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Die Geschichte des Lichts

Die „Neonröhre” enthält zwar gar kein Neon, doch ohne ein anderes Edelgas bliebe sie dunkel. Seit der Gaslaterne ist künstliche Beleuchtung ohne Gase gar nicht mehr denkbar.

Über viele Jahrtausende musste sich der Mensch nach Sonnenuntergang mit dem spärlichen Licht funzliger Öllampen und flackernder Kerzen oder dem Widerschein des Lagerfeuers begnügen. Den natürlichen Luftsauerstoff, den sie für die Verbrennung brauchten, wollen wir hier nicht unter die Licht-Gase zählen, zumal fast die gesamte Energie der Flammen nicht als Licht, sondern als Wärme freigesetzt wird. Erst mit Gasen, die technisch gewonnen und bereitgestellt wurden, ließ sich die Helligkeit der künstlichen Lichtquelle deutlich steigern. Zum ersten Mal gelang dies mit der Verbrennung eines Gases, das aus Steinkohle hergestellt wurde und als „Stadtgas“ weltweite Verbreitung fand. Die Gaslampe wurde 1799 in Paris patentiert, die ersten gasbetriebenen Straßenlaternen erstrahlten 1807 in London. Später wurde das Stadtgas durch Erdgas ersetzt. Ab dem Ende des 19. Jahrhunderts wurde auch Acetylen als Leucht- und Brenngas verwendet. Mit diesem Gas begann 1898 auch die Unternehmensgeschichte von Messer. Damals gründete Adolf Messer eine Werkstatt zur Produktion von Acetylenentwicklern, mit denen das Gas aus Calciumcarbid und Wasser gewonnen wird. Vom schönen Licht der Acetylenflamme fasziniert, stattete der Firmengründer zunächst die Metzgerei seiner Eltern mit einer solchen Lampe aus. Den Siegeszug der Glühlampe konnte er indes nicht aufhalten.

Vom Glühfaden zur Elektrifizierung

Schon seit 1801 war das Prinzip des leuchtenden Glühfadens bekannt. Doch es dauerte noch eine Weile, bis daraus Alltagstechnik wurde. Thomas Edison ließ seine Glühlampe mit einem Kohle-Glühfaden ab Oktober 1880 als erstes elektrisches Leuchtmittel in Serie produzieren. In den frühen 1900er-Jahren entdeckte man, dass sich aus Wolfram besonders hell leuchtende Glühfäden fertigen lassen. Sie funktionierten aber nur dann dauerhaft gut, wenn sie durch ein Inertgas vor Oxidation und Verdampfung geschützt wurden. Denn eines hatte die Glüh- mit der Öllampe noch gemein: Sie produziert Licht durch Hitze. Zunächst versuchte man es mit reinen Edelgasen, doch die waren für die Massenproduktion schlicht nicht ausreichend verfügbar und zu teuer. Ab 1911 setzte sich auf dem Markt ein Argon-Stickstoff-Gemisch als preiswertes und wirksames Schutzgas durch. Dieses Gas, der zur Spirale gewendelte Wolframfaden und der – ebenfalls von Edison entwickelte und bis heute gebräuchliche – Schraubsockel wurden zum globalen Erfolgsrezept. Mit der Glühlampe zog auch die Elektrizität in die Häuser ein, die Tage des Gaslichts waren gezählt. Hochwertige Edelgase kamen wieder ins Spiel, als mit den Halogenleuchten eine Weiterentwicklung der Glühlampe auf den Markt kam. Ihre kleinen Glaskolben sind mit Krypton oder Xenon sowie einer Halogenkomponente gefüllt.

Kalte Gasentladung

1857 erfand der Glasbläser und Physiker Heinrich Geißler ein „kaltes“ Prinzip der Lichterzeugung. Seine „Geißlersche Röhre“ wurde zum Vorläufer aller Leuchtstofflampen, zu denen auch die Energiesparleuchte gehört. Alle solche Lampen bestehen aus einem gläsernen Hohlkörper, der mit einem Gas gefüllt ist. Meist handelt es sich um ein Edelgas wie Neon oder Argon, manchmal mit Quecksilber- oder Natriumdampf gemischt. Dieses Gas wird unter elektrische Spannung gesetzt und ionisiert. Durch die Trennung von Ionen und Elektronen kommt es zur Gasentladung: Das Gas beginnt zu leuchten. Auch dabei entsteht Wärme, doch hier ist sie erstmals das Nebenprodukt des Lichtes. Je nach Material der Elektroden, dem Abstand zwischen ihnen, der Spannung und der Betriebstemperatur gibt es viele unterschiedliche Arten von Gasentladungslampen. Jedes Gas leuchtet mit einer anderen Farbe, die zudem durch die Art des Glases oder seine Beschichtung beeinflusst werden kann. Neonlampen leuchten übrigens keineswegs fahlweiß – ionisiertes Neon emittiert ein sattes Orangerot. Die umgangssprachlich oft „Neonröhren“ genannten Leuchtstoffröhren sind tatsächlich Niederdruck-Gasentladungsröhren, die mit Quecksilberdampf und Argon gefüllt sind.

Der nächste Verdrängungsprozess

Mit ihrem allgegenwärtigen Licht haben Glühlampe und Leuchtstoffröhre im 20. Jahrhundert das Leben der Menschen und das Bild unseres Planeten grundlegend verändert. Doch nun droht ihnen das gleiche Schicksal, welches das Gaslicht vor hundert Jahren ereilte. Die lichtemittierende Diode – besser bekannt als LED – hat gegenüber herkömmlichen Leuchten große Vorteile. Mit ihr tauchen zudem neue Spieler auf dem Lichtquellenmarkt auf.

Während die traditionellen Produkte von wenigen spezialisierten Leuchtmittel-Riesen aus Europa und Amerika stammen, wird die LED vor allem von der asiatischen Halbleiterindustrie hergestellt. Denn die Lichtdiode ist im Grunde eine Art Mikrochip. Sie besteht aus einem Halbleitermaterial, das Licht abgibt, wenn Strom hindurchfließt. Die Basis dieses Halbleiters bildet wie bei anderen Chips ein monokristalliner Wafer. Das ist eine dünne Scheibe, die von einem größeren Monokristall aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial abgeschnitten wurde.
Die LED markiert eine völlig neue Stufe der Effizienz in der Lichttechnik. Da die Leuchtdioden so winzig sind, ermöglichen sie ganz neue Arten der Beleuchtung, etwa in Form von LED-Bändern, die sich auf beliebigen Untergründen befestigen lassen. Ihre Lebensdauer kann bis zu 20 Jahre erreichen. In der Lichtausbeute pro Watt elektrischer Energie haben sie inzwischen alle anderen Leuchtmittel hinter sich gelassen. Bis wieder ein neues physikalisches Leuchtprinzip entdeckt wird, gehört die Zukunft des künstlichen Lichts wohl der LED.

Auf 3 ppm genau

Aus einem einzigen Wafer entstehen bis zu 10.000 LEDChips. Auf ihm werden zunächst weitere Kristallschichten aus Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften aufgebracht. Das geschieht durch Kristallwachstum in Epitaxie-Reaktoren. Die Stoffe, aus denen die Kristallstrukturen entstehen, werden dort gasförmig bereitgestellt. Dabei spielen Silane – Verbindungen zwischen Silizium und Wasserstoff mit unterschiedlich vielen Atomen, wie SiH4 oder Si2H6 – eine wichtige Rolle. Durch die Kombination bestimmter Schichten erreicht man beim LED-Chip die gewünschte Lichtemission. Die Wahl der Materialien und Strukturen beeinflusst Eigenschaften wie Leuchtkraft oder Lichtfarbe.

Die Silane werden mit reinem Wasserstoff gemischt in die Reaktoren eingebracht. „Dabei kommen auf eine Million Teile Wasserstoff nur 200 Teile, also 200 ppm Silan“, erläutert Gary Li, der bei Messer in China für Spezialgase zuständig ist. „Damit das Kristallwachstum wie gewünscht ablaufen kann, muss die Mischung präzise den Vorgaben entsprechen. Wir stellen sie mit einer maximalen Abweichung von 3 ppm her.“ Eine andere Gasmischung für die Reaktoren besteht aus Stickstoff mit einem Silangehalt von fünf Prozent. Die Hersteller verraten wenig über ihre Prozesse, das Knowhow wird streng geschützt. „Wir wissen aber, dass neben diesen Gemischen eine ganze Reihe weiterer Gase gebraucht wird“, sagt Li. „Messer liefert den LED-Kunden unter anderem auch Wasserstoff, Stickstoff, Lachgas, Helium und Argon in hochreiner Form.“

Die Silane werden mit reinem Wasserstoff gemischt in die Reaktoren eingebracht. „Dabei kommen auf eine Million Teile Wasserstoff nur 200 Teile, also 200 ppm Silan“, erläutert Gary Li, der bei Messer in China für Spezialgase zuständig ist. „Damit das Kristallwachstum wie ewünscht ablaufen kann, muss die Mischung präzise den Vorgaben entsprechen. Wir stellen sie mit einer maximalen Abweichung von 3 ppm her.“ Eine andere Gasmischung für die Reaktoren besteht aus Stickstoff mit einem Silangehalt von fünf Prozent. Die Hersteller verraten wenig über ihre Prozesse, das Knowhow wird streng geschützt. „Wir wissen aber, dass neben diesen Gemischen eine ganze Reihe weiterer Gase gebraucht wird“, sagt Li. „Messer liefert den LED-Kunden unter anderem auch Wasserstoff, Stickstoff, Lachgas, Helium und Argon in hochreiner Form.“

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