Brattain einen Nobelpreis dafür.

Parallel dazu wurde der Effekt der Lichtemission geklärt. Die Forscher arbeiteten zunächst weiter mit Zinksulfid, wie es Destriau bereits 1935 getan hatte, erzielten ab 1957 aber bessere Ergebnisse mit Halbleitern, die mit Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) dotiert waren. Die erste rote Lumineszenzdiode von Holonyak erhielt deshalb die Typenbezeichnung GaAsP.

1971: Die LED-Welt wird hell und farbig

Mit der 1968 begonnenen Massenproduktion roter LED war der Vormarsch dieser Technik nicht mehr zu stoppen. Glimmlampen wurden durch LED ersetzt, Taschenrechner mit den bekannten Sieben-Segment-Anzeigen wurden alltagstauglich, Armbanduhren mit roter-Digitalanzeige waren der letzte Schrei, auch wenn sie wegen des hohen Stromverbrauchs die Zeit nur auf Knopfdruck anzeigten. An Beleuchtungs-Anwendungen war allerdings bei einer Lichtausbeute von 0,1 Lumen pro Watt nicht zu denken – die völlig ineffiziente Glühbirne schafft mindestens das Hundertfache.

Verbesserte Halbleitermaterialien erlaubten LED in anderen Farben als dem bislang einzig verfügbaren Rot leuchten zu lassen. Das isoelektronische Dotieren von GaP und GaAsP mit Stickstoff brachte nicht nur eine bedeutende Erhöhung der Effektivität, sondern machte ab 1971 auch rot-orange, gelbe und grüne LED möglich. Ab Anfang der 1980er Jahre übertrafen LED erstmals hinsichtlich ihrer Effektivität farbig gefilterte Glühlampen. Damit wurde auch der Einsatz in Signalanlagen und Werbetafeln interessant.

1995: Weißes Licht aus einer LED

In den kommenden beiden Jahrzehnten ging es vor allem darum, die Effizienz weiter zu steigern und damit LED für Beleuchtungsanwendungen tauglich zu machen. Das Hauptproblem war die Lichtfarbe. Mit Galliumnitrid (GaN) und weiteren Materialien konnten fast alle Farben des sichtbaren Spektrums erzeugt werden. Nur bei kurzwelligem Licht, also von Blau bis zum Ultraviolett, gab es keine praxistaugliche Lösung.

Die Grundlagen für blaue LED wurden ab 1988 in Japan entwickelt, und 1995 gelang es im japanischen Chemie- und Halbleiterkonzern Nichia, blaues Licht einer LED durch Zugabe von gelbem Leuchtstoff in weißes Licht zu konvertieren. Zwei Jahre später war die erste weiße LED im Handel. Die seinerzeit eher unbedeutende Firma Nichia ist heute Weltmarkführer mit rund drei Milliarden Euro Umsatz, stattet beispielsweise sämtliche iPhones mit ihren LED aus. 2014 wurden die Erfinder der blauen LED Isamu Akasaki, Shuji Nakamura und Hiroshi Amano mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Mittlerweile setzen Mitbewerber neben der Lichtkonversion auch Verfahren der additiven Lichtmischung ein, um als Resultat weißes Licht zu erhalten.

Gegenwart und Zukunft: Effizienz um drei Größenordnungen gesteigert

Mit der Bereitstellung weißer LED war der Durchbruch in der Beleuchtungstechnik geschafft. Die Effizienz hat sich seit 1962 um mehr als drei Zehnerpotenzen gesteigert. Die Lichtausbeute handelsüblicher LED überschreitet die Marke von 100 Lumen pro Watt, unter Laborbedingungen nähert man sich bereits der theoretischen Obergrenze von 350 Lumen.

In Verkehrsampeln, Straßenlaternen, Autoscheinwerfern, Taschenlampen, TV-Geräten, Smartphones und vielen weiteren Geräten tun LED heute selbstverständlich ihren Dienst und tragen durch reduzierten Energieverbrauch zu einer verminderten Umweltbelastung bei. Außerhalb des sichtbaren Lichts gibt es ein weites Anwendungsfeld in der Medizintechnik beispielsweise durch Härten von Kunststoff-Füllungen in Zähnen mittels UV-Licht, in der Wassersterilisation durch den Einsatz von UV-C LED oder zur Messung der Sauerstoffsättigung im Blut durch infrarote LED.