Energiesparende Festkörperchemie - neue Materialien beleuchten die Welt

(v.l.n.r.) Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt, Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick (Sprecher)
Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt

Ludwig-Maximilians-Universität, München
Philips Technologie GmbH, Aachen

Herkömmliche Glühlampen sind Energieverschwender, die genügsameren „Energiesparlampen“ wegen anderer Nachteile ungeliebt. Wie lässt sich eine Beleuchtungstechnologie schaffen, die energieeffizient, umweltschonend und vielseitig einsetzbar ist und ganz neue Möglichkeiten schafft, das Licht zu nutzen?

Prof. Dr. Wolfgang Schnick, Dr. Peter J. Schmidt und deren Teams fanden die Antwort auf diese Frage: Sie synthetisierten neuartige Leuchtstoffe, mit denen sich zum Beispiel warm-weiß leuchtende LEDs (Licht emittierende Dioden) für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen in zuvor unerreichter Qualität herstellen lassen. Die Auswirkungen sind enorm: Würden alle konventionellen Leuchten durch diese neuartigen Lichtquellen ersetzt, ließen sich weltweit bis zu 10 Prozent des gesamten Stromverbrauchs einsparen. Wolfgang Schnick hat den Lehrstuhl für Anorganische Festkörperchemie an der Münchner Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) inne. Peter J. Schmidt ist Gruppenleiter Materialforschung am Lumileds Development Center der Philips Technologie GmbH in Aachen.

Glühlampen sind äußerst ineffizient. Sie verwandeln nur wenige Prozent der elektrischen Energie in sichtbares Licht – der große Rest geht als Wärme verloren. Daher sind in der EU Herstellung und Verkauf der meisten Glühlampen verboten. Gasentladungslampen, sogenannte Energiesparlampen, gehen zwar weniger verschwenderisch mit elektrischem Strom um, haben aber andere Nachteile: Sie enthalten giftiges Quecksilber und bieten häufig keine optimale Farbwiedergabe. Daher gelten sie bloß als Übergangslösung. Die Zukunft, da sind sich die Experten einig, gehört den LEDs (Leuchtdioden), die Licht aus der Anregung von Elektronen in halbleitenden Festkörpern liefern. Allerdings: Jede einzelne LED kann nur Licht einer bestimmten Farbe aussenden. Das Erzeugen von weißem Licht hoher Lichtqualität, einer ausgewogenen Mixtur der spektralen Grundfarben, war bislang schwierig und teuer, da geeignete Materialien fehlten.

Die LMU-Wissenschaftler um Wolfgang Schnick stießen bei der Grundlagenforschung auf eine Klasse von Substanzen, die dieses Problem lösen. Sie ersetzten die Sauerstoff-Atome in natürlich vorkommenden Silikaten durch Stickstoff. Dadurch entstanden Nitridosilikate: chemische Verbindungen, die Silizium und Stickstoff enthalten – ökologisch unbedenkliche Stoffe, die es auf der Erde in fast unerschöpflichen Mengen gibt. So gelang es den Forschern, den Substanzen besondere Eigenschaften zu verleihen: Sie sind sehr robust und lassen sich durch den Einbau von Fremdatomen gezielt für den Einsatz in Leuchtdioden maßschneidern und können das Licht blauer LEDs in weißes Licht konvertieren.

Philips Lumileds überführte die akademische Entdeckung in die industrielle Anwendung. Die Forscher um Peter J. Schmidt entwickelten die Materialien und Technologie weiter und machten sie fit für die Massenfertigung. Inzwischen sind LEDs und LED-Lampen von Philips auf dem Markt. Sie sind hoch effizient, extrem langlebig, preiswert und bestechen durch eine exzellente Farbwiedergabe. Auch für die bislang energieeffizientesten grünen und orangenen Leuchtdioden werden Nitridosilikat-Leuchtstoffe in Aachen entwickelt, die etwa in Blinklichtern von Autos oder Ampeln zum Einsatz kommen. Die Fachleute von Philips erwarten, dass LEDs auf der Basis von Nitridosilikaten den Beleuchtungsmarkt revolutionieren werden – zumal sich damit auch innovative Beleuchtungskonzepte realisieren lassen: zum Beispiel die Entwicklung von Lampen, deren Lichtfarbe sich sehr einfach individuell einstellen lässt.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt "Energiesparende Festkörperchemie – neue Materialien beleuchten die Welt" wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. vorgeschlagen.

Hintergrundmaterial

Fragen an die Nominierten
Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt

Energieeffizienz gehört zu den wirtschaftlich und gesellschaftlich relevanten Megathemen. Wir kennen die ungeliebten Energiesparlampen, finden inzwischen LEDs in unterschiedlichen Anwendungen und haben – als weitere Entwicklung – auch schon etwas über OLEDs erfahren.
Ihre Innovation ist die Grundlage für einen Entwicklungssprung in der LED-Technologie. Würden Sie uns die Entwicklungen bei den verschiedenen Lichtquellen kurz darstellen und die Unterschiede verdeutlichen?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Licht im Dunkeln – ganz früher war das zunächst einmal das Feuer. Dann brachte Thomas Alva Edison Ende des 19. Jahrhunderts die Glühlampe groß raus. Er hatte sie nicht selbst erfunden, aber ganz wesentlich optimiert und dann auf den Markt gebracht. Die Glühlampe wird ja bis heute noch benutzt. Es war aber schnell klar, dass man ihre Effizienz nicht beliebig verbessern kann. Ungefähr bei 15 Lumen pro Watt war Schluss. Das hängt ganz einfach damit zusammen, dass eine Glühbirne nur 5 bis 10 % Lichtausbeute bringt und der Rest als Wärme verloren geht. Das wird jedem sofort klar, wenn er versucht, eine heiße Glühlampe herauszuschrauben.

Mitte der 1980er-Jahre wurden dann Kompaktleuchtstofflampen, sogenannte Energiesparlampen, auf den Markt gebracht. Diese basieren auf einem Quecksilberplasma. Das Element Quecksilber ist hier essentiell wichtig. Es kann nach dem derzeitigen Stand der Technik leider nicht durch ungiftigere Substanzen ersetzt werden. Ganz ähnlich wie in Leuchtstoffröhren wird in solchen Kompaktleuchtstofflampen zunächst UV-Strahlung erzeugt. Die muss dann erst in sichtbares Licht umgewandelt werden. Zu diesem Zweck beschichtet man die Glaskörper der Kompaktleuchtstofflampen auf ihrer Innenseite mit Leuchtstoffen, auch Phosphore genannt. Diese erzeugen aus dem höherenergetischen UV-Licht die gewünschten sichtbaren Spektralfarben. Aus diesen wiederum entsteht durch Lichtmischung weißes Licht. Allerdings tun das die Leuchtstoffe nicht so richtig gut, sodass nicht alle Farben des sichtbaren Spektrums entstehen. Deshalb werden hier mehrere Leuchtstoffe eingesetzt, meistens drei. Dennoch gibt es manchmal bei solchen Kompaktleuchtstofflampen regelrechte Löcher im sichtbaren Spektrum, also Farbtöne, die von der Lampe nicht erzeugt werden können. Die Lichtquelle sieht dann zwar für das Auge weiß aus, aber wenn wir damit Gegenstände beleuchten, stellen wir fest, dass anders als bei Sonnenlicht bestimmte Farben einfach nicht so gut oder sogar gar nicht wiedergegeben werden. Die Sonne ist die perfekte Lichtquelle, weil sie ein kontinuierliches Spektrum im gesamten sichtbaren Bereich abstrahlt. Man erkennt also leicht, was die Probleme solcher Kompaktleuchtstofflampen sind, und deshalb hat man sich seit mehr als zehn Jahren nach besseren Lichtquellen umgeschaut. Besser heißt dabei umweltverträglicher, langlebiger, mit besserer Farbwiedergabe und energieeffizienter – und das sind jetzt die Leuchtdioden (LEDs).

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Leuchtdioden basieren auf ähnlichen Prinzipien, wie man sie von anderen Halbleitern kennt. In Dioden oder Transistoren werden Materialien zuerst unterschiedlich dotiert, man kontaktiert diese Materialien durch Anlegen einer Spannung und kann dann die Ladungsträger rekombinieren lassen, wie wir das nennen. Und dadurch wird die Ladungsträgerenergie in Licht umgewandelt.

Bei Leuchtdioden gab es zuerst rote Leuchtdioden, die Anfang der 1960er-Jahre von Nick Holonyak erfunden worden sind. In den 1990er-Jahren kamen die blauen LEDs dazu, auf denen heute praktisch alle Technologien beruhen, um weißes Licht mit LEDs zu erzeugen. Das Prinzip, wie wir aus den blauen LEDs, die von Shuji Nakamura wesentlich weiterentwickelt worden sind, weißes Licht erzeugen, ist dem Prinzip der Leuchtstoff- oder Fluoreszenzlampen recht ähnlich. Wir benutzen Leuchtstoffe, die einen Teil des blauen Lichts in grünes, gelbes und rotes Licht umwandeln, und durch additive Farbmischung wird dann ein Weißeindruck erzeugt. Der Unterschied zu den Kompaktleuchtstofflampen ist der, dass wir andere Materialien benötigen, die selber eine Körperfarbe haben müssen. Im Gegensatz zu den Leuchtstoffen in Fluoreszenzlampen, die bei Tageslicht weiß aussehen, sind unsere Leuchtstoffe zum Beispiel grün oder rot. Das ist auch notwendig, damit die LED-Leuchtstoffe blaues Licht absorbieren können. Konkret war es also notwendig, eine komplett neue Materialklasse zu suchen, um maßgeschneiderte Leuchtstoffe für die LED-Anwendung zur Verfügung zu haben.

Was kennzeichnet nun Ihre Innovation? Wo war dieser entscheidende Unterschied zu vorherigen Anwendungen?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Leuchtdioden wurden früher vor allem als Farbsignalquellen benutzt, aber nicht für Beleuchtungszwecke. Das kennen wir alle vom Radio, CD-Player oder von anderen elektronischen Geräten her. Die farbigen LEDs symbolisieren hier, dass die Geräte eingeschaltet sind oder eine bestimmte Funktion aktiv ist. Das waren am Anfang vor allem rote Leuchtdioden. Dann kamen die blauen LEDs. Mitte der 1990er-Jahre besaßen moderne Geräte wie Zahnbürsten, Waschmaschinen oder Videorekorder plötzlich blaue LEDs als Funktionsanzeige. Das wirkte richtig futuristisch, und blaue LEDs wurden auch für Designzwecke eingesetzt. Aber natürlich kann man mit solchen einfarbigen LEDs im täglichen Leben nicht beleuchten. Wenn man damit einen Raum ausleuchtet, hat man keine gute Orientierung, man sieht ja nur eine Farbe. Farben geben uns aber im täglichen Leben wichtige Informationen.

Die Verfügbarkeit intensitätsstarker blauer Leuchtdioden war eine wichtige Voraussetzung – und das war auch von der theoretischen Seite her klar. Man kann nämlich nur ausgehend von Blau die anderen Spektralfarben des sichtbaren Spektrums durch Lumineszenz erzeugen. Mitte der 1990er-Jahre fing man dann an, nach Lumineszenz-Leuchtstoffen zu suchen, die für diesen Zweck geeignet sind. Vorreiter war hier die japanische Firma Nichia: Man hat einfach einen bekannten und industriell verfügbaren Leuchtstoff genommen, und zwar YAG-Cer. Das ist ein Yttrium-Aluminium-Granat, der mit dem Seltenerdmetall Cer dotiert wird. YAG-Cer war billig verfügbar, und die Firma Nichia hat die Verwendung dieses Stoffes in Leuchtdioden weltweit patentieren lassen. Auf eine blaue Leuchtdiode aufgebracht, kann dieses Material das blaue Licht der LED zum Teil absorbieren und sehr effizient in gelbe Spektralanteile umwandeln. Durch Farbmischung entsteht dann aus blauem und gelbem Licht ein weißer Eindruck. So erhält man die typisch kalt-weißen LEDs, wie sie heute beispielsweise für Tagesfahrlichter in Kraftfahrzeugen und für Fahrradlampen genutzt werden. Für diese Anwendungen reicht das völlig aus. Aber das ist kein Licht, das man im Innenraum haben möchte, mit dem man sich im Bad oder im Wohnzimmer anschauen möchte. Diesem Licht fehlen die roten Spektralanteile.

Rote Farbanteile sind besonders wichtig, wenn man beispielsweise an die Wiedergabe von Hauttönen denkt. Das ist von zentraler Bedeutung, denn niemand möchte, wenn er in den Spiegel guckt, blass aussehen. YAG-Cer-basierte LEDs konnten das aber trotz aller Anstrengungen nicht leisten. So musste man völlig neue Substanzen finden, und es gibt zwei Möglichkeiten, wie man das tun kann: Das Erste, das man gemacht hat, war ein großes Screening aller aus physikalisch-chemischer Sicht überhaupt infrage kommenden bekannten Substanzen, die man mit geeigneten Aktivatoren dotiert hatte. Das hat die Beleuchtungsindustrie weltweit etwa seit den 1990er-Jahren versucht. Dabei wurden Tausende von Verbindungen ausprobiert. Das Ergebnis war ernüchternd: Man hat zwar Verbindungen gefunden, die die gewünschte Funktion prinzipiell erfüllen, aber diese Schwefelverbindungen (Sulfide) waren chemisch sehr instabil und zersetzten sich unter Einwirkung von Luftfeuchtigkeit zu giftigem Schwefelwasserstoff. Die Materialien mussten deshalb kompliziert verkapselt werden. Man hatte damals nicht das Gefühl, dass angesichts solcher Probleme eine neue Beleuchtungstechnologie aufgebaut werden konnte.

Und Sie haben dann einen anderen Weg gefunden?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Wir sind durch Zufall auf eine neuartige Klasse von sehr stabilen Materialien gestoßen, die besser als alle anderen bekannten Kandidaten als LED-Leuchtstoffe eingesetzt werden können.

Um zu einer wissenschaftlichen Innovation zu kommen, gibt es für mich als Chemiker zwei grundsätzliche verschiedene Lösungswege: Entweder man sucht gezielt nach einer gewünschten Eigenschaft oder Funktion und probiert möglichst viele bekannte chemische Verbindungen dafür aus.
Oder man synthetisiert vollkommen neue, also auf diesem Planeten noch nicht existente Verbindungen oder Materialien. Das kann man entweder tun, weil man eine bestimmte Anwendung vor Augen hat. Aber gezielt ist das ziemlich schwierig, und zwar deshalb, weil Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler komplizierte Eigenschaften, wie die für LED-Leuchtstoffe essentielle Lumineszenz, bei Vorgabe einer Zusammensetzung und Struktur bislang kaum quantitativ vorhersagen können. Man kann aber natürlich auch – aus reinem Interesse an der Grundlagenforschung – systematisch neue Verbindungen und Verbindungsklassen synthetisieren und erschließen. Man weiß zunächst noch gar nicht, wofür das gut sein könnte. Man sammelt also neue Verbindungen und untersucht diese gewissenhaft – ihre Zusammensetzung, ihre Kristallstrukturen, die Farbe, ihre Stabilität oder was sonst noch auffällig an ihnen ist. Und wenn man großes Glück hat und sehr genau hinschaut, stellt man plötzlich zufällig fest – und das ist nicht einfach –, dass die neue Verbindung vielleicht doch für eine Anwendung oder Fragestellung hervorragend geeignet ist.

Genauso ist es uns gegangen. Wir haben überhaupt nicht nach Leuchtstoffen gesucht. Ende der 1990er-Jahre wusste ich noch nicht einmal, dass überhaupt irgendjemand auf der Suche nach solchen Substanzen für LEDs war. Ich habe es auch nicht gleich verstanden. Für mich war das Attraktive an Leuchtdioden, dass die so schöne bunte Farben hatten. Es klang für mich zunächst abwegig, daraus weiße Lichtquellen machen zu wollen. Aber aus den inzwischen viel diskutierten Energieeffizienzgründen war es eben notwendig, so zu denken. Damals haben aber nur wenige Fachleute diese Vision verfolgt. Und genau zu diesem Zeitpunkt stellte sich heraus, dass unsere erste Verbindung, mit der wir damals bei der Beleuchtungsindustrie Aufsehen erregten, ganz hervorragend für diesen Zweck geeignet ist. Wir hatten dieses Material im Jahr 1997 entdeckt und das erste Mal synthetisiert. Wir hatten das Seltenerdmetall Europium mit einer ganz anderen Zielsetzung hineingetan. Plötzlich stellten wir fest, dass wir eine intensiv rot leuchtende Verbindung erhalten hatten, die wir mit blauem Licht oder mit UV-Licht – also dem ganzen Wellenlängenbereich – wunderbar anregen können. Und wir dachten zuerst, dass diese Verbindung einfach eine schöne Farbe hat und vielleicht als Pigment verwendet werden könnte, also vielleicht in der Lackindustrie oder für die Herstellung von Farben. Aber diese Hoffnung hat sich sehr schnell zerschlagen, weil das von uns eingesetzte Element Europium viel zu teuer für diese Anwendung war. Da hat die Industrie sehr genaue Preisvorstellungen, und wir lagen weit drüber. Also haben wir die Ergebnisse in einem grundlagenwissenschaftlichen Journal publiziert, ganz sauber die Spektren abgebildet, und für uns war die Sache damit zunächst mal erledigt.

Dann haben Sie das gelesen? Dann kam es zu einer Zusammenarbeit?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Genau, das war in diesem Zeitraum, als wir uns mit den Materialien, die zur Verfügung standen ziemlich abgemüht haben. In unserem Fall handelte es sich um Sulfide, also Schwefelverbindungen, Leuchtstoffe, die leider recht instabil sind und deshalb sehr aufwendig gegen Umwelteinflüsse, vor allem Reaktion mit Luftfeuchtigkeit und Wasser, geschützt werden mussten. Das ging aber nicht so einfach. Und in den Materialien von Wolfgang Schnick haben wir dann Kandidaten mit den Eigenschaften gesehen, nach denen wir schon die ganze Zeit gesucht hatten. Außerdem waren diese Materialien extrem stabil, und das hat sie sehr, sehr attraktiv für uns gemacht.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Deren Stabilität war allerdings kein Zufall. Wir wollten eine neue Substanzklasse synthetisieren und erschließen, die es vorher nicht gab. Und die sollte eben eine besondere Stabilität haben, es sollten richtig stabile Materialien sein. Das war es, was uns vordergründig interessierte. Damals war man bei der Entwicklung keramischer Materialien häufig an sogenannten Strukturmaterialien interessiert, also sehr widerstandsfähigen Stoffen. Eine einfache Verbindung aus Silizium und Stickstoff, das Siliziumnitrid wurde intensiv untersucht und als extrem stabiles Material für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel als Turbolader oder Ventilstößel in Verbrennungsmotoren oder als Gleitlager in Maschinen. Das haben wir uns zum Vorbild genommen und versucht, davon komplexere Strukturen abzuleiten. Dann, durch diesen Zufall eben, das Einführen dieses farbgebenden Aktivators, waren es plötzlich perfekte Leuchtstoffe, also optische Funktionsmaterialien.

Wie muss man sich das konkret vorstellen: Sie haben es gelesen, und dann war dieser Blitz: Aha, das könnte was für uns sein!, und dann sind Sie auf die Uni zugegangen und haben gesagt: Wir wollen mal sehen, ob wir hier etwas gemeinschaftlich machen?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Wir haben angerufen ...

Wir haben dann erste Proben von der Uni München bekommen, sehr kleine Mengen, fast zu klein, um sie überhaupt richtig zu charakterisieren. Die haben wir auf ihre Eigenschaften hin analysiert und waren begeistert: Die Farbe der Emission war eigentlich schon fast perfekt, so, wie man sie braucht, um weiße LEDs mit einer sehr hohen Farbqualität herstellen zu können. Auch die Effizienz war von Anfang an sehr, sehr hoch. Das eigentliche Problem war, dass es nur extrem wenig davon gab und wir keinerlei Ideen hatten, wie solche Materialien herzustellen sind. Die klassischen Phosphore, bei denen es sich um Oxide handelt, wurden in der Lichtindustrie im Tonnen-Maßstab hergestellt, die Ausgangsmaterialien, die man zur Synthese brauchte, waren gut verfügbar. Bei den neuen Nitridleuchtstoffen aus der LMU hingegen war alles komplett anders: Die Chemie war völlig neu, die Substanzklasse war völlig neu. Wir haben dann versucht, die Synthesemethoden der LMU München in unseren Laboratorien im kleinen Maßstab nachzustellen, und haben relativ lange gebraucht, eine Idee dafür zu entwickeln, wie man diese Substanz zuerst im Gramm-Maßstab und später auch im Kilogramm-Maßstab herstellen kann.

Der Schritt aus der Wissenschaft heraus in die industrielle Umsetzung ist dann mit Unterstützung von Prof. Schnick bei Ihnen entwickelt worden.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Das war ein interaktiver Prozess. Vor allem die große Expertise der Uni München in den untersuchten Stoffsystemen sowie im Strukturanalysebereich war für uns sehr wichtig, weil wir damit in der Lage waren, unsere Substanzen umfassend zu charakterisieren.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Weil eine chemische Reaktion nicht immer wie geplant abläuft, ist es manchmal ziemlich schwierig, genau zu verstehen, was wirklich geschieht. Häufig entsteht das gewünschte Material nicht in reiner Form, und die Ausbeute ist nur gering. Da muss man die ganzen Details durchschauen. In dieser Substanzklasse der Silizium-Stickstoffverbindungen hatten wir seit vielen Jahren einen ganzen Schatz an Erfahrungen gesammelt, zunächst aus rein grundlagenwissenschaftlichen Aspekten. Wir kannten uns ziemlich gut aus, was da passiert.

Das war sicher hochspannend zu sehen, wie sich das entwickelt, und die Rückkopplung zu bekommen, wie es im industriellen Umfeld weitergeht.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ja, es war aufregend. Wie beim Großwerden von Kindern passierten auch Katastrophen, Rückschläge und entmutigende Dinge. Da gibt es lähmende Phasen, wo gar nichts passiert, und dann geht es plötzlich wieder voran. Und manchmal war das ganze Projekt sogar kurz davor, erfolglos beendet zu werden. Es gab wirklich sehr große Herausforderungen zu meistern.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Von unserer Seite gab es einen ersten Durchbruch nach zwei bis drei Jahren des intensiven Bemühens, die Materialien im größeren Maßstab herzustellen. Es war der Rückgriff auf eine sehr, sehr alte Methode, Leuchtstoffe herzustellen.

So sind zum Beispiel schon zu Beginn des 17. Jahrhunderts die Bologneser Leuchtsteine hergestellt worden. Es war damals ein Schuster aus Bologna, der gleichzeitig Alchemist war. Er hatte Schwerspat-Minerale mit Roggenmehl vermengt und in der Glut erhitzt. Zu seinem Erstaunen konnte er am nächsten Morgen feststellen, dass dieser „Stein“ leuchtete. Er wurde als „Lapis Solaris“ sehr berühmt. Und genau dieses Verfahren, oxidische, billige Ausgangsmaterialien mit Kohle – damals aus dem Roggenmehl – zu erhalten, zu reduzieren, haben wir dann für die Nitridleuchtstoffe angewandt, und ab diesem Zeitpunkt war es uns möglich, sehr günstig große Mengen dieses Materials herzustellen. Das war ein richtiges Aha-Erlebnis, denn unsere Leuchtstoffmaterialien sind schön gefärbt. Man muss sich das so vorstellen: Ein Gemenge mit Kohle, das ist schwarz, man schiebt es zum ersten Mal in den Ofen, lässt es bei hoher Temperatur reagieren, und es kommt eine leuchtend orangefarbene Verbindung aus dem Ofen, der man sofort ansieht, dass es genau das Produkt ist, das man herstellen wollte. Und ab da ging es relativ schnell, weil wir nun einen Zugang zu einer geeigneten Synthese hatten. Und dann sind auch bald die ersten LED-Produkte entstanden. Zum Beispiel die erste echte 60-Watt-Glühbirnen-Ersatzlampe auf LED-Basis im Markt – mit unserem orange-roten Nitridleuchtstoff.

Wie viele Mitarbeiter waren bei Ihnen jeweils in dieser ersten Phase dieses Prozesses beteiligt?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ganz am Anfang war es bei uns ein Doktorand. Der kam im Jahr 1997 auf die Idee, Europium in die Nitridleuchtstoffe einzubauen. Es folgte ein wissenschaftlicher Mitarbeiter, der überwiegend unser junges Forschungsprojekt mit Philips bearbeitete. Später waren es dann vier, fünf Doktoranden sowie einige assoziierte wissenschaftliche Mitarbeiter, die bei den verschiedenen anspruchsvollen Untersuchungstechniken ihre Expertise mit eingebracht haben. Der erste Doktorand ist übrigens inzwischen Lehrstuhlinhaber in Innsbruck, der zweite Professor in Augsburg.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Bei Philips waren wir am Anfang zu zweit. Ich war derjenige, der die Synthesechemie gemacht hat, das war in den ersten Jahren wirklich noch Forschungsarbeit. Wir hatten noch nicht den großen Druck von der Anwendungsseite; der kam erst, als Philips Lighting auf unsere Arbeiten aufmerksam wurde. Dann haben wir angefangen, das Material gezielt zu entwickeln und zur Produktreife zu bringen. Mittlerweile ist unser Team in Aachen auf rund 50 Leute gewachsen.

War die Entwicklung ein kontinuierlicher Prozess, oder gab es auch Strecken, wo Sie sich nicht sicher waren, ob das der richtige Weg ist? Sie hatten es ja schon angedeutet.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Es gab wirkliche Rückschläge, zum Beispiel was die Stabilität dieser Leuchteigenschaften anging. Da gab es Phasen, in denen es unseren Leuchtstoffen nicht gut ging, in denen sie ein wenig kränkelten und sehr empfindlich wurden. Wir haben aber Mittel und Wege gefunden, sie wieder fit zu machen und sie auch so zu behandeln, dass sie nicht mehr anfällig waren. Das war hauptsächlich das Verdienst von Philips in Aachen. Es gab immer wieder Rückschläge, bei denen wir uns Sorgen machten, ob unsere Leuchtstoffe überleben – ob sie wirklich so gut sind. Man kann so etwas im Voraus ja nicht abschätzen, und manchmal hilft dann auch der Zufall. Wir waren jedenfalls stolz darauf, dass die von uns an der LMU München synthetisierten Leuchtstoffe die höchsten Quantenausbeuten aufwiesen, das ging bis 100 %. Inzwischen erreicht Philips diese extremen Werte auch in der industriellen Produktion – und das bei hervorragender Stabilität und Morphologie.

Kann man den einen Punkt identifizieren, der der technisch anspruchsvollste war, der den Durchbruch markierte?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Die Morphologie war wichtig, aber vor allem auch die Strahlungsstabilität.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Entscheidend war sicherlich die Erhöhung der Strahlungsstabilität. Wir bewerben LED-Leuchtmittel auch damit, dass sie eine überlegene Lebensdauer gegenüber anderen Lichtquellen haben. Deshalb muss auch die Lichtqualität der LED-Leuchtstoffe, die spektralen Eigenschaften, über die gesamte Lebensdauer sehr stabil sein. Die Belastung eines Leuchtstoffes in der LED ist extrem hoch. Der LED-Chip ist ziemlich klein, und aus seiner Fläche kommt sehr viel Licht heraus. Bei dem Konversionsprozess wird Wärme erzeugt. Der Leuchtstoff wird dabei unter einer extrem hohen Anregungsdichte durchaus 150 bis 160 °C heiß. Das sind Bedingungen, die sich stark von denen für Leuchtstoffe in Fluoreszenzlampen unterschieden. Deshalb war es entscheidend, durch chemische Tricks die Stabilität zu erhöhen, den Nachweis zu liefern, dass wir ein Material haben, das die Anforderungen für eine kommerzielle Anwendung absolut erfüllt.

Das erste Produkt mit dieser Entwicklung kam dann auf den Markt. Wie war die Wettbewerbssituation?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
2007/2008 erfolgte der Markteintritt.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick Zu dieser Zeit haben alle großen LED-Hersteller erkannt, dass unsere nitridischen Leuchtstoffe herausragend für die Anwendung in Leuchtdioden geeignet sind. Die meisten sind dann unserem Weg gefolgt.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Letztlich benutzen andere Wettbewerber, zum Beispiel Osram, die gleichen oder sehr ähnliche Leuchtstoffe. In der Industrie ist das durch Lizenzabkommen so geregelt, dass Patente gegenseitig genutzt werden können. Solche Kreuzlizenzabkommen sind oft wichtig, um eine neue Technologie schneller voranzubringen. So können die besten Teile der Technologie kombiniert werden, und das geschieht letztlich zum Nutzen des Kunden. Unser Anspruch ist es, neue LED-Leuchtstoffe schneller als andere in LED-Produkte zu überführen. Da fokussieren wir auf solche Materialien, die an der LMU München entdeckt werden und die wir gemeinsam weiter erforschen und entwickeln. Wir hoffen, dass uns das auch in Zukunft so gut gelingt.

Der konkrete Nutzen – das ist ein gutes Stichwort: Welche Energieersparnis ist mit Ihrer Innovation verbunden?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Man kann sich die Effizienz verschiedener Lichtquellen mal grob vor Augen führen: Glühlampen erreichen maximal etwa 15 Lumen pro Watt. Kommerzielle Kompaktleuchtstofflampen sind etwa vier Mal so effizient; Leuchtdioden sind noch mal um den Faktor zwei bis drei besser. Die Weltrekorde, die inzwischen aufgestellt wurden, sogar noch mal fast um den Faktor vier.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Eine LED-Lampe, wie man sie im Baumarkt kaufen kann, bringt zwischen 80 und 100 Lumen pro Watt. Im Vergleich dazu leistet die Kompaktleuchtstofflampe 50 bis 60 Lumen pro Watt. Wir sehen aus Sicht der Industrie Einsparpotenzial beim Schwenk auf Lichterzeugung mit LEDs von bis zu 80 % …

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
… im Vergleich zur Glühlampe. Die schon erwähnte 60-Watt-Glühbirnen-Ersatzlampe auf LED-Basis, die unseren Leuchtstoff enthält, verbraucht nämlich nur 12 Watt – bei gleicher Lichtqualität.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Das hat noch eine weitere Dimension: Unsere Schätzung besagt, dass man weltweit bis zu 16 % an Elektrizität durch die Umstellung auf LED-Beleuchtung einsparen kann. Davon gehen 8 % direkt auf die effizienteren LEDs zurück, und weitere 8 % können durch intelligentes Steuern dieser Lichtquellen eingespart werden, was wiederum insbesondere durch die LED-Technologie möglich wird. Wenn man diese 16 % auf den Stromverbrauch von Deutschland überträgt, der sich im jährlichen Mittel im Bereich von 600 Terawattstunden bewegt, dann sind das rund 100 Terawattstunden Einsparung pro Jahr. Und das entspricht in etwa der Gesamtleistung aller Kernkraftwerke in Deutschland im Jahr 2012. Die LED-Technologie bietet somit ein sehr großes Einsparpotenzial und ist deshalb besonders gut geeignet, die Energiewende voranzutreiben.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ein Terawatt – das ist eine Eins mit zwölf Nullen.

Konkret: Bedeutet eine Durchdringung des Marktes mit LEDs, dass wir nach und nach die Atomkraftwerke ausschalten könnten, weil wir sie nicht mehr brauchen? Weil wir unseren Energiebedarf so weit reduzieren?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Richtig. Noch ein wichtiger Punkt ist, dass Licht vor allem in der dunklen Jahreszeit gebraucht wird. Gerade dann sind regenerative Energiequellen wie Solarenergie eher ineffizient. Somit kann man durch Einsatz von LEDs den Stromverbrauch signifikant reduzieren und die Energieversorgung nachhaltig unterstützen.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Wenn wir jetzt nicht nur an Mitteleuropa, sondern auch an Entwicklungsländer denken: Dort werden Lichtquellen noch ganz archaisch verwendet – offenes Feuer oder Öllampen dienen in kleinen Hütten oft als einzige Beleuchtung. Das führt zu erheblichen Emissionen, die die Menschen, die dort fast im Dunkeln sitzen, einatmen müssen. Wenn die Sonne untergegangen ist, können Kinder kaum für die Schule lernen oder etwas lesen. Um hier Abhilfe zu schaffen, gibt es Pilotprojekte mit LED-Lichtquellen.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Hier sieht man eine typische Innovation, die erst durch Kombination verschiedener einfacher Technologien möglich wird. Schaltet man eine LED-Lichtquelle mit einem Blei-Akku, den man vom Auto kennt, und einem kleinen Solarmodul zusammen, ergibt das eine effiziente, nachhaltige Beleuchtungsanlage. Diese kann vor allem dort in der Welt eingesetzt werden, wo kein eigenes Stromnetz zur Verfügung steht. Das betrifft einen beträchtlichen Teil der Weltbevölkerung. Fehlendes Licht behindert Bildung in den betroffenen Regionen erheblich, wenn abends kein Licht für Lesen und Schreiben verfügbar ist.

Ihr Unternehmen engagiert sich auch darin?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Ja, beispielsweise in Ghana, wo wir mit einer gemeinnützigen Organisation zusammenarbeiten. Gerade dieses „off-grid lighting“, wie wir das nennen – Beleuchtung in Gegenden, in denen es kein Stromnetz gibt, oder auf Booten, zum Beispiel –, geht mit LEDs besonders gut, weil es eine Gleichspannungstechnologie ist. Batterien und Solarmodule reichen völlig zur Stromversorgung aus.

Es gibt nicht nur spannende Umsetzungen, der Markt für LEDs stellt sich demnach als ein sehr großer dar. Welches Volumen ist zu erwarten?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Schätzungen zufolge ist der globale Lichtmarkt derzeit etwa 80 Milliarden Euro schwer. Die angenommenen jährlichen Wachstumsraten bewegen sich bei 5 bis 7 %. Durch die Zunahme der Weltbevölkerung wird zudem noch mehr Licht benötigt. Der Entwicklungsstand in vielen Schwellenländern erhöht sich weiter, Menschen können sich besseres Licht leisten, was den Lichtbedarf abermals steigert.

Bereits 2012 sind bei Philips rund 1,8 Milliarden Euro mit LED-Produkten umgesetzt worden. Neuesten Statistiken zufolge soll 2020 der Anteil des Lichtmarktes, der auf LED-Lösungen basiert, bereits bei 70 % liegen.

In Aachen werden die Entwicklung und die Produktion geleistet …

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Wir konzentrieren uns im zu Philips gehörenden Lumileds Development Center Aachen, dem LDCA, auf die Leuchtstoffe. Wir erforschen diese zusammen mit der LMU, entwickeln neue Typen von LED-Leuchtstoffen und fangen nun auch mit der Produktion dieser Materialien an. Bislang werden die meisten unserer Materialien in den Niederlanden, also im europäischen Wirtschaftsraum, produziert. Wir planen nicht, die Produktion von dort zu verlagern, aber wir sehen, dass der Bedarf einfach ständig zunimmt und dass wir auch immer mehr Spezialisierungen brauchen, also maßgeschneiderte Leuchtstoffe für spezielle Anwendungen. Diese neuen Leuchtstoffprodukte entwickeln und produzieren wir zunächst in Aachen, um unsere Kunden viel schneller mit neuen LED-Typen bemustern zu können. Daher planen wir auch, noch weitere neue Arbeitsplätze in Aachen zu schaffen.

Da wir mit den Leuchtstoffen als LED-Komponenten ganz am Anfang der Wertschöpfungskette stehen, besitzt unsere Arbeit darüber hinaus eine große Hebelwirkung. Über Module, Lampen und Leuchten bis hin zu Beleuchtungssystemen werden neuartige Lösungen möglich, die in allen Gliedern der Wertschöpfungskette eine Vielzahl neuer Arbeitsplätze generieren.

Sie entwickeln spezifische Materialien, die für Kunden bei bestimmten Anwendungen maßgeschneidert sind.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Die Philosophie des LDCA ist es, Forschung, Entwicklung und Produktion zu konzentrieren, um gegenüber der Konkurrenz einen Vorsprung bei dem zu haben, was wir „time-to-market“ nennen. Der Lichtsektor ist zurzeit extrem dynamisch, die Halbwertszeiten von LED-Produkten auf dem Markt sind relativ kurz. Man muss immer wieder Innovationen nachlegen, um weiter an der Spitze mithalten zu können.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Als wir 1997 unsere neu entdeckte Materialklasse erforscht haben, dauerte es bis 2007, bis das erste Produkt auf den Markt kam – das sind zehn Jahre! Das klingt vielleicht für den Verbraucher lang. Aber für den Bereich der Materialforschung ist das eher kurz und nur etwa halb so lang, wie andere Materialien benötigen, um auf dem Markt in ein Produkt zu münden.

Unsere allerneueste Errungenschaft wird den Markt voraussichtlich im Frühjahr nächsten Jahres betreten. Die neue Verbindungsklasse, die dahintersteckt, ist von uns vor etwa 15 Monaten an der LMU entdeckt worden. Das ist wirklich ein Glücksfall und toll gelaufen. Solche Zeitperioden sind völlig untypisch kurz für neuartige Materialien – aber das ist ja gerade unser gemeinsames Ziel.

Welche Entwicklungen sind jetzt mit dieser Technologie noch möglich?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Es gibt für uns zwei große Herausforderungen. Zum einen muss die Menge des erzeugten Lichts pro verbrauchte elektrische Energie gesteigert werden. Zum anderen ist es notwendig, die Lichtausbeute pro LED zu erhöhen. Das ist einmal Lumen pro Watt, also die Lichtmenge pro eingesetzte elektrische Leistung, und zum andern Lumen pro Euro. Für den ersten Fall versuchen wir, die spektrale Lichtverteilung der LEDs noch besser an das menschliche Auge anzupassen, indem wir weniger Licht in Wellenlängenbereichen erzeugen, in denen unsere Augen nicht so lichtempfindlich sind. Für den zweiten Punkt gilt es, unsere Leuchtstoffe unter extremen Bedingungen noch effizienter zu machen, sodass wir die LEDs bei höheren Strömen betreiben können, damit mehr Licht pro LED erzeugt wird. Beides wird dazu führen, die Anzahl der LEDs pro LED-Lampe zu verringern, um den Preis zu reduzieren. Es ist für die Marktpenetrierung von LED-Lampen wichtig, dass der Anschaffungspreis in einem Bereich liegt, in dem der Kunde nicht nur Stromkosten spart, sondern diese Lampen auch nicht wesentlich teurer sind als herkömmliche Lichtquellen. Das ist ein ganz wichtiger Punkt im Konsumentenbereich.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Das ist tatsächlich eher ein psychologisches Problem. Es gibt schon heute überzeugende Daten zu Lebensdauer, Anschaffungspreis und Energieersparnis, die eindeutig zeigen, dass die LED-Produkte, die jetzt auf dem Markt sind, viel günstiger sind als Glühlampen. Der Anschaffungspreis ist aber noch eine Hürde, wenn er bei sehr guten Systemen im Bereich von 30 bis 35 Euro liegt. Obwohl man mit LED-Lampen schon nach kurzer Zeit durch die niedrigen Energieverbrauchskosten viel günstiger fährt, zögert der Verbraucher, wenn er bisher gewohnt war, eine Glühlampe für unter 1 Euro zu erwerben.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Ein weiterer Vorteil bei LED-Systemen ist die Entsorgung. LED-Lampen enthalten keine Komponenten, die in irgendeiner Weise als giftig eingestuft sind. Sie erfüllen alle Regularien, und die Materialien können wiederverwertet werden wie andere elektronische Geräte. Durch die sehr lange Lebensdauer von LED-Lampen guter Qualität fällt natürlich auch viel weniger zu entsorgendes Material an.

Warum hat die EU dann erst einmal auf Energiesparlampen gesetzt? Und was ist mit OLEDs?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Weil Energiesparlampen zum damaligen Zeitpunkt schon weiter entwickelt waren, in einem Preissegment, das auch akzeptiert wurde. Es funktionierte also auf dem Verbrauchermarkt. Aber es war von vornherein klar, dass es nur eine Übergangslösung sein wird.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Ich denke, die OLED-Technologie ist eine zu LEDs komplementäre Technologie. Anorganische LEDs, wie wir sie herstellen, sind Punktlichtquellen, während die OLEDs ihr Licht über die gesamte Oberfläche abstrahlen.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Bisher ist überhaupt nicht absehbar, ob man mit OLEDs jemals Lichtintensitäten erzeugt, die auch nur annähernd in eine ähnliche Größenordnung kommen wie unsere anorganischen LEDs. OLEDs haben andere Stärken und werden in alternativen Anwendungsbereichen eingesetzt werden: um diffuse Flächen mit geringer Intensität leuchten zu lassen oder auch in der Displaytechnologie für flexible Displays. Da wären anorganische, keramische Materialien eher ungeeignet.

Lassen Sie uns bitte nochmals zusammenfassen, was das wirklich Innovative an Ihrem Projekt ist, das jetzt mit der Nominierung zum Deutschen Zukunftspreis gewürdigt wird.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick Wir haben eine neue Materialklasse aus dem Bereich der Nitride entdeckt und systematisch ausgebaut, um die Herstellung von sehr effizienten Weißlichtquellen auf LED-Basis zu ermöglichen. Dank ihrer hervorragenden Beleuchtungsqualität können diese Lichtquellen erstmals klassische Glühlampen voll ersetzen, was insbesondere für die angenehm warmweiße Innenraumbeleuchtung im Wohnbereich wichtig ist. Daneben werden die neuen Nitridleuchtstoffe aber auch genutzt, um das Licht blauer LEDs komplett in eine einzige Farbe umzuwandeln. Damit erhält man zum Beispiel LEDs, die jetzt schon in Warn- oder Signallampen, Ampeln sowie Kfz-Blinkern ihre Anwendung finden. Mit unseren Leuchtstoffen halten wir seit einigen Jahren den Rekord an Effizienz bei gelb-orangen wie auch gelb-grünen LED-Lichtquellen.

Ich glaube, es ist ein Glücksfall, dass wir eine Entdeckung aus der chemischen Grundlagenforschung in eine wichtige Anwendung überführen konnten, die heute jeden betrifft. Wir haben mit unseren LED-Leuchtstoffen eine Entwicklung initiiert und auch beschleunigt, der alle großen LED-Hersteller weltweit folgen. Das heißt, wir haben eine Technologie vorangetrieben, und es gibt zurzeit auf dem Sektor der LED-Leuchtstoffe gerade im roten Spektralbereich einfach nichts Besseres als die Nitridleuchtstoffe.

Jetzt wollen wir noch etwas über Ihren persönlichen Weg wissen, der ja zu diesen Leistungen geführt hat. Wie sind Sie zu dieser beruflichen Ausrichtung gekommen, und wann wussten Sie, dass das Ihr Weg ist?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ich habe etwa mit zehn Jahren festgestellt, dass mich Chemie fasziniert. Es begann damit, dass mein älterer Bruder aus der Schule eine Chemikalie mitbrachte – es war Schwefel. Er hat mir das gelbe Pulver gezeigt und gesagt: „Da sind Atome drin.“ Das hat bei mir damals irgendeinen Schalter umgelegt, und ich habe gedacht: „Das ist ja der Wahnsinn, da sind Atome drin! Und die kann ich in die Hand nehmen!“ Dass alle Materie aus Atomen besteht, war mir damals ja noch nicht klar. Kurze Zeit später, bevor ich Chemie in der Schule hatte, habe ich mit meinem besten Freund ein kleines Chemielabor gegründet. Ich habe irgendwo sogar noch eine Gründungsurkunde davon. Wir haben einfache Experimente gemacht, wir haben uns Erlenmeyerkolben und Reagenzgläser gekauft, angefangen, Chemikalien zu sammeln. Wir waren fasziniert von der Ästhetik chemischer Geräte und den geheimnisvollen Reaktionen. Etwa um diese Zeit habe ich schon mal irgendwo hingeschrieben „Prof. Wolfgang Schnick“.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Ich habe schon immer gerne gebastelt. An einen konkreten Berufswunsch kann ich mich allerdings nicht so erinnern. Elektronik hat mir sehr gefallen, Mittelwellenradios basteln zum Beispiel. Oder auch einfache chemische Experimente, wie Eisennägel in Salzsäure auflösen.

Ich hatte da auch sehr tolerante Eltern, die mich diese Dinge machen ließen. Später ist ein starkes Interesse an Kunst dazugekommen, und ich habe lange überlegt, ob ich nicht Kunst studieren sollte, mich dann aber doch für ein Chemiestudium entschieden, weil ich mir nicht sicher war, ob das Talent für die Kunst groß genug war. Kunst ist immer noch von großem Interesse für mich. Aber die Naturwissenschaften, vor allem das Praktische, das Stoffumwandeln in der Chemie, das war etwas, was mich immer interessiert hat. Mir macht es Spaß, mich mit Dingen zu beschäftigen, mit Materie.

Gab es in der Ausbildung Personen, die Sie beeinflusst haben?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ja, auf jeden Fall während meines Studiums in Hannover. Das lief ganz gut, aber ich habe es nicht sehr schnell betrieben. Neben der Chemie hatte ich einfach noch verschiedene andere Interessen wie Fotografie und Musik. Am Ende des Hauptstudiums lernte ich meinen späteren Doktorvater, Professor Martin Jansen, kennen, der gerade an die Universität Hannover berufen und später einer der bekanntesten Festkörperchemiker wurde. Dieses Zusammentreffen hat mich sehr geprägt, und ich habe sehr viel von ihm gelernt. Professor Jansen hat mich später auch darin bestärkt, tatsächlich Professor zu werden.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
In der Rückschau ist für mich interessant, was mich nach kurzer Zeit, als ich bei Philips in der Forschung angefangen hatte, bewogen hat, das Thema zu wechseln. Ich hatte mich zuerst mit elektronischer Keramik beschäftigt, bin dann aber bald gefragt worden, ob ich nicht Lust hätte, an Leuchtstoffen für LEDs zu arbeiten. Ich erinnere mich da an eine interessante Begebenheit während des Studiums: Bei einem Seminar von Prof. Schneider, der einer der Väter der weißen LEDs ist – es muss 1997 oder 1998 gewesen sein –, hat er uns die allerersten weißen LED-Muster gezeigt. Das waren noch relativ schwächliche LEDs, die aber schon Leuchtstoffe enthielten und weißes Licht erzeugt haben. Und er prophezeite in seinem Vortrag, dass LEDs eines Tages Stadien beleuchten werden. Das klang damals wirklich völlig abenteuerlich und unwahrscheinlich – und das war die erste Begegnung mit der LED-Technologie! Eine weitere frühe Begegnung mit LEDs war kurz vor meiner Promotion ein Vortrag in Freiburg von Wolfgang Schnick, als er bei uns die „Steinhofer-Lecture“ gehalten hat. Sein Thema war für uns Studenten sehr außergewöhnlich, denn die meisten Vorträge beschäftigten sich mit sehr komplizierten, komplexen Molekülen oder Kristallstrukturen. Wolfgang Schnick berichtete dagegen von ungewöhnlich einfach zusammengesetzten Materialien. Eine der Verbindungen enthielt nichts außer Kalzium, Silizium und Stickstoff. Das sind praktisch die häufigsten Elemente auf der Erde und in der Luft, und das war für mich wie ein Wunder, weil jetzt jemand dastand und uns die Struktur dieser Verbindung erklärte, die so einfach aufgebaut ist und dennoch zuvor unbekannt war. Und der Grund war eben, dass der Zugang zu diesen Verbindungen nicht einfach war und spezielle Verfahren erforderte. Als ich dann das erste Mal über diese Leuchtstoffe las und mich erinnerte: „Mensch, das ist der Professor mit diesen Materialien!“ – das waren zwei Ereignisse aus der Studienzeit, die mein Interesse, an Leuchtstoffen zu forschen, geweckt hatten.

Was macht Ihre Arbeit spannend, und warum sollte man sich mit einem solchen Thema beschäftigen?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ich sehe die praktische Anwendung, das ist einfach ein Geschenk, etwas, was man nicht planen kann. Viele meiner Kollegen betreiben ganz hervorragende Grundlagenwissenschaft, aber nur wenigen ist es vergönnt, auch nur einmal so weit in die Anwendung zu kommen. Dennoch macht die Anwendung nicht mein ganzes Glück aus. Es ist unglaublich interessant, neue Verbindungen zu synthetisieren, die es einfach vorher auf dieser Erde so noch nicht gab. Dazu die Kombination mit diesen Strukturen – Kristallstrukturen haben etwas Faszinierendes, Regelmäßiges, Periodisches, Wiederkehrendes.

Das heißt, allein die Methode, die uns zur Verfügung steht, Kristallstrukturen aufzuklären, hat mich von Anfang an fasziniert. Eine Methode, die übrigens vor knapp 100 Jahren an der LMU München von Max von Laue entdeckt wurde, der dann dafür den Nobelpreis erhielt. Komplexe Kristallstrukturen in atomaren Dimensionen aufzuklären, das machen wir in unseren Laboren mit Röntgenbeugung. Dieses kreative Moment: Verbindungen zu erschaffen, sie zum ersten Mal zu synthetisieren, zuerst in kleinen Mengen, und später verbreiten sie sich, wie wir es jetzt bei diesen Leuchtstoffen erleben, über die ganze Welt. Wenn wir das erste Experiment machen, dann ist das entstehende Produkt in diesem Moment der gesamte Weltvorrat dieser Verbindung. Jahre später ist das Material vielleicht in jeder Ampel und in jedem Scheinwerfer. Das ist wirklich absolut faszinierend. Es ist schwer in Worte zu fassen, aber es ist viel mehr als ein Produkt, das man erzeugt. Es ist irgendwie ein Teil der eigenen Persönlichkeit, glaube ich.

Die Synthese solch neuer Substanzklassen war immer etwas, was ich machen wollte. Vielleicht ist das inzwischen ein etwas unmoderner Ansatz. Früher haben sehr viele Chemiker so gearbeitet. Heute gibt es nur noch sehr wenige, die diesen schwierigen Weg gehen. Es gibt mehr „Allroundkünstler“, die sich sagen: „Ich habe da eine Problemstellung und gucke dann in verschiedenen Substanzklassen, irgendwo werde ich schon die Lösung finden.“ Aber ich habe ja vorhin schon erläutert, warum bei manchen Problemstellungen das nicht zum Ziel führt. Ich mache lieber etwas Neues – etwas ganz Neues.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Für mich ist da auch ein kreatives Moment, wenn auch ein wenig anders geartet, weil wir naturgemäß sehr anwendungsbezogen arbeiten. Aber gerade das Zusammenbringen von dem, was Kunden gerne hätten, was vom Marketing als Eingabe kommt, mit dem, was aus der Grundlagenforschung an uns herangetragen wird, daraus etwas Nutzbringendes zu formen, das halte ich für sehr spannend.

Sie haben schon meine nächste Frage fast beantwortet, nämlich die, ob man in solchen technischen Prozessen Kreativität braucht. Das ist ja wohl offensichtlich.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Was immer Kreativität auch ist, wie man es definiert. Kreativität kann ja auch sein, dass man eine These aufstellt, wie man das so klassisch in der Wissenschaft macht: Man sagt, so und so könnte das sein, und wenn das so ist, dann müsste das und das ebenfalls gehen. Das kann man mit mehr oder weniger großen Schritten unter Einbeziehung aktueller Fragestellungen tun. Das ist eine Herangehensweise, die braucht zweifelsfrei Kreativität, weil man sich entscheiden muss, welches der nächste Schritt ist. In der Chemie ist die Anzahl möglicher Experimente unvorstellbar groß. Wir haben knapp 100 chemische Elemente im Periodensystem zur Verfügung. Man kann ausrechnen, dass die Anzahl daraus theoretisch synthetisierbarer Verbindungen viel größer ist als die Anzahl von Elementarteilchen im Universum. Aus einer unvorstellbaren Anzahl von Möglichkeiten müssen wir als Chemiker aufgrund irgendwelcher Thesen oder einfach durch Vorlieben eine fast willkürliche Auswahl treffen. Es hängt sehr viel davon ab, wie wir uns entscheiden. Dass wir jetzt zufällig Silizium-Stickstoff-Festkörper mit Erdalkalimetallen gemacht haben, das war auch so eine willkürliche Entscheidung.

Es gibt für mich noch einen anderen möglichen Weg, in der Chemie voranzukommen: indem man nicht immer tief fundierte Thesen aufstellt, sondern spielerisch Dinge ausprobiert. Dabei passiert manchmal etwas sehr Unerwartetes. Dass unsere Substanzen so geleuchtet haben, haben wir ja auch wirklich nicht erwartet. Das ist etwas, was ich auch meinen Studenten versuche zu vermitteln. Wenn man chemisches Neuland betritt, sollte man nicht zu viel nachgrübeln, sondern einfach mal ein bisschen herumspielen. Natürlich muss man das Experimentieren beherrschen und die einschlägigen Sicherheitsvorschriften befolgen. Aber es ist oft sehr kreativ, Dinge einfach auszuprobieren und sich ein bisschen treiben zu lassen. Nicht zehn Jahre lang, aber vielleicht mal ein paar Wochen oder Monate. In der Kooperation mit Philips habe ich von Anfang an immer betont, dass wir so arbeiten. Wir möchten nicht immer nur klare Ziele und Forderungen gestellt bekommen, sondern spielerisch etwas Neues probieren. Dabei entdecken wir dann manchmal etwas ganz Unerwartetes, was wir gar nicht gesucht haben.

Gibt die Universität Studenten den Raum, das, was Sie als „spielerisches Entwickeln“ definiert haben, überhaupt noch zu erfahren?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Wir geben den Studierenden diese Möglichkeit. Im Hauptstudium machen sie verschiedene Forschungspraktika, meist unter Anleitung von Doktoranden. Da können wir sehr viel spielen, es muss nicht immer etwas herauskommen, was sich publizieren oder vermarkten lässt. Genauso ist es bei Master-Arbeiten, eigentlich auch bei einer Doktorarbeit. Ich halte meine Mitarbeiter und auch die Forschungsstudenten an, einfach wirklich mal Neues auszuprobieren. Wenn man Elementkombinationen zusammenbringt, die andere noch nicht zusammengetan haben, und dann auch unter ungewöhnlichen physikalischen Bedingungen – hohe Temperaturen, oder wir arbeiten auch sehr viel mit hohem Druck –, dann betritt man ganz sicher Neuland. Man kann fast sicher sein, dass etwas Neues entsteht. Ich vergleiche das sehr gerne mit den alten Naturforschern, die vielleicht im vorletzten Jahrhundert auf der Suche nach neuen Schmetterlingen, Insekten, Vögeln, Pflanzen waren; die haben auch nicht unbedingt gleich hier vor den Toren der Stadt nachgeschaut. Da ist zwar vielleicht auch noch was zu entdecken, aber die Wahrscheinlichkeit, etwas Neues zu finden, war ungleich höher, wenn man um den halben Globus fuhr, da irgendwo an Land in ein Biotop hineingegangen ist, wo ganz andere klimatische Verhältnisse herrschten. Und tatsächlich hat man dort die schönsten Falter gefunden und die interessantesten Urtiere. So ähnlich ist das auch in der Chemie. Wenn man also nur sehr konventionell unterwegs ist, in wässriger Lösung bei Raumtemperatur etwas zusammengießt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass andere das schon ausprobiert und da schon alles abgegrast haben, ziemlich hoch.

Könnten Sie sich vorstellen, ohne diese Anbindung an die Wissenschaft zu arbeiten?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Sehr schwer. Ich arbeite in Aachen schon in erster Linie als Chemiker. Man hat natürlich auch administrative Aufgaben zu erledigen, das wird auch eher immer mehr als weniger. Aber der wissenschaftliche Teil, das Verstehen-Wollen, ist mir sehr wichtig. Um neue Dinge zu schaffen, ist, was Wolfgang vorher auch als „spielen“ bezeichnet hat, dieses „combinatorial play“ – wie es Einstein ausgedrückt hat – wesentlich. Dass man kombiniert, neue Sachen kombiniert, macht unsere Arbeit über das wissenschaftliche Verstehen-Wollen hinaus so interessant.

Glück oder Zufall bei solchen Prozessen – spielt so etwas eine Rolle?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ja. Zufall ist vieles. Der Entscheidungsmechanismus im Kopf, vielleicht ein Experiment zu machen oder auch nicht zu machen, hängt von der Tagesform, vom sonstigen Leben, von Eindrücken, auch von der Verfügbarkeit von Chemikalien ab. Es kommt schon vor, dass wir sagen: „Gut, diese Ausgangsverbindung haben wir leider gerade nicht da. Dann machen wir das halt mit einer anderen, ähnlichen Chemikalie, vielleicht geht das ähnlich gut.“ Wir haben wirklich wichtige Dinge dadurch entdeckt, dass wir Experimente anders als ursprünglich geplant durchgeführt haben. Zufall ist erst mal wichtig, und Glück ist vielleicht nur eine Interpretation des Zufalls. Manchmal stellt sich etwas erst im Nachhinein als günstig heraus. Glück muss man haben, man kann es nicht planen. Man muss aber auch fleißig experimentieren, sonst kann man kein Glück haben.

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Ich denke, wir haben auch in unserer Kooperation gelernt, das Glück ein wenig zu zwingen. Am Anfang hat uns vor allem der Zufall getrieben, die Materialien zu finden, die wir dann entwickelt haben. Jetzt ist es so, dass wir sehr viel gezielter nach neuen Materialien suchen, weil wir eine ungefähre Vorstellung haben, wo wir suchen müssen.

Wie motivieren Sie sich, und was ärgert Sie?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Motivation – da ist bei mir schon ein wenig Sportsgeist vorhanden. Wir hatten die Konkurrenzsituation bei LED-Phosphoren angesprochen. Es ist schon mit einem sportlichen Wettbewerb vergleichbar, immer die besten Materialien haben zu wollen, sich zu verbessern und sich so mit den Leuten von der Konkurrenz zu messen, die wir ja auch alle gut kennen. Das ist schon ein Ansporn. Was mich ärgert, ist vielleicht auch manchmal ein wenig „Unsportlichkeit“. In unserem Fall zum Beispiel Patentverletzungen, Ideenklau – also wenn man auf diese Weise Kosten spart, um nicht in eigene Innovationen investieren zu müssen.

Kommt das oft vor in dem Bereich?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Das passiert auch dadurch, dass weltweit sehr, sehr viel in LED-Technologie investiert wird. Es gibt immer mehr LED-Anbieter, die miteinander konkurrieren. Es ist oft schwierig, selbst noch einen Überblick zu behalten, wo Patente generiert werden, wer welche Rechte hat. Das ist eine sehr komplexe Landschaft geworden, und es beschäftigen sich mittlerweile viele Anwälte damit, dafür Sorge zu tragen, dass Patentrechte gewahrt werden. Wir investieren viel in Forschung und haben zum Beispiel mit unserer Leuchtstoff-Kooperation mehr als ein Dutzend Patente generiert. Dass wir hier in Deutschland forschen und entwickeln, ist dabei kein Zufall, da wir – siehe LMU – über hervorragende Grundlagenforschung im Materialbereich und hervorragend ausgebildete Wissenschaftler verfügen.

Ärgert Sie etwas?

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Wenn ich Nein sage, würden alle, die mich gut kennen, widersprechen. Ich versuche, mich mit zunehmendem Alter weniger zu ärgern, weil einem das so viel Kreativität raubt. Das ist das Schlimmste am Ärgern. Wie motiviere ich mich? Ich finde diese Analogie zum Sport sehr gut. Ich vergleiche immer sehr gern Forschung – wie das ganze Leben – mit Skilaufen. Wenn man eine schwarze Piste herunterfährt, kann man sich natürlich furchtbar aufregen, wenn man ausrutscht. Man kann sich reinstemmen und verkrampfen, und es wird immer anstrengender, man fährt immer schlechter. Ein guter Skiläufer fährt ganz leicht mit geringem Energieaufwand hinunter, und wahrscheinlich ärgert der sich nicht, sondern genießt es einfach. Man wird nicht schneller oder besser, indem man sich verkrampft, und vielleicht sollte man so nicht nur forschen, sondern auch leben – es einfach laufen lassen. Kräfte genau da einsetzen, wo sie etwas nützen.

Was machen Sie noch so außerhalb Ihrer beruflichen Tätigkeit? Sie hatten ein starkes Interesse für Kunst. Pflegen Sie das noch?

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt
Zurzeit relativ wenig. Ich bewundere höchstens die Bilder, die meine beiden Kinder malen. Ich nutze die Freizeit doch mehr für Sport. Ich fahre leidenschaftlich gerne Fahrrad, und das ist meine Möglichkeit, Stress abzubauen und zu entspannen.

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick
Ich jogge seit über 30 Jahren regelmäßig und liebe es, bei so schönem Sommerwetter morgens um sechs Uhr in den Wald zu laufen. Das entspannt mich. Ansonsten mache ich sehr gern Musik, spiele Gitarre und komponiere und produziere eigene Songs. Ich habe früher jahrelang in einer Band gespielt.

mehr

Lebenslauf

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schnick

23.11.1957
geboren in Hannover
1976
Abitur, Beginn Chemie-Studium, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
1983
Chemie-Diplom, Universität Hannover
1986
Promotion (summa cum laude) in Anorganischer Chemie, Betreuer: Prof. M. Jansen, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
1986 – 1987
Hochschulassistent (C1), Anorganische Chemie, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
1987 – 1988
Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart
1988 – 1992
Hochschulassistent (C1) am Institut für Anorganische Chemie, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
1992
Habilitation in Anorganischer Chemie, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn , Rufangebot Professur (Lehrstuhl, C4) für Anorganische und Allgemeine Chemie, Humboldt-Universität zu Berlin (abgelehnt)
1993 – 1998
Professor (Lehrstuhl, C4) für Anorganische Chemie, Universität Bayreuth
1998 – 2006
Professor (Lehrstuhl, C4) für Anorganische Festkörperchemie, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
2005
Rufangebot, wissenschaftliches Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft und Direktor am MPI für Metallforschung, Stuttgart (abgelehnt)
2005
Rufangebot Professur (Lehrstuhl, W3) „Grundlagen keramischer Materialien“, Universität Stuttgart (abgelehnt)
seit 2006
Professor (Lehrstuhl, W3) für Anorganische Festkörperchemie, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Weitere Tätigkeiten:

2000 – 2001
Direktor des Department Chemie, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
seit 2007
stellvertr. Direktor des Department Chemie, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
seit 2005
gewähltes Mitglied im wissenschaftlichen Beirat bzw. Kuratorium des Fonds der Chemischen Industrie (FCI)
seit 2006
gewähltes Mitglied im Vorstand der Fachgruppe Festkörperchemie und Materialforschung der GDCh

Ehrungen:

1992
Heisenberg-Stipendium, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG),
Dozentenstipendium, Fonds der Chemischen Industrie (FCI),
Akademie-Preis Chemie, Göttinger Akademie der Wissenschaften
1994
Otto-Klung-Preis, Freie Universität Berlin
1996
Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
1999
Steinhofer-Preis, Universität Freiburg
seit 2002
Ordentliches Mitglied der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften
seit 2006
Korrespondierendes Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften
2006
Horst-Dietrich-Hardt-Preis, Universität des Saarlandes
2007
Wilhelm-Klemm-Preis der GDCh
seit 2009
Ordentliches Mitglied der Deutschen Akademie der Naturforscher, Leopoldina, Halle
seit 2011
Ordentliches Mitglied des Center for Advanced Studies (CAS) der Universität München (LMU)

mehr

Dr. rer. nat. Peter J. Schmidt

08.03.1970
geboren in Freiburg i. Br.
1989
Abitur, Zivildienst in Freiburg
1990
Beginn Chemie-Studium, Albert-Ludwigs-Universität Universität, Freiburg
1996
Chemie-Diplom, Universität Freiburg
1999
Promotion (summa cum laude) in Anorganischer Chemie bei Prof. G. Thiele, Universität Freiburg
1999 – 2007
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Philips Technologie GmbH Forschungslaboratorien Aachen, tätig in der Leuchtstoffforschung für Festkörperlichtquellen
2008 - 2011
Principal Scientist bei Philips Research Europe, Aachen
Seit 2011
Gruppenleiter Materialforschung, Philips Technologie GmbH, Lumileds Development Center Aachen

Ehrungen:

2001
Innovationspreis Philips Research
2002
Innovationspreis Philips Research
2004
Innovationspreis Philips Research
2005
Innovationspreis Philips Research
2004/05
Best Breakthrough Award, Philips Automotive Lighting

mehr

Kontakt

Team-Sprecher

Prof. Dr. Wolfgang Schnick
Department Chemie
Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Butenandtstrasse 5-13
81377 München
Tel. + 49 (0) 89-2180-77436 /-77439
E-mail: wolfgang.schnick@uni-muenchen.de
http://www.chemie.uni-muenchen.de/ac/schnick

Pressekontakt

Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Katrin Gröschel
+49 (0) 89 -2180-3254
katrin.groeschel@lmu.de
www.lmu.de/presse

Bernd Glaser
Unternehmenskommunikation
Philips Lighting
Tel: +49 (0)40 2899 2263
Bernd.Glaser@philips.com
www.philips.com
www.philipslumileds.com