Entwickler im Interview: Osram OSTAR Stage

Wo liegen die Besonderheiten bei der Entwicklung einer LED für kopfbewegte Scheinwerfer? Die Entwickler der OSTAR Stage-Familie standen uns für ein Interview zu diesem Thema zur Verfügung.

Konnte man als Endanwender im Lebenszyklus eines Halogenscheinwerfers Leuchtmittel verschiedenster Hersteller einsetzen, so ist im Zeitalter der LED nur noch der Hersteller des Scheinwerfers für die Wahl des Leuchtmittels zuständig. Folgerichtig werden bei Osram LED-Typen gezielt für die Belange der Veranstaltungstechnik entwickelt. Ein neuer Spross ist die Osram Ostar Stage-Familie. Dr. Stefan Morgott und Wolfgang Schnabel standen uns für Fragen über die Entwicklung von LEDs und speziell der Ostar-Familie zur Verfügung.

Üblicherweise ist über dem Chip einer LED selbst eine Kuppe bzw. Linse aus Silikon aufgebracht. Bei der OSTAR Stage ist jedoch über dem Chip eine Glasplatte. Was 01war der Grund für diese Lösung?

Wolfgang Schnabel: Der Trick dabei ist, dass die Glasplatte nicht direkt auf dem Chip liegt, sondern dazwischen Luft ist. Denn an dem Chip muss ein Bonddraht zur elektrischen Stromversorgung angebracht sein und der hat eine bestimmte Loophöhe. Diese Loophöhe des Drahtes bestimmt die Höhe des Luftspaltes zwischen dem Chip und Glasfenster. Das Glasfenster hat also gar keine optische Funktion, sondern dient nur zum Schutz des Bonddrahtes. Ansonsten würde man noch besser das Glasfenster ganz weglassen. Da alles Licht, das in das Glas eindringt, wieder austritt, ist auch kaum ein Verlust zu verzeichnen, außer der Totalreflexion am Glas. Deshalb ist das Glas auch auf beiden Seiten Antireflex-beschichtet, um diese Verluste zu minimieren. Aber das Besondere ist eben, dass der Chip an Luft emittiert und nicht in einem Silikon direkt.

Aber normalerweise ist das Ankoppeln des Chips mit einem näher liegenden Brechungsindex, wie bei Silikon, doch gut für einen hohen Wirkungsgrad?

Dr. Stefan Morgott: Genau, für viele Anwendungen wie SSL (Allgemeinbeleuchtung) ist das richtig und wird auch so gemacht, um möglichst viel Lumen, also Lichtstrom herauszuholen. Die meisten LEDs für die Allgemeinbeleuchtung sind mit einer Silikonlinse (Dome Shaped Silicon Lens) versehen. Eine solche Primäroptik verbessert zwar die Lichtauskopplung, das heißt den Lichtfluss (Lumen) in den Halbraum, geht jedoch zu Lasten der Leuchtdichte. Die Leuchtdichte wird etwa halbiert bzw. die Etendue der LED wird verdoppelt. Der Faktor 2 stammt von n2 (mit n = 1,4 als Brechungsindex für Silikon). Man kann sich das so vorstellen: Wenn man durch die Linse schaut, sieht man eine vergrößerte Fläche des Chips, und damit ist die Leuchtdichte auf der vergrößerten Fläche auch nicht mehr so hoch. Dabei spielt die Etendue – der Lichtleitwert – eine entscheidende Rolle.

Die Etendue beschreibt die geometrische Fähigkeit eines optischen Systems, Licht hindurch zu lassen. Der numerische Wert wird als Produkt aus Öffnungsgröße und Raumwinkel berechnet, aus dem das System Licht aufnimmt. Je geringer die Etendue ist, umso besser kann der Strahl kollimiert werden, das heißt je engwinkliger fällt er aus, ohne dass der Durchmesser der Optik zu groß werden muss.

Für die Anwendung in der Veranstaltungstechnik erwarten unsere Kunden für ihre Scheinwerfer oder Moving Lights eine Lichtquelle mit denen man die Strahlen kollimieren und gleichzeitig eine hohe Leuchtdichte bereitstellen kann, um einen engen Beam oder Projektionen durchzuführen. Dazu ist es besser, wenn der Chip an Luft emittiert, weil dann die Leuchtdichte nicht abnimmt bzw. die Etendue klein bleibt.

Im Internet wird die weiß abstrahlende LE UW S2W als multicolor beschrieben?

Wolfgang Schnabel: Richtig, jedoch bezieht sich die Bezeichnung „multicolor“ auf das Package, wo vier Chips einzeln angesteuert werden können, wie es eben bei Multicolor notwendig ist. Es bezeichnet also nur die Plattform auf die dann die unterschiedlichen Chips kombiniert werden können.

Bei der OSTAR Stage sind alle vier Chips gleich groß. Wäre es nicht sinnvoller, die Größe der Farbchips im Hinblick auf eine gute Weißlichtmischung für eine 100 % Ansteuerung in ihrer Größe anzupassen.

Wolfgang Schnabel: Ja, das würde Sinn machen, wenn der Kunde nur weißes Licht erzeugen will. Unsere Kunden wollen jedoch auch monochro – mes – also rotes, grünes, blaues – Licht bzw. die entsprechende Mischfarben erzeugen. Deshalb macht dieselbe Chipgröße pro Farbe Sinn. Um Weiß zu erhalten, werden die einzelnen Farben R/G/B/W mit jeweils 35/100/9/100 % bestromt.

Jetzt ist bei der Vierfarb-Version der Weißlichtchip als Kaltweiß ausgeführt. Warum nicht mit 3.200 K?

Wolfgang Schnabel: Wir haben das Ultraweiß gewählt, weil es einen helleren Eindruck hinterlässt als ein Warmweiß. Das kältere Weiß präsentiert auch mehr das moderne LED-Licht als das warme Weiß. Für Showeffekte wird das Ultraweiß bevorzugt, während die Kunden im Studio oder im Theater, wo nur Weißlicht zum Einsatz kommt, lieber ein Warmweiß nutzen, um auch die Hauttöne besser wiedergeben zu können. Doch dann greift man auf die anderen SSL-Produkte von uns zurück.

Warum geben Sie im Datenblatt den Lichtstrom in Lumen an, außer bei Blau, dort wechseln Sie auf mW?

Dr. Stefan Morgott: Hier hatten wir auch viele interne Diskussionen. Fakt ist, dass Blau aufgrund der Augenemp- findlichkeit und der einzusetzenden Bewertungskurve um von der physikalischen Strahlungsleistung (mW) auf das Auge bzw. sichtbare Licht umgerechneten Wert Lumen (lm) zu kommen, erhebliche Unterschiede im Wertebereich vorhanden sind. Wenn man also ein sehr kurzwelliges Blau hat, gegenüber einem Blau, das in Richtung Grün angesiedelt ist, variiert durch den Einfluss der Augengewichtung die Lumenzahl sehr stark, obwohl die physikalische Strahlungsabgabe exakt die gleiche sein kann. Durch diese starke Beeinflussung durch die Augenbewertung kann dann der Kunde sehr schlecht abschätzen, wie hell nun das Blau erscheint. Deshalb geben wir hier die physikalische Größe an. Aber bei Blau ist auch der Anspruch nach Helligkeit nicht so groß.

Was ist beim Thema Degradation zu beachten?

Dr. Stefan Morgott: Wir geben unseren Kunden die Daten mit, wie sich im statistischen Mittel die Degradation auswirkt. Der Scheinwerferhersteller könnte nun aufgrund dieser Daten eine Kompensation aufgrund der Betriebszeit vornehmen, wenn er wollte. Aber aufgrund der Streuung verhält sich auch jede LED leicht anders. Und bei den weißlichtgebenden, blauen LEDs mit Konvertierungsschicht sind wir mit der neuen Bauform umgestiegen von einem normalen Phosphor zu einem Keramik-Phosphor, der wesentlich temperaturstabiler ist und kaum noch Degradationserscheinungen aufweist. Bisher werden die Phosphore in ein Silikon eingemischt und dann in Plättchen gewalzt und auf den Chip geklebt oder als Masse aufgesprüht. Jetzt wird das reine Phosphormaterial gesintert, gepresst und bei über 1.000° gebacken. Dieses entstandene Plättchen kommt dann auf den Chip, und ist natürlich extrem temperaturbeständig, wie man anhand dem 1.000° Backvorgang nachvollziehen kann. Damit heben wir uns von vielen Mitbewerbern ab und verbessern die Langzeithaltbarkeit unserer LEDs erheblich.

Daneben haben wir weitere Vorteile gegenüber Mitbewerbern, die der Anwender als solches oberflächlich betrachtet nicht wahrnimmt. Sei es die 2 mm2 Chipfläche in einem Hochleistungssektor oder die UX3 Chiptechnologie.

Konventionell wird der LED-Chip zur Bestromung auf der lichtabgebenden Seite mit einem Metallgitter überzogen, um dort den Strom einzuspeisen. Das ist ein großes Problem, wenn der Strom hoch wird und man über diese Metallisierung eine hohe Stromdichte über die Chipfläche verteilen muss. Man kann zwar das Gitter zur Stromverteilung vergrößern, damit wird aber immer mehr Licht abgeschattet. Auch der ohmsche Wiederstand des letztendlich realen Leiters bzw. des Gitters hat natürlich auch Einfluss auf den Wirkungsgrad.

Bei unseren UX3-Verfahren wird der zweite Pol zur Bestromung von der Unterseite her durchgeführt und im Halbleiter selber verteilt. Damit ist einmal die Abschattung auf der Oberfläche nicht mehr vorhanden und weiterhin kann höhere Stromdichte eingeführt werden. Das Leuchtbild oben bleibt homogen gleichmäßig.

Man kann das z. B. auch am Bild vom OSTAR Stage LE RTDUW S2W erkennen, während der rote Chip noch mit dem Metallisierungsraster überzogen ist, sind der grüne, blaue und weiße LED-Chip ohne Oberflächenstruktur.

Die Interview Partner

Dr. Stefan Morgott studierte Physik an der Universität Ulm. Anschlie- ßend promovierte er am Fraun – hofer-Institut für angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg über optische Halbleiterverstärker. Seit 2000 ist er bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg tätig. Dort beschäftigte er sich acht Jahre lang mit der Applikation und Messtechnik von Infrarot-Laserdioden. Seit 2008 liegt sein inhaltlicher Fokus auf den Anwendungsmöglichkeiten von sichtbaren LEDs mit den Schwerpunkten Projektion und Entertainment Lighting.

Nach Erwerb des Meistertitels für Radarmechanik studierte Wolfgang Schnabel Nachrichtentechnik an der FH Osnabrück. Anschließend war er mehrere Jahre als Vertriebsingenieur bei der Siemens AG tätig, bevor er 1999 in gleicher Position zu Infineon Technologies wechselte. Seit 2001 ist Schnabel als Marketing Manager LED im Bereich Industrie bei Osram Opto Semiconductors tätig. Sein inhaltlicher Schwerpunkt liegt im Bereich Projektion.