Ein vom israelischen Unternehmen Oree mit Unterstützung des Fraunhofer IZM entwickelter LED-Aufbau könnte in den nächsten Jahren den Markt für Flachbildschirme revolutionieren. Denn aufgrund einer speziellen Aufbautechnik sind die LEDs nicht nur überdurchschnittlich farbecht; sie lassen sich auch in riesigen Flächen fertigen - theoretisch in jeder beliebigen Größe.
Die Vorzüge von LEDs als Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen sind neben der langen Haltbarkeit und Unempfindlichkeit gegenüber schnellen Schaltfolgen und Erschütterungen die flache Bauform, die lückenlose Aneinanderreihbarkeit, die durchstimmbare Farbe und die Energieeffizienz, die schon heute im Bereich von Neonröhren liegt. Weitere Steigerung der Energieeffizienz ist zu erwarten. Im Gegensatz zur normalen Glühbirne wird jedoch die entstehende Verlustleistung nicht in Form von Wärmestrahlung abgegeben, sondern muss über das Gehäuse abgeführt werden. Und anders als bei der Neonröhre steht hierfür nur eine sehr geringe Fläche zur Verfügung.
Doch mit zunehmender Verbreitung der LED-Technologie steigt der Bedarf an Problemlösungen, gerade bei High-End-Geräten wie LCD-Projektoren, Head-up-Displays oder der Beleuchtung im Straßenverkehr. Denn hier ist kontinuierliche Farbechtheit mitunter der entscheidende Marktvorsprung.
Solcher Problemstellungen haben sich Forscher des Fraunhofer IZM angenommen. Neben langfristigen Förderprojekten mit Partnern wie odelo oder Litec gibt es hier direkte Industrieaufträge mit Chip- und Modulherstellern in Deutschland, dem Europäischen Ausland oder den USA.
Ein aktuelles Beispiel ist die Zusammenarbeit mit dem jungen israelischen Unternehmen Oree Advanced Illumination Solutions, das auf optische Technologien für Flachbildschirme spezialisiert ist. Mit den Fraunhofer-Prozessen wurde hier die Entwicklung der ersten dünnflächigen, flexiblen LED-Beleuchtung auf den Weg gebracht. In der Hauptsache besteht das System aus einer transparenten, 800 µm dünnen Polymerschicht, in die einzelne oder mehrere LEDs eingebettet sind. Für die Bildschirm-Technologie funktioniert das Polymer als Mixer, der die Grundfarben rot, grün und blau (RGB) überaus effektiv zu weißem Licht kombiniert. Gleichzeitig wird das Licht homogen auf eine große Fläche verteilt, um eine gleichmäßige Ausleuchtung von Displays mit mehr als 42" zu gewährleisten. Das Fraunhofer IZM hat hierfür einerseits ein systemangepasstes Entwärmungskonzept entwickelt, simuliert und in der praktischen Umsetzung verifiziert. Andererseits hat es die Aufbau-und Verbindungstechnologie entwickelt, die eine entsprechend optimierte Entwärmung überhaupt ermöglicht. Die hohe Zuverlässigkeit der LED-Module wird gegenwärtig in einer Langzeitstudie bestätigt.
Zusatzinfo Weißlichterzeugung durch LEDs
Generell ist es kompliziert, mit LEDs weißes Licht herzustellen. Jedes der drei grundlegenden Prinzipien hat Nachteile. Weißes Licht aus blauen LEDs mit Gelbkonverter ist sehr effizient und kann mit einer hohen Leuchtdichte generiert werden, hat aber einen schlechten Color Rendering Index. Dies bedeutet, dass angestrahlte Objekte nicht mit denselben Farben erscheinen, wie sie es in normalem Sonnenlicht tun würden. Außerdem würde im spektralen Bereich für die grünen und roten Pixel des LCD-Displays nicht ausreichend Licht generiert werden.
UV-LEDs mit verschiedenen Konvertern für den roten, grünen und blauen Bereich emittieren sehr natürliches und homogenes Licht im gesamten Wellenlängenbereich. Sie gelten aber aufgrund der geringen Effizienz der UV-LEDs und dem hohen, aber unvermeidbaren Energieverlust bei der Konvertierung (Stokes-Shift) als nicht sehr sparsam.
Das Licht aus einzelnen roten, grünen und blauen LEDs zu erzeugen, hat wiederum die Nachteile, dass die Farben sehr gut gemischt werden müssen und die Farbzusammensetzung mit der Temperatur und dem Alter der LED-Module schwankt. Damit muss die Farbe aktiv nachgeregelt werden. Der CRI ist bei dieser RGB-Lösung zwar auch nicht so hoch, da LEDs relativ schmalbandiger emittieren, dies ist aber bei Fernsehern von geringer Bedeutung, da die angestrahlte Umgebung nur sekundär wahrgenommen wird. Hierbei ist primär darauf zu achten, dass die Peakwellenlängen der LEDs auf die Farbfilter des LCD-Displays abgestimmt sind.
Zusatzinfo LED-Packaging:
Bei ihren Untersuchungen ermitteln die Forscher des Fraunhofer IZM zunächst, ob eine Mehrchip-Lösung (z.B. RGB), eine Einzelchip-Lösung mit Konverter oder sogar ein monochromatischer Aufbau den Anforderungen am besten entspricht, denn jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. Durchstimmbarkeit der Farbe, Leuchtdichte, Farbtreue und nicht zuletzt die angestrebten Fertigungskosten fließen in diese Entscheidung ein. Wenn das Modul hinsichtlich Funktionalität, Abmessungen und Wärmeübergang spezifiziert wurde, beginnt die eigentliche Aufgabe des Fraunhofer IZM. Entsprechend den angestrebten Modulkosten werden Materialien ausgewählt, die eine optimale Entwärmung bei hoher Zuverlässigkeit gewährleisten. Hierbei stehen nicht nur jahrelange Erfahrungen aus dem LED-Bereich zur Verfügung, sondern darüber hinaus aus dem wesentlich kritischeren Laser-Packaging. Das gesamte Modul kann dann thermisch und thermomechanisch simuliert werden. Anschließend wird ein Prozess zum Aufbau des LED-Moduls entwickelt, der produktionstauglich ist und ggf. auf das Equipment potenzieller Fertiger transferiert werden kann.
Da es für die homogene Weißlichterzeugung mit Konvertern bislang keinen zufriedenstellenden Prozess gibt, hat das Fraunhofer IZM eine Folientechnologie entwickelt, bei der der Konverter als freistehende Folie oder mit einem Träger hergestellt und verwendet wird. Diese Folie kann vor dem Verbund mit dem teuren Halbleiterelement vermessen und selektiert werden, wodurch bei der Herstellung weniger Verluste in der Endkontrolle entstehen. Zudem verbessert die Folie durch die gleichbleibende Schichtdicke die räumliche Farbhomogenität.
Vielfach greifen Hersteller auch auf das LED-Know-how des Fraunhofer IZM zurück, um Fehleranalysen durchführen zu lassen oder die Versprechungen von Zulieferern im Vorfeld abzuklären.
Zusatzinfo weitere optische Technologien am Fraunhofer IZM:
Technologielösungen des Fraunhofer IZM finden sich in unzähligen optischen Anwendungen. So gilt es z.B. eine Entwärmung von über 20 W/mm² oder eine Punktlichtquelle mit homogener Farbverteilung für ein Display zu realisieren. Im Bereich der Hintergrundbeleuchtung für LCD-Fernseher müssen beispielsweise hohe Verlustleistungen trotz schlechter Entwärmungsbedingungen und eine indexoptimierte dauerhafte optische Anbindung an den Lichtleiter erreicht werden. Hierbei wird der Brechungsindex entsprechend angepasst, damit nicht zuviel Licht in die Quelle zurückreflektiert wird.Projekte aus dem Automobilbereich etwa haben die Qualifizierung verschiedener Kunststoffe wie Epoxyde, Polyurethane und Silicone für den Verguss und die Einbindung des Konvertermaterials zur Folge. Und wieder andere Ansprüche müssen bei der Implementierung von LEDs in Textil realisiert werden. Mit der beginnenden Durchsetzung der LED für die allgemeine Beleuchtung steigen auch die Anfragen nach den Konverterfolien, bei denen inzwischen eine gleichbleibende Farbtemperatur von bis zu 50 K erreicht wird. Durch Ausfallanalysen konnten gezielte Produktionskontrollen implementiert werden, die eine hohe Produktzuverlässigkeit ermöglichen oder Ansprüche an Zulieferer geklärt haben, bei denen es zu Unregelmäßigkeiten gekommen ist. In anderen Fällen hat die Qualifizierung von LED-Chips im Vorfeld die Varianten für eine Produktentwicklung stark eingeschränkt und so Kosten und Zeit gespart.
Die Vorzüge von LEDs als Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen sind neben der langen Haltbarkeit und Unempfindlichkeit gegenüber schnellen Schaltfolgen und Erschütterungen die flache Bauform, die lückenlose Aneinanderreihbarkeit, die durchstimmbare Farbe und die Energieeffizienz, die schon heute im Bereich von Neonröhren liegt. Weitere Steigerung der Energieeffizienz ist zu erwarten. Im Gegensatz zur normalen Glühbirne wird jedoch die entstehende Verlustleistung nicht in Form von Wärmestrahlung abgegeben, sondern muss über das Gehäuse abgeführt werden. Und anders als bei der Neonröhre steht hierfür nur eine sehr geringe Fläche zur Verfügung.
Doch mit zunehmender Verbreitung der LED-Technologie steigt der Bedarf an Problemlösungen, gerade bei High-End-Geräten wie LCD-Projektoren, Head-up-Displays oder der Beleuchtung im Straßenverkehr. Denn hier ist kontinuierliche Farbechtheit mitunter der entscheidende Marktvorsprung.
Solcher Problemstellungen haben sich Forscher des Fraunhofer IZM angenommen. Neben langfristigen Förderprojekten mit Partnern wie odelo oder Litec gibt es hier direkte Industrieaufträge mit Chip- und Modulherstellern in Deutschland, dem Europäischen Ausland oder den USA.
Ein aktuelles Beispiel ist die Zusammenarbeit mit dem jungen israelischen Unternehmen Oree Advanced Illumination Solutions, das auf optische Technologien für Flachbildschirme spezialisiert ist. Mit den Fraunhofer-Prozessen wurde hier die Entwicklung der ersten dünnflächigen, flexiblen LED-Beleuchtung auf den Weg gebracht. In der Hauptsache besteht das System aus einer transparenten, 800 µm dünnen Polymerschicht, in die einzelne oder mehrere LEDs eingebettet sind. Für die Bildschirm-Technologie funktioniert das Polymer als Mixer, der die Grundfarben rot, grün und blau (RGB) überaus effektiv zu weißem Licht kombiniert. Gleichzeitig wird das Licht homogen auf eine große Fläche verteilt, um eine gleichmäßige Ausleuchtung von Displays mit mehr als 42" zu gewährleisten. Das Fraunhofer IZM hat hierfür einerseits ein systemangepasstes Entwärmungskonzept entwickelt, simuliert und in der praktischen Umsetzung verifiziert. Andererseits hat es die Aufbau-und Verbindungstechnologie entwickelt, die eine entsprechend optimierte Entwärmung überhaupt ermöglicht. Die hohe Zuverlässigkeit der LED-Module wird gegenwärtig in einer Langzeitstudie bestätigt.
Zusatzinfo Weißlichterzeugung durch LEDs
Generell ist es kompliziert, mit LEDs weißes Licht herzustellen. Jedes der drei grundlegenden Prinzipien hat Nachteile. Weißes Licht aus blauen LEDs mit Gelbkonverter ist sehr effizient und kann mit einer hohen Leuchtdichte generiert werden, hat aber einen schlechten Color Rendering Index. Dies bedeutet, dass angestrahlte Objekte nicht mit denselben Farben erscheinen, wie sie es in normalem Sonnenlicht tun würden. Außerdem würde im spektralen Bereich für die grünen und roten Pixel des LCD-Displays nicht ausreichend Licht generiert werden.
UV-LEDs mit verschiedenen Konvertern für den roten, grünen und blauen Bereich emittieren sehr natürliches und homogenes Licht im gesamten Wellenlängenbereich. Sie gelten aber aufgrund der geringen Effizienz der UV-LEDs und dem hohen, aber unvermeidbaren Energieverlust bei der Konvertierung (Stokes-Shift) als nicht sehr sparsam.
Das Licht aus einzelnen roten, grünen und blauen LEDs zu erzeugen, hat wiederum die Nachteile, dass die Farben sehr gut gemischt werden müssen und die Farbzusammensetzung mit der Temperatur und dem Alter der LED-Module schwankt. Damit muss die Farbe aktiv nachgeregelt werden. Der CRI ist bei dieser RGB-Lösung zwar auch nicht so hoch, da LEDs relativ schmalbandiger emittieren, dies ist aber bei Fernsehern von geringer Bedeutung, da die angestrahlte Umgebung nur sekundär wahrgenommen wird. Hierbei ist primär darauf zu achten, dass die Peakwellenlängen der LEDs auf die Farbfilter des LCD-Displays abgestimmt sind.
Zusatzinfo LED-Packaging:
Bei ihren Untersuchungen ermitteln die Forscher des Fraunhofer IZM zunächst, ob eine Mehrchip-Lösung (z.B. RGB), eine Einzelchip-Lösung mit Konverter oder sogar ein monochromatischer Aufbau den Anforderungen am besten entspricht, denn jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. Durchstimmbarkeit der Farbe, Leuchtdichte, Farbtreue und nicht zuletzt die angestrebten Fertigungskosten fließen in diese Entscheidung ein. Wenn das Modul hinsichtlich Funktionalität, Abmessungen und Wärmeübergang spezifiziert wurde, beginnt die eigentliche Aufgabe des Fraunhofer IZM. Entsprechend den angestrebten Modulkosten werden Materialien ausgewählt, die eine optimale Entwärmung bei hoher Zuverlässigkeit gewährleisten. Hierbei stehen nicht nur jahrelange Erfahrungen aus dem LED-Bereich zur Verfügung, sondern darüber hinaus aus dem wesentlich kritischeren Laser-Packaging. Das gesamte Modul kann dann thermisch und thermomechanisch simuliert werden. Anschließend wird ein Prozess zum Aufbau des LED-Moduls entwickelt, der produktionstauglich ist und ggf. auf das Equipment potenzieller Fertiger transferiert werden kann.
Da es für die homogene Weißlichterzeugung mit Konvertern bislang keinen zufriedenstellenden Prozess gibt, hat das Fraunhofer IZM eine Folientechnologie entwickelt, bei der der Konverter als freistehende Folie oder mit einem Träger hergestellt und verwendet wird. Diese Folie kann vor dem Verbund mit dem teuren Halbleiterelement vermessen und selektiert werden, wodurch bei der Herstellung weniger Verluste in der Endkontrolle entstehen. Zudem verbessert die Folie durch die gleichbleibende Schichtdicke die räumliche Farbhomogenität.
Vielfach greifen Hersteller auch auf das LED-Know-how des Fraunhofer IZM zurück, um Fehleranalysen durchführen zu lassen oder die Versprechungen von Zulieferern im Vorfeld abzuklären.
Zusatzinfo weitere optische Technologien am Fraunhofer IZM:
Technologielösungen des Fraunhofer IZM finden sich in unzähligen optischen Anwendungen. So gilt es z.B. eine Entwärmung von über 20 W/mm² oder eine Punktlichtquelle mit homogener Farbverteilung für ein Display zu realisieren. Im Bereich der Hintergrundbeleuchtung für LCD-Fernseher müssen beispielsweise hohe Verlustleistungen trotz schlechter Entwärmungsbedingungen und eine indexoptimierte dauerhafte optische Anbindung an den Lichtleiter erreicht werden. Hierbei wird der Brechungsindex entsprechend angepasst, damit nicht zuviel Licht in die Quelle zurückreflektiert wird.Projekte aus dem Automobilbereich etwa haben die Qualifizierung verschiedener Kunststoffe wie Epoxyde, Polyurethane und Silicone für den Verguss und die Einbindung des Konvertermaterials zur Folge. Und wieder andere Ansprüche müssen bei der Implementierung von LEDs in Textil realisiert werden. Mit der beginnenden Durchsetzung der LED für die allgemeine Beleuchtung steigen auch die Anfragen nach den Konverterfolien, bei denen inzwischen eine gleichbleibende Farbtemperatur von bis zu 50 K erreicht wird. Durch Ausfallanalysen konnten gezielte Produktionskontrollen implementiert werden, die eine hohe Produktzuverlässigkeit ermöglichen oder Ansprüche an Zulieferer geklärt haben, bei denen es zu Unregelmäßigkeiten gekommen ist. In anderen Fällen hat die Qualifizierung von LED-Chips im Vorfeld die Varianten für eine Produktentwicklung stark eingeschränkt und so Kosten und Zeit gespart.
