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28.01.2008 - 

Kalt oder warm leuchtend

LEDs werden lichtstärker

Seit der Erfindung 1962 wurden Leuchtdioden (LEDs) durch neue Halbleitermaterialien immer weiter verbessert. Sie erreichen heute schon eine Effizienz von über 100 Lumen pro Watt, vergleichbar mit der Leuchtstoffröhre.

Von Klaus Hauptfleisch

Entwicklungsstand von Hochleistungs-LEDs

Material

AlGalnP

InGaN

Hersteller

Lumileds

Osram

Epistar

Nichia

Lumileds

Osram

Cree

Epistar

Epistar

Launch

Apr. 01

Apr. 04

Okt. 07

Dez. 06

Feb. 07

Dez. 07

Jan. 07

Jun. 07

Okt. 07

Im/W

102

108

145

150

110

85

85

110

75

Wd (nm)

610

615

615

weiß

weiß

weiß

weiß

weiß

weiß

Stromstärke (ma)

-

10

10

20

350

350

350

20

350

Chipgröße(mm)

0,35

0,35

0,35

0,35

1

1

1

0,35

0,35

Galliumnitrit (GaN) oder Galliumphosphit (GaP) sind in der Regel die Halbleitermaterialien für grüne LEDs.
Galliumnitrit (GaN) oder Galliumphosphit (GaP) sind in der Regel die Halbleitermaterialien für grüne LEDs.
Ein LCoS-Chip und eine LED treiben diesen Piko-Beamer von 3M an.
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Der Cadillac Escalade Platinum ist laut Osram der erste Sportflitzer mit serienmäßigen LED-Vollscheinwerfern inklusive Fernlicht.
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Apples neues MacBook Air hat LED-Backlight und soll das leichteste Notebook seiner Klasse sein.
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Der Chocolate-Beamer von LG bringt es mit LED immerhin schon auf eine Helligkeit von 100 Ansi-Lumen.
Der Chocolate-Beamer von LG bringt es mit LED immerhin schon auf eine Helligkeit von 100 Ansi-Lumen.

LEDs, englisch Light Emitting Diodes, also lichtemittierende Dioden oder einfach Leuchtdioden, sind mittlerweile so hell, dass sie sich für eine ganze Reihe von Anwendungen eignen, von der LCD-Hintergrund- über die Straßenbeleuchtung bis hin zu Kfz-Frontscheinwerfern. In Shanghai erstrahlen bereits ganze Straßenzüge im LED-Licht - aus Kostengründen. Mitte Januar hat Osram verkündet, dass der neue "Cadillac Escalade Platinum" der erste Sportwagen mit serienmäßigen LED-Vollscheinwerfern sein wird. Jeder der Scheinwerfer verfügt über sieben "Ostar Headlamp LEDs" des deutschen Herstellers.

Während Xenon-Lampen mit 4.000 Kelvin sehr "kalt" leuchten, sollen die Ostars mit 5.500 Kelvin eine Farbtemperatur wie das Tageslicht haben. Mit Helligkeitswerten von 100 Ansi-Lumen können sich auch LED-Beamer langsam sehen lassen. Die ersten LED-Minis kamen gerade mal auf 25 oder 40 Lumen.

Licht von UV bis Infrarot

Im Gegensatz zu Glühbirnen oder Halogenleuchten sind LEDs keine Temperaturstrahler und sehr Strom sparend. Sie geben das Licht in einem begrenzten Spektralbereich nahezu monochrom ab, verfügen über sehr kurze Schaltzeiten und versprechen eine Lebensdauer von mehreren 1.000 bis über 100.000 Stunden, erfährt man bei Wikipedia.de. Der von einem Kunststoffmantel umhüllte eigentliche LED-Kristall besteht aus Halbleitermaterialien mit chemischen Verbindungen wie Indiumgalliumnitrid oder Kupferplumbid.

Je nach Halbleitermaterial können LEDs (abgesehen von Grün-Gelb) nahezu alle Farben des Spektrums bis hin zu Ultraviolett und Infrarot abdecken. Zum Polymerisieren, sprich Härten, von Kunststoffen verwenden Zahnärzte heute zum Beispiel UV-LEDs.

Weiße LEDs für Backlight & Co.

Um rein weißes Licht mit guten Farbeigenschaften zu erzeugen, werden in der Regel UV-Leuchtdioden oder blaue LEDs aus dem Halbleitermaterial Indiumgalliumnitrid (InGaN) mit verschiedenen Leuchtstoffen überzogen (Rot, Grün Blau oder nur einem gelblichen Leuchtstoff). Andere Hochleistungs-LEDs bestehen aus Aluminiumgalliumindiumphosphit (AlGaInP) und leuchten mit einer Wellenlänge (Wd) von 610 oder 615 Nanometern (nm) eher orange-gelb, also wärmer als die blauen. Das teurere Verfahren für weißes Licht besteht darin, Leuchtdioden verschiedener Farben (Rot, Grün und Blau oder nur Blau und Gelb) miteinander zu kombinieren.

Als Hintergrundbeleuchtung für LCD-Monitore kommen RGB-LEDs nur in sehr hochwertigen Geräten für Grafikdesign wie dem "SpectraView LCD2180 WideGamut LED" von NEC Display Solutions zum Einsatz. Das Ergebnis soll unter anderem ein sehr weiter Farbraum (WideGamut) sein. Neue Quantensprünge in der Lichtausbeute machen blaue LEDs immer attraktiver für die Hersteller von Notebooks und Displays mit LED-Backlight. Denn je heller die LEDs werden, desto weniger müssen davon eingesetzt werden.

Quantensprünge in puncto Helligkeit

Als 1962 die erste LED entwickelt wurde, eignete sie sich mit einer Effizienz von weniger als 0,1 Lumen pro Watt (lm/W) noch nicht einmal als Statusanzeige für Geräte. Hochleistungs-LEDs kommen heute auf über 100 lm/W, vergleichbar mit Leuchtstoffröhren. Im Dezember 2007 hat der japanische Hersteller Nichia im Labortest mit 150 lm/W einen neuen Rekord gebrochen, nur übertroffen von Natriumdampfleuchten (200 lm/W).

Entscheidend ist aber nicht nur die Effizienz, sondern auch die Lichtmenge pro Chip, sprich die Lichtausbeute. Im September 2007 meldete Cree aus North Carolina einen neuen Laborrekord für eine kaltweiße LED mit über 1.000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W und 760 lm bei 52 lm/W für die warm leuchtende Variante aus AlInGaP.

Während die Produkte von Nichia und Cree noch nicht marktreif sind, will Epistar aus Taiwan im Laufe des Jahres mit der Massenproduktion einer Mitte 2007 vorgestellten 110lm/W-LED beginnen, die es auf eine Helligkeit von 1.800 bis 2.000 Millicandela (mcd) bringen soll. Damit eignet sie sich für Notebook-Backlight, wofür mindestens 1.700 mcd nötig sind.

Während die meisten Hochleistungs-LEDs eine Stromaufnahme von 350 Milliampere (mA) haben und somit spezielle Treiberbausteine erforderlich machen, kommen die von Epistar mit 10 mA ohne diese aus und sollen daher kostensparender sein. Lichtschwache LEDs kommen teilweise schon mit 2 mA aus. Die Flussspannung von LEDs reicht, dem Farbspektrum von Infrarot bis UV folgend, von 1,3 bis 4,0 Volt.

Epistar

Notebooks und LED-Backlight

Allzu optimistischen Prognosen über die Penetrationsrate von LED-Backlight bei Notebooks erteilt Epistar aufgrund erwarteter Material- und Chipengpässe eine Abfuhr. Während einige taiwanesische Hersteller für 2008 schon von einem LED-Anteil von 15 Prozent träumen, geht Epistar von unter zehn Prozent aus. Taiwans größter LCD-Panel-Hersteller AU Optronics rechnet mit glatten zehn Prozent.

2007 lag der Anteil der weltweit produzierten Notebooks mit LED-Backlight (LED-BLU) bei knapp drei Prozent. Ende 2007 erreichten die monatlichen Kapazitäten für LED-Chips 4,65 Milliarden Stück weltweit. Da die Japaner wenig Luft für den Ausbau ihrer Kapazitäten haben, hängt ein Großteil der LED-BLU-Produktion an Taiwans Industrie, die laut "Digitimes" Ende 2007 auf einen Weltmarktanteil von 38,3 Prozent kam.

Wichtige Anbieter im Markt für LEDs sind mit Osram und Philips Lumileds auch zwei europäische Unternehmen. Im September 2007 hat Osram eine Ostar als Single-Chip-LED mit einer elektrischen Leistung von aktuell bis zu 22 Watt mit einer Lichtausbeute von 1.100 lm vorgestellt. Bei handelsüblichen LED-Lampen gilt die Faustregel, dass die Leistung in Watt multipliziert mit vier ungefähr der einer Glühlampe entspricht. Die lichtstärksten LEDs sollen es schon auf die vierfache Leistung einer Halogenlampe bringen, handelsüblich liegt der Faktor allerdings bei lediglich zehn zu 7,5 Watt.

LED-Beamer

Seit 2005 machen Mini-Beamer mit LED-Lichtquelle immer mehr von sich reden. Den Anfang machte Mitsubishi in Zusammenarbeit mit Philips Lumileds. Herausgekommen ist ein Gerät mit 250 Lux oder 25 Ansi-Lumen, im Vergleich zu herkömmlichen Projektoren mit UHP-Lampe nicht mehr als eine Funzel.

Viermal so hell ist der von LG Electronics 2007 vorgestellte Chocolate-Beamer "HS101" mit SVGA-Auflösung. Lumileds und Mitsubishi waren auch Jahre führend in der Entwicklung von sogenannten Piko-Projektoren für den Einbau in ein Smartphone etwa. Den Durchbruch könnte ein LCoS-Winzling mit LED-Backlight bringen, denn 3M will auf der CES 2008 das erste marktreife Produkt vorstellen - allerdings nur mit VGA-Auflösung.

Vorteile von LEDs beziehungsweise RGB-LEDs als Lichtquelle von Projektoren gibt es eine Reihe. Mit zehn Watt verbraucht die Lampe nur wenig Strom, sodass die Geräte batteriebetrieben werden können. Die Lampenlebensdauer soll bei bis zu gut 20.000 Stunden liegen, die von UHP-Lampen reicht in der Regel höchstens bis 4.000 Stunden. Die geringe Wärmeentwicklung macht kaum Kühlung erforderlich, was wiederum eine sehr leichte und kleine Bauweise ermöglicht.

Weniger Lüftung heißt auch weniger Geräuschentwicklung. Bei DLP-Minis mit RGB-LEDs entfällt das sich drehende Farbrad - noch eine Lärmquelle weniger. Epson und NEC haben gezeigt, dass 3LCD-Technik und LED-Lichtquelle einander nicht ausschließen.

Die mit 570 Lumen hellste LED-Lampe für Projektoren soll von Lamina (Lamina Ceramics) stammen. Das wäre ein durchaus konkurrenzfähiger Wert. Doch von einem marktreifen Beamer mit der Lampe fehlt bisher jede Spur. Im Februar 2007 will Lamina sogar eine Anordnung (mehrere LEDs und Lichtbündlung) mit 28.000 Lumen vorstellen. Aber bei einem Leistungsverbrauch von 1.400 Watt ist diese laut "HCinema" kaum für Projektoren geeignet.

Als Alternative zu LEDs mit ähnlich langer Lebensdauer und höheren Helligkeitswerten gilt Laserlicht für Beamer. Daran wird seit Jahren gearbeitet. Aber abgesehen von Prototypen, zum Beispiel einem in Form und Größe eines Zuckerstücks, den das Fraunhofer-Institut 2006 der Weltöffentlichkeit präsentiert hat, lassen auch hier marktreife Produkte immer noch auf sich warten.