Neue lichttechnische Entwicklungen

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1 Prof. Dr. T. Jüstel FH Münster, LBS Münster 19. Januar

2 Inhalt Historische Einleitung Physikalische Konzepte der Lichterzeugung Glüh- und Halogenlampen Gasentladungslampen Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Schlussfolgerungen und Ausblick -2-

3 1. Historische Einleitung Künstliche Lichtquellen = Katalysator der kulturellen Entwicklung vor Jahren Fackel vor Jahren Primitive Steinlampen 5000 v. Chr. Fettlampen mit Docht 1000 v. Chr. Kerzen 600 v. Chr. Ölkeramiklampen 280 v. Chr. Erster Leuchtturm (Alexandria) um 1600 Teleskop 1772 Gaslampen 1783 Petroleumlampen 1784 Argandlampe (Lampe mit Hohldocht) 1826 Kalklicht (Limelight, CaO-Brenner) -3-

4 Elektrische Lichterzeugung 1. Historische Einleitung 1854 Goebel Glühlampe mit Bambusfaser 1879 Swan & Edison Glühlampe mit Kohlefaden 1900 Cooper Hewitt Patent auf Hg-Dampflampe 1934 Germer Niederdruckentladungslampe mit Leuchtstoffen 1936 Destriau Indirekte Elektrolumineszenz 1948 Halophosphatlampe 1959 Halogenlampe 1961 Biard & Pitman Halbleiter LED 1971 Koedam & Opstelten Dreibandenkonzept 1980 CFL-i (Energiespar)Lampe 1990 Friend & Burroughes Erste organische LED 1994 Nakamura Weiße LED auf der Basis von InGaN 2000 Weiße LEDs effizienter als Glühlampen -4-

5 1. Historische Einleitung Eingeführte elektrische Lichtquellen im 19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert leuchtende Festkörper leuchtende Gase leuchtende Festkörper C, Os, W Hg, Na, Ne, Xe AlInGaP,AlInGaN 1,0 1,0 1,0 Emission Intesinty [a.u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 Relative intensity [a.u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 Normierte Intensität 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Wavelength [nm] 0, Wavelength [nm] 0, Wellenlänge [nm] -5-

6 2. Physikalische Konzepte der Lichterzeugung Schwarzkörperstrahler (Glühende Festkörper bzw. Metalle) Gasentladungen (angeregte Gasatome) Wolframwendel Hg * e - Elektrolumineszente Halbleiter (elektrisch angeregte Festkörper) + - Metallkathode Kathode Indium-Zinn-Oxid anode Organische lumineszente Schicht Transparente organische Lochttransportationschicht Glassubstrat -6-

7 2. Physikalische Konzepte der Lichterzeugung Erzeugung von weißem und farbigem Licht Schwarzkörperstrahler Gasentladungen sichtbares weißes Licht + IR UV + sichtbares farbiges Licht Elektrolumineszente Halbleiter sichtbares farbiges Licht Weiß Rot Grün Blau UV RGB Leuchtstoffmischung Farbfilter Gelber Leuchtstoff Farbiges Licht durch Absorption Weißes Licht durch additive Farbmischung Weißes Licht durch Lumineszenz -7-

8 2. Physikalische Konzepte der Lichterzeugung Klassifizierung von Lichtquellen Glüh- und Halogenglühlampen Gasentladungslampen Anorganische + organische Leuchtdioden Exotisches LASER Clusterlampen Chemische Lichtquellen -8-

9 3. Glüh- und Halogenlampen Physikalische Grundlagen Energiebilanz einer Glühlampe Eingangsleistung Elektromagnetische Strahlung Gasverluste Leitungsverluste UV Visible IR 1.2 I( λ ) V( z) 0. 1 V(λ) = Augenempfindlichkeitskurve λ z, nm nm Wellenlänge in nm Wellenlänge [nm] Wolframwendel mit dem elektrischen Widerstand R. Für den Strom I ist die elektrische Verlustleistung P = U*I = R*I 2 Spektrum einer Glühwendel bei ca. T = 2700 K (Temperaturstrahler) -9-

10 3. Glüh- und Halogenlampen 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 T [K] η [lm/w]η [%] Glühlampe typische Halogenlampe spezielle Halogenlampen -10-

11 3. Glüh- und Halogenlampen Da Glüh- und Halogenglühlampen im wesentlichen IR-Strahlung emittieren lassen sich höhere Effizienzen durch Reduktion der IR-Emission erreichen Erhöhung der Wendeltemperatur IR-Filter 3D Strukturierung des Wolframs Blauverschiebung des Spektrums Reflexion des IR-Lichtes Spektrale Änderung der Emission durch photonische Effekte sichtbares Licht wird durchgelassen IR Licht wird auf Wendel zurückreflektiert η = 20 lm/w 40 lm/w selektiver Spiegel Reflexion Interferenzfilter UV 380 Vis. 780 IR λ [nm] -11-

12 Niederdruck-Gasentladungslampen 4. Gasentladungslampen Hochdruck-Gasentladungslampen Druck = 10 µbar bis 10 mbar > 1 bar Länge = ca. 1 m ca. 1 cm Leistung = 4 58 W W -12-

13 4. Gasentladungslampen Funktionsweise einer Niederdruck-Hg-Gasentladungslampe (Leuchtstofflampe) Glaskolben Gewünschtes Spektrum Strahlung der Gasentladung Kappe -13- Leuchtstoffschicht angeregtes Atom Elektronen Elektrode Leuchtstoff Hg-Gasentladung UV-Strahlung sichtbares Licht Reinigung Desinfektion Beleuchtung

14 Intensität [W/nm] 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 4. Gasentladungslampen Spektrum einer Fluoreszenzlampe (Dreibandenlampe) BAM V λ LAP YOX P = 36 W P rad / P 60% P rad,vis / P 30% λ [nm] Hohe Lichtausbeute η ~ 100 lm/w, gute Farbqualität CRI =

15 4. Gasentladungslampen Hg-Reduktion Die Entladung benötigt für den optimalen Betrieb ca. 50 µg Hg Standarddosierung: mg/lampe Ursache: Hg-Verbrauch in der Lampe Lampenbestandteil Hg-Verbrauch für h Betrieb Glas > 5 mg Leuchtstoff mg Elektroden 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 Y 2 O 3 oder Al 2 O 3 (geringe Hg-Aufnahme) -15-

16 Xe 2 *-Excimerentladungslampen 4. Gasentladungslampen Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung + - AC Elektrode (Anode) Dielektrikum Leuchtstoffschicht Entladungskegel e - + Xe Xe* Xe* + 2 Xe Xe 2 * + Xe Xe 2 * 2 Xe nm Leuchtstoffschicht Dielektrikum Elektrode (Kathode) -16-

17 Hg- und Xe 2 *-Entladungslampen 1,0 4. Gasentladungslampen 254 nm nm Emission intensity [a.u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 185 nm 365 nm 0, Wavelength [nm] 2 nd Continuum 1 st Continuum Resonance Line nm 450 nm 545 nm 610 nm Lampenglas Wellenlänge [nm] Vorteile der Xe 2 *-Excimerlampen Leuchtstoffschicht bestehend aus Leuchtstoffen Hg frei mit hoher photochemischer Stabilität) schnelle Schaltbarkeit temperaturunabhängig ε = 18% für Xe-Entladung (max. 60 lm/w) dimmbar ε = 30% für Hg-Entladung (ca. 100 lm/w) Aber: Großer Energieverlust bei der Konversion von UV in sichtbares Licht -17-

18 Schwefelentladungslampen 4. Gasentladungslampen 1990 gelang es der Firma Fusionlighting erstmalig eine Gasentladungslampe auf der Basis einer molekularen (S 4 S 8 ) Schwefelentladung zu entwickeln Lichtquelle mit extrem großen Lichtstrom lm (~40 Leuchtstoffröhren) und (fast) rein-weißem Licht (Bandenemission von S 8, S 7, S 6, S 5,.-Molekülen) Effizienz: Vergleichbar mit Leuchtstoffröhren (also 100 lm/w) Problem: Energieeinkopplung, da elektrodenlose Lampe mit Mikrowellengenerator -18-

19 4. Gasentladungslampen - Übersicht Quecksilber Natrium Edelgase Schwefel Niederdruck p < 10 mbar Hg/Ar Hg/Ne nm (Kompakt-) Fluoreszenz lampen bzw. Hochdruck p > 1 bar Hg/Ar Breitbandspektrum Linienemitter NaX / TlX / InX, X = I, Br Multi-Linienemitter NaX / TlX / LnX 3 (Ln = Dy, Ho, Tm, Sc) SnX 2 Metallhalogenidlampen Niederdruck Na/Ar/Ne 589 nm Hochdruck Na/Hg/Xe Niederdruck Ne 74 nm Mitteldruck Xe/Ne nm Hochdruck S 2 Leuchtstofflampen Natriumdampflampen Plasmabildschirme Breitbandspektrum -19-

20 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Anorganische LEDs Organische LEDs und Polymer LEDs -20-

21 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Entwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs) 1970 GaAsP < 0.1 W < 0.1 lm gelb + rot 2004 AlInGaP, AlInGaN W lm alle Farben + UV-A -21-

22 Evolution 5. Festkörperlichtquellen of Light Sources - LED Solid Lumen State Lighting Package Entwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs) Lichtstrom/LED (Lumen) Jahr Der Lichtstrom, der sich mit einer LED erzeugen lässt, hat sich in den letzten 30 Jahren ca. alle 18 Monaten verdoppelt 2004: 500 lm LED (30 W) im Labor demonstriert -22-

23 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Vereinfachter Aufbau einer konventionellen 5 mm LED Positive Elektrode Transparente Metallschicht p-gan Kontaktschicht (lochleitend) 0.5 µm Rekombinationszone 0.15 µm Negative Elektrode 4 µm n-gan Kontaktschicht (e - -leitend) ~100 µm Transparentes Saphir-Substrat (Al 2 O 3 ) (S. Nakamura and G.Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters and Lasers, Springer, Berlin, 1997) -23-

24 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Emissionsspektren von InGaN LEDs Normalised emission intensity 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 increasing x (In x Ga 1-x )N Ansteigende In-Konzentration 0, Wavelength [nm] Rotverschiebung der Emissionsbande 370 nm 530 nm Verbreiterung der Emissionsbande -24-

25 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Funktionsprinzip einer weißen InGaN LED 1.0 Absorption 1.0 Leuchtstoff Intensity [a.u.] InGaN Chip Blauer LED Chip: nm InGaN Leuchtstoffschicht (Konverter): (1) Gelb T c > 4000 K Cool white (2) Gelb + rot T c < 4000 K Warm white (3) Grün + rot 2000 K < T c < 8000 K (4) Rot Magenta Ag-Spiegel Silicon 0.2 Light Source Emission of phosphor converter Wavelength [nm]

26 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Weiße LEDs: Blauer InGaN Chip + (Y,Gd) 3 Al 5 O 12 :Ce 70 Emissionsintensität Tc = 5270 K: CRI = 82 Tc = 4490 K: CRI = 79 Tc = 4110 K: CRI = 76 Tc = 3860 K: CRI = 73 Tc = 3540 K: CRI = 70 Die ersten kommerziell erhältlichen LEDs entsprachen Konzept (1) Farbwiedergabe CRI = Kaltes weißes Licht (nachts sind alle Katzen grau...) 1 W LEDs: Lichtausbeute lm/w Problem: Schlechte Farbwiedergabe für rote Farbtöne und niedrige Farbtemperaturen Wellenlänge [nm] -26-

27 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Weiße pcleds mit hoher Farbqualität (1) Blaue LED + (Y,Gd)AG:Ce CRI > 75 nur für T c > 4000 K (2) Blaue LED + (Y,Gd)AG:Ce + Rot CRI > 85 für T c < 4000 K (3) Blaue LED + Grün + Rot CRI > 85 für 2700 < T c < 8000 K 1,0 1,0 0,8 0,8 Intensität 0,6 0,4 0,2 Blaue LED Gelber Leuchtstoff Roter Leuchtstoff Intensität 0,6 0,4 0,2 Blaue LED Grüner Leuchtstoff Roter Leuchtstoff 0, Wellenlänge [nm] 0, Wellenlänge [nm] -27-

28 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Weiße pcleds mit hoher Farbqualität Lichtquellen für die Allgemeinbeleuchtung erfordern hohe Farbwiedergaben auch bei niedrigen Farbtemperaturen JAZZ 3300K BB 3300K Konzept (2) (Y,Gd) 3 Al 5 O 12 :Ce + Roter Leuchtstoff CRI = T c = 2800 to 4000K 1 W LEDs lm bei 350 ma nm black body 3600 K fluorescent, CCT=3600 K Konzept (3) Grüner + roter Leuchtstoff Produkte sind noch in der Entwicklung nm -28-

29 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting 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 -29-

30 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Mobile Geräte Handy, PDA, Anzeigetafeln und Displays Automobilbereich -30-

31 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Beleuchtung Signalanlagen Andere -31-

32 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Stimmungsvolle Innenraumbeleuchtung Mood Lighting Dimmbare RGB LED Module Hotel Anna in München: Luxeon LEDs in Rot, Grün und Blau -32-

33 5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting Farbpunkt auf Wunsch Colour on Demand Blaue InGaN LED ( nm) + Leuchtstoffschicht Beispiele Magenta: Blaue LED + roter Leuchtstoff Cyan: Blaue LED + grüner Leuchtstoff Anwendung in Firmenlogos Signalanlagen Effektbeleuchtung Werbebeleuchtung -33-

34 6. Status und Ausblick - Weiße LEDs Erwartete Weiterentwicklung der LEDs (OIDA Report 2002) Effizienz [lm/w] Kosten [$/klm] Lebensdauer [kh] Farbqualität CRI Automobil LCD-TV Automobil Straßen- Innen-, Brems- Abblend-, beleuch- Blinker-, Fernlicht tung Rückfahrlicht Dynamic Roadmarking Ampeln Theoretische Effizienzgrenze: >75 % (S.D. Baars, University S. Barbara, CA, USA) -34-

35 6. Status und Ausblick - Weiße LEDs Vergleich mit anderen Lichtquellen (OIDA Report 2002) Licht- Effizienz Helligkeit Farb- Lebens- Betriebsstrom qualität dauer kosten [lm] [lm/w] [Mcd/m 2 ] CRI [kh] [$/Mlm. h] 60 W Glühlampe W Halogen TL 54 W CFL 11 W UHP 200 W Luxeon Luxeon

36 6. Status und Ausblick - Lichtquellen Lichtquellen und Beleuchtung im beginnenden 21. Jahrhundert Signalbeleuchtung Ampeln: Glühlampen mit Farbfilter LEDs KFZ-Beleuchtung Abblend-, Fernlicht: Blinker, Brems-, Rücklicht: Halogenlampen Xe-Lampen LEDs Halogenlampen LEDs Innenraumbeleuchtung Home: Glühlampen Halogen-, Energiesparlampen LEDs Büro, Fabrik: Leuchtstoffröhren Shop: Glüh- und Halogenlampen Hg-Hochdrucklampen, LEDs Außenbeleuchtung Architektur: Hg-Hochdrucklampen LEDs Straße: Natriumlampen, Hg-Hochdrucklampen -36-