Entwicklung einer Strategie zur Durchsetzung von Leuchtdioden in der Verkehrssignaltechnik in Deutschland

Inhalt

Zusammenfassung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Vorstellung des Instituts für Verkehrsforschung

2 Technologieanalyse - LEDs
2.1 Grundsätzliche Eigenschaften
2.2 Historische Entwicklung
2.3 Funktionsweise
2.3.1 LED-Funktionsprinzip
2.3.2 p- und n-Halbleiter
2.3.3 Blaue und weiße Leuchtdioden
2.4 Herstellung und Entsorgung
2.5 LED - Anwendungen
2.5.1 Allgemeine Anwendungen
2.5.2 Anwendungen in der Verkehrstechnik

3 Technologieanalyse - Signalgeber
3.1 Lichtsignale für den Verkehr
3.2 Stand der Technik - Signalgeber
3.2.1 Glühlampen
3.2.2 LED-Signalgeber
3.3 Technologiezyklusanalyse
3.4 Wirtschaftlichkeitsanalyse

4 Marktanalyse für LEDs in der Verkehrssignaltechnik
4.1 Methodik
4.2 Marktdefinition
4.3 Rahmenbedingungen
4.3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen
4.3.2 Gesellschaftliche Rahmenbedingungen
4.3.3 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen
4.4 Wettbewerbsanalyse
4.4.1 Methodik
4.4.2 Konkurrenzsituation
4.4.3 Verhandlungsmacht der Abnehmer
4.4.4 Verhandlungsmacht der Lieferanten
4.4.5 Bedrohung durch neue Konkurrenten
4.4.6 Bedrohung durch Substitutionsprodukte
4.5 Analyse der Marktstruktur
4.6 Marktentwicklung und -größe

5 Strategieentwicklung zur Durchsetzung der LED
5.1 Methodik
5.2 Ermittlung des strategischen Handlungsbedarfes
5.3 Strategieformulierung
5.4 Strategiebewertung

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Anhang

Zusammenfassung

Diese Diplomarbeit wurde mit dem Ziel angefertigt, die Vorteile von Leucht- dioden 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 Leucht- dioden, 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 Wirtschaft- lichkeit 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.

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

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: LED-Bauformen

Tabelle 2: Anzahl der Lichtsignalanlagen in Deutschland

Tabelle 3: Ermittlung der Energiekosten je LSA

Tabelle 4: Ermittlung der Investitionskosten

Tabelle 5: Wartungskosten für LED-LSA

Tabelle 6: Überblick der Kosten für LSA - Unterhalt

Tabelle 7: Zusammenfassung der Betriebs- und Investitionskosten

Tabelle 8: Kapitalwertermittlung

Tabelle 9: Einteilung nach Straßenklassen

Tabelle 10: Teilnehmer OCIT

Tabelle 11: Produkt-Markt-Matrix

Tabelle 12: Übersicht Problemfelder

Tabelle 13: Beispielrechnung Privatisierung einer LSA

Tabelle 14: Nutzwerte der Strategien

1 Einleitung

1.1 Motivation

Light emitting diodes (LED, dt: Leuchtdioden) können in der Verkehrs- signaltechnik 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 Verkehrs- signalen 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]

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 Energie- verbrauch 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.

1.2 Vorstellung des Instituts für Verkehrsforschung

Dieses Diplomarbeitsthema wurde im Aufgabenbereich der Organisations- einheit 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 Forschungs- einrichtung 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 verkehrsträger- übergreifenden 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.

Als Schwerpunkte der Organisationseinheiten gelten:^[5] Verkehrssystemanalyse: Integrative Verkehrssystemforschung

- Mobilitätsverhalten
- Umwelt und Nachhaltigkeit
- Vernetzung der Verkehrsträger Wechselwirkungen Verkehr und Wirtschaft

Verkehrssystemtechnik: Neue Technologien im Verkehr

- Neue Techniken der Verkehrsdatenerfassung
- Einsatz und Einführung neuer Technologien
- 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

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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.

Die Firma Hewlett Packard erreichte 1994 durch Einsatz eines transparenten GaP-Substrates anstelle von bisher verwendetem GaAs-Substrat eine zwei- fache Steigerung der Lichtausbeute (h in lm/W).^[8] Die Lichtausbeute stellt den Wirkungsgrad h 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 Leuchtdioden6. Damit sind Leuchtdioden bei der Lichtausbeute bereits mit Hoch- und Niedervolt-Halogenglühlampen (14 – 22 lm/W)]^[10] vergleichbar. Eine Verdeutlichung der rasanten Entwicklung bei der Steigerung der Lichtausbeute (Effizienz) in den letzten vier Jahrzehnten zeigt Abbildung 2.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Entwicklung des Wirkungsgrades über die Zeit^[11]

2.3 Funktionsweise

2.3.1 LED-Funktionsprinzip

Leuchtdioden sind Halbleiterdioden und gehören zu den Elektrolumineszenz- strahlern. 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 p- leitende 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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

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 (EG) 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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei ist WG die Energielücke in Elektronenvolt (eV), l die Wellenlänge in mm, c0 die Lichtgeschwindigkeit ( » 3 ×108 m/s) und h die Plancksche Konstante ( 6,63 ×10-34 Ws2 ). Das sichtbare Lichtspektrum umfasst in etwa den Wellenlängenbereich von 0,38 mm (Violett) bis 0,75 mm (rot). Das entspricht nach oben genannter Formel einer Bandlücke von ca. 1,7 eV für rote bis 3,2 eV für violette Emissionen.

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Modell der additiven Farbmischung^[15]

Zum Erzeugen weißen Lichts, werden in gleicher Weise alle drei Licht- komponenten 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 Her- stellung von LED geeigneten Verbindungshalbleiter können aufgrund ihrer kleinen Bandlücke nur Licht vom Infraroten bis gelb-grünen Wellen- längenbereich 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]

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 p- leitenden GaN weiter und konnte 1991 erstmals die Herstellung einer GaN- basierten LED bestätigen. Ab 1994 konnten effiziente, blau strahlende Leucht- dioden 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 Lichtsignal- farben festgelegt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: CIE-Normfarbtafel^[17]

2.4 Herstellung und Entsorgung

Ausgangspunkt für die Herstellung von Lumineszenzdioden ist ein ein- kristallines 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 unter- schiedlich dotierten Schichten auf, welche die geforderten Lumineszenz- eigenschaften haben. Es werden verschiedene Epitaxieverfahren unter- schieden. 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 vapor- phase-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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[18]

Tabelle 1: LED-Bauformen

Entsorgt werden LED als Elektronikschrott. Herr Dr. Kloth, Geschäftsführer des Berliner LED-Produzenten EPIGAP Optoelektronik GmbH erklärte, dass der umwelt- und gesundheitsschädliche Anteil von Stoffen in LEDs, wie Arsen oder Phosphor sehr gering ist. Daher sei eine gesonderte Entsorgung von LEDs nicht nötig. Zudem würde es unverhältnismäßige technische Schwierigkeiten mit sich bringen, den Halbleiter von der LED zu trennen.

Die Gesetzgeber haben zum Thema Entsorgung die Abfallverzeichnis- verordnung, die für die Europäische Union (EU) Anwendung findet, erlassen. In diesem Verzeichnis sind verschiedene Abfallarten definiert, eingestuft und verschlüsselt. Hierin beschreibt § 3, welche Abfälle als besonders über- wachungsbedürftig eingestuft werden.

Das wären u.a. bei sehr giftigen Stoffen Anteile ab 0,1 % und bei giftigen Stoffen Anteile ab 3 % Gesamtkonzentration.^[19] Laut Herrn Itter^[20], zuständig für die Einstufung von Abfällen bei der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin, werden Leuchtdioden in dieser Verordnung nicht gesondert erfasst. So werden nicht die einzelnen Bauelemente von elektronischen Geräten beurteilt, sondern Bauteilgruppen, wie z.B. Leiterplatten. Hier aber fällt der giftige Anteil der LEDs nicht ins Gewicht.

Sollte der Einsatz der LED erheblich steigen, wie deren Hersteller vermuten, wird man spätestens dann anfangen müssen über die LED-Entsorgung zu diskutieren. Ein Verfahren zur Einstufung von noch nicht erfassten Materialien und Bauteilen wie LEDs, würde aber nach Meinung Herrn Itters mehrere Jahre dauern. Grund für diese lange Bearbeitungszeit seien die komplizierten Kommunikations- und Kooperationsstrukturen in der europäischen Verwaltung. Zudem müsste der Gesetzgeber vorerst auf ein solches Problem aufmerksam gemacht werden.

2.5 LED - Anwendungen

2.5.1 Allgemeine Anwendungen

Die in Kapitel 2.1 angesprochenen Eigenschaften wie Langlebigkeit, geringe Größe der Lichtquelle oder Stoß- und Vibrationsfestigkeit machen LEDs für viele Einsatzbereiche interessant. Der Einsatz in der Verkehrstechnik als Licht- signalgeber ist aufgrund des geringen Energieverbrauchs und der Wartungs- armut sehr viel versprechend. Leuchtdioden finden auch zunehmend Ver- wendung im Fahrzeugbau als Signalleuchten und zur Beleuchtung im Fahrzeuginnenraum. So wurden einige exklusiven Automodelle schon in den letzten Jahren mit Brems- und Blinkleuchten in LED – Technik ausgerüstet. Im März 2002 wurde auf der Genfer Motor Show eine Konzeptstudie vorgestellt, bei der erstmals auch in die Frontscheinwerfer LED – Technologie eingesetzt wurde. Die Abbildungen 12 und 13 zeigen diesen Frontscheinwerfer und eine Rückleuchte mit LED – Technik im Größenverhältnis.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Concept – Car^[21]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Rückleuchte^[22]

Aufgrund der zügigen Entwicklung bei der Lichtausbeute von LEDs, ist es vermutlich nur noch eine Frage der Zeit, bis sie in den meisten Bereichen der Beleuchtung die herkömmlichen Lichtquellen ersetzen werden. So wird z.B. nach Meinung des Osram-Entwicklungsdirektors für Photo/Optik, Herr Kronfoth, die gesamte Beleuchtungstechnik neuer Automobile innerhalb der nächsten fünf Jahre durch LED - Technik ersetzt sein.

2.5.2 Anwendungen in der Verkehrstechnik

Die beschriebenen Vorteile bieten LEDs in der Verkehrstechnik auch beim Einsatz in Lichtsignalen und bei der Beleuchtung in Anzeigesystemen, wie Wechselverkehrszeichen und Hinweistafeln. In folgenden ausgesuchten Test- projekten der Verkehrsinfrastruktur finden LEDs bereits Anwendung.

- Verkehrsinformationsdisplays

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Verkehrsinformationsdisplay^[23]

Mit den Fortschritten bei der LED-Technik ist es möglich, dem Verkehrs- teilnehmer, Verkehrsinformationen direkt über frei programmierbare und voll- farbige Verkehrsinformationstafeln bereitzustellen. Von der Verkehrs- managementzentrale (VMZ) Berlin wurden bis August 2002 achtzehn elektronische Hinweistafeln mit LED-Technik an den größeren Zufahrtsstraßen ins Stadtzentrum Berlins installiert (Abbildung 14). Diese sollen nun im Probebetrieb, Verkehrshinweise an die Verkehrsteilnehmer übermitteln.^[24]

Außerhalb Deutschlands sind variable Textanzeigen auf LED – Basis deutlich weiter verbreitet. In den Niederlanden werden so genannte Dynamic Route Information Panels (DRIPS) auf Autobahnen zur Verkehrssteuerung eingesetzt. Auch in Italien, Großbritannien, Dänemark, Japan und den USA werden ähnliche Systeme auf Autobahnen eingesetzt.^[25]

- Lichtsignalanlagen (LSA)

Seit Mai 1999 existiert in Aachen eine Pilotanlage mit LED-Technik, die unter Kostenbeteiligung der Siemens AG und der Aixtron AG installiert wurde. Da diese Anlage technisch völlig reibungslos läuft, hatte die Verwaltung drei Ampelanlagen, die erneuert werden mussten, alternativ auch mit LED-Technik anbieten lassen. Die drei weiteren LED-Anlagen laufen seit zwei Jahren ohne Störungen.^[26] Auch die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung des Landes Berlin hat im Januar 2003 eine LED - Lichtsignalanlage zu Testzwecken in Betrieb genommen, der laut Presse- berichten weitere folgen sollen. Fotos dieser Anlage befinden sich im Anhang 2.

Die Stadt Zürich in der Schweiz hat von 1998 bis heute alle 380 LSA mit insgesamt 20.900 Leuchtfeldern mit LED – Technik ausrüsten lassen. Auf der Seite der Stadtverwaltung zeigt man sich bezüglich der Kosteneinsparung sehr zufrieden. Allerdings gibt es auch kritische Stimmen, welche eine hohe Blendung und schlechte Sichtbarkeit aus der Nähe beklagen.^[27]

- LED - Markierungsleuchtknöpfe (MLK)

MLK sind in die Fahrbahn eingelassene Markierungsknöpfe (auch Unterflurlichter genannt), die eingeschaltet gelb leuchten und die vorhandene Markierung vorübergehend ersetzen. Anwendungsbeispiele sind Richtungswechselbetrieb und variable Fahrstreifenzuteilung. Erst seit 2001 sind diese Markierungsleuchtknöpfe im Straßenverkehrsrecht verankert (§ 41 Abs.4 VwV-StVO). Solche Unterflurlichter (Abbildung 15) mit LED – Technik, wurden bereits in Berlin, auf der BAB 100, am Tunnel Ortsteil Britz installiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15: Markierungsleuchtknopf^[28]

- Wechselverkehrszeichen (WVZ)

WVZ sind Verkehrszeichen zur Beeinflussung des Verkehrsablaufs, die bei Bedarf gezeigt, geändert oder aufgehoben werden.^[29]

LED-WVZ ersetzen immer öfter faseroptische WVZ, unter anderem wegen der guten Lesbarkeit der Verkehrszeichen, dem geringen Energieverbrauch und der längeren Wartungsintervalle. Der üblicherweise alle vier Monate notwendige Lampenwechsel kann ersatzlos entfallen. Fünf dieser WVZ in LED – Technik wurden bis September 2001 an einer Verkehrszeichen- brücke der Bundesautobahn (BAB) 100 (am Berliner Hohenzollerndamm) in den Probebetrieb genommen.^[30]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16: Wechselverkehrszeichen in LED-Technik^[31]

[...]

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^[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

^[28] o.V.:Siemens (Hrsg): Verkehrstechnische Ausstattung, BAB 100, Tunnel Ortsteil Britz. http://www.viaberlin.de/viainhalt/projekte/98330_a100vbasued_prospekt.pdf, 15.02.2003 29 o.V.: Bundesministerium für Verkehr: Richtlinien für Wechselverkehrszeichen an Bundesfernstraßen(RWVZ), Ausgabe 1997. Bonn: Verkehrsblatt – Verlag, 1997

^[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 ,

^[5] o.V.: Vgl.: Institut für Verkehrsforschung: Verkehr Mobil machen - DLR zeigt den Weg. http://ivf.dlr.de/, 15.04.2003

^[7] Vgl.: Haller H.: Vor- und Nachteile der LED. http://www.led-info.de/grundlagen/l_vortei.htm, 10.03.2003

^[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,

^[12] Haller, Hauke: Entwicklung der Halbleiterlichtemitter. http://www.led- info.de/grundlagen/l_herst.htm, 26.03.2003,

^[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

^[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

^[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

^[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

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

^[19] Vgl.:o.V.: Bundesregierung (Hrsg.): Abfallverzeichnisordnung. http://www.sbb- mbh.de/pages/sbb_seiten/sbb_abfallrecht_download/bund/avv_07_2002.pdf, 15.01.2003

^[20] Vgl.:Protokoll des Tel. -Gespräch mit Hr. Itter, Senatsverw. F. Stadtentw., 19.03.2003

^[21] o.V.: Lumileds: Lumileds’ Luxeon LEDs Illuminate Headlamps in Concept Car. http://www.lumileds.com/images/YAK-01_sm.jpg, 02.12.2003

^[22] Vollmer, Alfred: Es werde Licht. in: Auto & Elektronik, Heft: 4/2002: S.41

^[23] Franke M.: Dynamisches Verkehrsinformationsdisplay. in: ITS Magazin. 10.2001, 10.2001

^[24] Vgl.: Rohde, Katja: Kompetenz für Mobilität: Verkehrsmanagementzentrale Berlin, www.vmz- berlin.de/vmz/pressReleases/pressRelease_2002_08_30.jsp , 12.02.2003

^[25] Vgl.: o.V.: Expertise zum VLS Messe/Stadion Nürnberg: VIA Beratende Ingenieure. http://www.viaberlin.de/viainhalt/projekte/99330_ab3_expertise.pdf, 02.04.2003

^[26] Vgl.: o.V.: Presse- und Informationsbüro Stadt Aachen (Hrsg): Aachen plant die Umrüstung weiterer Ampelanlagen auf LED – Technik. http://www.presse-service.de/Static/512766.html, 05.03.2003

^[27] Vgl.: o.V.: Stadtverwaltung Zürich: Auszug aus dem Protokoll des Stadtrates von Zürich. http://www.stadt-zuerich.ch/kap01/gemeinderat_stzh/_Interpellationsantworten/2001_0345.pdf, 16.04.2003

^[28] o.V.:Siemens (Hrsg): Verkehrstechnische Ausstattung, BAB 100, Tunnel Ortsteil Britz. http://www.viaberlin.de/viainhalt/projekte/98330_a100vbasued_prospekt.pdf, 15.02.2003

^[29] o.V.: Bundesministerium für Verkehr: Richtlinien für Wechselverkehrszeichen an Bundesfernstraßen(RWVZ), Ausgabe 1997. Bonn: Verkehrsblatt – Verlag, 1997

^[30] Vgl.: o.V.: Siemens (Hrsg): Verkehrstechnische Ausstattung, BAB 100, Tunnel Ortsteil Britz. http://www.viaberlin.de/viainhalt/projekte/98330_a100vbasued_prospekt.pdf, 15.02.2003

^[31] o.V.: Siemens (Hrsg): Verkehrstechnische Ausstattung, BAB 100, Tunnel Ortsteil Britz. http://www.viaberlin.de/viainhalt/projekte/98330_a100vbasued_prospekt.pdf, 15.02.2003