Digital Energy & Energieeffizienz „Licht wird immer leichter steuerbar“

Energy 2.0: Herr Dr. Streubel, vor gut sechs Jahren wurde Ihnen der Deutsche Zukunftspreis verliehen. Wie denken Sie heute über diese Auszeichnung?

Dr. Klaus Streubel: Die Dünnfilmtechnologie war eine disruptive Innovation. Wir haben eine LED-Technologie entwickelt, die es so nicht gab auf der Welt. Heute nutzen das viele LED-Hersteller. Solche Chancen gibt es nicht so oft.

Was war der Trick?

Kernproblem aller LED-Entwickler ist, das Licht aus dem Halbleiter zu holen. Man erzeugt das Licht extrem effizient, aber nur zwei bis vier Prozent kommen ohne weiteres heraus. Wenn man sehr dicke Schichten herstellt, kann mehr Licht durch die Seiten austreten. Das war damals die beste Technologie weltweit, aber relativ teuer und durch Patente geschützt. Wir haben dagegen eine dünne LED-Schicht hergestellt, den Wafer dann umgedreht, ihn auf eine spiegelnde Metallschicht gelegt und den alten Wafer entfernt. Das hat den Vorteil, dass alles Licht in eine Richtung geht – entweder direkt oder umgelenkt durch den Spiegel. Solche LEDs sind nicht nur effizienter, sondern auch direktional. Deshalb sind Osram-LEDs so erfolgreich zum Beispiel in Autoscheinwerfern, weil wir leichter viel Licht auf die Straße bringen.

LED ist also nicht gleich LED ...

Eigentlich gibt es zwei Technologien; die sogenannten Saphir-LEDs, die man auf Saphir aufwächst und dann in Stücke schneidet und kontaktiert – das sind die günstigen LEDs – und die Dünnfilm-LEDs, die in High-End-Applikationen gehen. Mehr als die Hälfte aller LED-Projektoren nutzen beispielsweise unsere LEDs, weil sie einfach souverän in der Performance sind.

Geht die Weiterentwicklung beider Typen getrennte Wege?

Nein, wer Metallspiegel-LEDs herstellen kann, beherrscht auch die einfachere Technologie. Die große Kunst bei der LED-Herstellung liegt in der sogenannten Epitaxie, also dem fehlerfreien und hocheffizienten Aufwachsen der LED-Schichten auf dem Wafer. Das ist der Schlüssel­prozess. Dafür haben wir ein großes Technologie-Zentrum in Regensburg, aus dem alle unsere Epitaxie-Schichten kommen.

Wohin geht die Entwicklung bei LEDs jetzt noch?

In der Allgemeinbeleuchtung herrscht ein sehr hoher Preisdruck. Der Erfolg der LEDs sorgt über Skalierungseffekte dafür, dass die Preise sinken, denn wir stellen LEDs heute in Milliardenstückzahlen her. Aber auch die Effizienz ist in diesem Zusammenhang wichtig, weil man von effizienteren LEDs weniger benötigt, um gleich viel Licht zu erzeugen. Und man kann den Aufwand zum Beispiel für Kühl­elemente reduzieren, wenn LEDs weniger Wärme erzeugen. Das bewirkt, dass die Retrofit-Lampen immer kleiner und leichter werden.

Wie lange kann diese Effizienzsteigerung anhalten?

LEDs sind schon heute fast die effizientesten Lichtquellen, die es überhaupt gibt. Nur einige Infrarot-Laser sind noch etwas besser. Bei den blauen LEDs liegt die sogenannte Wall-Plug-Efficiency bei rund 60 Prozent, also etwa 60 Prozent des Stroms geht in Licht. Aber wichtiger als die absolute Effizienz ist heute die Effizienz bei höheren Betriebsströmen. Die LED hat die Eigenschaft, dass sie das Effizienzmaximum schon bei wenigen Milliampere erreicht und danach inneffizienter wird, also am Arbeitspunkt eine deutlich niedrigere Effizienz aufweist.

Wo liegt sonst noch Verbesserungsbedarf?

Der LED-Chip ist nur ein kleiner Teil des Gesamtsystems. Da gibt es noch sehr viele Komponenten, die auch zur Effizienz des Systems beitragen: Etwa die Elek­tronik, Treiber oder die Optiken. Eine Herausforderung war ja lange Zeit für LED-Retrofitlampen die Abstrahlung in alle Richtungen wie bei einer Glühbirne zu verwirklichen, obwohl eine LED erst mal direktional strahlt. Heute ist eine effiziente Lichtmischung ein wichtiger Punkt, denn LEDs sind eigentlich sehr kleine monochromatische Lichtquellen, die man kombinieren kann. Mit einer Optik effizient Licht aus vielen farbigen Lichtpunkten zu einem homogenen Weiß zu mischen, ist gar nicht so einfach, vor allem wenn man bedenkt, wie wenig Raum zur Verfügung steht. Und es sind auch ganz neue Anwendungen möglich: Maßgeschneidertes, dynamisches Licht. Man kann sogar die Lichtfarbe über den Tageverlauf ändern. Im Münchner Lenbachhaus oder der Sixtinischen Kapelle in Rom sehen Sie, wie wir Kunst beleuchten können, mit hoher Lichtintensität und Lichtqualität, ohne dass Bilder und Fresken unter dem UV-Licht leiden.

Wie verändern sich die Anwendungsfelder durch die neuen Möglichkeiten?

Licht wird leichter steuerbar, auch über das Internet. Es wird „intelligenter“: Immer mehr Sensorik kommt in die Beleuchtung, also zum Beispiel, dass der Raum das Licht ausschaltet, wenn er nicht genutzt wird. Bewegungsmelder gibt es natürlich schon lange, aber heute wird darüber diskutiert, Kameras mit geringer Auflösung einzubauen. Wir experimentieren in unserem Forschungslabor in Amerika zum Beispiel mit Räumen, die sozusagen mitdenken: Sie würden erkennen, wenn ich ein Blatt Papier halte oder hinlege und das zum Schreiben oder Lesen richtig ausleuchten.

Was bringt da eine LED-Leuchte?

LEDs haben hier Riesen-Vorteile: Sie sind ohne Einschaltverzögerung sofort da, bieten Flexibilität im Farbspektrum und sind perfekt dimmbar. Und als opto-elektronische Komponenten sind sie mit der Elektronik natürlich von vorneherein gut kompatibel.

Was bedeutet das für die Branche?

Ich bin der festen Meinung, dass die Geschäftsmodelle sich an neue Gegebenheiten anpassen müssen. Spannend ist beispielsweise, was wir mit flexiblen und intelligenten Lichtquellen machen können. Es gibt immer mehr Untersuchungen, wie das Licht auf die Biologie des Menschen wirkt.

Welche Anwendung sehen Sie als erste kommen?

Sinnvoll wäre eine Steuerung der Lichtfarbe etwa in Schulen, weil sich Schüler morgens nachweislich wesentlich besser konzentrieren können, wenn die Beleuchtung passt. Studien zeigen auch, dass man Demenzkranken oder Alzheimer-Patienten durch eine dynamische Lichtsteuerung einen Rhythmus zurückgeben kann. Oder wenn eine Leuchte schon weiß, wer in einem Raum sitzt, dann weiß das Gebäude im Falle eines Brandes auch, ob alle draußen sind.

Also geht es beim Einsatz von LEDs nicht vorrangig ums Stromsparen?

Weltweit geht 15 Prozent des elektrischen Energieaufwandes in die Beleuchtung, das ist nicht vernachlässigbar. Ich selbst bin immer wieder erstaunt, wenn ich Glühbirnen durch Retrofit-Lampen ersetze. Da schraube ich statt einer 75-Watt-Glühbirne auch mal eine 7-Watt-LED rein, obwohl sie weniger Lumen liefert, aber mir subjektiv gleich hell erscheint. Ähnliche Erfahrungen macht auch die Autoindustrie: Es scheint, dass man mit weniger Lumen auf der Straße trotzdem besser sieht.

Woran liegt das?

Ein Grund dafür ist die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit unseres Auges bei Tag und Nacht.

Könnte das umgekehrt erklären, dass manche LED-Außenbeleuchtung sehr stechendes Licht liefert?

Da werden wohl manchmal Fehler bei der Auslegung gemacht, weil Tageslicht- und Nachtsehen sich stark unterscheiden. Nachts hat der Mensch eine andere Wahrnehmung als tagsüber. Nachts verschiebt sich die Sensitivität des Auges in den Blaubereich, so dass kälter-weißes Licht besser wirkt. Es gibt aber auch spektrale Unterschiede in der Wahrnehmungsrichtung, also ob ich geradeaus schaue oder etwas seitlich wahrnehme. Das heißt für die Beleuchtung, dass man Scheinwerfer im Auto anders auslegen muss als Straßenbeleuchtung. Jetzt, wo man Licht nahezu beliebig tunen kann, fängt man erst an, das ernsthaft zu untersuchen. Da sind noch viele interessante Ergebnisse zu erwarten.

Werden im Außenbereich LEDs die bisherigen Leuchtmittel verdrängen?

Ja, hauptsächlich motiviert durch Energieeinsparung. Die Payback-Zeiten werden für Städte oder Gemeinden immer kürzer. Und die Kommunen sparen nicht nur Wartungskosten, sondern die Akzeptanz in der Bevölkerung steigt. LED-Licht wird als angenehmer empfunden und reduziert die „Lichtverschmutzung“, denn die LED-Straßenbeleuchtung beleuchtet nur die Straße und nicht die Bäume drum herum und den Himmel.

Besteht die Gefahr, dass OLEDs, also die organische Technologievariante, den LEDs den Rang ablaufen, wie LEDs nun die Energiesparlampen in vielen Bereichen verdrängen?

Die Gefahr besteht nicht, weil das komplementäre Technologien sind. Die LED ist eine Punktlichtquelle und sehr direk­tional, die OLED ist eine Flächenlichtquelle und eigentlich selbst schon fast eine Leuchte. Deshalb muss man immer aufpassen wenn man Effizienzen vergleicht. Ein LED-Chip ist natürlich extrem effizient, 60 Prozent, 180 bis 200 Lumen pro Watt, aber wenn man eine Leuchte betrachtet, geht durch Elektronik, Lichtauskopplung im LED-Gehäuse und Entblendung so viel verloren, dass man bei vergleichbaren Effizienz-Leistungen landet wie der von OLED heute.

Wo sind die Domänen der OLED-Technologie?

Designer sind fasziniert von OLED, aber Designer-Objekte sind ja meistens auch sehr teuer. Die Anwendung in der Breite muss man abwarten. Mit einer so flachen, flexiblen Lichtquelle wie OLED kann man ganz andere Designsprachen umsetzen. Wir sehen zudem großes Interesse aus der Auto-Industrie, erst mal fürs Rücklicht. Im Frontscheinwerfer braucht man eine direktionale Lichtquelle. Daran sieht man schon, dass die Technologien komplementär sind.

Für Auto-Scheinwerfer, also direktionales Licht, wächst heute doch auch der Laser als Konkurrent heran.

Nur gibt es keine weißen, sondern nur farbige Laser. Laser ist per Definition eine monochromatische Lichtquelle mit speziellen Lichteigenschaften. Man konvertiert daher das Laserlicht an einem Punkt in weißes Licht, aber ab da ist es auch kein Laserlicht mehr, sondern weißes Licht mit extrem hoher Leuchtdichte.

Was hat das für Vorteile gegenüber direktionalen LEDs?

Man kann noch gezielter, noch gerichteter und noch fokussierter auf die Straße leuchten, also ein zusätzliches Fernlicht im Auto anbieten. Zukünftig kann man mit diesem wie bei der Projektion ein Profil auf die Straße schreiben, zum Beispiel einen Fleck ausschalten, wenn ein Auto entgegenkommt oder einen anderen Fleck am Straßenrand – vielleicht einen Fußgänger – gezielt anleuchten.

Würde das mit LED und Optiken nicht funktionieren?

Doch, in adaptiven Frontlicht-Systemen wird das über eine LED-Matrix gesteuert, aber eine so hohe Leuchtdichte schafft LED nicht. Der Unterschied in der Leuchte ist rund ein Faktor zehn.