Success Story

Mehr Power in der Beleuchtungs-technik

Licht-emittierende Dioden, sogenannte „LEDs“, sind die Beleuchtungstechnik der Gegenwart und der Zukunft. Schon jetzt findet man sie in nahezu jedem Beleuchtungskonzept: ob in der Medizintechnik, in der Kraftfahrzeugbranche oder bei Möbel- oder Flächenleuchten. Der Trend geht dabei in Richtung höherer Leuchtstärken, längerer Lebensdauer und extremeren Einsatzorten.

LEDs – jeder will sie haben

Aufgrund der stetig wachsenden technologischen Ansprüche müssen LEDs immer mehr leisten können, was jedoch auch zu unerwünschten Einbußen hinsichtlich Farbstabilität, Effizienz und Lebensdauer führen kann. Speziell bei der Lebensdauer ist die Kenntnis um das Zusammenspiel der verschiedenen eingesetzten Materialien unter dem Einfluss der Betriebstemperatur und der Temperaturwechsel bei Schaltvorgängen ein wichtiger Faktor. Mechanische Spannungen zufolge der Wechselwirkung der verschiedenen Materialien und daraus resultierende Schädigungen müssen möglichst gering gehalten werden.

Zusammen mit der Tridonic Jennersdorf GmbH erforscht das MCL thermo-mechanische Problemstellungen von Weißlicht-LED-Modulen. Ein Weißlicht-LED-Modul besteht vereinfacht aus einem LED-Chip, einer Kapsel aus transparentem Kunststoff und 50 Mikrometer dünnen Kontaktdrähten, die ungefähr so dünn wie ein menschliches Haar sind.

Wird das LED-Modul betrieben, erwärmt sich das Bauteil. Diese Erwärmung erfolgt aufgrund der unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien aber nicht gleichmäßig, sodass es zu thermo-mechanischen Wechselwirkungen der eingesetzten Materialien in den Komponenten, beispielsweise zwischen den Kontaktdrähten und der Kapsel, kommt. Die so entstandenen thermomechanischen „Stresszonen“ können bis zum Bruch der Kontaktdrähte und damit zu einem Totalausfall des LED-Moduls führen.

Mehr Leistung durch neues Design und neue Materialen

Ziel des Projektes ist es, unter Einsatz experimenteller Methoden und der computergestützten thermo-mechanischen Simulation diese kritischen Stresszonen zu erforschen, um einem möglichen Bauteilversagen entgegenwirken zu können und die Produktlebensdauer zu erhöhen. Eine besondere Herausforderung besteht darin, die Berechnungsmodelle auf ihre Zuverlässigkeit zu überprüfen. Der Einsatz von hochauflösender Computertomographie (CT) ermöglicht einen 3-dimensionalen Einblick in das LED-Modul. Die Kombination der thermomechanischen Simulation mit der hochauflösenden Computertomographie eröffnet neue Möglichkeiten, in Zukunft noch robustere LED-Module zu entwickeln. Der Weg in Richtung gezielter Materialentwicklung und thermo-mechanisch optimiertes Bauteildesign scheint geebnet.

Die weitere Forschung auf diesem Gebiet wolle wir im Zuge eines kürzlich neu gestarteten Projektes des FFG Förderungsprogramms „Produktion der Zukunft“ in Zusammenarbeit mit der TU Graz und Tridonic Jennersdorf GmbH vorantreiben.

Bedeutung

Laut einer aktuellen Marktanalyse wird das jährliche Wachstum an eingesetzten LEDs auf 5% bis 2016 und danach auf 3% bis 2020 geschätzt. Umso wichtiger ist das am MCL erarbeitete, detaillierte Verständnis der thermo-mechanischen Wechselwirkungen in Weißlicht-LEDs, wodurch unter Einsatz modernster Methoden Schwachstellen innerhalb eines LED Moduls lokalisiert werden konnten. Die Ergebnisse dieser Forschung tragen durch die verbesserte Auswahl der Materialien unter Berücksichtigung der thermischen und mechanischen Eigenschaften erheblich zur Erhöhung der Lebensdauer von LEDs bei.