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Hochleistungs-LED-Module

LED

Moderne industrielle Prozesse basieren heute mehr und mehr auf der zielgerichteten Anwendung von ultraviolettem (UV) Licht.

UV-Licht wird unter anderem zur Aushärtung von Farben, Lacken, Beschichtungen und Klebern verwendet. Auch die Trinkwasserbehandlung mit UV-Licht verspricht einen großen ökologischen Vorteil im Vergleich zu chemischen Verfahren. Bisher werden in diesen Anwendungen Quecksilber-Gasentladungslampen eingesetzt. Jedoch erlangen Anwendungen, in denen Hochleistungs-UV-Leuchtdioden (LED) eingesetzt werden, zunehmende Beachtung.

Die LED-Technologie verspricht einen einfacheren Betrieb, die Möglichkeit zum schnelleren Ein- und Ausschalten, einen geringeren Energieverbrauch und eine höhere Lebenserwartung als Gasentladungslampen. Zurzeit sind LED-Chips im nahen UV-Bereich zwischen 400 nm und 365 nm mit einigen hundert Milliwatt optischer Ausgangsleistung verfügbar. Diese Chips ermöglichen den Bau von kompakten und leistungsfähigen Aushärtelampen. LEDs emittieren, im Gegensatz zu Gasentladungslampen, ein schmales Spektrum um eine zentrale Wellenlänge. Daher profitieren Anwendungen, die nur ein schmales Spektralband im nahen UV benötigen, von deren Verwendung aufgrund eines verminderten Energie- und Kühlungsbedarfs. Eine andere Möglichkeit, Energie in getakteten Prozessen zu sparen, ist die Möglichkeit, die LEDs nur dann einzuschalten, wenn sie im Prozessablauf wirklich benötigt werden. In diesen Fällen lassen sich viele Gasentladungslampen durch energieeffizientere, LED-basierte Lösungen ersetzen.Um Hochleistungs-LED-Lichtquellen zuverlässig zu betreiben, sind einige Randbedingungen zu beachten. Die Lebensdauer und die Effizienz hängen eng mit der Temperatur des lichtemittierenden pn-Übergangs jeder einzelnen LED zusammen. Daher sind die thermischen Eigenschaften des Gehäuses und des Aufbaus entscheidend für das Systemdesign.

In diesem Projekt werden Lichtmodule entwickelt, die aus einer großen Anzahl dicht gepackter, blau und ultraviolett emittierender Hochleistungs-LEDs bestehen. Die Ergebnisse sind direkt auf andere Emissionswellenlängen übertragbar, da die hauptsächliche Herausforderung in der Kühlung der LED-Chips besteht. Die bisher realisierten LED-Module bestehen aus 98 LED-Chips, die auf einer Fläche von 211 mm² untergebracht sind. Sie können mit bis zu 465 W elektrischer Eingangsleistung im Fall der UV-LED-Module und 838 W im Fall der blau emittierenden LED-Module betrieben werden. Um diese Leistungsdichten zu erreichen, werden die LED-Module wassergekühlt. Als Kühler kommt ein spezieller, mikrostrukturierter Oberflächenkühler, der vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT entwickelt und gebaut wurde, zum Einsatz.