Remote-Phosphor-LEDs für ein Plus an Lichtqualität und Effizienz

Lichtdesigner sind heutzutage nicht nur auf der Suche nach Energieeffizienz und der erwarteten langen Betriebsdauer von LEDs, sondern auch nach höherer Lichtqualität und Farbstabilität. Mit Remote-Phosphor-Technologie erreichen LED-Leuchten mühelos diese nächste Stufe. Lance Hemmings, Global Product Group Manager von RS Components, erklärt.

 

Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung weiß leuchtender LEDs sieht vor, einen blauen Chip (auch als Pumpe bezeichnet) zusammen mit einer Schicht Phosphor – für gewöhnlich in einem Gelbton – zu verwenden. Dabei wird diese Phosphorschicht direkt auf den Chip aufgetragen. Der Phosphor absorbiert Licht mit einer blauen Wellenlänge und emittiert im Gegenzug Photonen mit größeren Wellenlängen. Das Ergebnis: Monochromatisches Licht wird in weißes Licht mit breitem Spektrum umgewandelt. Seit ihrer Entwicklung für den kommerziellen Gebrauch im Laufe der 1990er Jahre werden auch heute noch zahlreiche Abweichungen des Phosphor-wandelnden Prozesses, des Trägermaterials und des „Phosphor-Rezeptes“ weitläufig verwendet, um ein breites Spektrum moderner LEDs für zahlreiche Beleuchtungssysteme herzustellen.

 

Zahlreiche Hersteller sind weiterhin bedacht, die Techniken zur Umwandlung von Phosphor weiter zu entwickeln, um neben der Effizienz und der Leuchtstärke der Komponenten auch die Gleichmäßigkeit der Farbe zu steigern und zugleich die Chip-Größe und die Herstellungskosten zu senken. Ein bedeutender Punkt hinsichtlich dieser Eigenschaften ist das Wärmemanagement.

 

Eine neu aufkommende Methode mit zunehmender Beliebtheit ist die sogenannte Remote-Phosphor-Technologie, bei der die Phosphorschicht nicht in direktem Kontakt mit dem Chip steht. Normalerweise enthält ein solches Modul eine Licht-mischende Kammer mit hochgradig reflektierenden Seitenflächen, die physisch von dem Chip getrennt sind. Wird nun der Phosphor von dem Chip entfernt, kann die Wärme besser abgeleitet werden, was wiederum zu gesteigerter Effizienz, Leuchtstärke und Zuverlässigkeit führt und das Risiko einer Farbverschiebung im Laufe der Zeit verringert.

 

Zudem wird aktuell an der Entwicklung deutlich komplexerer Phosphor-Rezepte mit zwei oder gar drei phosphorhaltigen Komponenten gearbeitet, um eine bessere Farbwiedergabe und einen höheren R9-Wert (bessere Wiedergabe tiefer, gesättigter Rot-Töne) zu erzielen.

 

Für besonders langlebige Produkte mit einer Betriebsdauer von mehr als 50.000 Stunden eignen sich Phosphorvarianten wie grünes Aluminat, rotes Nitrid und YAG am besten. Die Herstellung von Remote-Phosphor-LEDs soll zudem Verpackungsprozesse vereinfachen – insbesondere bei Modulen mit Chip on Board(COB)-Techniken.

 

 

Kostengünstig

Die Ursprünge der Remote-Phosphor-Technologie reichen zurück in die 1980er Jahre, als sie in den ersten digitalen Instrumententafeln von Autos zum Einsatz kam. Für Anwendungen in Beleuchtungssystemen wurden Remote-Phosphor-LEDs jedoch erst Mitte der 2000er Jahre von Unternehmen wie Philips und Intematix eingeführt. Die Produkte dieser ersten Stunde waren dabei oftmals teurer als weiße LEDs mit Phosphor-Umwandlung, sodass die ersten Schritte dieser Technologie trotz besserer Leistungsdaten nur sehr zaghaft verliefen. Dank verbesserter Prozesse sind die Anschaffungspreise dieser Produkte inzwischen jedoch auf einer konkurrenzfähigeren Stufe angekommen. Verfechter der Remote-Phosphor-Technologie heben zudem hervor, dass die Kosten für LEDs weniger ins Gewicht fallen, wenn die Gesamtkosten auf Modul- und Systemebene betrachtet werden. So ist beispielsweise bei Remote-Phosphor-Systemen kein Diffuser erforderlich, während dank höherer Lichtausbeuten weniger LEDs erforderlich sind und das Wärme-Management und die Treiber-Elektronik vereinfacht werden können.

 

 

Remote-Phosphor-LED-Technologie wie die von Intematix und der Reihe ChromaLit kann mehr Effizienz bieten und gleichzeitig sehr kostenwirksam sein.

 

Ein möglicher Nachteil von Remote-Phosphor-LEDs ist jedoch, dass sie in ausgeschaltetem Zustand oftmals gelb bzw. orange wirken. In manchen Anwendungen kann das durchaus störend sein. Intermatix hat sich diesem Problem jedoch gewidmet und eine Reflexionsschicht zu der Remote-Phosphor-Optik hinzugefügt, mit deren Hilfe die Reflexion blauen Lichts verstärkt werden soll, um dem gelblichen/orangen Effekt entgegenzuwirken.

 

 

Effizienz

Ein wesentlicher Vorteil von LED-Leuchten in zahlreichen Anwendungen besteht darin, dass sie deutlich weniger Wärme als beispielsweise Halogen-Leuchten erzeugen. Nichtsdestotrotz entsteht auch bei LEDs Wärme, wenn ein Strom durch sie hindurch fließt, die abgeleitet werden muss. Ebenso wie bei anderen Halbleiter-Technologien können zu hohe Temperaturen an Verbindungspunkten die Leistungsfähigkeit von LEDs im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Bei LEDs kann der Abbau der Epoxid-/Phosphor-Schicht die Leuchtintensität verringern, die Farbstabilität beeinträchtigen und die Betriebsdauer senken. Wird der Strom jedoch begrenzt, ist auch die Lichtleistung eingeschränkt. Somit ist stets zwischen Lichtleistung und Wärmeproblemen abzuwägen. Zahlreiche Hersteller sind ständig auf der Suche nach Prozessen, die die Lichtleistung maximieren, Wärmeprobleme beseitigen und die Abmessungen zudem gering halten. Verringerte Energieeffizienz ist ein weiterer Faktor, der bei dem Anheben der Stromstärke berücksichtigt werden sollte.

Die höhere Effizienz der Remote-Phosphor-Technologie wird vor allen Dingen bei Glühbirnen mit hoher Lichtleistung besonders deutlich. Remote-Phosphor-LEDs werden zunehmend als Austauschprodukt eingesetzt, beispielsweise um Glühlampen mit 100 W und 150 W zu ersetzen und deutlich hellere lineare Leuchten anstelle von Leuchtstofflampen in Anwendungen mit hoher Leuchtintensität zu verwenden.

So führt beispielsweise Intematix die Reihe CL-840-L152-XT mit einer typischen Lichtleistung von 4300 lm oder, anders ausgedrückt, 210 lm pro abgestrahltem Watt. Die Lichtstärke an der Oberfläche reicht dabei von 500 bis 2500 lm pro Linearfuß. Der CRI liegt bei 80, die Farbtemperatur bei 4000 K. Bei Integration in verschiedene Module liefern diese Komponenten normalerweise 163 lm/W auf Systemebene. Die neueste ChromaLit-Linear-Reihe steigert die Leistung hinsichtlich langfristig gleichmäßiger Leuchtdichte und bietet zudem ein weißes Off-State-Finish.

Mit diesen Eigenschaften eignen sich moderne Halbleitergeräte ausgesprochen gut für Anwendungen wie die Beleuchtung von Panels sowie für Einbauleuchten und Hochlagerbeleuchtungssysteme. Zuvor stellt so manche dieser Anwendungen eine echte Herausforderung für LEDs dar, da die punktförmigen Lichtquellen gestreut werden müssen, was letztlich wiederum die Effizienz des Systems beeinträchtigt.

 

Farbstabilität und Gleichmäßigkeit

Die Farbstabilität ist besonders wichtig, um die Gleichmäßigkeit der Farbe auch auf lange Sicht beizubehalten. Bei höheren Temperaturen an den Verbindungspunkten kann der Phosphor abgebaut werden, was letztlich Farbveränderungen zur Folge hat. Dieses Problem wird noch verstärkt, wenn beispielsweise verschiedene Chips in linearen Einheiten verwendet werden, da die LEDs in diesen Fällen ihre Farbe mit unterschiedlicher Intensität wechseln. Das Ergebnis: ein ungleichmäßiges Erscheinungsbild und ungewünschte Lichteffekte. Da die wärmeerzeugende LED bei Remote-Phosphor-Produkten nicht in direktem Kontakt mit dem Phosphor steht, verringert diese Technologie das Risiko einer Farbverschiebung erheblich.

 

Farbtemperatur

Durch Änderungen des „Phosphor-Rezepts“, bestehend aus der präzisen Wellenlänge und der Dicke der Phosphorschicht, kann die Farbtemperatur der LED angepasst werden. Dies ist ein natürlicher Vorteil von Remote-Phosphor- und Phosphor-wandelnden LEDs. Eine sorgfältig ausgewählte Mischung aus rotem, orangem, gelbem und grünem Phosphor erlaubt Herstellern, LEDs für bestimmte Farbtemperaturen zu fertigen – von warm- bis kühlweiß. Ebenso können verschiedene Chips mit unterschiedlichem CCT miteinander kombiniert und so programmiert werden, dass der Benutzer die gewünschte Farbtemperatur selbst einstellen kann.

Bei Prozessen mit Remote-Phosphor werden speziell entwickelte Phosphor-Scheiben bzw. -Streifen (je nach Form des Chips) verwendet. Nach Einbau in ein Modul kann der Benutzer die Farbtemperatur selbst „programmieren“, sodass das Licht beispielsweise wärmer wirkt, wenn es gedimmt wird, und kühler erscheint, wenn die Helligkeit erhöht wird. Diese Funktion ist besonders für dimmbare Leuchten in Einbauleuchten, Akzent-Leuchten und Spotlights für Gastronomie- und Gebäudebeleuchtung sowie für einige wenige Verbraucherprodukte wichtig.

 

Module und Baugruppen

Aufgrund der benötigten Mischkammer hinter der Optik verfügen LEDs mit Remote-Phosphor-Technologie allgemein über einen etwas tieferen Aufbau. In den meisten Anwendungen gilt dieser Punkt nicht als besonders große Hürde, doch manche Bereiche erfordern Module, deren Profil so flach wie nur möglich gehalten wird. Hinzu kommt, dass die Phosphor-Scheiben bzw. -Streifen in nahezu jede nur erdenkliche Form gebracht werden können, sodass sie Lichtdesignern zusätzliche Flexibilität bieten.

Auch Intematix trägt diesem Punkt Rechnung und führt runde, viereckige, elliptische, gewölbte, kerzen-, panel- und streifenförmige Chips. Die Reihe ChromaLit Dome, beispielsweise, eignet sich hervorragend für Austauschlampen in Hängeleuchten, Wandleuchter und Deckenleuchten. Hierzu zählen mitunter die CL-930-DOM40-PC-Leuchten mit einer Lichtleistung von 600 bis 1000 lm, einer typischen Wandlungseffizienz von 150 lm/abgestrahltem W, einem CCT von 3000 und einem CRI von 90. Die Abmessungen betragen dabei 42 mm als Basisdurchmesser und 26,1 mm in der Höhe.

Für Spotlights, Module, Einbau- und Flächenleuchten bietet die Reihe ChromaLit XT/XTS zahlreiche Modelle mit Lichtleistungen zwischen 500 und 10.000 lm und Farbtemperaturen von 2700 bis 5000 CCT. Mit die Speerspitze dieser Reihe ist die CL-750-R100-XT mit einer Lichtleistung von 10.000 lm bei 230 lm/abgestrahltem W, einem CCT von 5000 und einem CRI von 70. Für Anwendungen in kleineren Spots bietet CL-927-R23-PC hingegen eine Lichtleistung von 500 lm mit einem CCT von 2700 und einem CRI von 80. Die Abmessungen fallen dabei mit einem Durchmesser von 22,5 mm entsprechend kleiner aus als bei ihrem größeren Nachbarn mit 100 mm.

 

Fazit

Die Remote-Phosphor-LED-Technologie hat das Potenzial für mehr Effizienz, eine höhere Lichtleistung und eine gesteigerte Lichtqualität kombiniert mit den erwarteten Vorteilen in Sachen Energieeffizienz und Langlebigkeit. Bei der Betrachtung der Kosten auf Modul- bzw. Systemebene anstelle jeder einzelnen LED kann die Remote-Phosphor-Technologie sowohl für Ersatzgeräte, als auch für komplett neue Beleuchtungssysteme eine preiswerte Lösung bieten.