Gastkommentar LEDs: Benchmark für die OLED-Lichttechnik

Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh von TU Illmenau.
Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh von der TU Darmstadt.

Eine europäische OLED-Massenproduktion soll Ostasien auf dem Beleuchtungsmarkt herausfordern. Dafür muss die OLED-Technik ausgereift genug sein, um mit der LED zu konkurrieren. Wie hoch die Messlatte dafür liegt, erklärt Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh von der TU Darmstadt.

Seit 1879 bis heute haben Gesellschaften weltweit eine Reihe von elektrisch betriebenen Lichtquellen erlebt, angefangen von Glühlampen, Halogenglühlampen, Entladungslampen bis zu den heutigen Halbleiter-Lichtquellen wie LED, OLED und Laser. Physikalisch und technologisch gesehen weist jede Lichtquellentechnologie Vor-und Nachteile auf, die mit jedem technologischen Schritt bis zu einem gewissen Grad verbessert werden können.

Aus der lichttechnischen, beleuchtungstechnischen und ökonomischen Sicht gibt es eine Reihe von Kriterien, um die Relevanz der jeweiligen Technologie zu beurteilen. Im klassischen Sinne sind diese Kriterien die Lichtausbeute und damit verbunden die Energieeffizienz, die Farbwiedergabe, die maximal mögliche Leuchtdichte und der erreichbare Lichtstrom. Genauso wird der Preis, die Fertigbarkeit und die geometrische Anordnung der Lichtquellenbauelemente betrachtet, um gemeinsam mit der Optik ein integratives Lichtsystem zu bilden.

Im erweiterten Sinne sind zusätzliche Kriterien wie die Wiederverwendbarkeit der Materialien und die Umweltfreundlichkeit der verwendeten Materialien im ganzen Prozess, von den Rohmaterialien bis zu den fertigen Lichtsystemen, zu nennen sowie letztendlich die Möglichkeit, mit den Technologien designfähige und frei formbare Leuchtensysteme zu entwickeln. Daran müssen sowohl die LED- als auch die OLED-Lichtquellen gemessen werden. Als Halbleiterbauelement lassen sich LED und OLED steuern, dimmen und mit anderen Baugruppen integrieren, um intelligente Beleuchtungsanlagen (Smart Lighting) zu ermöglichen.

Nach mehr als 15 Jahren ist mit einem LED-Bauelement in Mid-oder High-Power-Ausführung derzeit eine Lichtausbeute von etwa 150 – 170 lm/W bei einem moderaten Farbwiedergabeindex Ra von 70 – 80 möglich. Mit einer Reihe von Leuchtstoffen sind weiße LED-Bauelemente mit einer Farbwiedergabe von etwa 97 möglich, allerdings bei entsprechend geringerer Lichtausbeute. Als Punktlichtquellen für allgemeine Beleuchtungsanlagen sind Leuchtdichtewerte bis 100 Mcd/m2 möglich. LEDs in Chip-on Board-Ausführungen mit 250 W bis 300 W können einen Lichtstrom über 30.000 lm liefern. Damit sind LED-Leuchten mit einer Systemlichtausbeute bis etwa 150 lm/W derzeit mit einer Preisbilanz von 8 bis 50 €/klm möglich. Für einen kleinen Büroraum mit 12 m2 und mit einer Deckenhöhe von 2,8 m ist in der Regel ein Lichtstrom von 40.000 lm notwendig, um eine Beleuchtungsstärke von 500 lx auf dem Arbeitstisch zu erhalten.

Somit ist ein Preis für die Neuinstallation bei der Annahme von 20 €/klm von 800 € nötig. Bei sorgsamer thermischer Behandlung erreichen LED-Leuchten eine Lebensdauer (L70-Angabe) in der Größenordnung von 30.000 bis 50.000 Stunden. Intelligente Leuchten, die aus quasi-monochromatischen Farb-LEDs und weiß emittierenden LEDs bestehen, können in unterschiedlichen Lichtmischungsverhältnissen einen variablen Farbtemperaturbereich zwischen 2500 K bis 6500 K mit hoher Farbwiedergabe über 90 ermöglichen.

Für eine anwendungstechnische Relevanz muss sich jede Lichtquellentechnologie, die parallel zur oder später als die LED-Technologie ausentwickelt werden will, an dieser Parameterbilanz und deren Fortentwicklung bis 2025 messen lassen.

Mögliche und derzeit kommunizierte Vorteile der OLED-Lichtquellen sind die Flexibilität, die Rollbarkeit, die schlanken Lichtquellenschichten, die diffuse Abstrahlcharakteristik sowie eine mögliche preiswerte Fertigung. Anwendungsgebiete sind die Außenbeleuchtung (Kfz-, Straßen-, Stadion¬beleuchtung), Innenraumbeleuchtung (z.B. Industriehallen-, Büro-und Krankenhausbeleuchtung) sowie die Display-Technologie.

Die Anwendungen mit beleuchtenden Aufgaben verlangen ein hohes Maß an Funktionalität, Zuverlässigkeit und Stabilität sowie einen hohen Lichtstrom und hohe Leuchtdichtewerte. Die Applikationen mit signalgebenden Geräten wie TV-Anlagen, Monitoren oder Verkehrsanlagen (Ampel, Heckleuchten) benötigen moderate Leuchtdichtewerte bis zu einigen Tausend cd/m2 und eröffnen der OLED-Technologie eine mögliche breite Anwendung.

 

Der Autor

Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh ist seit 2006 Professor für Lichttechnik im Fachbereich Elektro-und Informationstechnik der TU Darmstadt. Seine Forschungsschwerpunkte sind u.a. LEDs, OLEDs und Laser für die adaptive Auto¬mobilbeleuchtung, optoelektronische Elemente und Systeme sowie Display-Technologien. Nach dem Maschinenbaustudium und der Promotion an der Fakultät für Physik und elektronische Bauelemente der TU Illmenau war er über 15 jahre als Entwicklungsingenieur, Labor- und Projektleiter tätig.