Leuchtstoff LEDs Die Revolution in der Lichttechnik
Thomas Jüstel FH Münster FB Chemieingenieurwesen Ch i i i bzw. b Institut für Optische Technologien
Münster Arkaden, 01. September 2009 Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 1
Inhalt 1. Entwicklung g künstlicher Lichtquellen q 2. Prinzipien p der Lichterzeugung g g 3. Leuchtstoff LEDs Edison-Glühlampe 1879
4. Anwendungen von LEDs in der Beleuchtung 5. Zusammenfassung und Ausblick 6. Lieferanten und Literaturhinweise Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
LEDs FraunhoferFraunhofer Gesellschaft 1999 Folie 2
1 Entwicklung künstlicher Lichtquellen 1. Wechselwirkung Kulturgeschichte ↔ Entwicklung künstlicher Lichtquellen Kü tli h Li Künstliches Licht ht •
spendet p Wärme (Gesundheit) ( ) und Sicherheit
•
ermöglicht Aktivität unabhängig vom natürlichen Tageslicht
•
ist ein Designelement
•
h t Signalwirkung hat Si l ik und d Kommunikationsfunktion K ik ti f kti
•
ermöglicht neuartige technische Prozesse, wie z.B. Photochemie, Materialbearbeitung und Trennung komplexer Biomoleküle
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Folie 3
1 Entwicklung künstlicher Lichtquellen 1. Ur und Frühgeschichte Ur-
19 Jhdt 19. Jhdt.
20 Jhdt 20. Jhdt.
21 Jhdt 21. Jhdt.
Zeit bzw. Grad der Kontrolle
offenes F Feuer
Kerzen Glüh- und Gasentladungs Öll Öllampen Halogenlampen H l l -lampen l
Chemische Lichtquellen
Anorganische + organische LEDs
Elektrische Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 4
2 Prinzipien der Lichterzeugung 2. Einteilung g der Lichtquellen nach der Art der Lichterzeugung g g Chemische Lichtquellen Verbrennung
Glüh- und HalogenglühHalogenglüh lampen
Nieder – und Hochdruckgasentdruckgasent ladungslampen
Anorganische und organische Leuchtdioden
Chemo- bzw. Biolumineszenz
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Folie 5
2 Prinzipien der Lichterzeugung 2. Thermische Strahler 12 1.2
+ Sehr gute Lichtqualität + Einfache Handhabung
I( λ ) V( z)
- geringe Lebensdauer - hoher Energieverbrauch - Farbvariationen benötigen Filter
Wendeltemp. T [K] 2700 2800 3000 3200 3400
1
05 0.5
← Augenempfindlichkeitskurve 0
500
380
200
1000
780
1500
Wellenlänge [nm] , λ
z
Lichtausbeute η [lm/W] 13 16 22 29 36
Energieausbeute η [%] 6 9 11 15 18
2000
2000 2000.
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Folie 6
2 Prinzipien der Lichterzeugung 2. Leuchtstoffschicht
Gasentladungen + Geringer G i Energieverbrauch E i b h + Hohe Lebensdauer
Hg*
e-
- Vorschaltgerät g notwendig g - Mäßige Lichtqualität Kathode
Lampen typ
Intensittät [W/nm m]
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0 350
400
450
500
550
600
650
Wellenlänge [nm]
700
750
800
- Enthalten Hg und Ba
Lichtausbeute η [lm/W] 40 – 70
EnergieSparlampe Leuchtstoffröhre ff ö 700 – 80 „Standard“ Leuchtstoffröhre 90 – 100 „Dreibanden“ D ib d “
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Energieausbeute η [%] 15 - 20 20 - 25 2 27 - 30 Folie 7
2 Prinzipien der Lichterzeugung 2. Elektrolumineszenz (Organische LEDs) + Geringer Energieverbrauch + Hohe Flexibilität - Mäßige g Lebensdauer - Geringe Leuchtdichte
+ Indium-ZinnOxid-Anode Glassubstrat
-
Metallkathode Lichtemittierende Schicht (Polymere, Metallorganische Verbindungen)
Lebensdauer t [h] < 10000
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Lichtausbeute η [lm/W] 20 - 60
Maximale Leuchtdichte L [cd/m2]___ 1000 Folie 8
2 Prinzipien der Lichterzeugung 2. Elektrolumineszenz (Anorganische LEDs) + Geringer Energieverbrauch + Sehr hohe Lebensdauer + Einfache Ansteuerung g - Mäßige bis gute Lichtqualität
Ni/Au p-Kathode
+
-
p-leitendes GaN Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone) n-leitendes GaN
Transparentes Substrat (Al2O3)
Lebensdauer t [h] > 30000
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Lichtausbeute η [lm/W] 30 – 250!
Maximale Leuchtdichte L [cd/m2]___ 10000000 Folie 9
3 Leuchtstoff LEDs - Komponenten 3.
Level 0
Level 1
Level 2
Level 3
Level 4
H lbl it Halbleiter
+P Primäroptik i ä tik + Kontakte + Kühlkörper
+L Leiterplatte it l tt
+S Sekundäroptik k dä tik + Netzteil
+R Rahmen h + Halterung + „Design“
LED-Chip
LED-Lampe
LED-Modul
LED-System
LED-Leuchte
+L Leuchtstoffe ht t ff zur Farbkonversion F bk i – Prinzipiell P i i i ll auff allen ll Level L l einsetzbar i t b Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 10
3 Leuchtstoff LEDs – Halbleitermaterialien 3. Chemische Zusammensetzung
(Al,In,Ga)N (Al In Ga)N 370 – 530 nm UV-A → Blau → Grün
0,35
Emissio onsintensittät
(Al,In,Ga)P 580 nm – 630 nm Gelb → Orange → Rot
Typische LED-Spektren
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0 05 0,05 0,00 400
450
500
550
600
650
700
750
Wellenlänge [nm]
Alle Spektralfarben direkt mit LEDs zugänglich! Aber wie erzeugt g man weißes Licht mit LEDs? Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 11
3. Leuchtstoff LEDs – 3 Wie erzeugt man weißes Licht? Prinzip: Additive Farbmischung Thermische Strahler ⇒ sichtbares weißes Licht + IR Gasentladungen ⇒ UV + sichtbares farbiges Licht El k l i Elektrolumineszente H lbl i Halbleiter ⇒ sichtbares i hb farbiges f bi Licht i h Weiß
Rot
Grün
Farbfilter
Farbiges Licht durch Absorption
Blau
Gelber Leuchtstoff Weißes Licht durch additive Farbmischung
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UV
RGB Leuchtstoffmischung
Weißes Licht durch Lumineszenz Folie 12
3. Leuchtstoff LEDs – 3 Wie erzeugt man weißes Licht?
400
500
600
Wellenlänge [nm]
700 700
400
500 00
600
Wellenlänge [nm]
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700 00
400
500
Roter Leuchtstoff
Blaue LE ED
Grüner Leuchtstoff
Blaue LED + grüner + roter Leuchtstoff
Roter Le euchtstoff
Blaue L LED
Gelber Leuchtstoff
Blaue LED + gelber + roter Leuchtstoff
Gelber Leuchtsto off
Blaue LE ED
Blaue LED + gelber Leuchtstoff
600
Wellenlänge [nm]
700
Folie 13
3 Leuchtstoff LEDs - Aufbau 3.
(Al,In,Ga)N Halbleiter Blau 420 – 480 nm
+ Leuchtstoff (Konverter) Gelb Gelb + rot G ü + rott Grün
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Lichtfarbe Kaltweiß Warmweiß K lt und Kaltd warmweiß iß Folie 14
3 Leuchtstoff LEDs – Kaltweiße Lichtquellen 3. Typische LED Leuchtstoffe
(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce Leuchtstoff
Emis ssionsinte ensität
70
Tc = 5270 K: CRI = 82
60
Tc = 4490 K: CRI = 79 50
Tc = 4110 K: CRI = 76
40
Tc = 3860 K: CRI = 73
30
Tc = 3540 K: CRI = 70
20 10 0 400
500
600
700
800
Wellenlänge [nm]
Kaltweiße „Standard“ LEDs • 1 – 5 W LEDs • 50 - 100 lm/W • bläulich-weißes Licht • schlechte Wiedergabe roter Farbtöne Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
“Es fehlt rote Strahlung” Folie 15
3 Leuchtstoff LEDs – Rote Leuchtstoffe 3. Emis ssion intensity [a.u.]
Sulfidische Leuchtstoffe (Ca1-xSrx)S:Eu )S E
SrS:Eu (Sr0.75Ca0.25)S:Eu (Sr0.5Ca0.5)S:Eu (Sr0.25Ca0.75)S:Eu CaS:Eu
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0 500
600
700
800
Wavelength [nm]
585 nm 625 nm 650 nm
Ba2Si5N8:Eu Sr2Si5N8:Eu CaAlSiN3:Eu
Nitridische Leuchtstoffe Ba2Si5N8:Eu Sr2Si5N8:Eu (Ca1-xSrx)AlSiN3:Eu
Emissiion intensity [a.u..]
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0 500
550
600
650
700
750
800
Wavelength [nm]
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Folie 16
3 Leuchtstoff LEDs – Warmweiße Lichtquellen 3. 4
LUXEON - Warmweiß - Die Komponenten
(Al In Ga)N Chip YAG:Ce (Al,In,Ga)N 1.2
4
JAZZ 3300K
CaS:Eu
4
BB 3300K 4
1
4 4
0.8
4
0.6 4
0.4
5 0
0.2
400
450
500
550
600
650
nm
700
750
0 400
450
500
550
600
650
700
750
nm 800
Warmweiße LEDs für die Innenraumbeleuchtung • 1 – 5 W LEDs • 30 - 50 lm/W l /W • gelblich-weißes “warmes“ Licht • gute Wiedergabe von allen Farbtönen vergleichbar l i hb mit i Halogenlampen H l l
black body 3600 K fluorescent, CCT=3600 K
400
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450
500
550
600
650
700
750
nm
800
Folie 17
3. Leuchtstoff LEDs – 3 Vorteile in der Anwendung H h Effizienz Hohe Effi i Hohe Lebensdauer Hohe Flexibilität Leichte Dimmbarkeit Viele Lichtfarben (auch kalt- und warmweiß) 1 - 5 W pro LED-Lampe LED-Module mit höherer Wattage erhältlich Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 18
4 Anwendung von LEDs in der Beleuchtung 4. Innenraumbeleuchtung Standard weiß
farbdynamisch
LED A Array zur d dynamischen i h farbigen Beleuchtung
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Home
Folie 19
4 Anwendung von LEDs in der Beleuchtung 4. Innenraumbeleuchtung
“Ambience Creation”
Hotel Anna, München Luxeon Rot,, Grün und Blau Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 20
4 Anwendung von LEDs in der Beleuchtung 4. Architektonische Beleuchtung
Außenbeleuchtung
Lighting Systems by Color Kinetics Inc., Takarazuka University of Art g , Satellite Building g and Design, Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 21
5 Zusammenfassung und Ausblick 5. Kosten [€/1000 lm]
Effizienz [lm/W] 250
150 100 100 50
7 W LED ~1000 lm für ~ 2 €
10 5
30 20
2
10 1995
2000
2005
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2010
2015
2020 Folie 22
5 Zusammenfassung und Ausblick 5.
Anwend dernutzen
Trends im Lichtquellenmarkt
G Gesundheit dh it
Lifestyle + Arbeitseffizienz
Ambiente Umweltverträglichkeit Licht
Nick Holonyak Holonyak, jr jr. (2000)
Energieeffizienz g Lebensdauer Recycling
Geometrische und spektrale Flexibilität
Zeit
Es ist überlebenswichtig zu realisieren, dass die Leuchtstoff LED die ultimative Lichtquelle im Hinblick auf das Prinzip der Lichterzeugung und den Möglichkeiten der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre Effizienz und Lichtausbeute die aller anderen Lichtquellen übertreffen wird. Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt
Folie 23
6 Lieferanten und Literaturhinweise 6. GELcore Global Light Industries Philips Lumileds Nichia Osram Seoul Semiconductor Sylvania
http://www.gelcore.com/ http://www.globallight.de/index.html http://www.luxeon.com/ LED-Lampen http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html http://www.osram.de/ http://www.seoulsemicon.com/en/prCenter/ http://www sli sylvania com/content/view/65/77/ http://www.sli-sylvania.com/content/view/65/77/
Edison Opto Corp. Insta LEDt LEDtronics i Leuchtmittel online Lumitronix TridonicAtco Vossloh-Schwabe Opto. Taunuslicht
http://www.edison-opto.com.tw/ http://www.insta.de/newsite/index.php?page=695 htt // http://www.ledtronics.com/ l dt i / http://www.leuchtmittel-online.com/ LED-Module http://www.leds.de/index.php und -Systeme http://www.tridonicatco.com/kms/static p _nav/index.php p p http://www.vs-optoelectronic.com/ger/ http://www.taunuslicht.de/index.php
•
R. Heinz R Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung – von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight-Verlag, 2004
•
M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294
•
Homepage T. Jüstel: www.fh-muenster.de/fb1/personal/Juestel.php
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