OSRAM - LED Technologie und Produktion

LED Technologie und Produktion INELTEC 2011 Lichttag 15. September 2011 A. Studerus

Die Lichtwelt im Umbruch
LED und die traditionellen Technologien im Wettstreit
Die Gründe für den Erfolg der LED
Mit OLED steht die nächste Technologie vor der Türe

Die Technologien im Wettstreit
Als alles begann
Glühlampe vor über 130 Jahren
Der 2. Schritt
Niederdruckentladungslampen vor über 70 Jahren
Der 3. Schritt
Hochdruckentladungslampen vor über 40 Jahren
und jetzt

Die Technologien im Wettstreit
…… . die LED-Revolution
Elektronik und Licht gehen zusammen
Licht wo es noch nie war
Lebensdauer ohne Ende
Effizienz in neuen Dimensionen
Design ohne Limit
und es geht schneller als erwartet

LED ist schon bald die effizienteste Technologie Incandescent Mercury 1950 CFL Halogen Metal halide Fluorescent 1879 1904 1981 1959 1938 1961 100 50 Light source efficiency [Lumen/Watt] 150 2011 1996 1990 2020 LED 2008 vs. 170 2006 2005 2002 155-170 Solid State Lighting 180…210 2010 Standard light sources 120 85-100 35-55

LED-Technologie der Zukunft Marker Light Corporate Lighting Wellness Lighting General Lighting 2010 2003 2006 60-100 lm/W 20-50 lm/W with night vision Architectural lighting Fakten: Helligkeit von Weiss verdoppelt sich alle 24 Monate !!!! 100-140 lm/W 5-10 lm/W 40-80 lm/W 2008

Das Ende des Rennens ist absehbar Source: DoE Report “Solid-State Lighting Research and Development” (Mar-2009) ~ 230 lm/W for cool white ~ 160 lm/W for warm white Das wirtschaftliche Maximum der Effizient wird in dieser Dekade erreicht. Effizienz in jedem Schritt der Produktion wird entscheidend.
Kosten, Qualität und Intelligenz
Was geschieht als nächstes?

LED - es führt kein Weg daran vorbei!
Licht ist nicht mehr nur zum Beleuchten, Licht erhöht Lebensqualität und die LED eröffnet die neuen Möglichkeiten dazu
Die unschlagbare Vorteile von farbigen LED‘s schaffen eine faszinierende bunte Welt, die wir mit herkömmlichen Lichtquellen nie erlebt haben
Die ‚low-wattage‘ LED Lampen/Leuchten werden häufig als Akzentbeleuchtung eingesetzt, wo die konventionellen Lampen mit hoher Leistung wenig dafür geeignet waren
Mit LMS ( Lichtsteuerungssystem) bieten sich für die
Lichtlösungen ganz neue Möglichkeiten
LED generiert enormes Zusatzgeschäft durch neue Anwendungen aufgrund ihre Vielfalt an technologische Möglichkeiten

Was bedeutet dies für die traditionellen Technologien? Glühlampen bye bye Halogenglühlampen heisse Liebe Kompaktleuchtstofflampen in Bedrängnis

Was bedeutet dies für die traditionellen Technologien? Leuchtstofflampen Nicht zu unterschätzen Metalldampflampen Vorerst unerreicht Natrium-Hochdrucklampen Ungeliebt aber schwer zu schlagen

Was sind die Treiber für die Revolution
Design und damit neue Leuchten
Lichtausbeute und damit Energiesparen
Image, modern sein und damit Energiesparen
Dynamische Lichtmöglichkeiten und damit
Energiesparen
Aber der Preis und die verfügbare Lichtmenge bremsen die Entwicklung

Die Bremser der Revolution
Preis
Wafergrösse
Economy of scale
Produktionsausbeute (binning)
Lichtausbeute und damit Heatmanagement
Lumen pro €

Preis - Wafergrösse 6-inch 4-inch

Wafergrösse – Zunehmende Produktions-Effizienz Source: (1) CLSA 2010, (2) Yole 2010, (3) IMEC, OSRAM Opto
Laufende Kostenersparnisse
Yield … von heute ~50% (Marktdurchschnitt) (1)
Wechsel auf grössere Durchmesser ( 6”)
Wechsel von Sapphire Wafers nach Silicon Wafers (R&D)
Grössere Wafer und der Ersatz des teuren Sapphire kann eine deutliche Kostenersparnis auslösen Development of wafer diameter Source: Yole “Sapphire Market 2010” Report

Jeder Schritt bietet Optimierungspotential Substrates Epitaxy Chip Processing Packaging

Technologische Konpetenz ist entscheidend Conversion chip phosphor single chip device + + … .bestimmt die Effizienz der Konversion Epitaxy Valence Band Conduction Band Photons … .bestimmt die interne Effizienz Chip Design … .bestimmt die Lichtauskopplung Package Design … .bestimmt die Lichtverteilung

Zukünftige Optimierung: Qualität Noch einige Schritt möglich – in jedem Aspekt
From bin selection (U_F, color, brightness)
via bin mixing (to reach target bin on module level
to ‘bin fine’ production
Balance between efficacy and color rendering (CRI) and system optimization
Testing
LM-80 test is a first step … but not all
Accelerated testing, e.g. against humidity, temperature cycling, corrosive gases, ..)
Modeling of degradation
Robust design in terms of materials, processes, and functions
… for components, modules, systems
Standardization
Reliability
Binning / usage
Quality of light
Continuous improvement of LED quality, i.e. fulfillment of customer expectations in terms of
reliability at real-life conditions,
long-term availability, and
color rendering

Was sind die Hindernisse für die Revolution
Lichtmenge
Lichtmenge hängt mit Temperatur zusammen
Viel Licht – hohe Temperatur
Je höher die Lichtausbeute umso mehr Licht bei gegebener Temperatur
Leider:
Je mehr Licht umso tiefer die Lichtausbeute
Je wärmer das Licht umso tiefer die Lichtausbeute

Der Weg zu LED ist nicht einfach…
Langer Weg von Einzel-LED bis zum fertige Leuchten fordert diversen neuen Kompetenzen wie z.B. Thermomanagement, Optische Lösungen und Fertigungsprozessen
Entscheidung: Viel mehr Möglichkeiten; wieweit geht meine Integration
LED ist alles andere als konventionelle Technologie des Lichtes, verlangt andere Kompetenzen und Vorgehen LED Leuchten LED chip + packaging + Optik + Electronic + Kühlkörper + Gehäuse =

Das Marktwachstum wird noch einige Jahre anhalten Kurzfristig wird der Markt durch TV-Backlighting dominiert. Langfristig wird der Markt durch Beleuchtung wachsen Source: Reports “High-brightness LED market” (Strategies Unlimited, June 2010)

Weitere Anwendungen im Auto
Die Möglichkeiten der LED, IRED, Sensoren und Laser ermöglichen komplett neue Anwendungen – nicht nur den Ersatz von Lichtquellen
Coming up:
LED Scheinwerfer
Vielfache LED für intelligente Schweinwerfer
Personifizierte Innenraumbeleuchtung
Leistungsfähige IRED und Laser für eine zunehmende Breite von Anwendungen
Rear Combination Light Dashboard Automotive Sensing Infrared Night-Vision System Interior / Mood Lighting Daytime Running Light Infrared Distance Control Interior Safety Systems Full LED Headlamp

Weitere Anwendungen in der Beleuchtung
Coming up:
Energieeinsparung
Licht Management
Exzellente Möglichkeiten für farbiges Licht
Vereinfachung durch Standardisierung
……
Marker Light Streetlighting Tunnel Lighting Office Lighting Conference Rooms Shop Lighting Outdoor Lighting Horticultural Lighting Architectural Effects

Weitere Anwendungen in den Consumer Applications
Coming up:
Blitzlichter
Projektoren
Bewegungsdetektoren
IR Sensoren
LED and Laser Projection Proximity Sensing Small LCD Backlights Large Area LCD Backlights Medium Backlights Flashlight Key Pad Lighting Ambient Light Sensor 3D-TV

Die SSL Welt Retrofit Consumer Leuchten Lightengines Power Chips LED Leuchten

Retrofit
Ersatz der bisherigen Lichtquellen durch LED-Kopien
Für alle bisherigen, traditionellen Lampenformen wird es eine Kopie geben
Thermomanagement ist die grosse Herausforderung

Lightengines
Standardisiertes Modul vorbereitet für den Einbau in Leuchten
Lichtpaket das durch die Entwicklung nicht verändert wird
Intelligente Betriebsgeräte korrigieren das Altern der LED

Leuchten
Neue Leuchtenentwicklung werden die LED integriert haben.
Nach Ausfall von Komponenten wird die Leuchte ersetzt
Neue Designformen werden entstehen

… . und was wird der nächste
Schritt sein?

Film H

Trends in der Lichtindustrie + Ästhetik Von Glühlampe zum energieeffizientem Licht Von klassischer Technologie zu LED & OLED Von Komponenten zu Lösungen

OLED: Perfekte Ergänzung zu LED LED Hohe Helligkeit PUNKT Lichtquelle Sich ergänzende Eigenschaften OLED 2-dimensionale Flächen Lichtquelle

Was ist OLED? OLED Display Perfekte Kombination aus Lichtquelle, Ästhetik und Design OLED Lighting Neue Design Möglichkeiten Instant on und hoch qualitatives Flächenlicht Ultradünnes Glas (1,8 mm) in jeder Form Pure Ästhetik im ein- und ausgeschaltetem Zustand

Aufbau einer OLED O rganic L ight E mitting D iode Schichten aus organischem Material zwischen zwei Glasplatten Kathode (z.B. Aluminium) Anode (ITO*) Substrat (Glas) Verkapselung organische Schichten DC (typ. 3…4V) – + d ~500 n m Licht Design & Ästhetik Dünn, flach und leicht Diffus, spiegelnd oder transparent *ITO: Indium Tin Oxide

Herausragende Eigenschaften von OLED
Diffuse, blendfreie Flächenlichtquelle
Keine zusätzliche Kühlung erforderlich
Keine zusätzliche Optik erforderlich
Niedervolt Gleichspannung
Instant on/off
Quecksilberfrei, RoHS-konform
Hohe Lichtausbeute
25 lm/W Produktebene
87 lm/W Labormesswerte
 100 lm/W Zukunftswert
Diverse Farbtemperaturen und Farben möglich
Hochqualitatives weißes Licht
CRI: derzeit bis zu 80, zukünftig 95
Sehr breites Weiß-Spektrum 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 380 480 580 680 780 Wavelength (nm) Normalized Radiance (a. u.)

ORBEOS ® CDW-031
Typische Performance:
25 lm/W, 1,000 cd/m 2 ,
5,000 h Lebensdauer
Anwendung in diversen Systemen und Leuchten
Warmweisses Licht

OSRAM ORBEOS ® RMW-046
Keine Leiterbahnen erforderlich
2700 K, CRI >85
Spiegelnde Erscheinung im ausgeschalteten Zustand
Dimmbar zwischen 0 und 1700 cd/m 2 Leuchtdichte
Rechteckige Geometrie (40 cm 2 aktive Fläche)
Leichte Integration durch flexible Leiterplatte

ORBEOS ® RMW-046 Nahtlose Integration der reflektierenden OLED in Badezimmer Spiegeln Quelle: COMBOLED OLED Design Contest durch OSRAM and PPML “ Early Future” – OLED Tisch Leuchte Designer: Ingo Maurer Technologie: OSRAM

Transparente OLED
15 x 15 cm
210 cm 2 Leuchtfläche in beide Richtungen
Aufgrund hochleitfähigen Elektroden keine Leiterbahnen erforderlich
2 Kontaktanschlüsse (Standard)
50 % Transmission
 Erste Produkte für 2012 erwartet
Transparente OLEDs eröffnen vollkommen neue Möglichkeiten für Applikationen und Design

Transparente OLED Licht aus dem Nichts. OLED Glas Panels mit doppelseitiger Lichtemission @ Light & Building 2010

Technologische Reife “ Weißes” Volumengeschäft F&E Übergang in Volumen Markteintritt LED “ Classic” OLED

Effizienz verschiedener Lichttechniken Glühlampe Quecksilber 1950 Energiespar-lampen Halogen Metalldampf Leuchtstoff 1879 1904 1981 1959 1938 1961 100 50 Lichtquelleneffizienz [Lumen/Watt] 150 2010 1996 1990 2020 LED OLED 2008 vs. 170 2006 2005 2002 Solid State Lighting 180…210 2010 Standardlicht- quellen 155-170 120 85-100 35-55

Neueste OLED F&E Ergebnisse 87 Lumen / Watt gemessen im OSRAM Labor

OLED Kostenentwicklung 2013 2015 1968 1978 1988 1998 2008 Jahr Lichtstrom / Produkt [lm] Kosten / Lumen [$] + 30 x (Erhöhung)/ Jahrzehnt - 10 x (Reduzierung)/ Jahrzehnt 10 -3 10 3 10 0 10 3 10 -3 10 0 Rückblick auf LED Geschichte Prognose von Lumenkosten vs. Zeit für OLED
Technologische Durchbrüche (Substrate, Aufdampfung (Teillösung), Prozessverbesserungen)
Wirtschaftlichkeit durch Massenproduktion (Material, Investitionskosten vs. Kapazität, Substratgröße oder Geschwindigkeit)
Erhöhung des Automatisierungsgrades für back end operations
Years 0,1 1 10 100 1000 2009 2011 2017 2019 OLED Lumen Kosten (Log-Skala)

OLED und LED: Potenzial um alle anderen Lichtquellen zu übertreffen Riesiges Energie-einsparungspotenzial Rapider Anstieg der Leistungsfähigkeit in SSL Technologien Wirksamkeit OLED (R&D) Leuchtstofflampen Glühlampen Halogen LED (Prod)

OLED in der Zukunft (2015): Flexible Lichtquellen Prognose für 2015 ff.: >50 lm/W, >20,000 h (L70) Ultradünne Stahl- oder Kunststofflichtquelle in jeder Form Flexible (spiegelnd oder transparent) Biegbar bis zu einem Radius von 5 cm

…… . und damit kann gesagt werden…..
Harry Potter hatte doch recht
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

OSRAM - LED Technologie und Produktion

by ineltec 2011 on Sep 15, 2011

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