LEDs So erhalten Sie eine höhere Lichtausbeute bei geringeren Kosten

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In drei Jahren soll der Preis von LEDs um 66 Prozent fallen. Eine Herausforderung für die Entwicklung von Lighting-Produkten.

Eine durchschnittliche Hochleistungs-LED emittiert heute rund 100 Lumen pro Watt – Spitzenprodukte schaffen sogar bis zu 140 Lumen pro Watt – und kosten in etwa 4,75 Euro pro 1000 Lumen.

Bedenkt man, dass der Preis noch vor einem Jahr mit 14 Euro angegeben wurde, wird die rasante Abwärtsentwicklung der LED-Preise klar. Und der Trend wird weitergehen: Das US-amerikanische Energieministerium hat als Ziel einen Preis von rund 1,75 Euro pro 1000 Lumen bis zum Jahr 2015 vorgegeben, damit LED-Leuchten wirklich konkurrenzfähig zu Energiesparlampen werden. Um dieses Preisniveau zu erreichen, verfolgen die LED-Hersteller verschiedene Strategien: Im Bereich der Fertigungstechnologien werden zunehmend Verfahren aus dem Halbleiter-Massenmarkt eingesetzt. Zudem sollen neue Träger- und Halbleitermaterialien die Lichtausbeute erhöhen und die Stückkosten weiter senken.

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Günstigere Herstellungskosten mit Silizium

Heutige weiße und blaue LEDs werden zumeist aus einem teuren Saphirsubstrat hergestellt, das mit dem ebenfalls kostspieligen Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) bedampft wird. Ein erster Ansatz, um die Kosten für LEDs zu reduzieren, ist Galliumnitrid-LED-Chips auf Siliziumträgern statt auf teuren Saphirsubstraten herzustellen. Silizium ist als Standardmaterial der Halbleiterindustrie eine kostengünstige Alternative und zudem ausreichend verfügbar.

Damit wird es möglich, großflächige Siliziumscheiben für die LED-Herstellung zu verwenden, was den Herstellungsprozess deutlich effizienter werden lässt. Schon jetzt gelingt es ersten Herstellern, die Hochleistungs-LED-Chips auf einer 150-Millimeter-Scheibe – dies entspricht sechs Zoll – zu fertigen. Daraus können theoretisch 17.000 LED-Chips mit einer Chipgröße von einem Quadratmillimeter hergestellt werden.

Die Forscher arbeiten bereits daran, den Herstellungsprozess für acht Zoll große Scheiben umzusetzen, um die Anzahl der Chips pro Substrat zu erhöhen und damit die Herstellungskosten weiter zu reduzieren. Erste kommerziell erhältliche LED-Produkte mit Chips auf Silizium-Basis werden in etwa zwei Jahren erwartet.

Nano-Technologie für höhere Lichtausbeute

Noch einen Schritt weiter gehen europäische Wissenschaftler: Im Projekt SMASH wollen sie leuchtende „Hochhäuser“ in der für das menschliche Auge unsichtbaren Nano-Welt (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter) bauen: Auch sie verwenden preiswerte Silizium-Substrate. Auf diesen wachsen durch eine ausgeklügelte Herstellungstechnologie sechseckige kristalline Säulen von einem Durchmesser von etwa 100 Nanometer bis zu 3000 Nanometer in die Höhe. Die so produzierten LEDs verfügen auf dem gleichen Raum wie jetzige LED-Chips über eine viel größere, kompakte Licht-abstrahlende Fläche. Bis die Produktion der Super-Dioden anläuft, könnten allerdings noch mehr als fünf Jahre ins Land gehen.

Mehr Licht dank Ein-Kristall-Dioden

Doch auch bei diesen Hightech-Dioden bleibt ein Problem: Wegen der großen physikalischen und chemischen Unterschiede zwischen Substrat (gleich ob Saphir oder Silizium) und Schicht (Galliumnitrid) entsteht jedoch zwangsläufig eine große Zahl von Kristallbaufehlern in der Schicht. Die Dichte der Kristallbaufehler kann mehr als eine Milliarde pro Quadratzentimeter betragen – auch wenn die Leuchtdioden trotz dieser Fehler funktionieren, wird der Elektronenübergang gestört.

Die damit verbundenen Verluste in der Lichtausbeute ließen sich vermeiden, wenn sowohl die Schicht als auch das Substrat aus dem gleichen Material bestünden. Indem zum Beispiel reine GaN-Kristalle verwendet werden, kann mehr Licht pro LED-Material emittiert und mit höheren elektrischen Strömen pro Fläche umgegangen werden. Derartige Ein-Kristall-Dioden liefern hochqualitatives Licht für einen noch energieeffizienteren Ersatz von traditionellen Halogenlampen.

Komponenten reduzieren dank höherer Lichtausbeute

Eine höhere Lichtausbeute pro LED bedeutet auch, dass Leuchten mit weniger Dioden ausgestattet werden müssen – die Reduzierung der Bauteile ist ein weiterer Trend, an dem die Hersteller arbeiten. Dabei beschränken sie sich nicht nur auf die LED selbst, sondern entwickeln auch Module, die ohne Treiber auskommen. Treiber oder Umrichter wandeln die Netzspannung von 220 Volt in eine 24-Volt-Gleichspannung um. Aber diese elektronischen Bauteile benötigen Platz, kosten Geld und erzeugen Wärme, die abgeführt werden muss.

Inzwischen bieten verschiedene Hersteller jedoch LEDs an, die ohne Treiber betrieben werden können. Zum Beispiel entwickeln verschiedene Hersteller LED-Module, die direkt mit der Netz-Wechselspannung betrieben werden. Der Verzicht auf einen Umrichter erhöht die Zuverlässigkeit der LED-Module und bietet auf Grund der geringeren Baugröße mehr Flexibilität beim Design. Allerdings ist die jetzt vorhandene 50-Hz-Modulation im Licht nicht in allen Applikationen gewünscht und manchmal sogar sehr störend.

Schnittstellen-Spezifikationen für LED-Module samt Elektronik

Die rasante Entwicklung rund um LEDs hat auch einen Nachteil: Bisher müssen Hersteller für jede LED-Generation nahezu eine neue Leuchte entwerfen. Um Abhilfe zu schaffen, haben sich rund 180 Unternehmen weltweit zum Zhaga-Konsortium zusammengeschlossen. Das Konsortium definiert Schnittstellen-Spezifikationen für LED-Module und die dazugehörige Elektronik (das Vorschaltgerät). Es werden dabei mechanische, thermische, fotometrische und elektrische Schnittstellen betrachtet.

Menno Treffers, Zhaga-Generalsekretär: „LED-Lichtquellen werden rapide verbessert. Was heute aktueller Stand der Technik ist, wird sechs Monate nach Produktion Mittelmaß sein. Das zwingt Hersteller von LED-Leuchten, die LEDs in ihren Produkten konstant aufzurüsten. Ein Aufrüsten ohne Änderung des Leuchtendesigns ist dann möglich, wenn Hersteller Lichtquellen mit beständigen Schnittstellen nutzen. Beständigkeit reduziert wiederum Entwicklungskosten. Zusätzlich können standardisierte Lichtquellen in höheren Stückzahlen produziert werden, was ebenfalls die Kosten der Lichtquellen senkt. Davon profitiert natürlich auch der Endnutzer, an den die Kostenersparnis weitergegeben werden kann.“

Die Entwicklung des Zhaga-Standards ist damit ein weiterer wichtiger Schritt, um LED-Beleuchtung im Massenmarkt zu verankern.

* Sebastian Hülck ist Vertical Segment Director Lightspeed EMEA bei EBV Elektronik

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