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Energieeffiziente Beleuchtung mit LEDEnergieeffiziente Beleuchtung mit LED
Thomas Jüstel
FH Mü tFH MünsterFB Chemieingenieurwesen /
Institut für Optische TechnologienInstitut für Optische Technologien
Lion’s ClubOsnabrück 10 November 2010
Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 1
Osnabrück, 10. November 2010
19% der erzeugten elektrischen Energie wird für Beleuchtung verwendet!
Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 2
Quelle: NASA
InhaltInhalt1. Entwicklung künstlicher Lichtquelleng q
2. Prinzipien der Lichterzeugungp g g
3. Leuchtstoff LED
4. LED in der Beleuchtungstechnik
Edison-Glühlampe1879
5. Neue LED Anwendungen
6. Zusammenfassung und AusblickLEDs Fraunhofer
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LEDs Fraunhofer-Gesellschaft 1999
1 Entwicklung künstlicher Lichtquellen1. Entwicklung künstlicher LichtquellenWechselwirkung
Kulturgeschichte Entwicklung künstlicher Lichtquellen
Kü tli h Li htKünstliches Licht
• spendet Wärme (Gesundheit) und Sicherheitp ( )
• ermöglicht Aktivität unabhängig vom natürlichen Tageslicht
• ist ein Designelement
h t Si l i k d K ik ti f kti• hat Signalwirkung und Kommunikationsfunktion
• ermöglicht neuartige technische Prozesse, wie z.B. Photochemie,
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Materialbearbeitung und Trennung komplexer Biomoleküle
1 Entwicklung künstlicher Lichtquellen1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen
Ur und Frühgeschichte 19 Jhdt 20 Jhdt 21 JhdtUr- und Frühgeschichte 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.
Zeit bzw. Grad der Kontrolle
LagerfeuerF k l
KerzenÖll
Glüh- undH l l
Gasentladungsl
Chemische LichtquellenAnorganische + organische LED
Fackel Öllampen Halogenlampen -lampen
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Elektrische Lichtquellen
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungEinteilung der Lichtquellen nach der Art der Lichterzeugung
Glüh- undHalogenglüh-
Nieder – und Hoch-druckgasent-
Anorganische und organische
ChemischeLichtquellen
g g g
Halogenglühlampen
druckgasentladungslampen
und organische Leuchtdioden
Verbrennung
Lichtquellen
Chemo- bzw. Biolumineszenz
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2 Prinzipien der Lichterzeugung
1 2
Thermische Strahler+ Sehr gute Lichtqualität
2. Prinzipien der Lichterzeugung
1.2
I ( )
+ Sehr gute Lichtqualität+ Einfache Handhabung- geringe Lebensdauer
V z( ) - hoher Energieverbrauch- Farbvariationen benötigen Filter
Wendel- Licht- Energie-temp. ausbeute ausbeute
0 5
1 T [K] [lm/W] [%]2700 13 62800 16 93000 22 11
500 1000 1500 20000
0.5
Augenempfindlichkeitskurve
3000 22 113200 29 153400 36 18
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500 1000 1500 2000
2000.200 z380 780 Wellenlänge [nm] 2000
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungLeuchtstoffschicht Gasentladungen
G i E i b h
e-
+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Lebensdauer- Vorschaltgerät notwendigHg*
Kathode
g g- Mäßige Lichtqualität- Enthalten Hg und Ba
Hg
0,3
0,35
m]
Lampen Licht- Energie-typ ausbeute ausbeute
0,15
0,2
0,25
tät [
W/n
m [lm/W] [%]Energie- 40 – 70 15 - 20Sparlampe
ff ö 0 80 20 2
0
0,05
0,1
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Inte
nsit Leuchtstoffröhre 70 – 80 20 - 25
„Standard“Leuchtstoffröhre 90 – 100 27 - 30D ib d “
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350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wellenlänge [nm]„Dreibanden“
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungElektrolumineszenz (Organische LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Flexibilität+ Einfache Skalierbarkeit- Bisher mäßige Lebensdauer- Geringe Leuchtdichte
+ - Metallkathode
Lichtemittierende Schicht (Polymere, Metallorganische Verbindungen)
Indium-Zinn-Oxid-Anode
Glassubstrat Lebens- Licht- MaximaleGlassubstratdauer ausbeute Leuchtdichtet [h] [lm/W] L [cd/m2]___< 10000 20 - 60 1000
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Weißes Licht
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungElektrolumineszenz (Anorganische LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Sehr hohe Lebensdauer + Leuchtdichte+ Einfache Ansteuerungg- Bisher Mäßige bis gute Lichtqualität
+ -Ni/Au p-Kathode
p-leitendes GaN
Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone)
Lebens- Licht- Maximale
Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone)
n-leitendes GaN
dauer ausbeute Leuchtdichtet [h] [lm/W] L [cd/m2]___> 30000 30 – 250! 10000000Transparentes
Substrat (Al2O3)
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3 Leuchtstoff LED - Komponenten3. Leuchtstoff LED - Komponenten
Level 0 Level 1 Level 2 Level 3 Level 4
H lbl it + P i ä tik + L it l tt + S k dä tik + R hHalbleiter + Primäroptik + Leiterplatte + Sekundäroptik + Rahmen+ Kontakte + Netzteil + Halterung+ Kühlkörper + „Design“
LED-Chip LED-Lampe LED-Modul LED-System LED-Leuchte
L ht t ff F bk i P i i i ll f ll L l i t bProf. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 11
+ Leuchtstoffe zur Farbkonversion - Prinzipiell auf allen Level einsetzbar
3 Leuchtstoff LED Halbleitermaterialien3. Leuchtstoff LED – HalbleitermaterialienChemische Zusammensetzung Typische LED-Spektren
(Al,In,Ga)P 580 nm – 650 nm 0,30
0,35
tät
Gelb Orange Rot
(Al In Ga)N0,20
0,25
onsi
nten
sit
(Al,In,Ga)N 210 – 530 nm UV Blau Grün
0 05
0,10
0,15
Emis
sio
400 450 500 550 600 650 700 7500,00
0,05
Wellenlänge [nm]
Alle Spektralfarben sind direkt mit LED zugänglich!
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Aber wie erzeugt man weißes Licht mit LED?
3 Leuchtstoff LED3. Leuchtstoff LED –Wie erzeugt man weißes Licht?
Prinzip: Additive FarbmischungThermische Strahler sichtbares weißes Licht + IRGasentladungen UV + sichtbares farbiges LichtEl k l i H lbl i i h b f bi i h
Weiß Rot Grün Blau UV
Elektrolumineszente Halbleiter sichtbares farbiges Licht
GelberRGB
Leuchtstoff-Farb-
Weißes Licht durch
GelberLeuchtstoff
Weißes Licht durchFarbiges Licht
mischungfilter
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Weißes Licht durchLumineszenz
Weißes Licht durchadditive Farbmischung
Farbiges Licht durch Absorption
3 Leuchtstoff LED –3. Leuchtstoff LED –Wie erzeugt man weißes Licht?
Blaue LED + gelber Leuchtstoff Blaue LED + gelber + roter Leuchtstoff Blaue LED + grüner + roter Leuchtstoff
off
ED chts
toff
ucht
stof
f
ED
euch
tsto
ff
euch
tsto
ff
LED
400 500 600 700
Gel
ber
Leuc
htst
o
Bla
ue L
E
400 500 600 700
Rot
er L
eu
Grü
ner L
e
Bla
ue L
E
Rot
er L
e
Gel
ber L
Bla
ue L
400 00 600 00
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400 500 600 700Wellenlänge [nm]
400 500 600 700Wellenlänge [nm]
700 400 500 600 700Wellenlänge [nm]
3 Leuchtstoff LED - Aufbau3. Leuchtstoff LED - Aufbau
(Al,In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeBlau 420 – 480 nm Gelb Kaltweiß
Gelb + rot WarmweißG ü t K lt d iß
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Grün + rot Kalt- und warmweiß
3 Leuchtstoff LED Kaltweiße Lichtquellen
70
3. Leuchtstoff LED – Kaltweiße Lichtquellen(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce LeuchtstoffTypische LED Leuchtstoffe
50
60
ensi
tät Tc = 5270 K: CRI = 82
Tc = 4490 K: CRI = 79Tc = 4110 K: CRI = 76
20
30
40
ssio
nsin
te Tc = 3860 K: CRI = 73Tc = 3540 K: CRI = 70
0
10
400 500 600 700 800
Emis
Kaltweiße „Standard“ LEDs • 1 5 W LEDs
Wellenlänge [nm]
• 1 – 5 W LEDs • 50 - 100 lm/W• bläulich-weißes Licht • schlechte Wiedergabe roter Farbtöne “Es fehlt rote Strahlung”
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• schlechte Wiedergabe roter Farbtöne “Es fehlt rote Strahlung”
3 Leuchtstoff LED Rote LeuchtstoffeSulfidische Leuchtstoffe(Ca Sr )S E 0,8
1,0 SrS:Eu (Sr0.75Ca0.25)S:Eu (Sr0.5Ca0.5)S:Eu (Sr0.25Ca0.75)S:Eu
.u.]
3. Leuchtstoff LED – Rote Leuchtstoffe
(Ca1-xSrx)S:Eu
0,4
0,6
0,8CaS:Eu
ssio
n in
tens
ity [a
500 600 700 8000,0
0,2
Em
is
Nitridische Leuchtstoffe
500 600 700 800
Wavelength [nm]
1,0650 nm625 nm Ba2Si5N8:Eu
Sr2Si5N8:Eu CaAlSiN3:Eu
.]
585 nm
Nitridische Leuchtstoffe(Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu(Ca1-xSrx)AlSiN3:Eu 0,6
0,8
ion
inte
nsity
[a.u
.SrSi2N2O2:Eu= Si2N2O + SrO/EuO 0,0
0,2
0,4
Em
issi
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= Si2N2O + SrO/EuO 500 550 600 650 700 750 8000,0
Wavelength [nm]
3 Leuchtstoff LED Warmweiße Lichtquellen3. Leuchtstoff LED – Warmweiße LichtquellenLUXEON - Warmweiß - Die Komponenten
(Al In Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu4
4
JAZZ 3300K
0.8
1
1.2(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu
4
4
4
4BB 3300K
0.4
0.6
0.8
5
4
4
0
0.2
400 450 500 550 600 650 700 750 800nm
0
400 450 500 550 600 650 700 750nm
Warmweiße LEDs für die Innenraumbeleuchtung• 1 – 5 W LEDs
30 50 l /W
black body 3600 K
fluorescent, CCT=3600 K
• 30 - 50 lm/W• gelblich-weißes “warmes“ Licht • gute Wiedergabe von allen Farbtönen
l i hb i H l l
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vergleichbar mit Halogenlampen400 450 500 550 600 650 700 750 800
nm
3 Leuchtstoff LED3. Leuchtstoff LED –Vorteile in der Anwendung
H h Effi iHohe Effizienz
Hohe Lebensdauer
Hohe Flexibilität
Leichte Dimmbarkeit
Viele Lichtfarben (auch kalt- und warmweiß)
Recht hohe Strahlqualität
Gute Farbpunktstabilität
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Gute Farbpunktstabilität
4 LED in der Beleuchtungstechnik4. LED in der BeleuchtungstechnikBildschirme(Hintergrund(Hintergrund-beleuchtung, LED-Arrays)y )
Ampeln(Signalanlagen)(Signalanlagen)
Automobile(S h i f
Home
(Scheinwerfer, Blinker etc.)
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Home
4 LED in der BeleuchtungstechnikInnenraumbeleuchtung
4. LED in der Beleuchtungstechnik
Standard weiß farbdynamisch
LED A d i hLED Array zur dynamischenfarbigen Beleuchtung
Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 21Home
4 LED in der BeleuchtungstechnikInnenraumbeleuchtung + “Ambience Creation”
4. LED in der Beleuchtungstechnik
Hotel Anna, MünchenLuxeon Rot, Grün und Blau
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,
4 LED in der BeleuchtungstechnikArchitektonische Beleuchtung Außenbeleuchtung
4. LED in der Beleuchtungstechnik
Lighting Systems by ColorLighting Systems by Color Kinetics Inc.,Takarazuka University of Art and Design, Satellite Building
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g , g
5 Neue LED Anwendungen5. Neue LED AnwendungenGroßflächige Automobil-Beleuchtung
Ford‘s Glocar
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5 Neue LED Anwendungen5. Neue LED AnwendungenAmbiLight (Philips): Fernsehen mit Lichteffekten
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5 Neue LED Anwendungen5. Neue LED AnwendungenLeuchtende Textilien
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5 Neue LED AnwendungenMarkt-Trend: Licht und Gesundheit
5. Neue LED Anwendungen
• Licht beeinflusst das Wohlbefinden, z.B. den „Winter-Blues“
• Licht steuert Hormone, z.B. das Schlafhormon Melatonin, und damit auch den Biorhythmus
• Licht heilt Hautkrankheiten wie Akne, Psoriasis, etc.
• Licht wirkt therapeutisch bei Vitamin D Mangel und Gelbsucht• Licht wirkt therapeutisch bei Vitamin D Mangel und Gelbsucht
• Licht kann schmerzstillende Wirkung haben
• Licht desinfiziert und reinigt Wasser, Raumluft und Oberflächen
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5 Neue LED AnwendungenBeeinflussung der zirkadianen Rhythmen
5. Neue LED Anwendungen
s K)
• Stimmung, Leistungsfähigkeit, AufmerksamkeitH d kti
Mit
tags
(550
0 K
• Hormonproduktion: Melatonin (Schlafsignal)Cortisol (Stresssignal) s K
)Cortisol (Stresssignal)• Wach-/Schlafmuster und viel alle andere
biochemische Prozesse Abe
nds
(300
0 K
Melatoninkon entration
Körpertemperatur
Cortisolkonzentration
Melatoninkonzentration
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Aufmerksamkeit
5 Neue LED AnwendungenWasseraufbereitung (Wasserwerke + „Point-of-use“)
5. Neue LED Anwendungen
• Ultraviolettes Licht (265 nm) desinfiziert– Vermehrung von Mikroorganismen wird gestopptVermehrung von Mikroorganismen wird gestoppt
• Ultraviolettes Licht (< 250 nm) oxidiert– Entfernung von Pestiziden, Herbiziden,
pharmazeutischen Rückständen etc.
Heute: Hg-GasentladungslampenLED: Umweltverträgliche Wasseraufbereitung g g
KompaktEffizient
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Quecksilberfrei
6 Zusammenfassung und Ausblick6. Zusammenfassung und AusblickKosten [€/1000 lm] Effizienz [lm/W] 250
150
100100
50 10 7 W LED~1000 lm
30
20
5 für ~ 2 €
1995 2010 2015
2010
2000 2005 2020
2
Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 30
1995 2010 20152000 2005 2020Zeit
6 Zusammenfassung und Ausblick6. Zusammenfassung und AusblickTrends im Lichtquellenmarkt
Lif t l +
n G dh it
Lifestyle +Arbeitseffizienz
dern
utze
Ambiente
Gesundheit
Anw
end
UmweltverträglichkeitEnergieeffizienz Geometrische
Nick Holonyak jr (2000) Zeit
Beleuchtungg
LebensdauerRecycling
und spektraleFlexibilität
Nick Holonyak, jr. (2000)Es ist überlebenswichtig zu realisieren, dass die Leuchtstoff LED die ultimative Lichtquelle im Hinblick auf das Prinzip der Lichterzeugung und den Möglichkeiten der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre
Zeit
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der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre Effizienz und Lichtausbeute die aller anderen Lichtquellen übertreffen wird.
Literatur und Internet-LinksLiteratur und Internet-LinksLiteratur
• R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung – von der Glühlampe bis zumR. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight-Verlag, 2004
• M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294
Internet-Links
• Homepage T. Jüstel www.fh-muenster.de/fb1/personal/Juestel.php
• GELcore http://www.gelcore.com/p g
• Global Light Industries http://www.globallight.de/index.html
• Philips Lumileds http://www luxeon com/• Philips Lumileds http://www.luxeon.com/
• Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html
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• Osram http://www.osram.de/