In der Leuchtentechnik gehören der LED und OLED die Zukunft. Die Vorteile sind eindeutig: energieeffizient und langlebig sind die Leuchtdioden, zudem kompatibel mit modernen Lichtsteuerungssystemen und höchst felxibel in verschiedensten Anwendungen einsetzbar. Auch hinsichtlich Lichtqualität und -farbe ist die LED mit dem Licht der „Glühbirne“ inzwischen absolut vergleichbar.

„Die Lichtbranche macht derzeit einen ganz erheblichen und vor allem rasend schnellen technologischen Wandel durch,“ erklärte Andreas Bettermann, Vorsitzender des ZVEI-Fachverbands Elektroinstallationssysteme, auf der Pressekonferenz im November 2013 zur Light+Building 2014. „Die LED-Technologie kommt nicht mit Riesenschritten, sondern mit Riesensprüngen auf uns zu. Früher konnte man die Märkte für Lampen und Leuchten und Betriebsgeräte sowie Fassungen noch gut auseinanderhalten. Jetzt verschwimmen die Grenzen, denn LED werden nicht separat verkauft, sondern einschließlich dazugehöriger Elektronik immer häufiger in Leuchten fest eingebaut.“

Und hier spielen auch die Werkstoffe eine ganz wesentliche Rolle in der Entwicklung. „Um Qualitätsleuchten anzubieten, sind die Beherrschung des Thermomanagements und die Auswahl der elektronischen Komponenten für einen langen und stabilen Betrieb der Leuchten extrem wichtig.“ Designern eröffnen sich mit den Lichtpunkten der LED völlig neue Freiheiten in der Gestaltung. Doch Bettermann weist auch darauf hin, dass die schnelle technologische Entwicklung der LED und den damit kürzeren Vermarktungszyklen höhere Kosten bei der Produktion von LED-Leuchten bedingen. Und Joachim Bernhard, Director Marketing Electrical & Electronics bei Albis Plastic, meint: „Aufgrund des globalen Wandels von herkömmlichen Leuchtmitteln hin zu energieeffizienteren Systemen sowie der fortschreitenden Preis-Erosion bei LEDs erfährt der SSL (Solid Stat Lighting) Markt ein rasantes Wachstum. Damit einhergehend steigt natürlich auch der Bedarf an Kunststoffen für LED-spezifische Anwendungen wie zum Beispiel Linsensysteme, Lichtleiter, Reflektoren, Streuscheiben, Kühlkörper und Gehäusebauteile. Im Bereich Automotive wird die LED in den kommenden Jahren die klassische Glühlampe nach und nach ersetzen.“

Dem Licht neue Formen geben

Ganz wesentlich für die Lebensdauer von LEDs ist die Kontrolle der Wärmeentwicklung. Hierfür müssen Konstruktion und Werkstoffe genau aufeinander abgestimmt werden. Kunststoffe werden an verschiedenen Stellen eingesetzt, für die Optik, die elektrischen Komponenten oder für die Gehäuse und stets spielen thermische Stabilität und Wärmeleitung eine wichtige Rolle. Im Round Table der Zeitschrift Elektronik Journal (04/2013) erklärte Stefan Grötsch, Osram Opto Semiconductors: „Einerseits gibt es Kleinleistungs-LEDs, wo man über Jahrzehnte gesehen hat, dass man eine einfache Kunststoffoptik darüber setzen kann. Auf der anderen Seite stehen Hochleistungs-LEDs, die in der Leuchtdichte schon über der von Xenonbrennern, also Entladungslampen liegen; niemand käme da auf den Gedanken in unmittelbarer Nähe von wenigen Millimetern oder weniger Abstand ein Kunststoffelement anzubringen.“

Zu einem ansprechenden Design und einer guten Optik von LEDs gehören besonders transparente und strahlende Kunststoffe sowie auch Kunststoffe mit hochwertigen Oberflächen. Dafür bietet zum Beispiel Bayer Material Science, Leverkusen, ein Gestaltungskonzept für das Interieur im Automobil an. Dazu zählt das transparente Polycarbonat Makrolon für LED sowie auch Bayblend-Typen. Albis Plastic, Hamburg, präsentierte auf der Strategies in Light Europe 2013 verschiedene Compounds der Serie Alcom. Darunter Alcom LD, das sich durch eine besonders homogene, nahezu verlustfreie Lichtstreuung auszeichnet und zum Beispiel in Kombination mit Reflektoren oder Lichtschächten aus Alcom LB, einem Material mit einem Lichtreflexionsgrad bis zu 96 %, zu einer erheblichen Erhöhung der Lichtausbeute beiträgt. Das auf Basis von Polycarbonat entwickelte Alcom LG bietet sich als Werkstoff mit hoher Lichtleitung und Zähigkeit unter anderem für ein Verarbeitung im 2-Komponenten-Spritzguss an.

Auch Polymethylmethacrylat, unter dem Namen Plexiglas von Evonik, Darmstadt, bekannt, eignet sich gut für Abdeckungen von LED-Leuchten und -displays. Plexiglas LED wurde dafür optimiert und erlaubt durch eingebettete Streupartikel, dass das über die Kanten eingespeiste Licht gleichmäßig über die Fläche nach vorne ausgekoppelt wird. Durch diese Kantenbeleuchtung sind flachere Bauweisen und damit auch geringere Einbautiefen möglich – so wie bei den derzeit immer beliebter werdenden Panel Lights.

Eine interessante Alternative zu den Thermoplasten ist Flüssigsilikon. Wacker, Burghausen, bietet mit der Produktreihe Lumisil LR 7600 Flüssigsilikonkautschuke an, die zu transparenten Elastomeren vulkanisieren. Der Werkstoff ist bis 200° C temperaturbständig und neigt nicht zum Vergilben. Das Silikon lässt sich kostengünstig in Großserie spritzgießen und eignet sich für Anwendungen im Automobilbau. Die hohe Tempereaturbeständigkeit erlaubt die Anwendung in optischen Bauteilen für Xenon-Lampen und Hochleistungs-Leuchtdioden. Solche Lampen werden zunehmend in den Frontscheinwerfern von Fahrzeugen eingesetzt und werden im Dauerbetrieb sehr heiß. In adaptiven Fahrlicht-Systemen können optische Elemente aus dem Silikon dazu beitragen, dass die Fahrbahn in jeder Verkehrssituation optimal ausgeleuchtet wird. Im Allgemeinen sind Elastomere alterungs- und witterungsbeständig, elektrisch isolierend, wasserabweisend und kälteflexibel.

Zur Herstellung von Gehäusen, Fassungen und anderen Komponenten für LEDs eignet sich Pocan TP 555-001 von Lanxess, Köln. Der Polyester-Materialtyp auf Basis von Polyethylenterephthalat (PET) zeichnet sich durch eine auch auf Dauer kaum nachlassende Lichtreflexion und eine hohe Hitzestabilität aus. „Der Hightech-Werkstoff ist ein Vertreter einer neuen, wachsenden Materialfamilie, mit der wir auf den weltweiten Trend zu LED-Lichtquellen reagieren. Er ist als wirtschaftliche Alternative zu Spezialpolyamiden konzipiert, die häufig wegen ihres hohen Schmelzpunktes zum Beispiel als Werkstoff für LED-Gehäuse Verwendung finden“, erklärte Dr. Matthias Bienmüller, Leiter der Produktentwicklung für Pocan bei Lanxess. Der neue Materialtyp ist mit Glasfasern verstärkt und speziell additiviert. Seine Lichtreflexion ist mit über 90 Prozent bei 450 Nanometer außergewöhnlich hoch. Als Gehäusematerial reflektiert er das Licht der LED fast vollständig, sodass die Helligkeitsverluste minimal sind. Eine weitere Stärke ist die hohe Beständigkeit gegen Alterung durch Vergilben unter Licht- und Wärmeeinfluss.

Selbst nach über 500 Stunden Alterung bei 140 °C erreicht die Lichtreflexion noch Werte um 90 Prozent. „Unter den üblichen Einsatzbedingungen einer LED tritt praktisch keine Verfärbung auf. Im Gegensatz dazu fällt unter diesen Bedingungen die Lichtreflexion hochschmelzender Polyamide spürbar ab, weil sie vergilben“, so Dr. Timo Immel, Experte für LED-Anwendungen in der Produktentwicklung von Pocan. Die hohe Fließfähigkeit seiner Schmelze erlaubt es, dünnwandige und filigran konstruierte Bauteile umzusetzen. Im Vergleich zu hochschmelzenden Spezialpolyamiden kann er bei rund 50 – 60 °C niedrigeren Temperaturen spritzgegossen werden. „Dadurch sinkt der Energieverbrauch des Verarbeiters, was ebenfalls zur hohen Wirtschaftlichkeit beiträgt“, so Immel.

Kunststoff als Metallersatz für Wärmeableitung

Besonders spannend ist der Einsatz von Kunststoffen im Kühlkörper von LEDs, da hier auch konstruktive und damit propuktionstechnische Vorteile liegen. Derzeit werden überwiegend Metalle oder Keramiken für die Kühlkörper der Dioden eingestezt, doch es zeichnet sich ab, dass besonders wärmeleitende Kunststoffe auf dem Vormarsch sind. So bietet zum Beispiel Lehmann & Voss, Hamburg, neue Compounds an, die über eine abgestimmte Wärmeleitfähigkeit von 0,6 bis 1,5 W/mK, gute Festigkeiten, elektrische Isolation, weiße Farbgebung und optional flammgehemmt mit Prüfung nach UL94 V0 verfügen.

Die Polymerbasis sind PET, PA und PC. Auch Lanxess entwickelte für das thermische Management von elektrischen Geräten eine Polyamid-Produktgruppe an. Die Thermoplaste leiten die Wärme ähnlich gut wie Polyamide mit Bornitrid oder Aluminiumoxid. „Aluminiumoxid-Systeme haben aber den Nachteil, dass sie sehr abrasiv sind, was schnell zu Schäden am Spritzgießwerkzeug führt. Im Vergleich zu Bornitrid-Systemen sind unsere Materialien deutlich preiswerter und haben bessere mechanische Eigenschaften“, erklärt Dr. Tobias Benighaus, Experte in der Produktentwicklung. Eine vollständige Metall-Substitution kommt jedoch nur dann in Frage, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Metalle nicht vollständig genutzt wird.

Als echter Ersatz für Aluminium wurde der Werkstoff Star Therm WA N in der preisgekrönten LED im Retrofit-Design „Bulled Star“ eingesetzt. Fred Panhuizen, Director Marketing und Technik der Epic Polymers, Kaiserslautern, erläuterte: „Um die geforderte Kühlleistung zu erreichen, war ein Werkstoff mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit gefordert, der zudem eine enorme Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen aufweist. In engster Zusammenarbeit mit Ledo LED wurde der Werkstoff Star Therm WA N entwickelt, ein Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 10 W/mK, der exzellente elektrische Isolation aufweist und zur Verarbeitung in dünnwandigen Teilen hervorragend geeignet ist.“

Auch das Unternehmen Vossloh-Schwabe, fertigt die Kühlkörper verschiedener LED-Lichtsysteme aus Laticontherm 62 GR/50 von Lati Industria Termoplastici, Vedano Olona, Italien. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 10 W/mK ermöglicht der Kunststoff eine effiziente Wärmeableitung. Das Polyamid 6 ist mit 50 Gew.-% Graphit gefüllt. Die spezielle Geometrie der Graphitpartikel begünstigt deren Ausrichtung in Fließrichtung der Schmelze und somit die Ausbildung bevorzugter Wärmeleitpfade im Bauteil.

Für zukünftige LED-Entwicklungen beobachtet Joachim Bernhard von Albis Plastics, dass z.B. spezielle Designeffekte durch den Einsatz textiler Oberflächen mit integrierter Beleuchtungsfunktion erzielt werden können. Hierfür werden dünnwandige, flexible Lichtleiter benötigt, die sich zu Geweben verarbeiten lassen. Dies würde zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich Autoinnenraum, Leuchtendesign oder zum Beispiel auch Funktionsbekleidung erschließen. Dabei gilt es auch, die Ziele zur homogenen Lichtausbeute über den gesamten Leuchtweg zu erreichen. „Neben der Wirtschaftlichkeit sind eine homogene, möglichst verlustfreie Lichtemission bei größtmöglicher Gestaltungsfreiheit die Kernthemen unserer Kunden.“

 

Nachgehakt

Experten im Gespräch: Professor Prof. Dietmar Drummer und Florian Ranft vom Lehrstuhl für Kunststofftechnik an der Universität Erlangen-Nürnberg
Welche Kunststoff-Eigenschaften sind besonders wichtig
im Hinblick auf LED und OLED-Technologien?

Kunststoffe stellen innerhalb von LED-Beleuchtungssystemen eine wesentliche werkstoffliche Komponente dar. So werden amorphe Kunststoffe sowohl als Vergussmasse als auch für die verwendeten Sekundäroptiken eingesetzt, stets verbunden mit der Anforderung nach dauerhaft hoher Transparenz im sichtbaren Wellenlängenbereich. Besondere Anforderungen werden hierbei an das Alterungsverhalten sowie Temperaturabhängigkeit optischer Eigenschaften gestellt. Neue Mö-glichkeiten im thermischen Management von LED-Beleuchtungssystemen bieten Kunststoffe mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit, welche als klassische Kühlkörpergeometrien Einsatz oder im Sinne reduzierter Wärmepfade direkt als Schaltungsträger fungieren können.

Welcher größte Meilenstein wurde in der Entwicklung der LED und OLED-Technik in den letzten drei Jahren erreicht?

Betrachtet man die Entwicklung der LED-Technologie in den letzten 10 Jahren ist festzustellen, dass eine kontinuierliche Erhöhung des Lichtstromes einhergehend mit abnehmenden Wärmewiderständen stattgefunden hat. Dieser Trend wird sich auch in nächster Zeit weiter fortsetzen. Gerade im Bereich der Automobil- oder Straßenbeleuchtung eröffnet dies die Möglichkeit einer Umstellung auf die LED-Technologie. OLEDs dagegen, welche erst gerade am Beginn des Markteintritts stehen, könnten als zukünftiges Beleuchtungsmittel für die Raumbeleuchtung eine wichtige Rolle spielen. Jedoch sind hierfür weitere technologische als auch wirtschaftliche Fortschritte unabdingbar.

Welche Kunststoffeigenschaften sind noch nicht oder nicht ausreichend am Markt verfügbar, um diese Lichttechniken weiter zu entwickeln?

Eine große Herausforderung liegt sicherlich darin, Kunststoffe verfügbar zu haben, die entsprechende Belastungen aufgrund von Strahlung und Temperatur dauerhaft standhalten und dabei gleichzeitig die notwendige Wirtschaftlichkeit mitbringen.

Welche größeren Fortschritte erwarten Sie für Kunststoff-
anwendungen in der Lichttechnik?

Insbesondere die Herstellung dickwandiger, hochpräziser Sekundäroptiken aus Kunststoff stellt den Kunststoffverarbeiter derzeit vor große Herausforderungen. Die kontinuierliche Entwicklung von innovativen Verarbeitungsverfahren wie dem Mehrschichtspritzgießen oder der Druckverfestigung liefern hierfür vielversprechende Lösungsansätze. Des Weiteren könnte die Kombination der LED-Technologie in Verbindung mit der sogenannten 3D-MID-Technologie zum Aufbau thermisch optimierter LED-Systeme beitragen. Völlig neue Möglichkeiten ergeben sich auch im Design von Lampensystemen. LEDs besitzen nur geringen Platzbedarf, sind langlebig und können auch zum Beispiel in Sonderverfahren der Kunststofftechnik rationell in Baugruppen integriert werden.

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Über den Autor

Dr. Etwina Gandert ist Redakteurin bei Plastverarbeiter. etwina.gandert@huethig.de