Nanoröhrchen-Lampen statt LED?

Nano statt Halbleiter: Japanische Forscher haben eine neuartige Leuchte aus Nanoröhrchen entwickelt. Die superflachen Lichtplättchen verbrauchen weniger Strom als eine herkömmliche LED und erreichen bei gleicher Leistung fast schon die gleiche Leuchtkraft. Nach Ansicht der Forscher hat diese Technologie daher durchaus das Potenzial, zum Leuchtmittel der Zukunft zu werden.

Gerade erst wurde die Erfindung der blauen LED mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, doch die Suche nach noch sparsameren Leuchtmitteln geht weiter. Nach Halogenlicht, Energiesparlampe und LED stehen schon seit geraumer Zeit Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Fokus der Forschung. Die aus einer nur einatomigen Lage von Kohlenstoffatomen zusammengerollten Zylinder gelten als vielversprechende Kandidaten für neue Halbleitermaterialien und damit vor allem für Computerprozessoren.

Nanoröhrchen als Kathodenstrahl-Röhre

Norihiro Shimoi von der japanischen Tohoku Universität und seine Kollegen haben nun auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen neuen Typ von superflachen und extrem effizienten Lampen entwickelt. Die Nanoröhrchen-Lampe besteht aus einer ultradünnen Schicht aus hochkristallinen, einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einer positive Trägerelektrode. Dafür optimierten die Forscher eine Methode, bei der die Nanoröhrchen aus einer Lösung heraus auf die Unterlage aufgetragen werden. Auf einen Hohlraum mit einem Vakuum folgt eine darüber liegende Phosphorschicht, die als Anode und Leuchtmittel zugleich dient.

Das Licht entsteht bei diesem System nicht wie bei den LEDs durch Halbleiterschichten, in denen Elektronen beim Vereinigen mit positiven Ladungen Licht abgeben. Stattdessen funktioniert die Nanoröhrchen-Lampe eher wie eine Kathodenstrahl-Röhre beziehungsweise wie viele gebündelte und winzige Kathodenstrahlröhren. Wird das System unter Strom gesetzt, gehen von den Spitzen der Nanoröhrchen Hochgeschwindigkeits-Strahlen von Elektronen aus, die sogenannte Feldemission, wie die Forscher berichten. Diese Elektronen fliegen durch den Vakuumhohlraum, schlagen in die Phosphorschicht ein und bringen diese zum Glühen.

Geringerer Energieverlust als andere Leuchten

Wie die Forscher berichten, ist das auf diese Weise erzeugte Licht flackerfrei und in seiner Helligkeit sehr homogen. Weil die Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein nahezu störungsfreies Netzwerk bilden, sei der Widerstand der Kathode bei hochkristallinen Kohlenstoff-Nanoröhrchen zudem sehr niedrig. „Dadurch hat dieses Leuchttäfelchen einen geringeren Energieverlust als andere aktuelle Leuchtmittel“, erklärt Shimoi.

Entsprechend sparsam und effizient ist die Nanoröhrchen-Leuchte: Sie benötigt nur 0,1 Watt Strom – und damit weniger als eine durchschnittliche LED. Und die Helligkeit kann sich durchaus sehen lassen: „Schon unser einfaches Dioden-Panel kann eine Helligkeit von 60 Lumen pro Watt erreichen“, sagt Shimoi. Zum Vergleich: Herkömmliche, in Massen gefertigte LEDs erreichen rund 100 Lumen, eine organische Leuchtdiode rund 40 Lumen.

Potenzieller Nachfolger der LED

Nach Ansicht der Wissenschaftler hat die Nanoröhrchen-Flachleuchte das Potenzial, eine ganz neue Generation von noch helleren, energiesparenderen Lampen zu erzeugen – und sogar eines Tages die LEDs abzulösen. Der von den Forscher optimierte Herstellungsprozess erlaubt es ihren Angaben nach zudem, auch großflächige und gleichmäßig dünne Nanoröhrchen-Emittern zu produzieren.

Zudem sei die Methode der Nassbeschichtung relativ kostengünstig. „Diese Leuchten bieten ganz neue Ansätze für unser Leben mit Licht und könnten zudem dazu beitragen, die Kohlendioxid-Emissionen auf der Erde zu verringern“, so Shimoi. Ob sich diese Technik tatsächlich auch in der Massenfertigung bewährt und durchsetzen kann, muss allerdings die Zukunft zeigen. (Review of Scientific Instruments, 2014; doi: 10.1063/1.4895913 )

(American Institute of Physics (AIP), 15.10.2014 – NPO)