LED-Technologie

Leuchtdioden für Lichtsysteme auf dem Vormarsch

Ihre Bedeutung unterstreicht, dass Licht ca. 20 Prozent der gesamten Energie verbraucht. Thermische Quellen, Halogen-, Nieder-/Hochdruckentladungslampen (auch ESL) verlieren an Bedeutung.

LED-Straßenenbeleuchtung (Quelle: www.perfekte-led-lampen.weekly.com)

Licht emittierende Halbleiterdioden (LED, OLED) mit gesteigerter Energieeffizienz und verlängerter Lebensdauer dagegen befinden sich auf dem Vormarsch. Ihre Defizite insbesondere hinsichtlich der Einsatzbedingungen sind beseitigt. Selbst Straßen, Industrie- und Gewerbehallen lassen sich zuverlässig ausleuchten. Zudem sind die nichtgiftigen, Hg-freien Bauelemente umweltfreundlich zu entsorgen.

Wirkungsweise
Sowohl anorganische als auch organische Halbleiter nutzen zur Lichterzeugung die Elektrolumineszenz. Der Stromfluss erzeugt Energie, die nicht nur in Gestalt von Gitterschwingungen (thermischer Strahler), sondern auch in Form elektronischer Anregung Licht emittiert. Solche Dioden verfügen über eine ausgeprägte, thermische Leitfähigkeit, um Selbstzerstörung durch Eigenerwärmung zu verhindern. Integrierte Kühlflächen, -körper sind trotzdem von Nöten.

LED (Light Emitting Diode) Für diesen Punktstrahler geeignete, anorganische Halbleiter bestehen aus Elementen der Gruppen III und V des Periodensystems. GaAs, InP, GaN und deren Mischungen sind mit Stoffen aus der Gruppe IV (Ge, Si, C) dotiert. Die Lichtfarbe rot, gelb, grün, blau bestimmt der Halbleiter. Erst nach Verfügbarkeit der blauen Farbe konnte die weiß strahlende Diode durch Kombination unterschiedlicher Kristalle entstehen.

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OLED-Flächenstrahler, biegsam 210 x 130. (www.zukunft-der-energie.de)

OLED(Organic Light Emitting Diode) Organische Materialien wie Polymere oder nieder-molekulare Verbindungen besitzen gleichfalls halbleitende Eigenschaften. Polymer-Dioden (p-OLED) arbeiten ebenso wie die anderen Typen (s-OLED) als Flächenstrahler grundsätzlich nach dem von der anorganischen LED bekannten Mechanismus. Sowohl weiße als auch farbige Strukturen, die weiches, blendfreies Licht über ihre gesamte Fläche abgeben, sind in Entwicklung. Ihr Energieverbrauch ist geringer, sie erhitzen sich weniger. Hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer übertreffen OLED‘s die anorganischen Verwandten. Technologisch und gestalterisch deutlich verbesserte Beleuchtungen kommen auf.

Aufbau
Punktförmige, verschiedenfarbige LED bestehen aus einem in eine Kunststofflinse eingebetteten Halbleiter-Chip. Die Linse schützt vor Umgebungseinflüssen, außerdem bündelt sie das abgestrahlte Licht. Aus dem Chip erwachsen Lampen für übliche Beleuchtungszwecke, ggf. mit mehreren LED‘s auf einer Leiterplatte. Kombiniert mit Optiken, Treibern lassen sich flächige Komplettleuchten herstellen. Der aus der Mikroelektronik vertraute Wafer enthält viele solcher Chips (≈ 1 Quadratmillimeter). Sie sind so verschaltet, dass ein Fehler lediglich zum Ausfall des Einzelelementes führt. Seit kurzem stehen daneben Lösungen höherer Lichtausbeute – High-Flux-LED. Chipgröße, -geometrie, -struktur erlauben einen 20- bis 50-fach größeren Lichtstrom.

Als Nachfolger von Flüssigkristall-Displays bewähren sich OLED‘s gegenwärtig als farbige Displays aus einer Vielzahl von Bildpunkten (rot, grün, blau, gelb) für Kleingeräte. Wegen ihres nano-technologisch anspruchsvollen Aufbaus aus sehr dünnen, amorphen Schichten, die auf Kohlenwasserstoffen gründen, bilden OLED‘s selbstleuchtende Flächenstrahler. Perspektivisch wird die Basis-Glasplatte, die die Anode trägt, durch eine leicht biegsame, bedruckbare Folie ersetzt. Ihr gegenüber befindet sich die flächige Kathode. Der Zwischenraum enthält die vorgenannten „layers“. Unterschiedliche, verschiedenfarbige Formen lassen sich realisieren.

Hallenstrahler HighBuy - 180 Watt ersetzen bis 400 Watt HQL Hochdruck-Quecksilberdampflampe. (Quelle: proenergie Odenwald, www.proenergie-les.de)

Gemeinsam ist allen Typen die Integration der Ansteuerung, die die Spannungsversorgung (sekundär 10 bis 24 Volt) sicherstellt und vor Überschreitung der geringen Sperrspannung 5 Volt schützt, ebenso die Leistungsreduktion durch Dimmen erlaubt.

Merkmale
Solche Lichtquellen kennzeichnet im Vergleich zu konventionellen Leuchtmitteln eine bis zu 90 Prozent höhere Energieeffizienz sowie eine größere Lichtausbeute bei gleichzeitig verlängerter Lebensdauer.

OLED‘s reduzieren innere Reflektionsverluste, die die Lichtauskopplung erleichtern. Außerdem wird bei Blendfreiheit weniger Wärme abgegeben. OLED‘s folgen den LED-Eigenschaften (Lebensdauer, Effizienz, Helligkeit) in einem Abstand von ca. zwei Jahren. 2016 erreichen sie etwa das heutige LED-Niveau. Großflächige Strahler benötigen keine Zusatzoptiken. Ihren stromlosen Zustand kennzeichnet eine klare Durchsichtigkeit, so dass sich OLED‘s als dünne Design-Lichtkachel (ca. zwei Millimeter) (http://www.lumiblade.com) anbieten. Nachteilig wirken geringere thermische Stabilität sowie der größere Einfluss der Umgebung (Schutz, gründliche Reinigung u. ä.).

Tabelle: Anwendungsbeispiele mit vielen Dioden (Bilder)

Anwendungen
Ein LED-Schwerpunkt liegt im Austausch der konventionellen Allgebrauchslampe. Darüber hinaus werden unterschiedliche Leuchten für Innen- und Außenräume (bis IP 68; Bild, Tabelle), Beleuchtungen für Autos ebenso wie Module zum Leuchtenbau angeboten. Beim Retrofit ist auf die Kompatibilität vorgeschalteter Betriebsgeräte zu achten.

OLED dienen als erste großflächige Raumbeleuchtung (gegenwärtige Baugröße ≤ 25 Quadratzentimeter, Bild).

Ausblick
Die Zunahme der Lichtausbeute begünstigt das Vordringen der LED-Technologie. Prognosen erwarten 2016 für Innen-/Außenraum-Applikationen eine Steigerung von ≥ 30 bis 35 Prozent.

OLED stehen am Anfang. Mit einer Verdopplung der Leuchtfläche wird im Zwei-Jahres-Rhythmus gerechnet. Ihrem Einsatz im Fahrzeug winkt eine große Zukunft. Frühestens 2016 versprechen OLED‘s, eine Alternative zur anorganischen LED zu werden.

Mittels computergestützter Lichtplanung lassen sich komplette Gebäude und Außenräume wirkungsvoll und effizient beleuchten. Dazu tragen eine einfachere Lichtsteuerung (zum Beispiel mit kabelloser Fernbedienung www.megaman.de; per Smartphone www.osram.com; durch intuitive Handbewegungen www.senses-lights.ch) sowie smarte, dynamische Beleuchtungssysteme bei.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause

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