LED-Technologie 1 12 LED Technologie Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode, dt. Licht-emittierende Diode, auch Lumineszenz-Diode) ist ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab. Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden ist auf den Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter gelötet. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Lötstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt sie die Abwärme auf, die entsteht, weil der Halbleiterkristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzt. Der Halter mit dem Reflektor ist bei bedrahteten Leuchtdioden als Draht mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronikbauteilen üblich besteht der Anschlussdraht nicht aus verzinntem Kupfer, sondern aus verzinntem Stahl. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört. Die Oberseite des Kristalls ist nur durch einen dünnen Bonddraht elektrisch mit dem zweiten Stahlanschlussdraht verbunden, damit der Anschluss nur sehr wenig der lichtemittierenden Oberfläche verdeckt. Die Kathode ( ) ist durch eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels markiert. Bei fabrikneuen Leuchtdioden ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz = Kante). Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die technische Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, angezeigt wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt.
LED-Technologie 2 12 Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine (COB, chip on board) und der spätere Verguss mit Silikonmassen. Diese Bauform findet bei LED-Displays mit sehr vielen Leuchtdioden Verwendung. Im Fachhandel werden diese Leuchtmittel COB-LED genannt. Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei Leuchtdioden- Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren. Funktionsprinzip Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silicium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter. Bei einem III-V-Verbindungshalbleiter handelt es sich um eine Verbindung von Materialien der chemischen Hauptgruppe III (Erdmetalle/ Borgruppe) und V (Stickstoff-Phosphor-Gruppe), deren Kombination die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern besitzt. III-V-Verbindungshalbleiter sind daher von großer Bedeutung für technische Anwendungen in der Halbleitertechnik. Mit III-V-Verbindungshalbleitern lässt sich mit Laserdioden bzw. LEDs Licht mit sehr geringer Wellenlänge (UV-Bereich) erzeugen (Anwendungen: weiße Leuchtdiode, BLU-RAY-Disk, HD-DVD). Umgekehrt eignet sich das Material auch zur Herstellung von Solarzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad (über 40 %). Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie kann in einem direkten Halbleiter als Licht (Photon) abgegeben werden. Farben und Technologie Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:
LED-Technologie 3 12 Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) rot (665 nm) und infrarot bis 1000 nm Wellenlänge Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) rot, orange und gelb Galliumphosphid (GaP) grün Siliziumkarbid (SiC) erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz Zinkselenid (ZnSe) blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) Ultraviolett, Violett, blau und grün Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED) Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt. Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab. Die Farbe entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ bzw. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung. Spektrale Charakteristik Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil. (Siehe auch Abschnitt LED-Leuchtmittel). Lange Zeit konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück. Die Massenproduktion blaugrüner und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993. Elektrische Eigenschaften Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung (Spannung über die Diode, bei z. B. 1/20 des Maximalstroms) stellt sich durch Betrieb unter Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher wichtig für eine definierte Leuchtstärke. Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist sehr riskant, da der Arbeitspunkt über die Spannung für den gewünschten Strom wegen der Exemplarstreuung und der Temperaturabhängigkeit nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-
LED-Technologie 4 12 leuchten betreiben Leuchtdioden direkt an Primärzellen hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten Batterien und toleriert die Exemplarstreuung. (Siehe auch Abschnitt Betrieb, Anschluss und Entsorgung). Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Das ermöglichte es ab etwa den 1990er Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Lowsinnvolle Helligkeit zu erzielen. Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 ma (beispielsweise bei miniaturisierten SMDcurrent-LEDs) und dennoch eine LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 ma (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung U f (für englisch forward voltage) hängt vom Halbleitermaterial ab, das wiederum die Lichtfarbe bestimmt. Anhaltspunkte für den Spannungsabfall sind: Infrarot-LED: typ. 1,3 V (1,2-1,8) Rot: 1,6-2,2 V Gelb, Grün: 1,9-2.5 V Blau, UV, Weiß: typ. 3.4 V (3-4 V). Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt. Optische Eigenschaften Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen der Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel einen höheren Brechungsindex als Kunststoff und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt. Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel. Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel um die Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360 -Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung, genutzt werden. bezeichnet den Öffnungswinkel der LED. Beispiel: Um eine starke 360 -Lampe mit Leuchtdioden (Parameter: 55 Öffnungspro Watt)) zu reali- winkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm 50 lm/w (Lumen sieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55 Öffnungswinkel beleuchtet
LED-Technologie 5 12 ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2.880 lm, der eine Leistungsaufnahme von 54 W besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe. Alterung Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist (L70B50-Wert); einige Internet-Quellen sprechen auch vom Ende der Lebensdauer bei 50 % der anfänglichen Helligkeit. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Alterung ist annähernd linear. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial, den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) und der individuell tolerierbaren Farbtemperaturveränderung der Fluoreszenzfarbstoffe ab (weiße LEDs werden blaustichiger). Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen hundert Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden (11,4 Jahre) bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Gute Hersteller von LED- Leuchten erreichen jedoch durch eine optimale Auslegung ihrer Systeme deutlich bessere Werte und garantieren bis zu 100.000 Stunden wartungsfreien Betrieb. Das wird erreicht durch eine kostenaufwendige Selektion der Bauteile aller Komponenten (sowohl der LEDs als auch der Bauelemente des Treibers). Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in Glühlampenform werden mit über 25.000 Stunden bis hin zu 45.000 Stunden Lebenszeit angegeben. Durch zu hohe thermische Belastungen, die durch die Bauform bedingt sind, erreichen sie diese Lebensdauer meist nur mit erheblichen Helligkeitsminderungen. Alternativen sind konsequent als LED-Leuchte entwickelte Komplettsysteme. Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird. Die Lösung ist eine thermisch optimierte Bauweise, welche oft nicht beachtet wird. Das führt zu Totalausfällen. Diese Fehlfunktionen werden unter dem englischsprachigen Begriff Mortality (B) oder Totalausfall beschrieben. Steht im Datenblatt einer LED z. B. B50 bei 100.000 Std., bedeutet das, dass 50 % aller Testlampen nach 100.000 Std. durch Defekt ausgefallen sind. Manchmal wird auch der B10-Wert angegeben, d. h. die Zeitdauer, nach der 10 % der Testlampen nicht mehr funktionieren. Die häufigsten Ursachen für Totalausfälle von LED-Leuchten sind jedoch im verwendeten Netzteil zu finden. Hier sind die verwendeten Kondensatoren zur Glättung der gere-
LED-Technologie 6 12 gelten Kleinspannung das Problem, da diese thermisch empfindlich sind und mit zunehmender Temperatur exponentiell schneller altern. Oft sind sie auch aus Preisgründen von minderer Qualität. Das führt zum Ausfall der Stromversorgung, der nicht der LED angelastet werden kann. Eine weitere Ursache kann eine Fehlfunktion auf Grund der Alterungsvorgänge in den verwendeten Materialien sein, zum Beispiel Ermüdungserscheinungen der Klebe- oder Bodenverbindungen. Schaltzyklen Bei den meisten Marken-Leuchtmitteln wird heute die Lebensdauer in Stunden (zu erwartende Einschaltzeit über die Lebensdauer) auf der Verpackung angegeben. Glühlampen haben eine Lebensdauer von ca. 1.000 Stunden, Halogenleuchtmittel von ca. 2.000 Stunden, Energiesparleuchtmittel (ESL) von ca. 3.000 bis 12.000 Stunden. Werden ESL-Leuchtmittel jedoch häufiger als 3-mal pro Tag ein- und ausgeschaltet, wie es bei Fluren oder Treppenhäusern mit Bewegungsmeldern und Zeitschaltuhren der Fall ist, wird die auf der Leuchtmittelverpackung angegebene Lebensdauer in Einschaltstunden häufig nicht annähernd erreicht, weil normale Energiesparleuchtmittel ohne Angabe der Schaltzyklen auf der Verpackung nur für ca. 3000 Schaltzyklen gebaut sind. Das die Lebensdauer limitierende Kriterium ist bei häufigen Ein- und Ausschaltungen die Schaltfestigkeit, welche bei Qualitätsleuchtmitteln in Schaltzyklen auf der Verpackung angegeben wird. Bei sehr guten Energiesparleuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit vom Hersteller mit 10.000 bis 20.000 Schaltzyklen angegeben. Lediglich bei einer einzigen, etwas teureren Energiesparleuchtmittel-Serie (Megaman Ingenium) gibt der Hersteller Megaman eine Schaltfestigkeit von 600.000 Schaltzyklen an. Diese ESL erreichen bzw. überbieten damit als einziges ESL-Produkt die Schaltfestigkeit von LED- Leuchtmitteln. Diese hochschaltfesten ESL benötigen jedoch im Unterschied zu den spontan hell werdenden LED-Leuchtmitteln ab dem Einschalten ca. 15 Sekunden bis zum Erreichen von 60 % des dauerhaft abgegebenen Lichtstroms. Dabei ist ein Schaltzyklus ein manuelles Ein- und Ausschalten des Netzstromes. Unabhängig davon kann die LED zudem noch gepulst sein, wobei die Pulse von der Elektronik selbst erzeugt werden. Diese Pulse zählen nicht zu den die Lebensdauer begrenzenden Schaltzyklen, welche bei guten LED-Leuchtmitteln seit 2012 meist mit der Produktspezifikation angegeben werden, sondern zur normalen Betriebsdauer, welche in Stunden angegeben wird. Eine LED ist deutlich unempfindlicher gegenüber Schaltvorgängen als Glühlampen oder Energiesparleuchtmittel. Eine Dimmung wird beispielsweise in der Regel durch sehr schnelle Schaltvorgänge erzeugt. Der begrenzende Faktor der Schaltzyklen von LED- Leuchtmitteln ist nicht der LED-Chip selbst, sondern die Vorschaltelektronik, wozu das eingebaute Netzteil oder die Steuerelektronik gehören. All diese Bauteile sind weitaus empfindlicher gegenüber Schaltungen und z. B. den damit verbundenen thermischen Wechselbelastungen als die LED selbst, die viele Millionen Schaltprozesse problemlos übersteht. LED-Leuchtmittel sind aber auch inklusive Vorschaltelektronik meist deutlich schaltfester als normale Energiesparlampen. Die Herstellerangaben für Qualitäts-LED- Leuchtmittel liegen meist im Bereich von 50.000 bis 1 Million Schaltzyklen. Bei billigeren LED-Leuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit häufig (Stand 2013) noch nicht auf der Ver-
LED-Technologie 7 12 packung angegeben. In diesen Fällen muss man von einer Schaltfestigkeit in der Größenordnung von 20.000 Schaltzyklen ausgehen. Dass LED-Leuchtmittel eine deutlich höhere Schaltfestigkeit als Energiesparleuchtmittel haben, ist auch - neben der höheren Lebensdauer in Einschaltstunden und der höheren Lichteffizienz bzw. Lichtausbeute in Lumen pro Watt - mit ausschlaggebend dafür, dass seit 2011 bei langer Einschaltzeit und vielen Ein- und Ausschaltungen LED-Leuchtmittel in den meisten Fällen, trotz höherer Anschaffungskosten, insgesamt wirtschaftlicher als ESL oder Glühlampen sind. Weiße LED Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz: Verschiedene Chips (selten verwendet): Blaue Leuchtdioden werden mit gelben oder mit roten und grünen so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Aus praktischen Gründen werden zumindest die LED-Chips in einem Bauteil integriert. Lumineszenz: Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Material (Lumineszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höherenergetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelligeres Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Seltener wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis über R a = 90 erlaubt. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute. Für Beleuchtungszwecke wird deshalb fast immer eine blaue LED mit nur einem gelben Leuchtstoff kombiniert, meist Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte), ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen, aber mit dem Nachteil eines Blaustichs des weißen Lichts. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Lumineszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt. Verschiedene Chips in Kombination mit Lumineszenz: Hersteller höherwertiger LEDs für Raumbeleuchtung verwenden mittlerweile weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit roten Power-LEDs, um einen besseren Farbraum bis hin zum Rot zu erreichen. Teilweise werden blaue und rote LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers montiert. Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels MOVPE, auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren, [8] dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silicium ersetzt. [Firma 9] Auf das Silicium wird dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufgewachsen. Effizient sind solche LEDs
LED-Technologie 8 12 jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliciumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs- LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliciumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht. Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik unten links in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Lumineszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LEDs hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt. RGB-LEDs hingegen (in der zweiten Grafik von links wiedergegeben) erzeugen drei relative schmale Peaks im Spektrum, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im Allgemeinen besser, was sich vor allem bei der Hinterleuchtung von Farb-LCDs in brillanten Farben bemerkbar macht die Durchlasswellenlängen der Farbfilter der einzelnen einfarbigen Pixel des LCDs können an die Emissionsmaxima der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe. Weiße LEDs werden wie Leuchtstofflampen auch für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das kaltweiße, tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500 6000 K) und das warmweiße Licht, ähnlich dem der Glühlampen (2700 3000 K). Pastelltöne Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trendprodukten, geht man inzwischen auch dazu über, insbesondere SMD-LEDs in Pastelltönen zu produzieren. Dazu wird im Wesentlichen wie bei weißen LEDs vorgegangen, nur dass die Lumineszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa ( pink ) erzeugt wird. Um ein Pastellblau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs, so dass ein höherer Blauanteil durchdringt. Da auch grüne LEDs mittlerweile zu den sehr wirtschaftlichen gehören, ist das gleiche auch mit grünen Chips möglich. Da nur Licht hoher Frequenz einen fluoreszierenden Stoff niedrigerer Frequenz zum Leuchten anregen kann, das folgt aus der Stokesverschiebung, ist es nicht möglich, mit einer roten LED einen blau fluoreszierenden Stoff anzuregen, umgekehrt aber schon. Deswegen können für pastellfarbene LEDs praktisch nur Chips in den Farben UV und Blau verwendet werden. Klasseneinteilung In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Her-
LED-Technologie 9 12 stellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED- Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (deutsch Klasseneinteilung) ) bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten Flux bin, die Schwellen- spannung, die Lichtausbeute sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bezüglich der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern welche Farbtemperatur das Licht der LED bei Nennstrom aufweist. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, wel- chem Bin (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen. Stand der Technik Lichtausbeute Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler. Die effizientesten weißen LEDs erreichten Februar 2013 eine Lichtausbeute von 276 lm/w, bereits im September 2010 waren es 250 lm/w. Das ist nicht weit entfernt vom theoretischen Maximum (100 % Strahlungsleistung) bei 6600 K (relativ kalt wirlm/w sein kann. Die Ausbeute ist stark von der Lichtfarbe abhängig, bei warmweißen LED liegt sie deutlich unter der von kalt- kend), das physikalisch nicht größer als ca. 350 weißen. Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Gelb besonders hohe Werte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, also der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LEDs in der Regel besser. Physika- lische Wirkungsgrade sind derzeit bis über 30 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche weiße LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und gegebenenfalls Optik. In einer länderübergreifenden Studie gelang es Forschern aus Belgien, Frankreich und Kanada, die Lichtausbeute einer herkömmlichen Galliumnitrid-LED um bis zu 55 % zu steigern, indem sie diese mit einer besonderen Außenbeschichtung bestückten, welche in ihrer Beschaffenheit der äußeren Hülle der Leuchtorgane von Leuchtkäfern nach- empfunden ist.
LED-Technologie 10 12 Kommerziell erhältliche weiße LEDs haben derzeit (Stand Januar 2014) eine Lichtauslm/W. LEDs mit wesentlich höheren Werten bei Nennleistung beute von meist 50 150 sind nur mit Farbtemperaturen oberhalb von 3500 K und/oder Farbwiedergabeindex unterhalb von R a = 85 verfügbar. Dieser Bereich bezieht sich zunächst auf die LED allein. Wird sie in ein Leuchtmittel oder eine Lampe eingebaut, müssen zusätzliche Verluste durch das notwendige Vorschaltgerät (70 bis 95 % Wirkungsgrad) und evtl. durch die Optik berücksichtigt werden. Aktuelle Markenleuchtmittel erreichen (Stand Januar 2014) unter Berücksichtigung dieser Faktoren meist zwischen 40 lm/w und 100 lm/w. Sie sind damit etwa 3- bis 10-mal effizienter als herkömmliche Glühlampen (ca. 10 14 lm/w), etwa 2- bis 6-mal effizienter als Halogenlampen (ca. 15 bis 20 lm/w) und ähnlich effizient wie Leuchtstoffröhren (ca. 70 90 lm/w). Anders als bei Glühlampen erhöht sich die Effizienz von LEDs bei Betrieb mit einer niedrigeren als der Nennleistung. Bei halbem Nennstrom (und damit knapp halber Nennleistung) erreichen die meisten LEDs eine 10 % bis 30 % höhere Lichtausbeute. Leistung pro LED Ein weiterer Parameter ist die Leistung pro Einheit: je höher die Leistung einer einzelnen LED wird, desto schlechter ist ihr Wirkungsgrad. Das resultiert sowohl aus Quanteneffekten effekten als auch aus einer höheren Temperatur des LED-Chips. Aus diesem Grund werden in vielen Anwendungen die LEDs nicht bei der vom Hersteller angegebenen Nennleistung, sondern darunter betrieben. Dadurch erhöht sich die Energieeffizienz und durch die reduzierte Temperatur verlängert sich die Lebensdauer der LED, gleichzeitig vereinfacht die geringere Abwärme die Kühlung und damit die Konstruktion der Leuchte. Allerdings kann es dadurch notwendig werden, mehr LEDs einzusetzen, um die ge- wünschte Lichtmenge zu erreichen, wodurch gegebenenfalls eine aufwändigere Optik notwendig wird. Massenfertigung Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im La- bor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten Fluxbinning werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. Selbstverständlich wirbt ein Hersteller mit seiner er höchsten Klasse. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit. Betrieb, Anschluss und Entsorgung Schaltzeichen einer Leuchtdiode
LED-Technologie 11 12 Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt in der Regel mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED altert beschleunigt bis hin zum Spontan- ausfall, wenn die Temperatur des Halbleiters zirka 150 C für längere Zeit übersteigt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen rsachen große Stromänderungen. Kennlinie einer weißen LED (schematisch). Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 ma. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Flussspannung bei Nennstrom von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W. Eine LED kann nicht effizient unmittelbar an eine Spannungsquelle wie eine Batterie angeschlossen werden: Eine weiße LED bleibt zum Beispiel beim Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare Batterien ) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku- Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften beziehungsweise Temperaturerhöhung (mit steigender Temperatur nehmen Bandabstand und Durchlassspannung ab). Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LEDs ausschließlich mit Maßnahmen zur Strombegrenzung. Kurzzeitig (µs bis ms) können LED mit Strömen des Mehrfachen des Dauer-Nennstro- mes betrieben werden. Vor allem Infrarot-LED sind dafür spezifiziert. Eine typische Anwendung dieser Toleranz sind Infrarot-Fernbedienungen, bei denen LEDs mit etwa
LED-Technologie 12 12 40 khz gepulst betrieben werden. Die Modulation der Licht- bzw. Strahlungsleistung ist je nach LED-Typ bis zu mehreren 100 khz bis einigen 10 MHz möglich. Entsorgung und Recycling Defekte oder ausgediente LED-Leuchtmittel müssen in der Schweiz aufgrund der VREG im Lampenrecycling entsorgt werden. Bei LEDs mit Galliumarsenid als Halbleiter ist dieser giftig und umweltgefährlich, außerdem enthält das eingebaute Vorschaltgerät des Leuchtmittels weitere elektronische Bauteile. Die Schadstoffmenge in den Leuchtmitteln ist aber wie bei den Kompaktleuchtstofflampen auch im Vergleich zur Schadstoffbelastung durch die Produktion gering. Das prinzipiell mögliche Recycling von Galliumarsenid aus LEDs (Urban Mining) ist 2012 noch nicht rentabel. Galliumarsenid wird auch nur für LEDs mit Wellenlängen über 570 nm eingesetzt. Weiße LEDs enthalten kein giftiges Galliumarsenid! Anwendungsgebiete der LED Die Anwendungsgebiete ergeben sich aus den Lichttechnischen Eigenschaften der LED als monochromatischer Strahler (einzelne Farben) oder als spektraler Strahler (weisses Licht). Während das weisse Licht fast ausschliesslich für Beleuchtungszwecke eingesetzt wird, kann farbiges Licht zur Signalisation oder Anzeige und auch als additive Mischung für Effekte oder Bildanzeigen eingesetzt werden. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsbereichen wie z.b.: Hotel- und Gastgewebe, Privathaushalt, Verkaufsgeschäfte, Industrielle- und Öffentliche Gebäude, Strassen und öffentliche Räume, Sportstätten, Fahrzeuge jeglicher Art.