LED-Technologie

Teil 1: Technische Grundlagen und Geschichte

LEDs erobern immer mehr Anwendungen und verdrängen die herkömmlichen Leuchtmittel. Um Ihnen einen Überblick über die Technologie zu geben, veröffentlichen wir eine Serie von vier Beiträgen zum rasanten Aufstieg der LED-Technik. Im ersten Teil zeigen wir die technologischen Grundlagen und die Geschichte der LED.

Menschen erhalten bis zu 80% aller Informationen über das Auge. Deshalb ist die visuelle Wahrnehmung für den Menschen extrem wichtig. Insbesondere in der dunklen Jahreszeit kann ein Lichtmangel zu Winterdepressionen führen. Diese Krankheit lässt sich mit speziellen medizinischen Leuchten behandeln.

Gutes Licht ist außerdem für die Erleichterung der Arbeit wichtig. Gutes Licht schafft in vielen Bereichen Sicherheit, da Gefahren rechtzeitig erkannt und Fehlerquellen reduziert werden können. Für das private und berufliche Umfeld lässt sich generell sagen: Je besser das Licht ist, desto geringer die Fehlerquote und desto höher die Leistungsfähigkeit.

Was ist überhaupt Licht?

Licht ist eine elektromagnetische Welle und wird durch seine Frequenz- bzw. Wellenlänge sowie die Intensität beschrieben.

Das für den Menschen sichtbare Licht liegt bei einer Wellenlänge, die kürzer ist als die der Infrarotstrahlen, aber länger als die der UV-Strahlen.

Für den Menschen sichtbar ist der Bereich zwischen 380 und 780 nm. Ein Nanometer entspricht 10^-9 m.

Historische Entwicklung der LED

Wie allgemein bekannt, steht LED für die Abkürzung des englischen Begriffes „Light Emitting Diode“. Doch wo kommt sie her?

• 1907 entdeckte der Engländer Henry Joseph Round den physikalischen Effekt der Elektrolumineszenz. Dieser gerät zunächst in Vergessenheit, da das ursprüngliche Ziel seiner Forschungsarbeit ein Funkortungsverfahren für die Seefahrt war.
• 1962 kommt die erste industriell gefertigte LED in GaAsP-Technologie auf den Markt.
• 1970 waren dann außer der Farbe rot auch LEDs in rotorange, gelb und schließlich in grün kommerziell verfügbar.
• 80er bis 90er Jahre, die ersten Leistungs-LEDs in rot, später rotorange, gelb und grün sind verfügbar.
• 1995 wird die erste LED mit weißem Licht aus der Methode der Lumineszenzkonversion vorgestellt.

Leuchtdioden und wie sie funktionieren

Sie liefern im Gegensatz zu anderen Lichtquellen ein nahezu monochromatisches Licht mit hoher Farbsättigung. Die Konversion der Lichtenergie aus dem Halbleiterkristall basiert dabei auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz. Moderne LED-Technologie vereint die Vorzüge einer kompakten Bauweise mit hoher Energieeffizienz und, bei gutem Thermomanagement, eine Lebensdauer von > 50.000 Stunden.

Die Energieumwandlung in der Glühlampe findet durch Glühemission statt. Dabei wird elektrische Energie in Gitterschwingungen der Moleküle gewandelt. Diese Lichtenergie hat dann aber einen hohen Anteil im Infrarotbereich. Bei der LED finden statt dessen Elektronenübergänge zwischen Atom- und Energieniveaus statt, die im Halbleiterkristall als Energiebänder vorliegen. Damit sind nur Strahlungsquanten mit einer dem Energieabstand entsprechenden Wellenlänge (Farbe) möglich, was zu einer monochromatischen Farbemission der LED führt.

 Die Farbe wird also durch die chemische Zusammensetzung bei der Fertigung des Wafers definiert. Als Basis dienen dabei Elemente aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems. Typisch für diese Gruppe sind GaAs in InP. Aber erst die Zugabe von anderen Elementen (Dotierung) macht daraus einen leitfähigen Halbleiter (PN-Übergang). Die durch elektrische Spannung angeregten Elektronen wandeln ihre Energie im Bereich des PN-Überganges Rekombination in sichtbares Licht um. Eine genaue Beschreibung dieses Vorganges erfordert einen tiefen Einstieg in die Festkörperphysik und kann dem Leser an dieser Stelle nicht zugemutet werden. Zur Ergänzung sei erwähnt, dass InGaN für die Farben Blau (Weiß) und Grün, sowie AlInGaP für die Farben Gelb, Orange und Rot zuständig sind.

Wie das weiße Licht der LED entsteht

Es gibt keinen Halbleiter, der mehrere Farben gleichzeitig erzeugen kann. Daher benutzt man zur Erzeugung von weißem Licht aus der LED ein ähnliches Prinzip wie in der Leuchtstoffröhre. Das kurzwellige Spektrum einer blauen LED regt die Leuchtstoffe mit gelbgrünen Spektralbereich zum leuchten an. Zusammen ergibt das ein Mischspektrum in der Farbe Weiß. Als Leuchtstoff werden komplizierte Phosphormischungen verwendet, die allesamt durch weltweite Patente geschützt sind. Moderne Phosphormischungen erlauben es heute LEDs in Farbtemperaturen zwischen 2700 und 10.000 K bei einem Farbwiedergabeindex Ra>90 herzustellen. Ein anderer Ansatz zur Erzeugung von weißem Licht aus der LED besteht aus der Verwendung von mehreren monochromatischen Chips der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Durch Mischung dieser Grundfarben im richtigen Verhältnis kann ebenso weißes Licht erzeugt werden, das ähnlich dem Farbfernsehprinzip funktioniert. Nachteile dieser Methode sind jedoch niedrige Farbwiedergabeindizes und niedriger Wirkungsgrad sowie höhere Kosten bei der Herstellung.

Gehäusevarianten sind nicht standardisiert

Das Gehäuse hat die Aufgabe den Halbleiter vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz, Gasen und Chemikalien zu schützen. Die wichtigste Aufgabe des Gehäuses ist aber der Transport der Wärmeenergie vom Halbleiter an die Umgebung. Die Anzahl der auf dem Markt verfügbaren Gehäusevarianten wächst ständig, da diese bisher noch nicht standardisiert sind, was auf der anderen Seite eine fortlaufende Optimierung der thermischen und optischen Eigenschaften ermöglicht. Dies gilt besonders für Leistungs-LEDs >1 W. Durch Forderungen aus der Industrie und der Automobiltechnik wurde in den 1990er Jahren die SMT-Technologie bei den LEDs etabliert. Diese Bauformen sind in der Praxis heute in einem Leistungsbereich von bis zu 2 bis 3 W einsetzbar. Bei höheren Leistungen bietet die COB- (Chip on Board-)Technologie eindeutige Vorteile für das thermische Management des oder der Halbleiter.

Elektrisches Verhalten und das Kennlinienfeld

Die LED ist elektrisch gesehen ein PN-Übergang, also eine Diode, welche in Durchlassrichtung betrieben wird und eine Diode ist elektrisch gesehen ein stromgesteuertes Bauteil. Daher werden in den Datenblätter auch alle Angaben auf einen definierten Strom bezogen, nie auf eine Spannung. Zum Strom gehört aber auch immer eine anliegende Spannung.
Strom und Spannung legen also den Arbeitspunkt der LED im Strom-Spannungs-Kennlinienfeld fest. Typische Vorwärtsspannungen von Leuchtdioden liegen, je nach Farbe, zwischen 1,5 und 4 V. COB-Lichtfelder unterscheiden sich aufgrund der Gruppenanordnung der Chips.

Die Zukunft der weißen LED

Im Jahr 2005 hatte die weiße LED eine Effizienz von 40 lm/W. Durch konsequente Weiterentwicklung in den Bereichen der Chip-, Gehäuse- und Phosphortechnologie liegt die aktuelle Effizienz bei knapp über 100 lm/W für industriell gefertigte LEDs. Unter Laborbedingungen sind bis zu 160 lm/W möglich. Noch in diesem Jahr wird eine Effizienz von 140 lm/W bei der Serienproduktion für einige Hersteller möglich sein. Allein für dieses Jahr wird ein Wachstum der LED-Branche um mindestens 35% erwartet und prognostiziert. Durch die schnelle Entwicklung der Effizienz kann die weiße LED zukünftig mit allen gängigen Technologien wie Halogen, Quecksilber und Leuchtstoffröhren konkurrieren. Eine höhere Effizienz bedeutet auf der anderen Seite eine Kostenreduktion. Daher gilt die Annahme, dass spätestens 2015 sich die Kosten der LED-Leuchtmittel sich an die klassischen Lichterzeugungstechnologien angepasst haben.

Einsatzbereiche und Vorteile in der Anwendung

LEDs sind heute die effizientesten Leuchtmittel für die Industrie. Bei der rasanten Entwicklung werden kompakte Lichtquellen mit hohen Lichtströmen möglich. Vorausgesetzt und unbedingt notwendig ist dabei allerdings ein professionelles, thermisches Management um die vorgegebenen Lebensdauerangaben zu erreichen. Weißes Licht aus der LED ist mittlerweile in sehr guter Qualität und mit hoher Effizienz herstellbar. Durch die weiterentwickelte und moderne Phosphortechnologie kann das Licht auf ideale Weise an seine Umgebung und für den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Die kompakte Bauform ermöglicht Designern und Leuchtenherstellern völlig neue Wege in der Beleuchtungstechnik einzuschlagen. Bei der Herstellung der LED werden keine umweltschädlichen Materialien wie Quecksilber oder toxische Gase verwendet. Die notwendigen Vorschaltgeräte arbeiten Niederfrequent und erzeugen somit weniger, gesundheitlich belastenden Elektrosmog. Das Startverhalten liegt im Nanosekundenbereich, hohe Ein- und Ausschaltzyklen haben keinen negativen Einfluss auf das Leuchtmittel (Sektionsbeleuchtung).

Die Grenzen des LED-Einsatzes

Niedrige Temperaturen haben ebenso keinen Einfluss auf das Startverhalten. Eine stabile Lichtfarbe und große Lebensdauer ermöglichen eine hohe Lichtqualität über lange Zeiträume in der Beleuchtungstechnik. Aufgrund des notwendigen Kühlkörpers kann die LED-Technik bisher noch nicht überall verwendet werden. Da sie gerichtetes Licht erzeugen, sind sie als Ersatz in Leuchten, welche zum Beispiel für Glühbirnen entwickelt wurden, nur bedingt einsetzbar. *Thomas Müller ist für das Marketing Optoelektronik bei MSC in Stutensee verantwortlich.