Bessere LEDs dank Glühwürmchenpanzer

Forscher haben analysiert, warum Leuchtkäfer so helles Licht abgeben. Die Technik könnte auch Leuchtdioden heller machen.

Wissenschaftlern aus Belgien, Frankreich und Kanada ist es gelungen, die zerklüftete äußere Struktur des Leuchtorgans von Glühwürmchen nachzubauen. Als Extraschicht in Leuchtdioden integriert, ließe sich so die Lichtausbeute der Halbleiter deutlich steigern, sagt das Forscherteam.

Große Teile des LED-Lichts werden derzeit noch in das Innere einer Diode zurückreflektiert. Der Grund ist die unterschiedliche Lichtwellenausbreitung innerhalb und außerhalb des Halbleiters. "Dies reduziert den Wirkungsgrad von Leuchtdioden drastisch", sagt Annick Bay, Doktorandin an der Universität Namur in Belgien und erste Autorin der Studie. Das durch Biolumineszenz erzeugte Licht der Leuchtkäfer legt einen ähnlichen Weg zurück, wenn es aus dem Leuchtorgan im Unterleib der Tiere nach außen tritt.

Das Forscherteam untersuchte deshalb die mikroskopische Struktur des Unterleibs einer panamesischen Glühwürmchenart und ermittelte, dass das Exoskelett der Tiere in diesem Bereich hat eine raue, auf den ersten Blick chaotische Oberfläche hat. Computersimulationen und Laborexperimente bestätigten, dass die scharfen Kanten dieser Schuppen dafür sorgen, dass mehr Licht durchkommt.

In weiteren Arbeiten zeigen Bay und Kollegen an der kanadischen University of Sherbrooke, dass eine Schicht eines ähnlich geformten Materials dazu führt, dass eine Standard-Galliumnitrid-LED eine um bis zu 55 Prozent größere Lichtleistung hat. Würde man reguläre LEDs mit dieser Oberfläche versehen, könnte dies Strom sparen, sagt Bay, weil Leuchtdioden mit niedrigeren Wattzahlen verbaut werden könnten.

Und nicht nur das panamesische Glühwürmchen gilt als interessanter Kandidat für die LED-Optimierung. Eine Gruppe koreanischer Forscher zeigte kürzlich, dass das Exoskelett einer anderen Leuchtkäferart über eine Antireflexionsschicht verfügt, die hilft, mehr Licht aus dem Leuchtorgan zu holen. Das Team baute LEDs mit von diesen Nanostrukturen inspirierten Linsen und konnte zeigen, dass sich immerhin 3 Prozent mehr Wirkungsgrad herausholen ließ.

Im Gegensatz zu solchen Modifizierungen auf Nanoebene lässt sich die 55-Prozent-Steigerung von Bay und ihren Kollegen aber auch nachträglich anbringen – auch bei bereits im Handel befindlichen Leuchten. "Der Vorteil unserer Technik ist, dass damit quasi jede kommerziell erhältliche LED beschichtet werden kann", sagt Bay. (bsc)