Team 4

Licht aus Kristallen - Leuchtdioden erobern unseren Alltag

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Beschreibung der Innovation
Das Resultat unserer Innovation ist eine leistungsfähige LED-Lichtquelle mit dem Potenzial, in die Domäne konventioneller Lichtquellen eindringen zu können. Eine „LED“ ist immer aus drei Elementen aufgebaut: dem LED-Chip, der das Licht erzeugt, dem LED-Gehäuse (neudeutsch „package“) und einer Optik, die das Licht in die gewünschte Form bringt. Die vorgeschlagene LED-Lichtquelle betrifft alle drei Bereiche.

Der LED-Chip
Bei Osram Opto Semiconductors wurde ein Herstellungsverfahren für LED-Chips entwickelt, mit dem (erstmals) eine Metallschicht im Inneren der LED eingebaut werden kann. Diese Metallschicht dient als Spiegel für das intern erzeugte Licht und reflektiert dieses zur Chipoberseite, von wo es schließlich ausgekoppelt wird. Die Entwicklung wurde getrieben von dem Ziel, mehr Licht aus dem Inneren der LED- Chips zu extrahieren und damit effizientere LEDs herstellen zu können. Mit der Entwicklung wurde bei Osram 1999 begonnen. 2002 kam das erste kommerzielle Produkt in Form einer rot emittierenden Dünnfilm-LED auf den Markt. Seit dieser Zeit stellt Osram die effizientesten roten und gelben LEDs weltweit her. Kurze Zeit später wurden auch blaue Dünnfilm-LEDs („ThinGaN“) eingeführt, die die Grundlage für weißes Licht sind. Inzwischen setzt Osram die Dünnfilmtechnologie für alle gängigen Materialsysteme ein – für infrarotes Licht ebenso wie für alle „sichtbaren” LED-Farben.

Die sogenannte Dünnfilmtechnologie bietet zahlreiche neue Möglichkeiten bei der Herstellung von LEDs. Da das Licht fast ausschließlich durch die Chipoberseite austritt, kann die Chipfläche und damit die abgestrahlte Lichtmenge bei gleichbleibend hoher Effizienz vergrößert werden. Dies ist zum Beispiel eine für Beleuchtungsanwendungen zwingende Voraussetzung. Durch die Dünnfilmtechnologie hat Osram nun die Möglichkeit, mit Leistungs-LEDs grosse (für LED-Verhältnisse) Lichtpakete mit hoher Effizienz herzustellen. Aus der Eigenschaft der Dünnfilmchips, das Licht nur durch die Oberfläche abzustrahlen, ergibt sich auch ein zweiter Vorteil. Die Chips können in Multi-Chip-Gehäusen dicht nebeneinander platziert werden, ohne sich gegenseitig, durch Lichtabstrahlung über die Seitenflanken, zu beeinträchtigen. An dieser Stelle kommt der zweite Teil unserer Innovation ins Spiel.

Das LED-Gehäuse
Mit der OSTAR Gehäuseplattform hat Osram eine Familie von Hochleistungsgehäusen entwickelt, die genau auf die Vorteile der Dünnfilmchips zugeschnitten sind. In einem OSTAR Gehäuse können mehrere Leistungschips nebeneinander platziert werden. Dabei ist das Gehäuse so aufgebaut, dass es die von den Chips bei hohen Strömen produzierte Abwärme effizient nach unten abführen kann. Da Osram als einziger Hersteller der Welt LED-Chips aus allen Materialsystemen (das heißt für alle Farben und sogar für den infraroten Bereich) mit derselben Technologie produziert, haben alle Chips dieselben Abstrahleigenschaften und sind perfekt mischbar. Somit können in einer OSTAR LED sowohl blaue, rote als auch grüne Chips eingesetzt werden. Je nach Ansteuerung können Millionen von Farben, inklusive Weiß „gemischt“ werden. Gerade für den Einsatz der LED in der Allgemeinbeleuchtung wird das Gehäuse nur mit weißen Chips bestückt.

Ohne die Möglichkeit, große LED-Chips dicht nebeneinander zu platzieren und damit eine hohe Leuchtdichte zu erzeugen, wären viele attraktive Anwendungen für LEDs kaum denkbar. Überall dort, wo das Licht in ein optisches System eingespeist werden muss, ist die Leuchtdichte der Lichtquelle der begrenzende Parameter. Daher profitieren Anwendungen wie Autoscheinwerfer und LED-Projektoren ganz besonders von den OSTAR LEDs.

Die Optik
Obwohl die Osram LED-Chips das Licht nur durch ihre Oberseite abstrahlen, geht es von dort aus in alle Richtungen des Raumes. Wirklich nutzbar ist jedoch nur das Licht, das fast senkrecht nach oben läuft, während alles andere Licht für die Anwendung verloren ist. Hier kommt der dritte Teil unserer Erfindung ins Spiel. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF wurden neuartige Optiken, bestehend aus einer Primäroptik und einer Sekundäroptik, entwickelt. Die Primäroptik ist ein sogenannter Konzentrator, der das an der Chipoberfläche austretende Licht einsammelt und in die Nutzrichtung bündelt. Einmal in diesen optischen Bauelementen gefangen, gibt es für das Licht keine andere Möglichkeit, als sich zu dessen Oberfläche zu bewegen und unter einem in Grenzen– speziell für die entsprechende Anwendung einstellbaren Winkel –auszutreten. Diese Entwicklung beinhaltete das Design der mikrooptischen Elemente, ihre Herstellung mittels Ultrapräzisions-Diamantdrehen sowie ihre Charakterisierung und optische Vermessung. Die Sekundäroptik sorgt für die Umverteilung des Lichts, das heißt ein bestimmtes, gewünschtes Intensitätsprofil wird erzeugt. Je nach Einsatzgebiet der OSTAR LED werden unterschiedliche Sekundäroptiken eingesetzt. In einem LED-Projektor besteht sie aus zwei gekreuzten Arrays zylindrischer Optiken. In einem Frontscheinwerfer eines Autos wird das Licht dagegen von einer zusätzlichen Optik auf die Strasse projiziert.

Mit der Entwicklung der Dünnfilmchips ist es Osram Opto Semiconductors gelungen, die LED-Technologie weltweit zu revolutionieren. LEDs sind nun auf dem Weg, als effiziente und leistungsstarke Lichtquelle herkömmliche Lösungen zu ergänzen, machen aber auch durch ihre speziellen Eigenschaften (wie Größe oder Lebensdauer) ganz neue Anwendungen möglich. Das Gleiche gilt für die OSTAR Gehäuseplattform mit den integrierten Optiken des Fraunhofer IOF. Alle drei Elemente sind perfekt aufeinander abgestimmt und eröffnen als „Dreamteam der LED-Technologie“ einzigartige Möglichkeiten für das Licht aus Halbleitern.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Licht aus Kristallen – Leuchtdioden erobern unseren Alltag“ wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft eingereicht.