Beleuchtungstechnik. Thomas Jüstel. Münster University of Applied Sciences

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1 Moderne und energieeffiziente Beleuchtungstechnik Thomas Jüstel Institute for Optical Technologies Münster University of Applied Sciences Klima Cafe Stadt Bad Bentheim 17. Februar 2015 Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 1

2 in Etwa 20% der erzeugten elektrischen Energie wird zurzeit in Beleuchtungseinrichtungen weltweit verbraucht (Quelle: NASA) Noch 25 Jahre nach der Wiedervereinigung lassen sich Ost- und West-Berlin durch die Beleuchtung unterscheiden 1989 Fall der Berliner Mauer The wind of change 1993 Blaue LED 1996 Weiße LED 2014 Weiße LED mit > 300 lm/w Jahre Deutsche Einheit The light of change Ost-Berlin Na-Lampen West-Berlin Hg-Lampen Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 2

3 Inhalt 1. Künstliche Lichtquellen 2. Anorganische LED Status Aufbau von LED Lichtquellen 4. Anwendungen von LED Lichtquellen 5. Zukünftige Entwicklung der LED 6. Literatur und Internet-Adressen Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 3

4 Wechselwirkung 1. Künstliche Lichtquellen Kulturgeschichte Entwicklung künstlicher Lichtquellen Künstliches Licht spendet Wärme (Gesundheit) und Sicherheit ermöglicht Aktivitäten unabhängig vom natürlichen Tageslicht ist ein Designelement hat Signalwirkung i und Kommunikationsfunktion kti ermöglicht technischen Fortschritt, z.b. in der Photochemie/biologie, Materialbearbeitung, Medizin, IT, Architektur und Konstruktion Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 4

5 1. Künstliche Lichtquellen Ur- und Frühgeschichte Antike 18. Jhdt. 19. Jhdt. Zugang zu geeigneten Energiequellen Lagerfeuer Fackeln Kerzen Petroleum- Auerlicht Kohlefadenlampen lampen Chemische Lichtquellen Elektrische Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 5

6 1. Künstliche Lichtquellen 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt. Lichtausbeute, Leistungsdichte, Lebensdauer Glüh- und Gasentladungs- Anorganische Hochleistungs-LED Halogenglühlampen lampen und organische und Laser Leuchtdioden Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 6

7 Worum geht es eigentlich? 1. Künstliche Lichtquellen Lebensdauer: Ausfall bzw. Abnahme des Lichtstroms auf 70% L70 Lichtstrom in Lumen: 10 lm 100 lm 1000 lm lm Lichtausbeute: lm/w Stark abhängig von Art und Spektrum der Lichtquelle Auch abhängig vom Empfänger und der Beleuchtungssituation Lichtfarbe: Farbtemperatur T c = K Lichtqualität: Farbwiedergabeindex R a = L einer Lichtquelle Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 7 7

8 Lichtausbeute Sonnenlicht 1000 W/m 2 1. Künstliche Lichtquellen ca. 100 lm/w lm/m 2 = lux Typische Innenraumbeleuchtung 10 W/m 2 ca. 100 lm/w (Leuchtstoffröhren) lm/m 2 = lux Künstliche Lichtquellen (Physik. Limit) it) Monochrom grün (555 nm) 683 lm/w Kaltweiß 350 lm/w Warmweiß 300 lm/w Licht tausbeute e [ lm/w ] Dreibandenlichtquellen Blau Grün Rot [ nm ] Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 8

9 1. Künstliche Lichtquellen Lichtfarbe in Kelvin Bezeichnungeichn ng 2700 extra-warmweiß 2900 warm-weiß 4000 neutral-weiß 5500 Tageslicht 6500 kalt-weiß Spektralfarben Planckkurve Mischfarben Weißpunkte Energiesparlampen mit unterschiedlicher Farbtemperatur im Vergleich x Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 9

10 Lichtqualität (Farbwiedergabeindex) R a = Monochrom grün oder Monochrom gelb Na-Dampflampen R a = 0 1. Künstliche Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 10

11 Lichtqualität (Farbwiedergabeindex) R a = Kaltweiß oder Warmweiß Glühlampen R a = Künstliche Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 11

12 Weiße Lichtquellen 1. Künstliche Lichtquellen Farbige Lichtquellen Sonnenlicht und (Halogen)- Glühlampen z. B. Na-Dampflampen Beleuchtung mit weißem Licht Beleuchtung mit gelben Licht Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 12

13 1. Künstliche Lichtquellen I( ) V( z) Thermische Strahler + Sehr gute Farbwiedergabe R a ~ Kein Vorschaltgerät/Netzteil - Lebensdauer h - Farbvariationen benötigen Filter - hoher Energieverbrauch Wendel- Licht- Energietemp. ausbeute effizienz 1 T [K] [lm/w] [%] Augenempfindlichkeitskurve Wellenlänge [nm] z Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 13

14 1. Künstliche Lichtquellen Leuchtstoffschicht Hg * e - Kathode Gasentladungen + Geringer Energieverbrauch + Lebensdauer h - Vorschaltgerät notwendig - Mäßige Lichtqualität - Enthalten Hg und Ba Intensit tät [W/nm m] 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Wellenlänge [nm] Lampen- Licht- Energietyp ausbeute effizienz [lm/w] [%] Energie sparlampe Leuchtstoffröhre Standard Leuchtstoffröhre Dreibanden Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 14

15 1. Künstliche Lichtquellen Anorganische Festkörper(-LED) + - Ni/Au p-kathode p-leitendes GaN Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone) n-leitendes GaN rte Intensität Normier 10 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 00 0, Wellenlänge [nm] Transparentes Substrat (Al 2 O 3 oder GaN) Konverterschicht Lebens- Licht- Maximale dauer L70 ausbeute Leuchtdichte t [h] [lm/w] L [cd/m 2 ] > Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 15

16 2. Anorganische LED Status 2015 Entwicklung der LED Technologie 1970 (Ga,As)P < 0.1 W < 1.0 lm <10lm/W < 120 C < 100 W/cm 2 > 120 K/W Gelb, Rot und IR 2015 (Al,In,Ga)P, (In,Ga)N, (Al,Ga)N W > 100 lm 303 lm/w (CREE) C W/cm K/W UV-A/B/C, alle Spektralfarben, IR Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 16

17 2. Anorganische LED Status 2015 Technische Daten Lichtausbeute: > 200 lm/w (Kalt-weiß) > 100 lm/w (Warm-weiß)) Farbwiedergabe: Lebensdauer: > h Design: Retrofits für Leuchtstoffröhren und (Halogen)Glühlampen Vorteile LED gegenüber (Halogen)Glühlampen Fluoreszenzlampen Höhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung Dimmbarkeit Höhere Effizienzi Bessere Farbwiedergabe b Größere Robustheit Größere Robustheit Keine IR-Strahlung Keine UV-Strahlung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 17

18 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 0 Level 1 Level 2 Level 3 Level 4 Halbleiter + Primäroptik + Leiterplatte + Sekundäroptik + Rahmen + Kontakte + Netzteil + Halterung + Kühlkörper + Design LED-Chip LED-Lampe LED-Modul LED-System LED-Leuchte Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 18

19 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 0 Halbleitermaterialien 0,35 (Al,In,Ga)P 580 nm 700 nm 0,30 Gelb Orange Rot 025 0,25 (Al,In,Ga)N nm UV-A Blau Grün (Al,Ga)N nm UV-C UV-A Emiss sionsinten nsität 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Wellenlänge [nm] Alle Spektralfarben sind ohne Filter mit LED zugänglich! Elektroluminesezenz der Halbleiter liefert Emissionsbanden mit FWHM < 30 nm Weißes Licht hoher Farbwiedergabe nur mit Multichip LED oder Konvertern Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 19

20 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 Rot + Grüne + Blaue Blaue LED + gelber Blaue LED + RG UV LED + RGB LEDs Leuchtstoff Leuchtstoffmischung Leuchtstoffmischung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 20

21 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 Hochleistungs-LED Geringer Wärmewiderstand: 2-3 K/W typisch Leucht -stoff Golddraht Kontakt Plastik -linse InGaN- Halbleiter Kühlkörper (Cu) (Al,In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) Lichtfarbe Blau nm Gelb Kalt-weiß Gelb + rot Warm-weiß Grün + rot Kalt- und warm-weiß Near UV nm Blau + grün + rot Kalt- und warm-weiß Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 21

22 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 1. Anorganische Leuchtstoffe Mikroskalige Pigmente SrB 4 O 7 :Eu ysrb4o7:eu BaMgAl 10 O 17 :Eu (Sr,Ba) 2 SiO 4 :Eu (Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce (Ca,Sr) 2 SiO 4 :Eu (Ca,Sr)S:Eu (Ca,Sr)AlSiN 3 :Eu Nanoskalige Pigmente (Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce Quantum Dots (Zn,Cd)(S,Se) (Al,Ga,In)(N,P,As) A ) Si, Ge, AgBr, CuBr, CuI 2. Organische Leuchtstoffe Polyzyklische y aromatische at Verbindungen Perylene Coumarine Metallkomplexe Ln 3+ -Komplexe Ln = Tm, Tb, Eu Ir 3+, Pt 2+, Ru 2+ - und Cu + -Komplexe emission intensity Normalised 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Emissionsspektren von Eu 2+ Leuchtstoffen 0, Wavelength [nm] Typische Konvertermaterialien Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 22

23 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 ity [a.u.] Em mission intens 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 InGaN LED Blue LED (Y,Gd) 3 Al 5 O 12 :Ce Yellow phosphor 0, Wavelength [nm] Emis ssionsinte ensität InGaN LED (Y,Gd) 3 Al 5 O 12 :Ce Tc = 5270 K: CRI = 82 Tc = 4490 K: CRI = 79 Tc = 4110 K: CRI = 76 Tc = 3860 K: CRI = 73 Tc = 3540 K: CRI = Wellenlänge [nm] Erste kommerziell erhältlichen LEDs emittierten kalt-weißes Licht Farbwiedergabe CRI = Kaltes weißes Licht Lichtausbeute bis zu 300 lm/w! Problem: Niedrige Farbwiedergabewerte für rote Farben und niedrige Farbtemperaturen Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 23

24 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 Blaue LED + gelber Blaue LED + grüner + roter Leuchtstoff + roter Leuchtstoff Blue LED Yellow pho osphor Red phos phor Blue LED Green Pho osphor Red Pho sphor Wavelength [nm] Wavelength [nm] Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 24

25 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 Erste warm-weiße LED - Die Komponenten (Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce Eu Leuchtstoff JAZZ 3300K BB 3300K nm nm Warm-weiße LEDs für Innenraumbeleuchtung gelblich-weißes, d.h. warm-weißes Licht gute Wiedergabe von allen Farbtönen vergleichbar mit Halogenlampen Lichtausbeute < 150 lm/w black body 3600 K fluorescent, CCT=3600 K nm Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 25

26 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 Pulver/Polymer Komposite Keramiken Variable Schichtdicke Hoher Wärmewiderstand Drop-Stop-Technik Sehr homogene Schichtdicke Höhere Wärmeleitfähigkeit Pick & Place-Technik Blaue LED + diverse Leuchtstoff- Blaue LED + Keramikkonverter pulver in Epoxy- oder Siliconharz (Philips Lumiramic / Osram c 2 ) Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 26

27 3. Aufbau von LED Lichtquellen Level 4 Innovatives thermisches Design Ziele Optimierung der LED-Entwärmung Kühlkörper Reduktion der thermischen Belastung der Konverter Remote Design.. Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 27

28 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Bildschirme a) LED RGB Displays Anzeigetafeln in Stadien NASDAQ New York b) LCD Bildschirme Fernseher Monitore Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 28

29 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Bildschirme AmbiLight (Philips): Fernsehen mit Lichteffekten Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 29

30 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Signalanlagen (Wechsellichtanlagen) 85-90% Energieeinsparung durch Ersatz der Glühlampen Lebensdauer > 5 Jahre Längere Wartungsintervalle Geringere Wartungskosten Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 30

31 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Innenraumbeleuchtung Standard weiß farbdynamisch LED Array zur dynamischen farbigen Beleuchtung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 31

32 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Innenraumbeleuchtung Ambience Creation Hotel Anna, München Luxeon Rot, Grün und Blau Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 32

33 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Architektonische Beleuchtung Außenbeleuchtung Lighting g Systems by Color Kinetics Inc., Takarazuka University of Art and Design, Satellite Building Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 33

34 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Beleuchtung von Auslagen und Werbeflächen Flu uoresz zenzlam mpen Höhere Attraktivität der beworbenen b Artikel LE EDs Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 34

35 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Spezialanwendungen Innenraumbeleuchtung Straßenbeleuchtung Monheimsallee Aachen Philips Urban Line Ziel: - (In,Ga)N LED mit einer Energieeffizienz von etwa 70% - Leuchtstoffmischung: t h 400 lm/w opt kaltweiß 280 lm/w el Optionen: 300 lm/w opt warmweiß 210 lm/w el - On-demand Lighting - Flexible Colour Temperature Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 35

36 4. Anwendungen von LED Lichtquellen Individuelle Farbgebung Blaue LED ( nm) + Leuchtstoff Beispiele Magenta Blaue LED + roter Leuchtstoff Cyan Blaue LED + grüner Leuchtstoff Anwendung in Corporate Logos Spezialbeleuchtung Werbebeleuchtung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 36

37 5. Zukünftige Entwicklung der LED Neue Anwendungen: Leuchtende Textilien Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 37

38 5. Zukünftige Entwicklung der LED Rezeptoren im Auge Stäbchen Zäpfchen Blaulicht (prgc) S/W-Kontrast Farbwahrnehmung Hormonsteuerung Sichtbares (blaues LED) Licht beeinflusst die Konzentration des Schlafhormons Melatonin Konzentration des Stresshormons Cortisol Aufmerksamkeit, Körpertemperatur etc. Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 38

39 Relative Wirkung [%] 5. Zukünftige Entwicklung der LED Melatoninsuppression 100 Jüngere Leute Phototopische t h Wirkung nm 555 nm 460 nm Ältere Leute (linsenkorrigiert) Wellenlänge [nm] Lichtquelle Lichtausbeute Verhältnis photopisch Tageslicht 6500 K 100 lm/w 2,78 FL 3000 K 90 lm/w 1,00 FL 4100 K 90 lm/w 1,85 LED 5500 K 90 lm/w 2,91 Lichtausbeute zirkadian zu photopisch Uhrzeit Körpertemperatur Melatonin (Schlafhormon) Cortisol (Stresshormon) Aufmerksamkeit Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 39

40 5. Zukünftige Entwicklung der LED Markt-Trend: Licht und Gesundheit Licht beeinflusst das Wohlbefinden, z.b. den Winter-Blues Weiße LED Licht steuert Hormone, z.b. das Schlafhormon Melatonin, und damit auch den Biorhythmus 430 nm LED Licht heilt Hautkrankheiten wie Akne, Psoriasis, Vitiligo, etc. Blau + Rot Licht wirkt therapeutisch bei Vitamin D Mangel, Gelbsucht und bei rheumatischen Beschwerden 450 nm LED Licht hat schmerzstillende Wirkung NO-Freisetzung 453 nm LED Licht kann zur Entfernung von Haaren verwendet werden (Epilation) 810 nm LED Produktdiversifikation durch Kombination verschiedener LEDs und Konverter Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 40

41 5. Zukünftige Entwicklung der LED Flache und flexible LED Array Lichtquelle als Schmerztherapie-Patch Dimmbar Langlebig g Flexibel Hocheffizient Blaue InGaN LEDs Blau emittierende LEDs Emission Spectrum 4 3,5 3 2,5 2 Energy [ev] Measurement settings 4x nm Steps 0,04 nm Slit 1.4 mm 3x10 5 Phosphor Ceramic Polymer-Keramik-Verbund 20 mm 4mm Intensity [cou unts] 2x10 5 1x Wavelength [nm] Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 41 41

42 5. Zukünftige Entwicklung der LED Wasseraufbereitung Ultraviolettes Licht (265 nm) desinfiziert Vermehrung von Mikroorganismen wird gestoppt Ultraviolettes Licht (< 250 nm) oxidiert Entfernung von Pestiziden, Herbiziden, pharmazeutischen Rückständen etc. aus Grund-, Oberflächen-, oder Abwässern Heute: Hg-Gasentladungslampen Beschluss: Genf, : 2020 Verbot von Hg LED: Hg-frei Kompakt Effizient Spektral modulierbar (ggf. mit UV-UV-Konverter) Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 42

43 Anwend dernutz zen 5. Zukünftige Entwicklung der LED Trends im Lichtquellenmarkt Beleuchtung Neue Anwendungsbereiche Umweltverträglichkeit Energieeffizienz Lebensdauer Recycling Zeit Photochemie / Biochemie / Agrikultur Ambiente Gesundheit Lifestyle + Arbeitseffizienz Geometrische und spektrale Flexibilität Desinfektions- bzw. Reinigung g von Wasser / Luft / Oberflächen Kommunikationstechnologie Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 43

44 5. Zukünftige Entwicklung der LED Kosten [ /1000 lm] 300 te [lm/w W] Lichta ausbeu Zeit Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 44

45 Literatur 6. Literatur und Internet-Links R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight-Verlag, g g, 2004 M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294 T. Jüstel, S. Möller, H. Winkler, W. Adam, Luminescent Materials in Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A1-28, Wiley-VCH (2012) Internet-Links Homepage T. Jüstel CREE Edison Opto Corp. GELcore Global Light Industries Insta LEDtronics Leuchtmittel online Lumitronix Nichia Osram Opto Philips Lumileds Seoul Semiconductor Sylvania TridonicAtco Vossloh-Schwabe Opto. com/ger/ Taunuslicht Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 45