Energieeffiziene Beleuchtung mit LED-2010-11-10.ppt ... · Energieeffiziente Beleuchtung mit LEDEnergieeffiziente Beleuchtung mit LED Thomas Jüstel FH Mü tFH Münster FB Chemieingenieurwesen

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!


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


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,


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


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


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


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 “


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


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)


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!


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


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


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


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”


• 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


= 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


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


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.)


Home

4 LED in der BeleuchtungstechnikInnenraumbeleuchtung


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”


Hotel Anna, MünchenLuxeon Rot, Grün und Blau


,

4 LED in der BeleuchtungstechnikArchitektonische Beleuchtung Außenbeleuchtung


Lighting Systems by ColorLighting Systems by Color Kinetics Inc.,Takarazuka University of Art and Design, Satellite Building


g , g

5 Neue LED Anwendungen5. Neue LED AnwendungenGroßflächige Automobil-Beleuchtung

Ford‘s Glocar


5 Neue LED Anwendungen5. Neue LED AnwendungenAmbiLight (Philips): Fernsehen mit Lichteffekten


5 Neue LED Anwendungen5. Neue LED AnwendungenLeuchtende Textilien


5 Neue LED AnwendungenMarkt-Trend: Licht und Gesundheit


• 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


5 Neue LED AnwendungenBeeinflussung der zirkadianen Rhythmen


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


Aufmerksamkeit

5 Neue LED AnwendungenWasseraufbereitung (Wasserwerke + „Point-of-use“)


• 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


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


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


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

O htt // d /


• Osram http://www.osram.de/

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