Es werde Licht: LEDs sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Diese Leuchtdioden basieren auf chemischen Substanzen, die unter Strom Licht aussenden. Wie das genau funktioniert, wie moderne LEDs aufgebaut sind und was OLEDs von LEDs unterscheidet, erklärt der Chemiker Markus Suta in unserem Video.
Einige Moleküle können Licht absorbieren und anschließend wieder aussenden. Diese Fähigkeit nennt man Lumineszenz. Die Leuchtstoffe, die sogenannten Luminophore, wandeln dabei zugeführte Energie in Licht um. Die Energiezufuhr kann dabei durch Licht oder andere Strahlung, chemische Reaktionen, Strom oder auch Druck erfolgen. In der Natur kommen solche Moleküle häufig im Körper von Tieren, Pilzen, Bakterien oder Pflanzen vor, die charakteristisch leuchten. Man spricht dann von Biolumineszenz, weil die Substanzen natürlich vorkommen.
Chemiker können solche Substanzen jedoch auch synthetisch und in jeglicher Wunschfarbe herstellen, indem sie ihnen über ihre oft kristalline Struktur die entsprechenden optischen Eigenschaften verleihen. Die Wellenlänge und Farbe des Lichts hängt vom jeweils verwendeten Material ab. In unserem Alltag finden sich solche Leuchtstoffe inzwischen in vielfältiger Form, vor allem aber in Leuchtmitteln wie LEDs. Dabei regt Strom zunächst ein Halbleiter-Material an, Energie in Form von Licht abzugeben. In modernen LEDs regt das dann die chemischen Stoffe zum Leuchten an.
Warum erscheinen LEDs weiß?
„Eine der gängigsten Anwendungen von anorganischen Leuchtstoffen ist sicherlich die Weißlichtbeleuchtung in Innenräumen oder auch in Autoscheinwerfern“, sagt der Chemiker Markus Suta von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, der an solchen Substanzen forscht. In diesen LEDs kommen beispielsweise grobkörnige keramische Stoffe aus der Gruppe der „Seltenen Erden“ wie Europium oder Cer vor, die nach Anregung rot oder grün leuchten. Zusammen mit einem Halbleiter aus Indium-Gallium-Nitrid, der unter Strom blaues Licht und UV-Licht aussendet, bilden die Seltenerdverbindungen ein Farbengemisch, das für unsere Augen weiß erscheint.
Doch warum leuchten die Substanzen in unterschiedlichen Farben? „Beide Leuchtstoffe absorbieren UV-Licht und wandeln dieses in sichtbares Licht um, das wir als Lumineszenz sehen“, erklärt Suta. Dass die eine Substanz rot und die andere grün erscheint, liegt daran, dass sie das UV-Licht unterschiedlich gut absorbieren und entsprechend mehr oder weniger Lumineszenz erzeugen. Mehr Absorption bedeutet dabei hellere Farben – in diesem Fall rot.
Was ist bei OLEDs anders als bei LEDs?
Ähnlich funktionieren OLEDs, die wie der Name schon andeutet jedoch organische statt anorganische Leuchtstoffe verwenden. Die chemischen Substanzen sind dabei organischer Natur und ihre Pulverkörner deutlich kleiner als bei anorganischen Stoffen. Sie lassen sich dadurch in dünneren Schichten auftragen. „Deswegen sind die meisten OLED-Displays auch relativ klein – wie etwa in Smartphones oder Smartwatches – oder können sogar gebogen werden“, sagt Suta.
OLEDs leuchten trotz ihrer dünnen Schichtdicke in verschiedenen schillernden Farben, weil die organischen Leuchtstoffe auch einzeln verwendet werden können. Die anorganischen Leuchtstoffe werden wegen ihrer Größe hingegen bevorzugt gemischt und für Weißlicht verwendet. Ihr Vorteil besteht jedoch darin, dass sie bislang stabiler sind als organische Stoffe und selbst bei hohen Temperaturen noch intensives Licht erzeugen, wie Suta erklärt.
