Nach dreijähriger Laufzeit wurde das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt „HyComLED“ kürzlich erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Projekts war es, spezielle Technologien für kompakte LED-Beleuchtungsmodule zu erforschen und zu entwickeln, um das das große Potential der LED-Beleuchtungstechnologie für die Praxis nutzbar zu machen.
Künstliches Licht ist eine wesentliche Voraussetzung für den Wohlstand und die Lebensqualität in der modernen Gesellschaft. Hierbei spielen die Lichtqualität und die Lichtgestaltungsmöglichkeiten eine herausragende Rolle. Neuere Ergebnisse der biologischen Forschung zum sogenannten circardianen Rhythmus zeigen, dass Wohlbefinden und Gesundheit von Menschen, aber auch von Tieren in der Tierzucht tageszeitabhängig vom Spektrum des Lichtes beeinflusst werden. Eine auf Basis dieser Forschungsergebnisse angepasste Beleuchtung kann z.B. negative gesundheitliche Folgen von Schichtarbeit mindern oder den notwendigen Medikamenteneinsatz in der Tierzucht reduzieren.
Den Vorteilen der LED, wie die hohe Energieeffizienz, große Lebensdauer von > 50.000 h und sehr kompakte Bauweise der Einzelemitter, stehen als Nachteile die begrenzte Leistung der Einzelemitter entgegen. Dem Problem der begrenzten Leistung wird durch die Kombination mehrerer Einzelemitter in sogenannten Light-Engines begegnet. Hierdurch wird jedoch zum einen das Thermomanagement schwieriger.
Insbesondere war eine Positionierung der optisch wirksamen Elemente nahe an den Emittern auf Grund der thermischen Belastung bisher nicht möglich. Die aus Kostengründen aus Kunststoff (z.B. PMMA) gefertigten, optischen Elemente erfahren bei typischen Temperaturen > 100 °C eine die optische Funktionalität negativ beeinflussende Verformung und teilweise sogar Anschmelzungen bzw. Verfärbungen. Zum anderen geht der Vorteil der Kompaktheit der Einzelemitter, die durch den Einsatz von Freiformlinsen - bzw. Spiegeln eine mit herkömmlichen Leuchtmitteln nicht erreichbare Lichtlenkung ermöglicht, in erheblichem Maße verloren.
Silikon-Glas Hybridoptiken
An diesem Punkt hat das Forschungsprojekt HyComLED angesetzt und einen neuartigen Ansatz von Hybridoptiken entwickelt. Hierbei wird die Optik aus einem Materialverbund von Silikon und Glas hergestellt, wodurch die Abformung komplexer Geometrien, hoher Formstabilität und extremer Temperaturfestigkeit miteinander kombiniert werden konnten.
Um die inhärenten Vorteile der LED voll auszuschöpfen und auch anspruchsvollste Beleuchtungsanforderungen erfüllen zu können, müssen die Baugröße der Light-Engines deutlich reduziert und die Farbhomogenität auf das Niveau der thermischen Emitter angehoben werden. Gleichzeitig müssen aber die Lichtgestaltungsmöglichkeiten, wie sie bei Einzelemittern in Kombination mit Freiformoptiken gegeben sind, erhalten bleiben. Dies wird mit Hilfe von optischen Einzelelementen erreicht, die in Silicon-on-Glas Technik hergestellt werden und deutlich höheren Temperaturen als Kunststoffoptiken standhalten und daher direkt vor jede LED platziert werden können. Jede LED der Light-Engine mit ihrem eigenen optischen Elemente zu kombinieren, erlaubt eine optimale Lichtlenkung bei hoher Lichtstärke. Die in einem Modul verbauten LED besitzen unterschiedliche Emissionsspektren. Durch eine intelligente Steuerung der einzelnen LED können tageszeitspezifische Spektren gemischt werden.
Im Rahmen des Projekts wurden zum einen Demonstratoren für hochkompakte Lightengines entwickelt und erfolgreich prototypisch hergestellt, als auch lichttechnische Lösungen für die circadiane Beleuchtung in einem Demonstrator durch das Konsortium realisiert.
Die Projektpartner und ihre Aufgaben
Basierend auf der Anforderungsdefinition des Endanwenders Vossloh-Schwabe wurde durch den Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen ein angepasstes Optikdesign entwickelt, welches über das reine Raytracing hinaus auch dem thermischen Haushalt des Gesamtsystem berücksichtigt, um ideale Ausleuchtungsverhältnisse zu schaffen. In Zusammenarbeit der KMUs Berlet Formenbau und Innolite wurde ein neuartiges Werkzeug zur Herstellung von SOG Hybridoptiken realisiert, mit dem durch den Einsatz von hochgenauen, mittels Diamantzerspanung hergestellten Formeinsätzen die Projektdemonstratoren hergestellt werden konnten.
Durch Kombination von LEDs mit unterschiedlichen Emissionsspektren und je einer optimierten Linse in Silicon-on-Glas Technik sowie intelligenter Steuerung ermöglicht den Bau von Leuchten mit bisher nicht realisierbaren Eigenschaften hinsichtlich circadianer Beleuchtung. Durch den Einsatz der Hybridoptiken konnten zum einen die Homogenitäten bei der Farbmischung als auch Ausleuchtung mit über 20% signifikant gegenüber dem Projektstart erzielt werden, was nur durch den ganzheitlichen Ansatz in der Kombination von komplexen Optikdesign und hochgenauer Hybridoptik umsetzbar ist.
Das nun abgeschlossene Projekt HyComLED ist im August 2013 gestartet und wurde vom BMBF im Rahmen des Programms „KMU-innovativ: Optische Technologien“ gefördert.