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Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 1
Entwicklungen für den Alltagund die Zukunft: Die LED
Thomas JüstelInstitute for Optical TechnologiesAbteilung Chemieingenieurwesen
[email protected]/juestel
FH MünsterCampus Steinfurt
03. Februar 2016
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 2
inEtwa 20% der erzeugten elektrischen Energie wird zurzeit in Beleuchtungseinrichtungen weltweit verbraucht (Quelle: NASA)
Noch mehr als 25 Jahre nach der Wiedervereinigung kannman Ost- und West-Berlin an der Beleuchtung erkennen
1989 Fall der Berliner Mauer “The wind of change”1993 Blaue LED 1996 Weiße LED2014 Weiße LED mit > 300 lm/W & Nobelpreis Shuji Nakamura2015 25 Jahre Deutsche Einheit “The light of change”2016 20 Jahre Patent „Weiße LED“
Ost-Berlin Na-Lampen
West-Berlin Hg-Lampen
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Glüh- undHalogenglühlampen
Gasentladungs-lampen
Anorganische und organische Leuchtdioden
Hochleistungs-LED und Laser
Lebensdauer, Lichtstrom, Lichtausbeute, Lichtqualität
19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.
1. Künstliche Lichtquellen
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 4
4
1. Künstliche LichtquellenWorum 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 Tc = 2700 – 8000 K
• Lichtqualität: Farbwiedergabe Ra = 0 …100
Anwendungsgebiet einer Lichtquelle bestimmt die Anforderungen
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Lichtausbeute• Sonnenlicht
– 1000 W/m2
– ca. 100 lm/W– 100.000 lm/m2 = 100.000 lux
• Typische Innenraumbeleuchtung– 10 W/m2
– ca. 100 lm/W (Leuchtstoffröhren)– 1.000 lm/m2 = 1.000 lux
• Künstliche Lichtquellen (physikalisch machbar)– Monochrom grün (555 nm) 683 lm/W– Kaltweiß 350 lm/W– Warmweiß 300 lm/W
[ nm ]Li
chta
usbe
ute
[ lm
/W ]
DreibandenlichtquellenBlau Grün Rot
1. Künstliche Lichtquellen
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1. Künstliche LichtquellenLichtqualität(Farbwiedergabeindex)Ra = 0 … 100
Monochrom grünoder Monochrom gelb Na-Dampflampen
Ra = 0
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1. Künstliche LichtquellenLichtqualität(Farbwiedergabeindex)Ra = 0 … 100
Kaltweißoder Warmweiß Glühlampen
Ra = 100
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Lichtfarbe
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8Spektralfarben PlanckkurveMischfarbenWeißpunkte
0.8
0.9
x
1. Künstliche Lichtquellen
in Kelvin Bezeichnung
2700 extra-warm-weiß
2900 warm-weiß4000 neutral-weiß5500 Tageslicht6500 kalt-weiß
Energiesparlampen mit unterschiedlicher Farbtemperatur
im Vergleich
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1970
(Ga,As)P< 0.1 W< 1.0 lm
Gelb, Rot und NIR
2. Anorganische LED - Status 2016
2016
(Al,In,Ga)P, (In,Ga)N, (Al,Ga)N> 1 W
> 1000 lmAlle sichtbaren Spektralfarben
& UV- sowie IR-Strahlung
Entwicklung der LED Technologie
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2. Anorganische LED - Status 2016
1915 1975 19951935 1965 20151925 1945 1955 1985 20051905Jahr
1895
100 lm/W
200 lm/W
300 lm/W Entwicklung einiger Lichtquellentypen
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Technische Daten
Lichtausbeute: > 200 lm/W (kalt-weiß) > 100 lm/W (warm-weiß)Farbwiedergabe: 70 – 95Lebensdauer: > 10000 hDesign: Sehr variabel, häufig Retrofit
Vorteile der LED gegenüber(Halogen)Glühlampen Leuchtstoffröhren & EnergiesparlampenHöhere Lebensdauer Höhere LebensdauerHöhere Effizienz Höhere EffizienzGrößere Robustheit Größere Robustheit
Bessere FarbwiedergabeEinfachere Ansteuerung + Dimmbarkeit
Keine IR-Strahlung Keine UV-Strahlung
2. Anorganische LED - Status 2016
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3. Aufbau von LED LichtquellenRot + Grüne + Blaue
LEDsBlaue LED + gelber
LeuchtstoffBlaue LED + RG
LeuchtstoffmischungUV LED + RGB
Leuchtstoffmischung
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3. Aufbau von LED Lichtquellen
Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeBlau 420 – 480 nm Gelb Kalt-weiß
Gelb + rot Warm-weißGrün + rot Kalt- und warm-weiß
Plastik-linse
Kontakt
Golddraht
Kühlkörper (Cu)
InGaN-Halbleiter
Leucht-stoff
Hochleistungs-LED
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Pulver/Polymer-Komposite Keramiken
Variable Schichtdicke Sehr homogene SchichtdickeHoher Wärmewiderstand Höhere Wärmeleitfähigkeit
Blaue LED + Leuchtstoffpulverin Epoxy- oder Siliconharzmatrix
Blaue LED + Keramikkonverterals Plättchen (0.1 – 0.5 µm)
3. Aufbau von LED Lichtquellen
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3. Aufbau von LED Lichtquellen
Kalt-weißes Licht Warm-weißes LichtBis zu 300 lm/W Bis zu 150 lm/W
Spektralfarben: “Bernstein”, TiefrotMischfarben: Magenta, Cyan
Zum Vergleich Leuchtstoffröhre: Etwa 100 lm/W
400 500 600 700
Gel
ber
Leuc
htst
off
Bla
ueLE
D
Wellenlänge [nm]400 500 600 700
Wellenlänge [nm]
Rot
er L
euch
tsto
ff
Gel
ber L
euch
tsto
ff
Bla
ue L
ED
Spektren kommerzieller LED
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Was bleibt an der FH Münster zu tun?
• Reduktion des Flicker Nachleuchtpigmente
• Hohe Lichtausbeute bei gleichzeitig guterFarbwiedergabe Schmalband-Rotemitter
• Höhere Stabilität für Laserdioden Keramiken & Kristalle
3. Aufbau von LED Lichtquellen
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Signalanlagen (Wechsellichtanlagen)
• 85 - 90% Energieeinsparung durch Ersatz der Glühlampen
• Lebensdauer > 5 Jahre
• Längere Wartungsintervalle
• Geringere Wartungskosten
4. Anwendungen von LED Lichtquellen
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Philips Urban Line
Ziele: - Höchstmögliche Energieeffizienz- Spektrale & zeitliche Modulierbarkeit
Optionen: - On-demand Lighting Energieeinsparung- Flexible Farbtemperatur Sicherheit & Stimmung- Modulation der Intensität Datenübertragung
4. Anwendungen von LED LichtquellenSignalbeleuchtung Innenraumbeleuchtung Straßenbeleuchtung
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5. Ausblick
Weitere Anwendungsbereiche• Photochemie / Biochemie / Agrikultur / Medizin• Desinfektions- bzw. Reinigung von Wasser, Luft oder Oberflächen• Kommunikationstechnologie (THz WLAN)
Zeit
Anw
ende
rnut
zen
Beleuchtung
Ambiente
Trends im Lichtquellenmarkt: Licht ist mehr als Beleuchtung!!!
Umweltverträglichkeit
Gesundheit
Lifestyle +Arbeitseffizienz
EnergieeffizienzLebensdauer
Recycling
Geometrische und spektrale
Flexibilität
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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 MedizinSignalanlagen MaterialbearbeitungPhotochemie (Tele)KommunikationAgrikultur KFZ-ScheinwerferKosmetik (Umwelt)Analytik……. ……..
5. Ausblick
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VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!
FRAGEN?