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Neue lichttechnische Entwicklungen-1-

Prof. Dr. T. Jüstel, FH MünsterFB Chemieingenieurwesen

Prof. Dr. T. JüstelFH Münster, FB Chemieingenieurwesen

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LBS Münster19. Januar 2005

Neue lichttechnische Entwicklungen



Inhalt

• Historische Einleitung

• Physikalische Konzepte der Lichterzeugung

• Glüh- und Halogenlampen

• Gasentladungslampen

• Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting

• Schlussfolgerungen und Ausblick



1. Historische EinleitungKünstliche Lichtquellen = Katalysator der kulturellen Entwicklung

vor 400000 Jahren Fackelvor 13000 Jahren Primitive Steinlampen5000 v. Chr. Fettlampen mit Docht1000 v. Chr. Kerzen600 v. Chr. Ölkeramiklampen 280 v. Chr. Erster Leuchtturm (Alexandria)um 1600 Teleskop1772 Gaslampen1783 Petroleumlampen1784 Argandlampe (Lampe mit Hohldocht)1826 Kalklicht (Limelight, CaO-Brenner)



1. Historische EinleitungElektrische Lichterzeugung

1854 Goebel Glühlampe mit Bambusfaser1879 Swan & Edison Glühlampe mit Kohlefaden1900 Cooper Hewitt Patent auf Hg-Dampflampe1934 Germer Niederdruckentladungslampe

mit Leuchtstoffen1936 Destriau Indirekte Elektrolumineszenz1948 Halophosphatlampe1959 Halogenlampe1961 Biard & Pitman Halbleiter LED1971 Koedam & Opstelten Dreibandenkonzept 1980 CFL-i (Energiespar)Lampe1990 Friend & Burroughes Erste organische LED 1994 Nakamura Weiße LED auf der Basis von InGaN2000 Weiße LEDs effizienter als Glühlampen



Eingeführte elektrische Lichtquellen im

leuchtende Festkörper leuchtende Gase leuchtende FestkörperC, Os, W Hg, Na, Ne, Xe AlInGaP,AlInGaN

300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Em

issi

on In

tesi

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[a.u

.]

Wavelength [nm]300 400 500 600 700 800

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rel

ativ

e in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength [nm]

19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert

300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Nor

mie

rte In

tens

ität

Wellenlänge [nm]

1. Historische Einleitung



2. Physikalische Konzepte der Lichterzeugung

e-Hg*

Schwarzkörperstrahler(Glühende Festkörper bzw. Metalle)

Gasentladungen(angeregte Gasatome)

Elektrolumineszente Halbleiter(elektrisch angeregte Festkörper)+ - Metallkathode

Organische lumineszente SchichtTransparente organischeLochttransportationschicht

Indium-Zinn-Oxidanode

Glassubstrat

Wolframwendel

Kathode



Weißes Licht durchLumineszenz

GelberLeuchtstoff

Weiß Rot Grün Blau UV

Weißes Licht durchadditive Farbmischung

2. Physikalische Konzepte der LichterzeugungErzeugung von weißem und farbigem Licht

Schwarzkörperstrahler ⇒ sichtbares weißes Licht + IR

Gasentladungen ⇒ UV + sichtbares farbiges Licht

Elektrolumineszente Halbleiter ⇒ sichtbares farbiges Licht

Farbiges Lichtdurch Absorption

RGBLeuchtstoff-mischung

Farb-filter



Klassifizierung von Lichtquellen

Glüh- undHalogenglühlampen

Gasentladungs-lampen

Anorganische + organische Leuchtdioden

LASER

Clusterlampen

ChemischeLichtquellen

2. Physikalische Konzepte der Lichterzeugung

Exotisches



Physikalische Grundlagen

3. Glüh- und Halogenlampen

500 1000 1500 20000

0.5

1

Wellenlänge in nm

1.2

0.

I λ( )

V z( )

2000.200 λ

nmz

nm,

Wellenlänge [nm]380 780

V(λ) = Augenempfindlichkeitskurve

Eingangsleistung

Energiebilanz einer Glühlampe

Elektromagnetische Strahlung Leitungsverluste

IRVisibleUV

Wolframwendel mit dem

elektrischen Widerstand R.

Für den Strom I ist die elektrische

Verlustleistung P = U*I = R*I2

Spektrum einer Glühwendel bei ca.

T = 2700 K (Temperaturstrahler)

Gasverluste



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 [%]2700 13 10 Glühlampe2800 16 113000 22 13 typische Halogenlampe3200 29 163400 36 20 spezielle Halogenlampen



Da Glüh- und Halogenglühlampen im wesentlichen IR-Strahlung emittieren lassen sich höhere Effizienzen durch Reduktion der IR-Emission erreichen

⇒ Erhöhung der Wendeltemperatur Blauverschiebung des Spektrums⇒ IR-Filter Reflexion des IR-Lichtes⇒ 3D Strukturierung des Wolframs Spektrale Änderung der Emission

durch photonische Effekte


selektiver Spiegel

sichtbares Licht wird durchgelassen

IR Licht wird auf Wendel zurückreflektiertη = 20 lm/W ⇒ 40 lm/W

UV 380 Vis. 780 IR λ [nm]

Ref

lexi

on

Interferenzfilter



Niederdruck-Gasentladungslampen Hochdruck-Gasentladungslampen

Druck = 10 µbar bis 10 mbar > 1 bar

Länge = ca. 1 m ca. 1 cm

Leistung = 4 – 58 W 100 – 2000 W

4. Gasentladungslampen



Hg-Gasentladung UV-Strahlung sichtbares LichtLeuchtstoff

Strahlung derGasentladung

GewünschtesSpektrum

Leuchtstoff-schicht

angeregtesAtom Elektronen

Elektrode

KappeGlaskolben

Reinigung Desinfektion Beleuchtung

4. GasentladungslampenFunktionsweise einer Niederdruck-Hg-Gasentladungslampe(Leuchtstofflampe)



0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Inte

nsitä

t [W

/nm

]

λ [nm]

Vλ

BAM

LAP

YOX

Prad / P ≈ 60%Prad,vis / P ≈ 30%

P = 36 W

4. GasentladungslampenSpektrum einer Fluoreszenzlampe (Dreibandenlampe)

Hohe Lichtausbeute η ~ 100 lm/W, gute Farbqualität CRI = 80 - 85



4. GasentladungslampenHg-Reduktion

Die Entladung benötigt für den optimalen Betrieb ca. 50 µg Hg Standarddosierung: 10 - 20 mg/LampeUrsache: Hg-Verbrauch in der Lampe

Lampenbestandteil Hg-Verbrauch für 10000 h Betrieb• Glas > 5 mg • Leuchtstoff 0.1 - 2.0 mg• Elektroden 0.1 - 1.0 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 Y2O3 oder Al2O3 (geringe Hg-Aufnahme)



+

-

Entladungskegel

Elektrode (Anode)Dielektrikum

Elektrode (Kathode)

Leuchtstoffschicht

DielektrikumLeuchtstoffschicht

e- + Xe → Xe*

Xe* + 2 Xe → Xe2* + Xe

Xe2* → 2 Xe + 172 nm

AC

4. GasentladungslampenXe2*-Excimerentladungslampen

Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung



Vorteile der Xe2*-Excimerlampen• Hg frei• schnelle Schaltbarkeit• temperaturunabhängig• dimmbarAber: Großer Energieverlust bei der Konversion von UV in sichtbares Licht

150 + 172 nm545 nm

Lampenglas

Wellenlänge [nm]

147 172

Resonance Line

2ndC

ontinuum

1stC

ontinuum

Leuchtstoffschicht bestehend aus Leuchtstoffenmit hoher photochemischer Stabilität)

ε = 18% für Xe-Entladung (max. 60 lm/W)ε = 30% für Hg-Entladung (ca. 100 lm/W)

185 + 254 nm

610 nm

450 nm

4. Gasentladungslampen

100 200 300 4000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

365 nm185 nm

254 nm

Emis

sion

inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]

Hg- und Xe2*-Entladungslampen



4. GasentladungslampenSchwefelentladungslampen

1990 gelang es der Firma Fusionlighting erstmalig eine Gasentladungslampe auf der Basis einer molekularen (S4 – S8) Schwefelentladung zu entwickeln

Lichtquelle mit extrem großen Lichtstrom 140000 lm (~40 Leuchtstoffröhren) und (fast) rein-weißem Licht (Bandenemission von S8, S7, S6, S5,….-Molekülen)

Effizienz: Vergleichbar mit Leuchtstoffröhren (also 100 lm/W)Problem: Energieeinkopplung, da elektrodenlose Lampe mit Mikrowellengenerator



4. Gasentladungslampen - ÜbersichtNatrium

Niederdruckp < 10 mbar

Hg/Ar Hg/Ne

185 + 254 nm

(Kompakt-)Fluoreszenz

lampen

bzw.

Leuchtstoff-lampen

Niederdruck

Na/Ar/Ne

589 nm

Hochdruck

Na/Hg/Xe

Natrium-dampf-lampen

Niederdruck

Ne

74 nm

Mitteldruck

Xe/Ne

147 + 172 nm

Plasma-bildschirme

Schwefel

Hochdruck

S2

Breitband-spektrum

Quecksilber Edelgase

Hochdruckp > 1 bar

Hg/Ar

Breitbandspektrum

LinienemitterNaX / TlX / InX, X = I, Br

Multi-LinienemitterNaX / TlX / LnX3

(Ln = Dy, Ho, Tm, Sc)SnX2

Metallhalogenidlampen



5. Festkörperlichtquellen - Solid State Lighting

Anorganische LEDs

Organische LEDs und Polymer LEDs



1970

GaAsP

< 0.1 W

< 0.1 lm

gelb + rot

2004

AlInGaP, AlInGaN

0.6 - 5 W

10 - 150 lm

alle Farben + UV-A

Entwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs)




0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1960 1970 1980 1990 2000 2010Jahr

Lich

tstr

om/L

ED (L

umen

)

Evolution of Light Sources - LED Lumen Package

Der Lichtstrom, der sich mit einer LED erzeugen lässt, hat sich in den letzten30 Jahren ca. alle 18 Monaten verdoppelt2004: 500 lm LED (30 W) im Labor demonstriert

5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingEntwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs)



Transparentes Saphir-Substrat (Al2O3)

Negative Elektrode

n-GaN Kontaktschicht (e--leitend)

Positive Elektrode

p-GaN Kontaktschicht (lochleitend)

~100 µm

4 µm

0.15 µm 0.5 µm Rekombinationszone

Transparente Metallschicht

(S. Nakamura and G.Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters and Lasers, Springer, Berlin, 1997)

5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingVereinfachter Aufbau einer konventionellen 5 mm LED



350 400 450 500 550 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Nor

mal

ised

em

issi

on in

tens

ity

Wavelength [nm]

(InxGa1-x)Nincreasing x

Ansteigende In-KonzentrationRotverschiebung der Emissionsbande 370 nm → 530 nmVerbreiterung der Emissionsbande

Emissionsspektren von InGaN LEDs




Blauer LED Chip: 420 – 480 nm InGaNLeuchtstoffschicht (Konverter): (1) Gelb Tc > 4000 K „Cool white“

(2) Gelb + rot Tc < 4000 K „Warm white“(3) Grün + rot 2000 K < Tc < 8000 K(4) Rot Magenta

InGaN Chip Silicon

Leuchtstoff

Ag-Spiegel

400 450 500 550 600 650 700 750 8000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Emission ofphosphor converterLight

Source

Absorption

Funktionsprinzip einer weißen InGaN LED





Die ersten kommerziell erhältlichen LEDs entsprachen Konzept (1)• Farbwiedergabe CRI = 70 – 85• Kaltes weißes Licht (nachts sind alle Katzen grau.....)• 1 W LEDs: Lichtausbeute 30 - 50 lm/W• Problem: Schlechte Farbwiedergabe für rote Farbtöne und niedrige

Farbtemperaturen

0

10

20

30

40

50

60

70

400 500 600 700 800

Emis

sion

sint

ensi

tät Tc = 5270 K: CRI = 82

Tc = 4490 K: CRI = 79Tc = 4110 K: CRI = 76Tc = 3860 K: CRI = 73Tc = 3540 K: CRI = 70

Wellenlänge [nm]

Weiße LEDs: Blauer InGaN Chip + (Y,Gd)3Al5O12:Ce




(1) Blaue LED + (Y,Gd)AG:Ce ⇒ CRI > 75 nur für Tc > 4000 K

(2) Blaue LED + (Y,Gd)AG:Ce + Rot ⇒ CRI > 85 für Tc < 4000 K

(3) Blaue LED + Grün + Rot ⇒ CRI > 85 für 2700 < Tc < 8000 K

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rot

er L

euch

tsto

ff

Gel

ber L

euch

tsto

ff

Bla

ue L

ED

Inte

nsitä

t

Wellenlänge [nm]

Weiße pcLEDs mit hoher Farbqualität

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rot

er L

euch

tsto

ff

Grü

ner L

euch

tsto

ff

Bla

ue L

ED

Inte

nsitä

t

Wellenlänge [nm]



5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingWeiße pcLEDs mit hoher Farbqualität

Lichtquellen für die Allgemeinbeleuchtungerfordern hohe Farbwiedergaben auch beiniedrigen Farbtemperaturen

Konzept (2)• (Y,Gd)3Al5O12:Ce + Roter Leuchtstoff• CRI = 85 - 95• Tc = 2800 to 4000K• 1 W LEDs• 20-25 lm bei 350 mA

Konzept (3)• Grüner + roter Leuchtstoff• Produkte sind noch in der Entwicklung 400 450 500 550 600 650 700 750 800

nm

black body 3600 K

fluorescent, CCT=3600 K

0

5

4

4

4

4

4

4

4

4

400 450 500 550 600 650 700 750nm

JAZZ 3300K

BB 3300K



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




Mobile GeräteHandy, PDA, …

Automobilbereich

Anzeigetafeln undDisplays




Beleuchtung

Andere

Signalanlagen




Hotel Anna in München:Luxeon LEDs in Rot, Grün und Blau

5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingStimmungsvolle Innenraumbeleuchtung “Mood Lighting”

⇒ Dimmbare RGB LED Module



5. Festkörperlichtquellen - Solid State LightingFarbpunkt auf Wunsch “Colour on Demand”

Blaue InGaN LED (420 – 480 nm) + Leuchtstoffschicht

BeispieleMagenta: Blaue LED + roter LeuchtstoffCyan: Blaue LED + grüner Leuchtstoff

Anwendung in• Firmenlogos• Signalanlagen• Effektbeleuchtung• Werbebeleuchtung



2002 2007 2012 2020Effizienz [lm/W] 30 75 150 200Kosten [$/klm] 100 10 5 2Lebensdauer [kh] 20 20 100 100Farbqualität CRI 75 80 85 85

Automobil LCD-TV Automobil Straßen-Innen-, Brems- Abblend-, beleuch-Blinker-, Fernlicht tungRückfahrlichtDynamicRoadmarkingAmpeln

Theoretische Effizienzgrenze: >75 % (S.D. Baars, University S. Barbara, CA, USA)

6. Status und Ausblick - Weiße LEDsErwartete Weiterentwicklung der LEDs (OIDA Report 2002)



Vergleich mit anderen Lichtquellen (OIDA Report 2002)

Licht- Effizienz Helligkeit Farb- Lebens- Betriebs-strom qualität dauer kosten[lm] [lm/W] [Mcd/m2] CRI [kh] [$/Mlm.h]

60 W Glühlampe 900 15 10 100 1 7.250 W Halogen 1000 20 20 100 2 6.3TL 54 W 4900 90 0.015 80 24 1.2CFL 11 W 550 50 0.010 80 10 3.1UHP 200 W 7000 35 1000 85 5 5.7Luxeon 2002 125 25 3 75 60 6.0Luxeon 2007 200 80 10 80 60 3.3

6. Status und Ausblick - Weiße LEDs



Lichtquellen und Beleuchtung im beginnenden 21. Jahrhundert

SignalbeleuchtungAmpeln: Glühlampen mit Farbfilter → LEDs

KFZ-BeleuchtungAbblend-, Fernlicht: Halogenlampen → Xe-Lampen → LEDs Blinker, Brems-, Rücklicht: Halogenlampen → LEDs

InnenraumbeleuchtungHome: Glühlampen → Halogen-, Energiesparlampen → LEDsBüro, Fabrik: LeuchtstoffröhrenShop: Glüh- und Halogenlampen → Hg-Hochdrucklampen, LEDs

AußenbeleuchtungArchitektur: Hg-Hochdrucklampen → LEDsStraße: Natriumlampen, Hg-Hochdrucklampen

6. Status und Ausblick - Lichtquellen

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