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Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 1

Entwicklungen für den Alltagund die Zukunft: Die LED

Thomas JüstelInstitute for Optical TechnologiesAbteilung Chemieingenieurwesen

[email protected]/juestel

FH MünsterCampus Steinfurt

03. Februar 2016


inEtwa 20% der erzeugten elektrischen Energie wird zurzeit in Beleuchtungseinrichtungen weltweit verbraucht (Quelle: NASA)

Noch mehr als 25 Jahre nach der Wiedervereinigung kannman Ost- und West-Berlin an der Beleuchtung erkennen

1989 Fall der Berliner Mauer “The wind of change”1993 Blaue LED 1996 Weiße LED2014 Weiße LED mit > 300 lm/W & Nobelpreis Shuji Nakamura2015 25 Jahre Deutsche Einheit “The light of change”2016 20 Jahre Patent „Weiße LED“

Ost-Berlin Na-Lampen

West-Berlin Hg-Lampen


Glüh- undHalogenglühlampen

Gasentladungs-lampen

Anorganische und organische Leuchtdioden

Hochleistungs-LED und Laser

Lebensdauer, Lichtstrom, Lichtausbeute, Lichtqualität

19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.

1. Künstliche Lichtquellen


4

1. Künstliche LichtquellenWorum geht es eigentlich?

• Lebensdauer: Ausfall bzw. Abnahme des Lichtstroms auf 70% L70

• Lichtstrom in Lumen: 10 lm 100 lm 1000 lm 10000 lm

• Lichtausbeute: 0 … 683 lm/W– Stark abhängig von Art und Spektrum der Lichtquelle– Auch abhängig vom Empfänger und der Beleuchtungssituation

• Lichtfarbe: Farbtemperatur Tc = 2700 – 8000 K

• Lichtqualität: Farbwiedergabe Ra = 0 …100

Anwendungsgebiet einer Lichtquelle bestimmt die Anforderungen


Lichtausbeute• Sonnenlicht

– 1000 W/m2

– ca. 100 lm/W– 100.000 lm/m2 = 100.000 lux

• Typische Innenraumbeleuchtung– 10 W/m2

– ca. 100 lm/W (Leuchtstoffröhren)– 1.000 lm/m2 = 1.000 lux

• Künstliche Lichtquellen (physikalisch machbar)– Monochrom grün (555 nm) 683 lm/W– Kaltweiß 350 lm/W– Warmweiß 300 lm/W

[ nm ]Li

chta

usbe

ute

[ lm

/W ]

DreibandenlichtquellenBlau Grün Rot



1. Künstliche LichtquellenLichtqualität(Farbwiedergabeindex)Ra = 0 … 100

Monochrom grünoder Monochrom gelb Na-Dampflampen

Ra = 0


1. Künstliche LichtquellenLichtqualität(Farbwiedergabeindex)Ra = 0 … 100

Kaltweißoder Warmweiß Glühlampen

Ra = 100


Lichtfarbe

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8Spektralfarben PlanckkurveMischfarbenWeißpunkte

0.8

0.9

x


in Kelvin Bezeichnung

2700 extra-warm-weiß

2900 warm-weiß4000 neutral-weiß5500 Tageslicht6500 kalt-weiß

Energiesparlampen mit unterschiedlicher Farbtemperatur

im Vergleich


1970

(Ga,As)P< 0.1 W< 1.0 lm

Gelb, Rot und NIR

2. Anorganische LED - Status 2016

2016

(Al,In,Ga)P, (In,Ga)N, (Al,Ga)N> 1 W

> 1000 lmAlle sichtbaren Spektralfarben

& UV- sowie IR-Strahlung

Entwicklung der LED Technologie



1915 1975 19951935 1965 20151925 1945 1955 1985 20051905Jahr

1895

100 lm/W

200 lm/W

300 lm/W Entwicklung einiger Lichtquellentypen


Technische Daten

Lichtausbeute: > 200 lm/W (kalt-weiß) > 100 lm/W (warm-weiß)Farbwiedergabe: 70 – 95Lebensdauer: > 10000 hDesign: Sehr variabel, häufig Retrofit

Vorteile der LED gegenüber(Halogen)Glühlampen Leuchtstoffröhren & EnergiesparlampenHöhere Lebensdauer Höhere LebensdauerHöhere Effizienz Höhere EffizienzGrößere Robustheit Größere Robustheit

Bessere FarbwiedergabeEinfachere Ansteuerung + Dimmbarkeit

Keine IR-Strahlung Keine UV-Strahlung



3. Aufbau von LED LichtquellenRot + Grüne + Blaue

LEDsBlaue LED + gelber

LeuchtstoffBlaue LED + RG

LeuchtstoffmischungUV LED + RGB

Leuchtstoffmischung


3. Aufbau von LED Lichtquellen

Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeBlau 420 – 480 nm Gelb Kalt-weiß

Gelb + rot Warm-weißGrün + rot Kalt- und warm-weiß

Plastik-linse

Kontakt

Golddraht

Kühlkörper (Cu)

InGaN-Halbleiter

Leucht-stoff

Hochleistungs-LED


Pulver/Polymer-Komposite Keramiken

Variable Schichtdicke Sehr homogene SchichtdickeHoher Wärmewiderstand Höhere Wärmeleitfähigkeit

Blaue LED + Leuchtstoffpulverin Epoxy- oder Siliconharzmatrix

Blaue LED + Keramikkonverterals Plättchen (0.1 – 0.5 µm)




Kalt-weißes Licht Warm-weißes LichtBis zu 300 lm/W Bis zu 150 lm/W

Spektralfarben: “Bernstein”, TiefrotMischfarben: Magenta, Cyan

Zum Vergleich Leuchtstoffröhre: Etwa 100 lm/W

400 500 600 700

Gel

ber

Leuc

htst

off

Bla

ueLE

D

Wellenlänge [nm]400 500 600 700

Wellenlänge [nm]

Rot

er L

euch

tsto

ff

Gel

ber L

euch

tsto

ff

Bla

ue L

ED

Spektren kommerzieller LED


Was bleibt an der FH Münster zu tun?

• Reduktion des Flicker Nachleuchtpigmente

• Hohe Lichtausbeute bei gleichzeitig guterFarbwiedergabe Schmalband-Rotemitter

• Höhere Stabilität für Laserdioden Keramiken & Kristalle



Signalanlagen (Wechsellichtanlagen)

• 85 - 90% Energieeinsparung durch Ersatz der Glühlampen

• Lebensdauer > 5 Jahre

• Längere Wartungsintervalle

• Geringere Wartungskosten

4. Anwendungen von LED Lichtquellen


Philips Urban Line

Ziele: - Höchstmögliche Energieeffizienz- Spektrale & zeitliche Modulierbarkeit

Optionen: - On-demand Lighting Energieeinsparung- Flexible Farbtemperatur Sicherheit & Stimmung- Modulation der Intensität Datenübertragung

4. Anwendungen von LED LichtquellenSignalbeleuchtung Innenraumbeleuchtung Straßenbeleuchtung


5. Ausblick

Weitere Anwendungsbereiche• Photochemie / Biochemie / Agrikultur / Medizin• Desinfektions- bzw. Reinigung von Wasser, Luft oder Oberflächen• Kommunikationstechnologie (THz WLAN)

Zeit

Anw

ende

rnut

zen

Beleuchtung

Ambiente

Trends im Lichtquellenmarkt: Licht ist mehr als Beleuchtung!!!

Umweltverträglichkeit

Gesundheit

Lifestyle +Arbeitseffizienz

EnergieeffizienzLebensdauer

Recycling

Geometrische und spektrale

Flexibilität


Parameter LED Laserdioden- Lichtstrom > 100 lm > 1000 lm- Lichtausbeute > 200 lm/W > 100 lm/W- Lichtqualität (mit Konverter!) > 80 > 80- Lebensdauer > 20000 h > 10000 h- Anwendungen Beleuchtung Projektion

Medizin MedizinSignalanlagen MaterialbearbeitungPhotochemie (Tele)KommunikationAgrikultur KFZ-ScheinwerferKosmetik (Umwelt)Analytik……. ……..

5. Ausblick


VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!

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