Die LED in der effizienten Allgemein-Beleuchtung

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1 Die LED in der effizienten Allgemein-Beleuchtung

2 Die derzeitige Revolution in der Lichtwelt ist eine mächtige Welle hin zu Solid State Lighting (SSL) Derzeit überzieht die LED Technologie den Lichtmarkt wie eine riesige Welle. LED sind in aller Munde. Das Potential ist groß, die Erwartungen sind hoch. Dieser Beitrag soll dafür sorgen, dass die zugrunde liegende Technologie besser verstanden wird und der Leser in die Lage versetzt wird sich selbst mit der Materie auseinander setzen zu können, um sich eine eigene Meinung zu bilden. 1

3 LED die Zukunft der Lichterzeugung Nach der Lichterzeugung mit thermischer Strahlung und der Gasentladung bewegen wir uns derzeit in die Welt der Nanostrukturen. Licht Erzeugung Therm. Strahlung Plasma Solid State (LED) Organ. LED Glühlampe Halogen Rare Gas & Hg Dielektrische HID LED Natrium Entladung Barrieren Entladung Entladung OLED Neben anorganischen kommen inzwischen auch verstärkt organische Halbleiter-Materialien zum Einsatz. Wir konzentrieren uns hier aber auf die Anorganik. TOPLED DRAGON 2

4 PARATHOM Classic A 60, dimmbare LED Retrofit Lampe als 60W Glühlampenersatz Eine echte Alternative zur Glühlampe Produktvorteile Sehr niedriger Energieverbrauch:12W Hohe Lichtausbeute: (60 lm/w). Lichtstrom 800 lm Einfacher 1:1 1 Austausch Lange Lebensdauer (25.000h) Sofort Licht Dimmbar an gebräuchlichen Dimmern Verfügbar in warm- und kalt-weiß Anwendungen Ersatz für 60W Glühlampen 3

5 Entwicklung und Technologie der LED 4

6 Material- & Helligkeitsentwicklung anorganischer LED bis Auch weiße LED auf InGaN Basis Lumen / Watt] ffizienz [ 10 Heutige Glühlampe GaP:N InGaAlP GaAlAs GaAlAs InGaN InGaAlP InGaN InGaN InGaN Wie werden sich weiße LED weiter? entwickeln Edison Lampe LED Ef 1 GaAsP GaAsP:N Farbe repräsentiert Emissionsspektren der Materialsysteme SiC 01 0,

7 Helligkeitsentwicklung von weißen LED (Prognose) Erwartungen des DOE (Department Of Energy)* für die Helligkeitsentwicklung weißer LED Packages auf InGaN Basis (März 2011). Lab Werte kalt weiß nicht qualifiziert Fit Lab Werte kalt weiß Projektion Kommerziell kalt weiß Kommerziell kalt nicht qualifiziert Fit kommerziell kalt weiß Kommerziell warm weiß Kommerziell warm nicht qualifiziert Fit kommerziell warm weiß * Solid-State Lighting R&D: Multi-Year Program Plan, U.S. Department of Energy, March

8 Entwicklung von weißen LED (Prognose) Roadmap weißer LED (in Zahlen) Kenngröße Unit LED Effizienz ( K, Ra) lm/w (Warmweiß) LED Preis ( K; 35 A/cm 2 ) $/klm (Warmweiß) LED Effizienz ( K, Ra) lm/w (Kaltweiß) LED Preis ( K; 35 A/cm 2 ) $/klm (Kaltweiß) OEM Lampen Preis $/klm Quelle: Solid-State Lighting R&D: Multi-Year Program Plan, U.S. Department t of Energy, March

9 Verbindungshalbleiter: Das Material zur Lichterzeugung III-V-Kristallgitter einer anorganischen LED III-V-Verbindungshalbleiter V it wurden 1952 von Heinrich Welker im Siemens Forschungslabor in Erlangen erfunden. 8

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42 Strom-Spannungskennline einer anorganischen LED Reale Shockley-Gleichung und Kennlinie einer InGaAlP-LED bei Raum- temperatur T in logarithmischer Stromskala 41

43 High Brightness LED Prozesskette Schlüssel für eine hohe Lichteffizienz Schritte zur Herstellung einer LED: Epitaxie, Chip- & Gehäusetechnologie Metal Organic Vapor Phase Epitaxy Epitaxie Chip Technologie Lichtauskopplung Elektr. Verluste Interne Effizienz Gehäuse Wärmeabfuhr Lichtauskopplung -KonversionK i + Stokes-Verluste) Substrat Wall plug =. int. extr. electr 350 ma GaInN (white, 5000K): 40% = 75%. 87% 86% 71% 136 lm/w Beispiel OSRAM Weltrekord 07/2008 Later reported records: Cree 05/2011: 213 lm/w; Nichia 02/2009: 145 lm/w 42

44 Lichteffizienz bei InGaN- und InGaAlP-LED in Abhängigkeit der Wellenlänge Lic chteffizien nz bei 20m ma [lm/w W] Standard-LED 20 ma auf SiC auf fsaphir InGaN GaP konventionelle Technologie auf GaAs GaAsP InGaAlP GaAlAs A [lm/w] Lich hteffizienz z bei 20m 2 Blau Verde Gü Grünn Gelb Orange Superrot Hyperrot Emissionswellenlänge [nm] [nm] 43

45 Bandgap Engineering am Beispiel hoch effizienter (AlGa)InP LED Bandabstand in Abhängigkeit der Gitterkonstanten von AlGaInP (links) und Multi-Quantumwell-Struktur in der Gitterangepasste aktive BG-Struktur aktiven Zone ( Bandgap Engineering ) Leitungsband (rechts). Ban ndabstand d [ev] 3.5 (AlGa) 0.5 In 0.5 P/GaAs 3.0 AlP 2.5 GaP GaAs InP Gitterkonstante (A) [nm] lenlänge Wel GaAssubstrat AlInP AlG GaInP Photonen Valenzband Qanten-Töpfe und Barrieren mit 5-10 nm Dicke Hohe int. Qanten-Wirkungsgrad für rote Emission i (90%) 44

46 Lichtauskopplung aus einem LED-Chip Auf Grund des hohen Brechzahlunterschiedes können nur 2-4% der Photonen den Chip im ersten Durchgang verlassen Luft n 1 =1 n 2 =3.4 LED Material q c Vergrößerung der Lichtaustrittsfläche Senkrechte Lichtführung durch Dünnfilm-Chipdesign 45

47 Chipkonzepte zur Steigerung der Lichtauskopplung AlGaInP-Chipkonzepte von Philips Lumileds Trancated Inverted Pyramid (TIP)-LED d) a) b) c) AlGaInP-Chipkonzept von OSRAM: Dünnfilm Bond pad Mikro-Prismen Isolation Lichteffizienz: 100 lm/w (rot) Lichteffizienz: 100 lm/w Höchste Leuchtdichte Exzellente Skalierbarkeit Metall (Lot + Spiegel) Kontakt Trägersubstrat Strom 4 Kunstwafer 46

48 Leuchtdioden, Dünnfilmtechnologie Substrat Substrat Metall Träger Träger Aufwachsen der LED Schichten auf einen Substrat- Wafer (z.b. GaAs, Saphir) Bearbeiten der Oberfläche Auflöten auf einen Träger- Wafer (z.b. Ge, Si ) Entfernen des alten Substrates 47

49 Leuchtdioden: Vorteile der Dünnfilmtechnologie Metall- reflektor Chip mit Träger im Inneren Mikroprismen des Chips im Inneren Vorteile: Sehr hohe Energieeffizienz, > 50% Abstrahlung nur durch die Oberfläche, neue Möglichkeiten für 2D Arrays Effizienz unabhängig von der Chipgröße, Vorteil für große Leistungschips Dünnfilm Chips für alle Farben: rot, infra-rot rot, blau und weiß 48

50 Kurzwellige Lichterzeugung (UV, Blau, Grün) mit InGaN-Technologie InGaN-Chip Transparente Kontakte Bondpad InGaN- Quantum wells InGaN GaN 5 nm Indium-Cluster 4 µm TEM-Analyse: J. Zweck, Uni Regensburg g 250 µm Buffer Schicht GaN UV - blau - grün GaAlN SiC Bei kleinen Strömen sind derzeit WPE. > 50% erzielt >70% möglich 49

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52 Effizienzpotential von blauen (440nm) InGaN-ThinGaN Chips heute ma ma In Dragon Zuk kunft Beste D % WPE % Eingangsleist. elektr.: 1,14 100% 114W 1,015 (350 ma, ,9 V) Elektr. Effizienz: Interne QE: Licht Auskopplung: Package: 87 % 96 % 80% 75 % 85 % 35% 86 % 92 % 80% 95 % 97 % 80% Effizienz 1mm² Dragon Opt. Ausgangsleist.: 18% 53 % WPE 73 % heat: 47% (536 mw) WPE heat: 27% 51

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63 Klassen von Weiß-Leistungs-LED Unterschiedliche Klassen von Weiß-Leistungsbauelementen von OSRAM 5lm 23 lm 105 lm 600 lm 62

64 Effizienzbilanzen von anorganischen LED Licht- und Effizienz einer konvertierten Weißdiode mit einem 1mm 2 Chip in Abhängigkeit vom Strom. Quelle: OSRAM AG 63

65 Aus Datenschutzgründen wurde das automatische Herunterladen dieser externen Grafik von PowerPoint verhindert. Klicken Sie auf der Statusleiste auf 'Optionen', und klicken Sie dann auf 'Externe Inhalte aktivieren', um diese Grafik herunterzuladen und anzuzeigen. Effizienzbilanzen von anorganischen LED Licht- und Effizienz einer roten InGaAlP Diode mit einem 1mm 2 Chip im Laborgehäuse in Abhängigkeit vom Strom. Die InGaAlP-Chiptechnologie ermöglicht bei geringer Stromdichte von 40mA eine Lichtausbeute von etwas mehr als 200 lm/w. 64

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67 Effizienzpotential von kaltweißen (5000K) InGaN -ThinGaN Chips Dragon heute ma ma In Zuk kunft Beste Elektr. Eingangsleist.: Opt. Ausgang blau: Konversion: Stokes Effizienz: lm/w Effizienz % 1,14 100% W 1,015 (350 ma, V) V) 53 80% % WPE 73 % WPE Dragon 35% 78 % 90 % 80% 80 % 80% WPE 114 lm/w heat: 47% Weiße Dragon heute: 80% 33 % 53 % WPE 180 lm/w heat: 67% weiß heute in Zukunft: Adv. package heute: 40 % 18% WPE 136 lm/w 1mm² 66

68 67 LED - Module OSTAR lighting 12 W-Module LED-String LEDline-Leuchte OSRAM Philips Philips Philips Spektren einer veränderbaren RGBW-Multichip-Lichtquelle Kaltweiß 7000 K Warmweiß 2750 K Ra = 91 Ra =

69 Warm-Weiß durch Kombination weißer und roter Chips Der Farbort weißer Konversions-LED wird durch die Beimischung roter Chipemission zu wärmeren Farbtemperaturen verschoben. InGaAlP chip 400 ma red 046 0,46 0,44 0,42 white LEDs increasing InGaAlP current inte ensity GreenYAG Premium phosphor InGaN chip, 350 ma 0 ma red C y 0,40 0,38 0,36 0,34 ANSI warm white color groups 2800K warm white CRI = 90 0, wavelength / nm 034 0, , , , ,50 Module: 6 weiße + 2 rote 1mm 2 -Chips: 100 lm/w el ; Ra 90; 3000K; 850 lm C x 68

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71 Die System Effizienz elektrische Eingangsleistung % 100% Gesamt- Wirkungsgrad Treiber 80% 90% LED therm. Effizienz 35% 55% 100 lm/w 180 lm/w 80% 90% LED Effizienz Optik 80% 90% optische Ausgangsleistung 18% 40% 51 lm/w 131 lm/w (incl. driver) System Effizienz 70

72 Literaturverzeichnis LED [1] C.P. Kuo, R.M. Fletcher, T.D. Osentowski, M.C. Lardizaabal, M.G. Craford, Appl. Phys. Lett. 57, p (1990) [2] H. Sugawara, M. Ishikawa, G. Hatagosshi, Appl. Phys. Lett. 58, p (1991) [3] H. Amano, M. Kitoh, K. Hiramatsu, I. Akasaki, Jpn. J.Appl. Phys. 28, p (1989) [4] H. Amano, M. Kitoh, K. Hiramatsu, I. Akasaki, Gallium Arsenide and Related Compounds 1989, T. Ikoma and H. Watanabe, Eds. Bristol, U.K.: UKIOP, 1990, pp [5] S. Nakamura, T. Mukai, and M. Senoh, Appl. Phys. Lett., 64, p (1994) [6] S. Nakamura, M. Senoh, N. Iwasa, S. Nagahama, T. Yamada, T. Mukai, Appl. Phys. Lett., 34, p (1995) [7] Nichia Patent US 5,998, [8] OSRAM Patent US 6,576,930 [9] Strategies Unlimited, High Brightness LED: Market Review and Forecast Report OM-32, July 2005 [10] M.R. Krames, M. Ochinai-Holocomb, G.E. Höfler, C. Carter-Coman, E.I. Chen, I.-H. Tan, P.Grillot, N.F. Gardner, H.C. Chui, J.-W. Huang, S.A. Stockmann, f.a. Kish, and M.G. Craford, Appl. Phys. Lett.,Vol. 75, pp , 1999 [11] S. Illek, U. Jacob, A. Plössel, P. Stauss, K. Streubel, W. Wegleiter, and R. Wirth, Compound Semiconductor, Vol. 8, No 1, pp , 2002 [12] V. Härle, B. Hahn, S. Kaiser, A. Weimar, D. Eisert, S. Bader, A. Plössel, F. Eberhard, Proceedings of SPIE Vol. 4996, p. 133 (2003) [13] osram-fe-rekord.htm (2011). 71

73 Zusammenfassung LED Das Potential der anorganische LED in der Allgemeinbeleuchtung ist sehr hoch, h die LED wird zu (einer) der wichtigsten t Lichtquelle(n) werden. Lichtausbeuten >200 lm/w weiß für Leistungs-LED sind im Labor bereits erreicht. In diesem Bereich scheint nach den Prognosen des DoE die mögliche Grenze für hochqualitatives weißes Licht zu sein. Hohe Lichtqualität mit Ra > 90 ist bereits möglich. LED werden vornehmlich in den Anwendungsfeldern eingesetzt werden, wo sie ihre Systemvorteile besonders ausspielen können (z.b. Steuerbarkeit, Farbvariabilität, bilität geom. Flexibilität, Lebensdauer) In einigen Anwendungsfeldern außerhalb der Allgemeinbeleuchtung hat sich die LED bereits als die Lichtquelle der Wahl durchgesetzt, z.b. beim Automobil und in der Display-Hinterleuchtung. Die Herausforderungen der nächsten Jahre werden auch weiterhin Effizienzsteigerung, Kostensenkung und Wärmemanagement sein. 72