Erwartete Entwicklungen der LED Gestern heute - morgen Dr. Peter Blattner METAS

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1 Inhalt 1. Historischer Abriss 2. Funktionsprinzip 3. Eigenschaften 4. Zukunft LED (light-emitting diode) - Licht-emittierende Diode Leuchtdiode - Lumineszenz Diode Erwartete Entwicklungen der LED Gestern heute - morgen Dr. Peter Blattner METAS Googe search «LED» METAS «First light» Oleg Vladimirovich Losev 1907 : Henry Joseph Round - entdeckt die Elektrolumineszenz durch Anlegen einer Spannung an einen Siliciumcarbidkristall (SiC) : Beobacht ein schwaches Licht wenn man Strom durch eine Gleichrichterdiode (Radioempfänger) fliessen lässt. ->Entdeckung der Elektrolumineszenz (Siliziumcarbid, SiC) -> «Kalte Entladung» Später erklärt er das Phänomen mit Hilfe der Quantenphysik (Einstein) und spricht vom «inversen photoelektrischer Effekt» Michael T. Lippert, METAS Losev, O. V. Phil. Mag. 6, (1928). METAS

2 1955 bis 1990: «Amerikanische» Epoche Die Entdeckung der blauen LED 1955 Rubin Braunstein. Radio Corporation of America : IR-LED (GaAs, ) 1962 Nick Holonyak, Jr. of General Electric and Robert Hall: rote LED (GaAsP, ) Hewlett-Packard: effizientere rote LED 1972 M. George Craford (Student von Holonyak) : effizientere orange LED & rote LED 1974 Thomas Brandt (Fairchild Optoelectronics): fabrication «chip» 1990 orange, gelb, grün GaAsP,GaP, 1993 Shuji Nakamura, Nichia Corporation (Japan) InGaN: Indiumgalliumnitrid «Eine der wichtigsten Entdeckungen im Bereich Halbleitermaterialphysik der letzten Jahre!!» Es ist die Basis für weisses Licht, Anzeigen (Displays), blaue Laserdioden, Blu-Rays METAS METAS LED: Halbleiter-materialien Geschichtliche Entwicklung: Gesetz von Haitz Roland Haitz (Hewlett Packard), 2001 Preis pro lumen (USD) Lichtstrom pro Modul (lm) InGaN: Indiumgalliumnitrid AlGaInP: Aluminiumgalliumindiumphosphid METAS Der Preis pro Lumen verkleinert sich um einen Faktor 10 alle 10 Jahre Der Lichtstrom pro Modul vergrössert sich um einen Faktor 20 alle 10 Jahre Source: doi: /nphoton Robert V. Steele The story of a new light source METAS

3 Funktionsprinzip der LED (1) Halbleiter-Übergang (Junction) p + - n Funktionsprinzip LEDs (2) Die Höhe des Sprungs bestimmt die Wellenlänge des Lichtes Energie Leistungsband Höhere Sprung -> höhere Energie -> höhere Frequenz -> kleinere Wellenlänge Energie-Bändermodell Licht Rekombination Sperrschicht Elektronen Bandlücke Leitungsband Valenzband 1.5 V à 4.0 V tension de jonction Leitungsband Leitungsband Leitungsband Blaues Licht Grünes Licht Gelbes Licht Rotes Licht Die Sprunghöhe ist abhängig vom Halbleitermaterial NB: Das Emissionspektrum einer LED ist quasi-monochromatisch Valenzband METAS METAS Elektromagnetische Wellen Wie entsteht weisses Licht? Höhere Frequenzen 1. B + 1 Phosphor Sichtbares Licht Höhere Wellenlängen Wellenlänge (in Nanometer) METAS METAS

4 LEDs mit weissem Phosphor Wie entsteht weisses Licht? 1. B + 1 Phosphor RGB(A) 2. METAS METAS R(A)GB weisse LEDs 3. Wie entsteht weisses Licht? B + 1 Phosphor + R Ambre (Bernstein) 4. UV + 3 Phosphore METAS METAS

5 Eigenschaften der LEDs Geometrische Möglichkeiten Strassenleuchten Elektronischer Baustein Klassische Leuchte «klassische» LED Leuchte LED Leuchte mit Speziallinse Eigenschaft Nutzen Mögliches Problem Niederspannung Einfach modulierbar Bekanntes elektrisches Verhalten, Keine Hochspannung Regulierbare Systeme Es braucht trotzdem Zusatz-Elektronik (AC/DC, Stromlimitierer, PWM..) Flimmern/Flicker Kleine Emittierende Fläche Hohe Leuchtdichte, grosse Flexibilität im optischen Design (Leicht richtbar, LED + Spiegel... METAS METAS Eigenschaften der LEDs Temperatureffekt Elektronischer Baustein Eigenschaft Nutzen Mögliches Problem Base Niederspannung Einfach modulierbar Bekanntes elektrisches Verhalten, Keine Hochspannung Regulierbare Systeme Es braucht trotzdem Zusatz-Elektronik (AC/DC, Stromlimitierer, PWM..) Flimmern/Flicker Kleine Emittierende Fläche Hohe Leuchtdichte, grosse Flexibilität im optischen Design (Leicht ausrichtbar, Blendung Chip- Produktion Grossflächig, effizient produzierbar Gleichmässigkeit in der Produktion -> Binning Temperaturabhängigkeit Je kälter -> je effizienter Man muss die Temperatur kontrollieren METAS US DOE Gateway: Demonstration of LED Street Lighting City of Kansas City, Missouri, 2013 METAS

6 LED & Wärme: Einfluss auf die Lebensdauer Entwicklung des thermischen Widerstandes Hersteller von LED Chip muss die Eigenschaften (Lebensdauer, Effizienz, ) für bestimmte Temperatur deklarieren METAS METAS Effizienz? -> Spektralen Eigenschaften Glühlampe Entladungslampe LED METAS V ( ) Spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auge V( ) longueur d'onde / nm - Die Hellempfindung ist bei 480 nm nur noch 15% zum Vergleich bei 555nm - Das Auge ist im UV und IR nicht empfindlich -> Photometerische Einheiten-> Lumen, Lux, Candela peter.blattner@metas.ch

7 Lichtstrom (Lumen) Vergleich der Effizienz von Lichtquellen Lichtausbeute: = Lichtstrom (lm) Elektrische Leistung (W) METAS Lichtausbeute / Strahlungsausbeute Messungen METAS: Innenraumleuchten UV sichtbar IR Glühlicht Fluoreszenz HID LED <1 % <2 % 15 % 0 % 5 % 30 % 30 % 15 % à 25% 75 % 30 % 20 % 0 % Mittelwerte: 53.0 lm/w 77.4 lm/w 84.1 lm/w Lichtausbeute 10 à 15 lm/w 60 à 100 lm/w 100 à 150 lm/w 60 à 120 lm/w Wärme 20 % 38 % 35 % 75 % à 85% METAS METAS

8 Messungen METAS: Aussenleuchten Anwendungen der LEDs lm Scheinwerfer lm 1000 lm 100 lm Aussenleuchte Innenraumleuchte Abblendlicht/Fernlicht Stoplicht/Rücklicht Lampen Signalisation Pictures from wikipedia.org METAS METAS Zukunft? LEDs: Hohes Potential Welt online, METAS METAS

9 Aktuelle Prognosen: LED Leuchten OLED Organische Leuchtdioden Hersteller-Statement Organischer Halbleiter zwischen Anode und Kathode +Grossflächige Produktion zu interessantem Preis +dünn +leicht +flexibel - UV empfindlich - Lebensdauer? - Diffuse Abstrahlung Source: DOE, 2013 (Energy Efficiency of LEDs), angepasst für Leuchten (-20% gegenüber Lampe) METAS OLEDs werden die LEDs ergänzen und nur in Ausnahmesituationen ersetzen METAS Schlussfolgerungen Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit LEDs besitzen viele positiven Eigenschaften + hohe Lichtausbeute + kurze Einschaltzeit + gut modul- und regulierbar (Intelligente Beleuchtungen) + hohe Qualität der Farbwiedergabe + gute mechanische Eigenschaften + kein Quecksilber, keine UV/IR Emission + gut ausrichtbar + verschiedene Farben möglich (teilweise regulierbar ) + effizienter für kältere Umgebungstemperaturen (Strassenbeleuchtung) + viele Anbieter auf dem Markt + Entwicklung mit zusätzlichem Potential Aber - Lebensdauer???? - Viele Anbieter auf dem Martk - Entwicklung mit zusätzlichem Potential METAS METAS