Zusammenfassung

Diese Diplomarbeit wurde mit dem Ziel angefertigt, die Vorteile von Leuchtdioden in der Verkehrssignaltechnik zu ermitteln, zu bestätigen und als Ergebnis eine Strategie zur Durchsetzung dieser Technologie zu erhalten. Zu Beginn werden Informationen, welche zum Verständnis der Relevanz des Themas „Leuchtdioden“ benötigt werden gegeben. Dabei wird die Funktion von Leuchtdioden im allgemeinen, die Besonderheit von blauen und weißen Leuchtdioden, wesentliche historische Hintergründe, sowie Anwendungsfelder für LEDs erläutert.

Im zweiten Schritt wurde die Anwendung der LED - Technologie bei Lichtsignalgebern der Verkehrstechnik betrachtet. In diesem Rahmen wurden der Stand der Technik, der Technologielebenszyklus, sowie die Wirtschaftlichkeit der LED - Signalgeber untersucht.

Als Voraussetzung zur Strategieentwicklung wurden marktrelevante Fragen erörtert und analysiert. Dabei wurde das Marktumfeld, der Wettbewerb, die Marktstruktur und - Entwicklung geprüft.

Aus diesen Untersuchungen wurden in einem weiteren Schritt vorhandene Problemfelder herausgearbeitet. Daraus wurden Strategien, welche die Probleme minimieren können, abgeleitet. Diese Strategien wurden zum Abschluss bewertet, um deren Wirksamkeit zu prüfen. Sie können nun als Empfehlung zum weiteren Vorgehen bei der Etablierung der LED-Technologie auf diesem Gebiet angewendet bzw. weiterentwickelt werden.

I

Inhaltsverzeichnis

  Inhalt  

  Zusammenfassung  I

  Inhalt  II

  Abbildungsverzeichnis.  IV

Tabellenverzeichnis. V   

1  Einleitung  1

1.1  Motivation  1

1.2  Vorstellung des Instituts für Verkehrsforschung  3

2  Technologieanalyse - LEDs  5

2.1  Grundsätzliche Eigenschaften  5

2.2  Historische Entwicklung.  6

2.3  Funktionsweise  8

2.3.1  LED-Funktionsprinzip  8

2.3.2  p- und n-Halbleiter  10

2.3.3  Blaue und weiße Leuchtdioden  11

2.4  Herstellung und Entsorgung  14

2.5  LED - Anwendungen.  17

2.5.1  Allgemeine Anwendungen.  17

2.5.2  Anwendungen in der Verkehrstechnik  18

3  Technologieanalyse - Signalgeber.  21

3.1  Lichtsignale für den Verkehr  21

3.2  Stand der Technik - Signalgeber  23

3.2.1  Glühlampen  23

3.2.2  LED-Signalgeber  25

3.3  Technologiezyklusanalyse.  28

3.4  Wirtschaftlichkeitsanalyse.  31

4  Marktanalyse für LEDs in der Verkehrssignaltechnik  39

4.1  Methodik  39

4.2  Marktdefinition  40

4.3  Rahmenbedingungen  41

4.3.1  Gesetzliche Rahmenbedingungen.  41

4.3.2  Gesellschaftliche Rahmenbedingungen  46

4.3.3  Wirtschaftliche Rahmenbedingungen  49

II

Inhaltsverzeichnis

4.4  Wettbewerbsanalyse  52

4.4.1  Methodik.  52

4.4.2  Konkurrenzsituation.  52

4.4.3  Verhandlungsmacht der Abnehmer  54

4.4.4  Verhandlungsmacht der Lieferanten.  56

4.4.5  Bedrohung durch neue Konkurrenten.  58

4.4.6  Bedrohung durch Substitutionsprodukte.  59

4.5  Analyse der Marktstruktur.  59

4.6  Marktentwicklung und -größe  63

5  Strategieentwicklung zur Durchsetzung der LED  64

5.1  Methodik  64

5.2  Ermittlung des strategischen Handlungsbedarfes  64

5.3  Strategieformulierung  69

5.4  Strategiebewertung.  72

6  Fazit  74

  Literaturverzeichnis.  75

  Abkürzungsverzeichnis.  79

Anhang 81   

III

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildung 1: Größendarstellung der LEDs  

  Abbildung 2: Entwicklung des Wirkungsgrades über die Zeit  

  Abbildung 3: Aufbau einer Leuchtdiode  

  Abbildung 4: Funktionsprinzip einer LED  

  Abbildung 5: Spektrum des sichtbaren Lichts  

  Abbildung 6: Modell der additiven Farbmischung  

  Abbildung 7: CIE-Normfarbtafel  

  Abbildung 8: LED bedrahtet  

  Abbildung 9: Chip-on-Board.  

  Abbildung 10: SMT  

  Abbildung 11: Hochleistungs-LED  

  Abbildung 12: Concept - Car  

  Abbildung 13: Rückleuchte  

  Abbildung 14: Verkehrsinformationsdisplay  

  Abbildung 15: Markierungsleuchtknopf  

  Abbildung 16: Wechselverkehrszeichen in LED-Technik.  

  Abbildung 17: LED-Signalgeber.  

  Abbildung 18: LED-Einsatzmodul  

  Abbildung 19: Mechanischer Aufbau der LED-Signalgeber  

  Abbildung 20: Technologiezyklus für Lichtsignalanlagen in Deutschland  

  Abbildung 21: Der Marketing-Prozess  

  Abbildung 22: Beteiligte am Wertschöpfungsprozess  

  Abbildung 23: Triebkräfte des Wettbewerbs  

IV

  Tabellenverzeichnis  

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 1:  LED-Bauformen  15

Tabelle 2:  Anzahl der Lichtsignalanlagen in Deutschland.  29

Tabelle 3:  Ermittlung der Energiekosten je LSA.  32

Tabelle 4:  Ermittlung der Investitionskosten  33

Tabelle 5:  Wartungskosten für LED-LSA  35

Tabelle 6:  Überblick der Kosten für LSA - Unterhalt  35

Tabelle 7:  Zusammenfassung der Betriebs- und Investitionskosten  36

Tabelle 8:  Kapitalwertermittlung.  38

Tabelle 9:  Einteilung nach Straßenklassen.  42

Tabelle 10:  Teilnehmer OCIT.  51

Tabelle 11:  Produkt-Markt-Matrix.  64

Tabelle 12:  Übersicht Problemfelder.  68

Tabelle 13:  Beispielrechnung Privatisierung einer LSA  71

Tabelle 14:  Nutzwerte der Strategien.  73

V

1 Einleitung

1.1 Motivation

Light emitting diodes (LED, dt: Leuchtdioden) können in der Verkehrssignaltechnik als Lichtquellen für Signalgeber eingesetzt werden. In dieser Arbeit soll ermittelt werden, wie strategisch vorgegangen werden kann, um LEDs anstelle von herkömmlichen Lichtquellen in Verkehrssignalgebern (Lichtsignalanlagen) in Deutschland durchzusetzen. Es wird die zu überprüfende These zu Grunde gelegt, dass der Anteil der LED-Lichtquellen in Signalgebern für den Straßen- und Schienenverkehr in Deutschland noch sehr gering ist.

Eine weitere These ist, dass sich die LED-Technologie bei den Verkehrssignalen vorteilhaft auf Umwelt, Kosten und Sicherheit auswirkt. Im folgenden wird diese Behauptung etwas näher erläutert.

Energie ist bekannt als ein Gut, welches in der richtigen Form (u.a. elektrische Energie), in immer größeren Mengen der Gesellschaft zur Verfügung stehen muss. Die Herstellung dieser Energieformen belastet erwiesenermaßen die Umwelt nicht unerheblich und könnte sogar für den Klimawandel und damit verbundenen Naturkatastrophen verantwortlich sein. In den letzten zehn Jahren ist laut Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) der Verbrauch der elektrischen Energie in Deutschland um etwa sieben Prozent gestiegen. 1

„Die derzeitige Energieversorgung basiert hauptsächlich auf Kohle, Erdöl und

Erdgas - die Hauptursache des Treibhauseffektes und der Klimaveränderungen.

Energiesparen ist die einfachste Möglichkeit, zum Klimaschutz beizutragen und

gleichzeitig noch Geld zu sparen.“ 2

¹ o.V.: BMWI: Kennziffern des Energieverbrauchs. in: Energie Daten 2002, S.13

² o.V.: Umweltbundesamt: Energie - Weniger ist mehr,.www.umwelt-

deutschland.de/y/ds_02_00_y_j_00.html, 20.01.2003

1

Dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zu Folge werden in Deutschland acht Prozent des erzeugten Stroms für Beleuchtungszwecke verbraucht. ³ Daher sollte es die Aufgabe der Gesellschaft sein, den Energieverbrauch auf ein Minimum zu beschränken, unter anderem durch den Einsatz von Leuchtdioden.

Auch ist es die Aufgabe der Gesellschaft, den Menschen und sein Eigentum zu schützen. ⁴ Dazu gehört auch die Unfallvermeidung im Straßenverkehr, durch beispielsweise optimal erkennbare und ausfallsichere Lichtsignalanlagen (LSA). LEDs können diese Kriterien erfüllen.

Ein weiterer Vorteil der LED-Technologie ist, dass sie es Käufern und Nutzern ermöglicht, mit geringerem Energie und Wartungsaufwand zu arbeiten als bei herkömmlichen Lichtquellen. Diese Aussagen sollten zur Strategieentwicklung bestätigt werden.

In dieser Arbeit sind auch die Fragen zu beantworten, warum die Leuchtdiodentechnologie, seit den Durchbrüchen in der Herstellungstechnik der blauen Leuchtdiode, als Revolutionär bezeichnet wird und warum diese Technologie in der Verkehrssignaltechnik teilweise schon flächendeckend in den USA, aber noch nicht in Deutschland eingesetzt wird. Es wird ermittelt, in welchen Bereichen LED-Verkehrssignale sinnvoll eingesetzt werden können, sowie Vergleichsprojekte anderer Länder vorgestellt. Lichtsignale für Lichtsignalanlagen müssen den höchsten Sicherheits-anforderungen entsprechen, ein fehlerhaftes Signal könnte Menschenleben kosten. Es existieren Problemfelder, wie Ausfallüberwachung, Phantomlicht, Farbanforderungen und Zuverlässigkeit, die partiell auch bei den meisten anderen Arten von LED - Lichtsignalen für den Verkehr vorkommen. Die Strategieentwicklung erfolgt auf Basis von Analysen zum Stand der Technik, zur Wirtschaftlichkeit und zum deutschen Markt von Signalgebern für Lichtsignalanlagen.

³ Vgl.: o.V.: BMBF: Pressemitteilung 31/2002, 280 Millionen Euro für neues Förderprogramm

Optische Technologien. http://www.bmbf.de/presse01/570.html, 18.11.2002

⁴ o.V.: BRD: Grundgesetz: Art. 2 Abs. 2 Satz 1 und Art. 14 Abs. 1 Satz 1 ,

2

1.2 Vorstellung des Instituts für Verkehrsforschung

Dieses Diplomarbeitsthema wurde im Aufgabenbereich der Organisationseinheit Verkehrssystemtechnik des Instituts für Verkehrsforschung (IVF) beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) vergeben. Zweck ist die Ermittlung des Standes der LED-Technik bei Lichtsignalanlagen, sowie mögliche Probleme und Marktchancen beim Einsatz dieser Technik aufzuzeigen. Im folgenden wird ein Überblick über das IVF und seiner Einbindung im DLR gegeben.

Das DLR, Mitglied der Helmholz - Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), arbeitet als größte deutsche ingenieurwissenschaftliche Forschungseinrichtung unter anderem im Forschungsbereich „Verkehr und Weltraum“. Der Schwerpunkt Verkehr wurde erst in jüngster Vergangenheit in das Aufgabenspektrum des DLR eingeführt. Der Problemlösungs- und Gestaltungsbedarf im Verkehrssystem ist vielfältig. Der Verkehr stößt immer mehr an seine Grenzen. Staus, Energie- und Rohstoffverbrauch, Lärm- und Abgasemissionen sind die Folgen. Das DLR orientiert sich vor diesem Hintergrund im Forschungsprogramm Verkehr an drei strategischen Zielen: • Sicherung der Mobilität durch neue Dienste und Konzepte • Innovative Lösungen für umwelt- und ressourcenschonenden Verkehr • Verbesserung der Sicherheit im Verkehr

Ein wesentlicher Bestandteil dieses Schwerpunktes ist das Institut für Verkehrsforschung. Als Wegbereiter für ein umwelt- und sozialverträgliches Verkehrssystem widmet sich das Institut vor allem verkehrsträgerübergreifenden Konzepten und dem Einsatz modernster Technologien für den Verkehr. Das Institut unter der Leitung von Prof. Dr. Reinhart D. Kühne gliedert sich in vier organisatorische Einheiten. In Berlin-Adlershof befinden sich die Bereiche Verkehrssystemtechnik, Verkehrssystemanalyse und Verkehrs-informatik. Am Standort Köln-Porz ist der Bereich Luftverkehr.

3

Als Schwerpunkte der Organisationseinheiten gelten: ⁵ Verkehrssystemanalyse: Integrative Verkehrssystemforschung

• Vernetzung der Verkehrsträger Wechselwirkungen Verkehr und

Verkehrssystemtechnik: Neue Technologien im Verkehr

• Neue Techniken der Verkehrsdatenerfassung

• Informations- und Kommunikationstechnologien im Verkehr Verkehrsinformatik: Daten und Modelle

• Dynamische Simulation auf mikroskopischer Basis • Clearingstelle für Daten & Modelle • Systemarchitekturen für Verkehrsdatenverbünde Luftverkehr: Luftfahrtorientierte Verkehrsforschung • Luftverkehrsanalysen und -Prognosen • Umweltwirkungen • Luftverkehrsökonomie • Vernetzung Luftverkehr

⁵ o.V.: Vgl.: Institut für Verkehrsforschung: Verkehr Mobil machen - DLR zeigt den Weg.

http://ivf.dlr.de/, 15.04.2003

4

2 Technologieanalyse - LEDs

2.1 Grundsätzliche Eigenschaften

Lichtemittierende Dioden sind Halbleiterbauelemente, welche als Lichtquellen genutzt werden können. Diese Halbleiter haben optoelektronische Eigenschaften, sie können Licht aussenden. In Abbildung 1 ist die Form und Größe einer typischen LED - Bauform dargestellt.

Abbildung 1: Größendarstellung der LEDs

Die Nutzung von LEDs bietet gegenüber herkömmlichen Lichtquellen wesentliche Vorteile. Zu diesen Vorteilen zählt die Fördergemeinschaft Gutes Licht (FGL) ⁶ unter anderem:

• geringere Größe der Lichtquelle und dadurch sehr flexibles Leuchtendesign,

• längere Lebensdauer - ermöglicht Wartungsfreiheit, bzw. geringeren Wartungsaufwand, • niedrige Ausfallraten,

• keine Infrarotstrahlung - keine Wärmeentwicklung durch die Beleuchtung auf dem beleuchteten Objekt , • hohe Stoßfestigkeit und Robustheit, • ungefährliche Betriebsspannungen und • alle Farben sind ohne Filterung möglich

⁶ o.V.: Vgl. : Fördergemeinschaft Gutes Licht (Hrsg:): LED - die neue Lichtquelle. Lage/Lippe,

2001

5

Die Lebensdauer von Leuchtdioden ist stark abhängig vom Durchlassstrom und der Temperatur mit der sie betrieben werden. Mit steigender Temperatur und steigenden Strömen sinkt die Lebensdauer. Da LEDs in der Regel nicht einfach ausfallen, wie das z.B. bei Glühlampen der Fall ist, sondern deren Strahlungsleistung mit der Zeit abfällt (Degradation), wird die Lebensdauer meist mit dem Halbleistungspunkt (HP) definiert. Der HP ist der Punkt an dem die Strahlungsleistung der Diode gegenüber dem Anfangswert auf 50 % abgefallen ist.

Zu den Nachteilen beim Einsatz der LED-Technik gehören nach „LED-Info“: ⁷ • angestrebte Effizienz ist noch nicht erreicht, • hohe Stückkosten,

• große Zahl von LED nötig, um Leuchtstärke konventioneller Leuchtmittel zu erreichen,

• temperaturabhängige Effizienz und Lichtfarbe , • nicht in allen Anwendungsfällen ausreichende Farbwiedergabe weißer LED (blaue LED + ein Leuchtstoff) und • notwendige Vorschaltgeräte

2.2 Historische Entwicklung

Im Jahre 1962 wurde erstmals von einer Lichtemission im sichtbaren Bereich auf Basis eines direkten Mischkristalls aus Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) berichtet. Im gleichen Jahr wurden von General Electric die ersten roten Leuchtdioden kommerziell angeboten. Durch einbringen von Stickstoff konnte 1971 deren Effizienz um ca. das Zehnfache erhöht werden. Zusätzlich konnten die Farben Grün, Orange und Gelb verfügbar gemacht werden. Anfang der 80er Jahre wurden rote LEDs entwickelt, die eine höhere Effektivität als gefilterte Glühlampen aufwiesen und somit diese in bestimmten Gebieten (Anzeigen und Signalleuchten) ersetzen konnten.

⁷ Vgl.: Haller H.: Vor- und Nachteile der LED. http://www.led-info.de/grundlagen/l_vortei.htm,

10.03.2003

6

Die Firma Hewlett Packard erreichte 1994 durch Einsatz eines transparenten GaP-Substrates anstelle von bisher verwendetem GaAs-Substrat eine zweifache Steigerung der Lichtausbeute (η in lm/W). ⁸ Die Lichtausbeute stellt den Wirkungsgrad η des Lichtstroms (Lumen [lm]) je eingebrachter elektrischer Leistung (Watt [W]) dar. Die theoretisch maximale Lichtausbeute von 673 lm/W würde erzielt werden, wenn sämtliche zugeführte elektrische Energie verlustlos in Lichtstrom umgewandelt würde. Die Lichtausbeute derzeitig hergestellter LED reicht von 30 lm/W bei weißen ⁹ bis zu 50 lm/W bei roten Leuchtdioden ⁶ . Damit sind Leuchtdioden bei der Lichtausbeute bereits mit Hoch- und Niedervolt-Halogenglühlampen (14 - 22 vergleichbar. Eine

Verdeutlichung der rasanten Entwicklung bei der Steigerung der Lichtausbeute (Effizienz) in den letzten vier Jahrzehnten zeigt Abbildung 2.

Abbildung 2: Entwicklung des Wirkungsgrades über die Zeit 11

⁸ Vgl.: Haller, Hauke: Entwicklung der Halbleiterlichtemitter. http://www.led-

info.de/grundlagen/l_geschi.htm, 26.03.2003,

⁹ Born, M.; Jüstel,T: Umweltfreundliche Lichtquellen. in: Physik Journal. 2/2003 S.43 ff

⁶ o.V.: Vgl.: Forschungsgemeinschaft Gutes Licht (Hrsg): LED - die neue Lichtquelle.

Lage/Lippe, 2001

¹⁰ Weis, Bruno: Beleuchtungstechnik. München, 1996, S.53ff

¹¹ Haller, Hauke: Entwicklung der Halbleiterlichtemitter. http://www.led-

info.de/grundlagen/l_geschi.htm, 26.03.2003,

7

2.3 Funktionsweise

2.3.1 LED-Funktionsprinzip

Leuchtdioden sind Halbleiterdioden und gehören zu den Elektrolumineszenzstrahlern. Das heißt, die Lumineszenz, das sind Strahlungserscheinungen im sichtbaren Bereich, wird durch ein elektrisches Feld angeregt. Halbleiterdioden beruhen auf einer Kombination von n- und p-Halbleitern, welche im folgenden noch erläutert werden. Die Anschlüsse werden als Anode und Kathode bezeichnet, wobei die Anode die positive Elektrode (p-Halbleiter) und die Katode die negative Elektrode (n-Halbleiter) ist. Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau von Anode, Katode und Halbleiterchip in einer Leuchtdiode. Die n-leitende Halbleiterseite des Halbleiterkristalls (LED-Chip) ist über die Reflektorwanne mit dem Katodenanschluss verbunden und die pleitende Chipseite über einen Golddraht mit dem Anodenanschluss. Um den Halbleiterchip ist eine durchsichtige Epoxidharzschicht vergossen, welche die Konstruktion stabilisiert und vor Umwelteinflüssen schützt. Zusätzlich wird der Epoxidharzverguss als Linse genutzt, welche in Kombination mit der Reflektorwanne den Abstrahlwinkel mitbestimmt.

Abbildung 3: Aufbau einer Leuchtdiode 12

Wird an eine solche Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, so kann durch Rekombination (lat.: re = wieder, zurück und combinatio = Vereinigung) Licht (elektromagnetische Strahlung) emittiert werden. Dabei wird dem Halbleiter die Energie zugeführt, die ausreicht ein Elektron vom Valenz- ins Leitungsband zu heben. Dieser Zustand ist jedoch instabil, das Valenzband strebt dahin vollständig mit Elektronen besetzt zu sein.

¹² Haller, Hauke: Entwicklung der Halbleiterlichtemitter. http://www.led-

info.de/grundlagen/l_herst.htm, 26.03.2003,

8

Das Elektron fällt daher wieder zurück in ein zuvor entstandenes Loch des Valenzbandes (Rekombination) und emittiert dabei die elektromagnetische Strahlung mit der Energie der Energielücke (E G ) zwischen den Bändern. In Abbildung 4 ist der Rekombinationsprozess schematisch dargestellt. Elektronen im Leitungsband des n-Leiters treffen am Übergang des n- und p-leitenden Bereichs auf Löcher des Valenzbandes im p-Leiter. Dort kommt es zur Rekombination und zur Aussendung eines Photons.

Abbildung 4: Funktionsprinzip einer LED 13

Die Wellenlänge der Emission und somit die Farbe des Lichts ist durch die Energielücke der verwendeten Halbleiterverbindung bestimmt. Um zu bestimmen, welche Wellenlänge des Lichts durch welche Bandlücke emittiert wird, gilt die Formel:

⋅ h c 24 , 1

⁰ = WG

λ

Dabei ist W G die Energielücke in Elektronenvolt (eV), λ die Wellenlänge in µm, 3 ⁸ ⋅ ≈ c 0 die Lichtgeschwindigkeit ( ) und h die Plancksche Konstante s m / 10 − ^{2 34} ⋅ ( ). Das sichtbare Lichtspektrum umfasst in etwa den 10 63 , 6 Ws

Wellenlängenbereich von 0,38 µm (Violett) bis 0,75 µm (rot). Das entspricht nach oben genannter Formel einer Bandlücke von ca. 1,7 eV für rote bis 3,2 eV für violette Emissionen.

¹³ Krost,A., Dadgar,A.: Optoelektronik auf Silizium - Eine Herausforderung für die

Halbleiterphysik. http://www.uni-magdeburg.de/MWJ/MWJ2002/krost.pdf, 26.03.2003

9

Folgende Abbildung zeigt die Wellenlängenbereiche und die daraus resultierenden Lichtfarben des optischen Strahlenspektrums.

Abbildung 5: Spektrum des sichtbaren Lichts 14

Die wichtigsten Halbleiterwerkstoffe für Leuchtdioden bestehen aus Verbindungen der Elemente der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems, wie Galliumnitrid (GaN ≈ 3,2 eV), Galliumarsenid (GaAs ≈ 1,4 eV) oder Indiumphosphid (InP ≈ 2,0 eV).

2.3.2 p- und n-Halbleiter

Um die Leitfähigkeit eines Halbleiters einzustellen, kann gezielt ein Überschuss oder Mangel an Elektronen in Halbleitern geschaffen werden. Dies erreicht man durch Einbringen von Fremdatomen mit unterschiedlicher Wertigkeit (Dotierung) in den Halbleiterwerkstoff. P-Halbleiter sind durch Fremdatome mit kleinerer Wertigkeit (Akzeptoren) dotierte Halbleiter. Bei ihnen wird der elektrische Stromtransport durch den künstlichen Elektronenmangel im Valenzband getragen (Löcherleitung).

Demgegenüber sind n-Halbleiter durch Fremdatome mit höherer Wertigkeit (Donatoren) dotiert, wodurch ein Elektronenüberschuss im Leitungsband

¹⁴ o.V.:Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät, Universität Düsseldorf:

elektromagnetisches Spektrum und sichtbares Licht. http://www.uni-

duesseldorf.de/WWW/MathNat/Biologie/Didaktik/Fotosynthese/dateien/fotoframe.html,

18.11.1002

10

entsteht. Wechselt innerhalb des Halbleiterkristalls die Dotierung von p-leitend zu n-leitend, spricht man von einem PN-Übergang.

2.3.3 Blaue und weiße Leuchtdioden

Bei der Betrachtung blau und weiß emittierender Leuchtdioden ist von besonderem Interesse, dass Leuchtdioden monochromes Licht emittieren. Weiß ist der Newtonschen Farbenlehre zu Folge ein additives Gemisch der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die additive Farbmischung der drei Grundfarben mit dem Ergebnis „Weiß“ ist in Abbildung 6 verdeutlicht.

Abbildung 6: Modell der additiven Farbmischung 15

Zum Erzeugen weißen Lichts, werden in gleicher Weise alle drei Lichtkomponenten benötigt, wobei effektive blaue LEDs bisher nicht zur Verfügung standen. Es fehlten geeignete Halbleitermaterialien zur Herstellung von effizienten Leuchtdioden, welche blaues Licht emittieren. Die meisten zur Herstellung von LED geeigneten Verbindungshalbleiter können aufgrund ihrer kleinen Bandlücke nur Licht vom Infraroten bis gelb-grünen Wellenlängenbereich erzeugen. Es gab zwar seit den achtziger Jahren schon blaue LEDs aus Siliziumkarbid (SiC), diese hatten jedoch nur eine Quantenausbeute von ca. 0,1 %, während die ersten GaN - basierten LED schon 1,5 % hervorbrachten. 16

¹⁵ o.V.: Universität Duisburg, Fachbereich Elektrotechnik: Farbenlehre. http://www.fb9dv.uni-

duisburg.de/education/medientechnik/v4b2.pdf, 14.04.2003

¹⁶ Vgl.: Nakamura,S.; Pearton,S.; Fasol,G.: The Blue Laser Diode. 2. Edition. Berlin, Heidelberg,

New York: Springer-Verlag, 2000, S.3,16

11

Galliumnitrid bzw. Indiumgalliumnitrid, hier ist die Bandlücke dem violetten Licht entsprechend (ca. 3,4 eV), ließen sich lange Zeit nicht qualitativ ausreichend und p-leitend herstellen. Qualitativ nicht ausreichend bedeutet, dass sich die geeigneten Halbleiterverbindungen nicht in der benötigten Reinheit herstellen ließen. Prof. Akasaki von der Nagoya Universität (Japan) demonstrierte 1988 erstmals die Löcherleitfähigkeit von GaN. Die Gruppe um Shuji Nakamura von der Firma Nichia entwickelte die Herstellung von qualitativ hochwertigem und pleitenden GaN weiter und konnte 1991 erstmals die Herstellung einer GaNbasierten LED bestätigen. Ab 1994 konnten effiziente, blau strahlende Leuchtdioden auf Basis von GaN kommerziell eingesetzt werden. Damit wurde 1994 erst die Möglichkeit geschaffen, Licht der gesamtem Breite des Farbspektrums mit Leuchtdioden zu erzeugen. Zur Erzeugung von GaN - basiertem weißen LED-Licht existieren folgende Methoden: • durch Mischung rot, grün und blau strahlender LED-Chips, • durch Beschichtung Ultraviolett (UV) -A- strahlender LED-Chips mit einem Leuchtstoff, der UV-A- Licht in weißes Licht konvertiert, • durch Beschichtung blau strahlender LED-Chips mit einem Leuchtstoff der gelbes Licht emittiert, durch additive Farbmischung kann dann weißes Licht emittiert werden.

Der Farbton der Weißlichtdiode ist über Wahl und Dosierung des Leuchtstoffes einstellbar, er bewegt sich in der Normfarbtafel der „Commision Internationale de l'Eclairage“ (CIE) zwischen den Farben blau und gelb. Die CIE hat bereits 1931 die Farborte der Wellenlängen des jeweiligen sichtbaren Lichts in einem Koordinatensystem festgeschrieben. Abbildung 7 zeigt diese Normfarbtafel mit Koordinatensystem und den dazugehörigen Wellenlängen. Je nachdem, welcher Lumineszenzfarbstoff (oder auch Kombinationen) und welcher LED-Halbleiterchip verwendet wird, können neben Weißlicht auch andere Farben erzeugt werden. Prinzipiell ist jeder Farbort der Normfarbtafel erzeugbar. Mit Hilfe dieser Farbtafel können die Farbgrenzen für Lichtsignalfarben festgelegt werden.

12

Abbildung 7: CIE-Normfarbtafel 17

¹⁷ basiert auf: Hardt, K.: CIE-Normfarbtafel.

http://www.fhn.de/fb07/lehrende/hardt/farbe/farbe_xxx_cie_farbdefinition.htm, 14.04.2003;

sowie, o.V.: DIN: DIN EN 12368 (Signalleuchten).Berlin: Beuth Verlag, 2002

sowie, o.V.: DIN: DIN 6163-5 (Farben und Farbgrenzen für Signallichter).Berlin: Beuth Verlag

13

2.4 Herstellung und Entsorgung

Ausgangspunkt für die Herstellung von Lumineszenzdioden ist ein einkristallines Grundmaterial. Einkristalle sind kristalline Festkörper, deren Atome ein einziges homogenes Kristallgitter bilden. Sie werden nach dem Schutzschmelzverfahren hergestellt. Dabei wird ein Keimkristall in die Schmelze des Materials eingetaucht und unter dauerndem Drehen wieder herausgezogen. Man erhält so Kristalle bis zu 300 mm Durchmesser. Durch Zonenschmelzverfahren wird der entstandene Kristall gereinigt und die Kristallstruktur verbessert. Anschließend wird er in dünne Scheiben geschnitten. Diesen so genannten Wafern wächst man im Epitaxieverfahren die unterschiedlich dotierten Schichten auf, welche die geforderten Lumineszenzeigenschaften haben. Es werden verschiedene Epitaxieverfahren unterschieden. Dies sind zur Herstellung von III-V Materialien für hocheffektive LED hauptsächlich:

• Flüssigphasenepitaxie (LPE - liquid-phase epitaxy), • Molekularstrahlepitaxie(MBE - molecular-beam epitaxy) und • organometallische Gasphasenepitaxie (OMVPE - organometallic vaporphase-epitaxy).

Nachdem die PN - Übergänge hergestellt wurden, werden die Kontaktierungen vorgenommen und der Wafer in Halbleiterplättchen zerschnitten. Der Halbleiterchip wird über ein leitfähiges Epoxid mit der Reflektorwanne und mittels eines Drahtes mit der Anode verbunden. Diese Konstruktion wird dann mit Epoxidharz vergossen und somit vor Umwelteinflüssen geschützt. Der Epoxidharzverguss wird auch als Linse benutzt. LED werden in verschiedenen Ausführungen hergestellt. Auf den Abbildungen 8 - 11 in Tabelle 1 sind die gebräuchlichsten Bauformen zu sehen.

14

Abbildung Beschreibung

Bedrahtete LEDs sind die klassische und häufigste LED-Bauform. Sie werden mit 3 mm- sowie 5mm- Gehäusen hergestellt.

Abbildung 8: LED bedrahtet, FGL 18

Bei der Chip-on-Board-Bauform werden

einzelne LED-Chips direkt auf eine Leiterplatte gebracht. Die Chipanschlüsse und die Leiterplatte werden mit einem Golddraht (bondwire) verbunden. Der Chip wird von

Abbildung 9: Chip-on-Board, FGL 18

einem Tropfen Epoxidharz abgedeckt und geschützt.

Für den Einsatz in Signalgebern werden hauptsächlich LEDs mit Surface-Mount-Technology (SMT) verwendet. Dabei werden die Bauteile auf die Oberfläche der Leiterplatte gelötet. Es sind keine Löcher in

Abbildung 10: SMT, FGL 18

der Leiterplatte mehr nötig. Diese Bauform bewirkt eine Erhöhung des Lichtstromes durch überdurchschnittlich große LED-Chips und Ströme. Um nicht die Lebensdauer der LED zu verschlechtern, muss bei diesen LED besonders darauf Abbildung 11: Hochleistungs-LED, geachtet werden, dass die entstehende

FGL 18

Wärme gut abgeleitet wird. Tabelle 1: LED-Bauformen

¹⁸ o.V.: Fördergemeinschaft Gutes Licht (Hrsg:): LED - die neue Lichtquelle. Lage/Lippe, 2001

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