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Neue lichttechnische Entwicklungen-1-
Prof. Dr. T. Jüstel, FH MünsterFB Chemieingenieurwesen
Prof. Dr. T. JüstelFH Münster, FB Chemieingenieurwesen
LBS Münster19. Januar 2005
Neue lichttechnische Entwicklungen
Neue lichttechnische Entwicklungen-2-
Prof. Dr. T. Jüstel, FH MünsterFB Chemieingenieurwesen
Inhalt
• Historische Einleitung
• Physikalische Konzepte der Lichterzeugung
• Glüh- und Halogenlampen
• Gasentladungslampen
• Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
• Schlussfolgerungen und Ausblick
Neue lichttechnische Entwicklungen-3-
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1. Historische EinleitungKünstliche Lichtquellen = Katalysator der kulturellen Entwicklung
vor 400000 Jahren Fackelvor 13000 Jahren Primitive Steinlampen5000 v. Chr. Fettlampen mit Docht1000 v. Chr. Kerzen600 v. Chr. Ölkeramiklampen 280 v. Chr. Erster Leuchtturm (Alexandria)um 1600 Teleskop1772 Gaslampen1783 Petroleumlampen1784 Argandlampe (Lampe mit Hohldocht)1826 Kalklicht (Limelight, CaO-Brenner)
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1. Historische EinleitungElektrische Lichterzeugung
1854 Goebel Glühlampe mit Bambusfaser1879 Swan & Edison Glühlampe mit Kohlefaden1900 Cooper Hewitt Patent auf Hg-Dampflampe1934 Germer Niederdruckentladungslampe
mit Leuchtstoffen1936 Destriau Indirekte Elektrolumineszenz1948 Halophosphatlampe1959 Halogenlampe1961 Biard & Pitman Halbleiter LED1971 Koedam & Opstelten Dreibandenkonzept 1980 CFL-i (Energiespar)Lampe1990 Friend & Burroughes Erste organische LED 1994 Nakamura Weiße LED auf der Basis von InGaN2000 Weiße LEDs effizienter als Glühlampen
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Eingeführte elektrische Lichtquellen im
leuchtende Festkörper leuchtende Gase leuchtende FestkörperC, Os, W Hg, Na, Ne, Xe AlInGaP,AlInGaN
300 400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Em
issi
on In
tesi
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[a.u
.]
Wavelength [nm]300 400 500 600 700 800
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rel
ativ
e in
tens
ity [a
.u.]
Wavelength [nm]
19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert
300 400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Nor
mie
rte In
tens
ität
Wellenlänge [nm]
1. Historische Einleitung
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2. Physikalische Konzepte der Lichterzeugung
e-Hg*
Schwarzkörperstrahler(Glühende Festkörper bzw. Metalle)
Gasentladungen(angeregte Gasatome)
Elektrolumineszente Halbleiter(elektrisch angeregte Festkörper)+ - Metallkathode
Organische lumineszente SchichtTransparente organischeLochttransportationschicht
Indium-Zinn-Oxidanode
Glassubstrat
Wolframwendel
Kathode
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Weißes Licht durchLumineszenz
GelberLeuchtstoff
Weiß Rot Grün Blau UV
Weißes Licht durchadditive Farbmischung
2. Physikalische Konzepte der LichterzeugungErzeugung von weißem und farbigem Licht
Schwarzkörperstrahler ⇒ sichtbares weißes Licht + IR
Gasentladungen ⇒ UV + sichtbares farbiges Licht
Elektrolumineszente Halbleiter ⇒ sichtbares farbiges Licht
Farbiges Lichtdurch Absorption
RGBLeuchtstoff-mischung
Farb-filter
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Klassifizierung von Lichtquellen
Glüh- undHalogenglühlampen
Gasentladungs-lampen
Anorganische + organische Leuchtdioden
LASER
Clusterlampen
ChemischeLichtquellen
2. Physikalische Konzepte der Lichterzeugung
Exotisches
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Physikalische Grundlagen
3. Glüh- und Halogenlampen
500 1000 1500 20000
0.5
1
Wellenlänge in nm
1.2
0.
I λ( )
V z( )
2000.200 λ
nmz
nm,
Wellenlänge [nm]380 780
V(λ) = Augenempfindlichkeitskurve
Eingangsleistung
Energiebilanz einer Glühlampe
Elektromagnetische Strahlung Leitungsverluste
IRVisibleUV
Wolframwendel mit dem
elektrischen Widerstand R.
Für den Strom I ist die elektrische
Verlustleistung P = U*I = R*I2
Spektrum einer Glühwendel bei ca.
T = 2700 K (Temperaturstrahler)
Gasverluste
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Halogenglühlampen: “Wolfram-Recycling”
Bei der Halogen-Glühlampe bleibt die Wand durch den Rücktransport des Wolframs zur Wendel klar⇒ Reduktion der Kolbengröße⇒ Längere Lebensdauer⇒ Höhere Effizienz durch höhere Wendeltemperatur
3. Glüh- und Halogenlampen
T [K] η [lm/W]η [%]2700 13 10 Glühlampe2800 16 113000 22 13 typische Halogenlampe3200 29 163400 36 20 spezielle Halogenlampen
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Da Glüh- und Halogenglühlampen im wesentlichen IR-Strahlung emittieren lassen sich höhere Effizienzen durch Reduktion der IR-Emission erreichen
⇒ Erhöhung der Wendeltemperatur Blauverschiebung des Spektrums⇒ IR-Filter Reflexion des IR-Lichtes⇒ 3D Strukturierung des Wolframs Spektrale Änderung der Emission
durch photonische Effekte
3. Glüh- und Halogenlampen
selektiver Spiegel
sichtbares Licht wird durchgelassen
IR Licht wird auf Wendel zurückreflektiertη = 20 lm/W ⇒ 40 lm/W
UV 380 Vis. 780 IR λ [nm]
Ref
lexi
on
Interferenzfilter
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Niederdruck-Gasentladungslampen Hochdruck-Gasentladungslampen
Druck = 10 µbar bis 10 mbar > 1 bar
Länge = ca. 1 m ca. 1 cm
Leistung = 4 – 58 W 100 – 2000 W
4. Gasentladungslampen
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Hg-Gasentladung UV-Strahlung sichtbares LichtLeuchtstoff
Strahlung derGasentladung
GewünschtesSpektrum
Leuchtstoff-schicht
angeregtesAtom Elektronen
Elektrode
KappeGlaskolben
Reinigung Desinfektion Beleuchtung
4. GasentladungslampenFunktionsweise einer Niederdruck-Hg-Gasentladungslampe(Leuchtstofflampe)
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0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Inte
nsitä
t [W
/nm
]
λ [nm]
Vλ
BAM
LAP
YOX
Prad / P ≈ 60%Prad,vis / P ≈ 30%
P = 36 W
4. GasentladungslampenSpektrum einer Fluoreszenzlampe (Dreibandenlampe)
Hohe Lichtausbeute η ~ 100 lm/W, gute Farbqualität CRI = 80 - 85
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4. GasentladungslampenHg-Reduktion
Die Entladung benötigt für den optimalen Betrieb ca. 50 µg Hg Standarddosierung: 10 - 20 mg/LampeUrsache: Hg-Verbrauch in der Lampe
Lampenbestandteil Hg-Verbrauch für 10000 h Betrieb• Glas > 5 mg • Leuchtstoff 0.1 - 2.0 mg• Elektroden 0.1 - 1.0 mg⇒ Hg wird höher dosiert, um den Verbrauch zu kompensieren
Maßnahmen zur Hg-Verbrauchsreduktion• Glasbeschichtung 3 mg Hg/Lampe • Leuchtstoffbeschichtung 1 mg Hg/Lampe
mit Y2O3 oder Al2O3 (geringe Hg-Aufnahme)
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+
-
Entladungskegel
Elektrode (Anode)Dielektrikum
Elektrode (Kathode)
Leuchtstoffschicht
DielektrikumLeuchtstoffschicht
e- + Xe → Xe*
Xe* + 2 Xe → Xe2* + Xe
Xe2* → 2 Xe + 172 nm
AC
4. GasentladungslampenXe2*-Excimerentladungslampen
Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung
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Vorteile der Xe2*-Excimerlampen• Hg frei• schnelle Schaltbarkeit• temperaturunabhängig• dimmbarAber: Großer Energieverlust bei der Konversion von UV in sichtbares Licht
150 + 172 nm545 nm
Lampenglas
Wellenlänge [nm]
147 172
Resonance Line
2ndC
ontinuum
1stC
ontinuum
Leuchtstoffschicht bestehend aus Leuchtstoffenmit hoher photochemischer Stabilität)
ε = 18% für Xe-Entladung (max. 60 lm/W)ε = 30% für Hg-Entladung (ca. 100 lm/W)
185 + 254 nm
610 nm
450 nm
4. Gasentladungslampen
100 200 300 4000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
365 nm185 nm
254 nm
Emis
sion
inte
nsity
[a.u
.]
Wavelength [nm]
Hg- und Xe2*-Entladungslampen
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4. GasentladungslampenSchwefelentladungslampen
1990 gelang es der Firma Fusionlighting erstmalig eine Gasentladungslampe auf der Basis einer molekularen (S4 – S8) Schwefelentladung zu entwickeln
Lichtquelle mit extrem großen Lichtstrom 140000 lm (~40 Leuchtstoffröhren) und (fast) rein-weißem Licht (Bandenemission von S8, S7, S6, S5,….-Molekülen)
Effizienz: Vergleichbar mit Leuchtstoffröhren (also 100 lm/W)Problem: Energieeinkopplung, da elektrodenlose Lampe mit Mikrowellengenerator
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4. Gasentladungslampen - ÜbersichtNatrium
Niederdruckp < 10 mbar
Hg/Ar Hg/Ne
185 + 254 nm
(Kompakt-)Fluoreszenz
lampen
bzw.
Leuchtstoff-lampen
Niederdruck
Na/Ar/Ne
589 nm
Hochdruck
Na/Hg/Xe
Natrium-dampf-lampen
Niederdruck
Ne
74 nm
Mitteldruck
Xe/Ne
147 + 172 nm
Plasma-bildschirme
Schwefel
Hochdruck
S2
Breitband-spektrum
Quecksilber Edelgase
Hochdruckp > 1 bar
Hg/Ar
Breitbandspektrum
LinienemitterNaX / TlX / InX, X = I, Br
Multi-LinienemitterNaX / TlX / LnX3
(Ln = Dy, Ho, Tm, Sc)SnX2
Metallhalogenidlampen
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5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
Anorganische LEDs
Organische LEDs und Polymer LEDs
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1970
GaAsP
< 0.1 W
< 0.1 lm
gelb + rot
2004
AlInGaP, AlInGaN
0.6 - 5 W
10 - 150 lm
alle Farben + UV-A
Entwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs)
5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
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0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
1960 1970 1980 1990 2000 2010Jahr
Lich
tstr
om/L
ED (L
umen
)
Evolution of Light Sources - LED Lumen Package
Der Lichtstrom, der sich mit einer LED erzeugen lässt, hat sich in den letzten30 Jahren ca. alle 18 Monaten verdoppelt2004: 500 lm LED (30 W) im Labor demonstriert
5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingEntwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs)
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Transparentes Saphir-Substrat (Al2O3)
Negative Elektrode
n-GaN Kontaktschicht (e--leitend)
Positive Elektrode
p-GaN Kontaktschicht (lochleitend)
~100 µm
4 µm
0.15 µm 0.5 µm Rekombinationszone
Transparente Metallschicht
(S. Nakamura and G.Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters and Lasers, Springer, Berlin, 1997)
5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingVereinfachter Aufbau einer konventionellen 5 mm LED
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350 400 450 500 550 6000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Nor
mal
ised
em
issi
on in
tens
ity
Wavelength [nm]
(InxGa1-x)Nincreasing x
Ansteigende In-KonzentrationRotverschiebung der Emissionsbande 370 nm → 530 nmVerbreiterung der Emissionsbande
Emissionsspektren von InGaN LEDs
5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
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Blauer LED Chip: 420 – 480 nm InGaNLeuchtstoffschicht (Konverter): (1) Gelb Tc > 4000 K „Cool white“
(2) Gelb + rot Tc < 4000 K „Warm white“(3) Grün + rot 2000 K < Tc < 8000 K(4) Rot Magenta
InGaN Chip Silicon
Leuchtstoff
Ag-Spiegel
400 450 500 550 600 650 700 750 8000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
nsity
[a.u
.]
Wavelength [nm]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Emission ofphosphor converterLight
Source
Absorption
Funktionsprinzip einer weißen InGaN LED
5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
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5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
Die ersten kommerziell erhältlichen LEDs entsprachen Konzept (1)• Farbwiedergabe CRI = 70 – 85• Kaltes weißes Licht (nachts sind alle Katzen grau.....)• 1 W LEDs: Lichtausbeute 30 - 50 lm/W• Problem: Schlechte Farbwiedergabe für rote Farbtöne und niedrige
Farbtemperaturen
0
10
20
30
40
50
60
70
400 500 600 700 800
Emis
sion
sint
ensi
tät Tc = 5270 K: CRI = 82
Tc = 4490 K: CRI = 79Tc = 4110 K: CRI = 76Tc = 3860 K: CRI = 73Tc = 3540 K: CRI = 70
Wellenlänge [nm]
Weiße LEDs: Blauer InGaN Chip + (Y,Gd)3Al5O12:Ce
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5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
(1) Blaue LED + (Y,Gd)AG:Ce ⇒ CRI > 75 nur für Tc > 4000 K
(2) Blaue LED + (Y,Gd)AG:Ce + Rot ⇒ CRI > 85 für Tc < 4000 K
(3) Blaue LED + Grün + Rot ⇒ CRI > 85 für 2700 < Tc < 8000 K
400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rot
er L
euch
tsto
ff
Gel
ber L
euch
tsto
ff
Bla
ue L
ED
Inte
nsitä
t
Wellenlänge [nm]
Weiße pcLEDs mit hoher Farbqualität
400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rot
er L
euch
tsto
ff
Grü
ner L
euch
tsto
ff
Bla
ue L
ED
Inte
nsitä
t
Wellenlänge [nm]
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5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingWeiße pcLEDs mit hoher Farbqualität
Lichtquellen für die Allgemeinbeleuchtungerfordern hohe Farbwiedergaben auch beiniedrigen Farbtemperaturen
Konzept (2)• (Y,Gd)3Al5O12:Ce + Roter Leuchtstoff• CRI = 85 - 95• Tc = 2800 to 4000K• 1 W LEDs• 20-25 lm bei 350 mA
Konzept (3)• Grüner + roter Leuchtstoff• Produkte sind noch in der Entwicklung 400 450 500 550 600 650 700 750 800
nm
black body 3600 K
fluorescent, CCT=3600 K
0
5
4
4
4
4
4
4
4
4
400 450 500 550 600 650 700 750nm
JAZZ 3300K
BB 3300K
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Stärken anorganischer LEDs• Lebensdauer ~ 50000h• Dimmbarkeit• geringer Bautiefe• hohe T-Stabilität• schnelle Schaltzyklen• niedrige Spannung ~ 4 V• beliebige Farbtemperatur• Robustheit
Noch zu lösende Probleme• Lumenpaket pro LED• Preis pro Lumen• Thermisches Management
Spezialitäten
Taschenlampen
Lichtkacheln
Spotbeleuchtung
Konturbeleuchtung
Innenraumbeleuchtung
Allgemeinbeleuchtung
Straßenbeleuchtung
5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
Neue lichttechnische Entwicklungen-30-
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Mobile GeräteHandy, PDA, …
Automobilbereich
Anzeigetafeln undDisplays
5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
Neue lichttechnische Entwicklungen-31-
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Beleuchtung
Andere
Signalanlagen
5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting
Neue lichttechnische Entwicklungen-32-
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Hotel Anna in München:Luxeon LEDs in Rot, Grün und Blau
5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingStimmungsvolle Innenraumbeleuchtung “Mood Lighting”
⇒ Dimmbare RGB LED Module
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5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingFarbpunkt auf Wunsch “Colour on Demand”
Blaue InGaN LED (420 – 480 nm) + Leuchtstoffschicht
BeispieleMagenta: Blaue LED + roter LeuchtstoffCyan: Blaue LED + grüner Leuchtstoff
Anwendung in• Firmenlogos• Signalanlagen• Effektbeleuchtung• Werbebeleuchtung
Neue lichttechnische Entwicklungen-34-
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2002 2007 2012 2020Effizienz [lm/W] 30 75 150 200Kosten [$/klm] 100 10 5 2Lebensdauer [kh] 20 20 100 100Farbqualität CRI 75 80 85 85
Automobil LCD-TV Automobil Straßen-Innen-, Brems- Abblend-, beleuch-Blinker-, Fernlicht tungRückfahrlichtDynamicRoadmarkingAmpeln
Theoretische Effizienzgrenze: >75 % (S.D. Baars, University S. Barbara, CA, USA)
6. Status und Ausblick - Weiße LEDsErwartete Weiterentwicklung der LEDs (OIDA Report 2002)
Neue lichttechnische Entwicklungen-35-
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Vergleich mit anderen Lichtquellen (OIDA Report 2002)
Licht- Effizienz Helligkeit Farb- Lebens- Betriebs-strom qualität dauer kosten[lm] [lm/W] [Mcd/m2] CRI [kh] [$/Mlm.h]
60 W Glühlampe 900 15 10 100 1 7.250 W Halogen 1000 20 20 100 2 6.3TL 54 W 4900 90 0.015 80 24 1.2CFL 11 W 550 50 0.010 80 10 3.1UHP 200 W 7000 35 1000 85 5 5.7Luxeon 2002 125 25 3 75 60 6.0Luxeon 2007 200 80 10 80 60 3.3
6. Status und Ausblick - Weiße LEDs
Neue lichttechnische Entwicklungen-36-
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Lichtquellen und Beleuchtung im beginnenden 21. Jahrhundert
SignalbeleuchtungAmpeln: Glühlampen mit Farbfilter → LEDs
KFZ-BeleuchtungAbblend-, Fernlicht: Halogenlampen → Xe-Lampen → LEDs Blinker, Brems-, Rücklicht: Halogenlampen → LEDs
InnenraumbeleuchtungHome: Glühlampen → Halogen-, Energiesparlampen → LEDsBüro, Fabrik: LeuchtstoffröhrenShop: Glüh- und Halogenlampen → Hg-Hochdrucklampen, LEDs
AußenbeleuchtungArchitektur: Hg-Hochdrucklampen → LEDsStraße: Natriumlampen, Hg-Hochdrucklampen
6. Status und Ausblick - Lichtquellen