Entwicklungen für den Alltag und die Zukunft: Die LED Thomas Jüstel Institute for Optical Technologies Abteilung Chemieingenieurwesen tj@fh-muenster.de www.fh-muenster.de/juestel FH Münster Campus Steinfurt 03. Februar 2016 Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 1
Etwa 20% der erzeugten elektrischen Energie wird zurzeit in Beleuchtungseinrichtungen weltweit in verbraucht (Quelle: NASA) Noch mehr als 25 Jahre nach der Wiedervereinigung kann man Ost- und West-Berlin an der Beleuchtung erkennen Ost-Berlin Na-Lampen 1989 Fall der Berliner Mauer The wind of change West-Berlin 1993 Blaue LED Hg-Lampen 1996 Weiße LED 2014 Weiße LED mit > 300 lm/w & Nobelpreis Shuji Nakamura 2015 25 Jahre Deutsche Einheit The light of change 2016 20 Jahre Patent Weiße LED Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 2
1. Künstliche Lichtquellen 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt. Lebensdauer, Lichtstrom, Lichtausbeute, Lichtqualität Glüh- und Halogenglühlampen Gasentladungslampen Anorganische und organische Leuchtdioden Hochleistungs-LED und Laser Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 3
1. Künstliche Lichtquellen Worum geht es eigentlich? Lebensdauer: Ausfall bzw. Abnahme des Lichtstroms auf 70% L70 Lichtstrom in Lumen: 10 lm 100 lm 1000 lm 10000 lm Lichtausbeute: 0 683 lm/w Stark abhängig von Art und Spektrum der Lichtquelle Auch abhängig vom Empfänger und der Beleuchtungssituation Lichtfarbe: Farbtemperatur T c = 2700 8000 K Lichtqualität: Farbwiedergabe R a = 0 100 Anwendungsgebiet einer Lichtquelle bestimmt die Anforderungen Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 4 4
1. Künstliche Lichtquellen Lichtausbeute Sonnenlicht 1000 W/m 2 ca. 100 lm/w 100.000 lm/m 2 = 100.000 lux Typische Innenraumbeleuchtung 10 W/m 2 ca. 100 lm/w (Leuchtstoffröhren) 1.000 lm/m 2 = 1.000 lux Lichtausbeute [ lm/w ] Dreibandenlichtquellen Blau Grün Rot Künstliche Lichtquellen (physikalisch machbar) Monochrom grün (555 nm) 683 lm/w Kaltweiß 350 lm/w Warmweiß 300 lm/w [ nm ] Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 5
1. Künstliche Lichtquellen Lichtqualität (Farbwiedergabeindex) Ra = 0 100 Monochrom grün oder Monochrom gelb Na-Dampflampen Ra = 0 Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 6
1. Künstliche Lichtquellen Lichtqualität (Farbwiedergabeindex) Ra = 0 100 Kaltweiß oder Warmweiß Glühlampen Ra = 100 Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 7
1. Künstliche Lichtquellen Lichtfarbe in Kelvin Bezeichnung 2700 extra-warmweiß 2900 warm-weiß 4000 neutral-weiß 5500 Tageslicht 6500 kalt-weiß 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Spektralfarben Planckkurve Mischfarben Weißpunkte Energiesparlampen mit unterschiedlicher Farbtemperatur im Vergleich 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 x Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 8 0.8
2. Anorganische LED - Status 2016 Entwicklung der LED Technologie 1970 (Ga,As)P < 0.1 W < 1.0 lm Gelb, Rot und NIR 2016 (Al,In,Ga)P, (In,Ga)N, (Al,Ga)N > 1 W > 1000 lm Alle sichtbaren Spektralfarben & UV- sowie IR-Strahlung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 9
2. Anorganische LED - Status 2016 300 lm/w Entwicklung einiger Lichtquellentypen 200 lm/w 100 lm/w 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015 Jahr Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 10
2. Anorganische LED - Status 2016 Technische Daten Lichtausbeute: > 200 lm/w (kalt-weiß) > 100 lm/w (warm-weiß) Farbwiedergabe: 70 95 Lebensdauer: > 10000 h Design: Sehr variabel, häufig Retrofit Vorteile der LED gegenüber (Halogen)Glühlampen Höhere Lebensdauer Höhere Effizienz Größere Robustheit Keine IR-Strahlung Leuchtstoffröhren & Energiesparlampen Höhere Lebensdauer Höhere Effizienz Größere Robustheit Bessere Farbwiedergabe Einfachere Ansteuerung + Dimmbarkeit Keine UV-Strahlung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 11
3. Aufbau von LED Lichtquellen Rot + Grüne + Blaue LEDs Blaue LED + gelber Leuchtstoff Blaue LED + RG Leuchtstoffmischung UV LED + RGB Leuchtstoffmischung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 12
3. Aufbau von LED Lichtquellen Hochleistungs-LED Leucht -stoff Golddraht Kontakt Plastik -linse InGaN- Halbleiter Kühlkörper (Cu) Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) Lichtfarbe Blau 420 480 nm Gelb Kalt-weiß Gelb + rot Warm-weiß Grün + rot Kalt- und warm-weiß Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 13
3. Aufbau von LED Lichtquellen Pulver/Polymer-Komposite Variable Schichtdicke Hoher Wärmewiderstand Keramiken Sehr homogene Schichtdicke Höhere Wärmeleitfähigkeit Blaue LED + Leuchtstoffpulver in Epoxy- oder Siliconharzmatrix Blaue LED + Keramikkonverter als Plättchen (0.1 0.5 µm) Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 14
3. Aufbau von LED Lichtquellen Spektren kommerzieller LED Blaue LED Gelber Leuchtstoff Blaue LED Gelber Leuchtstoff Roter Leuchtstoff 400 500 600 700 Wellenlänge [nm] Kalt-weißes Licht Bis zu 300 lm/w 400 500 600 700 Wellenlänge [nm] Warm-weißes Licht Bis zu 150 lm/w Spektralfarben: Bernstein, Tiefrot Mischfarben: Magenta, Cyan Zum Vergleich Leuchtstoffröhre: Etwa 100 lm/w Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 15
3. Aufbau von LED Lichtquellen Was bleibt an der FH Münster zu tun? Reduktion des Flicker Nachleuchtpigmente Hohe Lichtausbeute bei gleichzeitig guter Farbwiedergabe Schmalband-Rotemitter Höhere Stabilität für Laserdioden Keramiken & Kristalle Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 16
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 17
4. Anwendungen von LED Lichtquellen Signalbeleuchtung Innenraumbeleuchtung Straßenbeleuchtung Philips Urban Line Ziele: - Höchstmögliche Energieeffizienz - Spektrale & zeitliche Modulierbarkeit Optionen: - On-demand Lighting Energieeinsparung - Flexible Farbtemperatur Sicherheit & Stimmung - Modulation der Intensität Datenübertragung Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 18
Anwendernutzen Weitere Anwendungsbereiche 5. Ausblick Trends im Lichtquellenmarkt: Licht ist mehr als Beleuchtung!!! Beleuchtung Umweltverträglichkeit Energieeffizienz Lebensdauer Recycling Zeit Photochemie / Biochemie / Agrikultur / Medizin Desinfektions- bzw. Reinigung von Wasser, Luft oder Oberflächen Kommunikationstechnologie (THz WLAN) Ambiente Gesundheit Lifestyle + Arbeitseffizienz Geometrische und spektrale Flexibilität Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 19
5. Ausblick Parameter LED Laserdioden - Lichtstrom > 100 lm > 1000 lm - Lichtausbeute > 200 lm/w > 100 lm/w - Lichtqualität (mit Konverter!) > 80 > 80 - Lebensdauer > 20000 h > 10000 h - Anwendungen Beleuchtung Projektion Medizin Medizin Signalanlagen Materialbearbeitung Photochemie (Tele)Kommunikation Agrikultur KFZ-Scheinwerfer Kosmetik (Umwelt)Analytik... Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 20
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! FRAGEN? Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 21