Was wäre, wenn das Design einer Leuchte zukünftig dünn und flexibel sein könnte und der Umsetzung der Designvorstellungen keine Grenzen mehr gesetzt wären? Derzeit wird das Design von Flächenbeleuchtungslösungen sowohl in ihrer Flexibilität eingeschränkt als auch von der Größe des Kühlkörpers bestimmt. Anfangs galten OLEDs als das goldene leuchtende Kalb, das die Eigenschaften hauchdünn, flexibel und hocheffizient kombinierte. Doch die Marktreife der Technik blieb hinter den Erwartungen zurück – sie lässt immer noch auf sich warten.

Vielfältig wandelbares Licht

Oft unterliegen LED-Systeme diversen Einschränkungen hinsichtlich organischer Formen, dünner und minimalistischer Designs, gerader oder gekrümmter Varianten. Die Light-Sheet-Technik positioniert sich flexibel in Form und Größe für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten mit einer Leistung von bis zu 140 lm/W und einer Lumen Maintenance von über 100.000 Stunden.

Dieser Herausforderung stellt sich das Start-Up-Unternehmen Cooledge Lighting mit seiner Light-Sheet-Technik. Laut dem kanadischen Unternehmen setzt diese Entwicklung einen Meilenstein in der Flächenbeleuchtung. Das Konzept basiert auf kleinen Low-Power-LEDs, die Cooledge in einem dichten Muster auf ein flexibles Substrat aufbringt. Der große Vorteil: es entsteht nahezu keine Wärme an den einzelnen LEDs; daher ist keine zusätzliche Kühlung notwendig. Mit einer Leistung bis 140 lm/W erzielen LED-Systeme eine Lumen Maintenance über 100.000 Stunden.

Ein Blick hinter die Kulissen

Bisher waren Flächenbeleuchtungsvarianten sowohl von der Dimension des Kühlkörpers als auch der Flexibilität begrenzt, denn ab einer Breite von zirka 5 cm war es nur schwer möglich, Flexibilität zu erzielen. Die Dimensionierung des Kühlkörpers hängt von der Gesamtleistungsaufnahme der LEDs ab, welche das jeweilige Lampendesign bestimmen. Konzeptionelle Ansätze für Flächenbeleuchtungsmodelle basieren überwiegend auf dem Einsatz mehrerer Einzel-Chip-LEDs die sich auf starren Leiterplatten befinden.

Die einzelnen LEDs haben oft hohe Leistungen von mehreren Watt und eine Helligkeit von mehr als 100 lm. Generell betreibt man sie mit hohen Strömen von mehr als 300 mA. Doch auch sehr effiziente LEDs wandeln nur 40 Prozent der Energie in Licht um; der Rest geht als Wärme verloren. Um die Wärme abzuleiten, bedarf es unbedingt eines guten Kühlkonzepts.

Das elektrische Schema des Light-Sheets.

Das elektrische Schema des Light-Sheets.Cooledge

Die Light-Sheet-Technik basiert auf vielen Low-Power-LEDs in einem dichten Muster; sie sind auf ein dünnes Kunststoffsubstrat aufgebracht. Bei dem Kunststoffmaterial handelt es sich um ein flexibles, dünnes und leichtes PET (Polyethylenterephthalat). Das Substrat ist in transparent oder in weiß verfügbar. Die Besonderheit liegt darin, dass die einzelnen LEDs nur schwachen Strom bekommen, sodass von vorne herein wenig Wärme entsteht. Zudem wirkt sich das Unterstromen der LEDs positiv auf deren Lebensdauer aus. Wenn man LEDs nicht an ihrem Maximum betreibt, beträgt der Lichtabfall nach 100.000 Stunden nur zehn Prozent.

Ein Fall für zwei

Das Light-Sheet zeigt sich flexibel.

Das Light-Sheet zeigt sich flexibel.Cooledge

Das Light-Sheet ist in zwei Standardversionen lieferbar, dabei haben die LEDs zueinander einen Abstand (Pitch) von 7  beziehungsweise 12 mm. Die zwei Abstandsversionen unterscheiden sich durch die Kosten und die Leistung; sie beeinflussen die Designüberlegungen. Das Produkt ist ebenfalls in verschiedenen Längen, sechs Breiten und in vier Farbtemperaturen erhältlich; es deckt das für Beleuchtungszwecke relevante Farbspektrum von 2700 bis 4000 K ab.

Ein Light-Sheet mit einer Länge von 30 cm, einer Breite von 28 mm und einem LED-Abstand von 7 mm erreicht einen Wirkungsgrad bis 140 lm/W bei einem Lichtstrom von 310 lm, während das Produkt mit 12 mm Abstand bei gleicher Länge und einer Breite von 36 mm eine Lichtausbeute von 120 lm/W aufweist und 430 lm erreicht. Die 12-mm-Version benötigt etwa 60 Prozent weniger LEDs pro Light-Sheet, wobei man diese etwas höher bestromt, sodass sich die gleichen Leistungen bei mehr Wirtschaftlichkeit erreichen lassen.

Die Spezifikationen: Durch Kombinationen bei Größe, Farbtemperatur und der Wahl des LED-Abstands auf dem Kunststoffsubstrat sind unterschiedliche Wirkungsgrade in verschiedenen Formen und Größen möglich.

Die Spezifikationen: Durch Kombinationen bei Größe, Farbtemperatur und der Wahl des LED-Abstands auf dem Kunststoffsubstrat sind unterschiedliche Wirkungsgrade in verschiedenen Formen und Größen möglich.Cooledge

Durch das dichte Muster an LEDs bildet das Light-Sheet eine kaum blendende Lichtquelle in Verbindung mit einer gleichmäßigen homogenen Lichtverteilung und einem hohen Wirkungsgrad. Die Vorteile der Technik lassen sich einfach zusammenzufassen: Flexibilität, Effizienz und Wirtschaftlichkeit, keine zusätzliche Kühlung, dünn, individuelle Formen sowie eine lange Lebensdauer.

Flexibel, einfach und individuell

Die Welt ist unglaublich facettenreich; eine Fülle an Farben, Formen und Umgebungen spiegeln sich in der Natur wieder. Diese vielfältige Inspiration in das Produktdesign einfließen zu lassen, gestaltet sich allerdings schwierig, da in heutigen Flächenbeleuchtungslösungen die Ansteuerung und die Kühlung für die LEDs das Design diktieren. Es bedarf großer Kühlkörper, welche oft zu starren und großen Designs der Leuchten führt.

Das Light-Sheet gehört zu den Niederspannungskomponenten der Klasse SELV und erlaubt eine einfache Integration in viele Konstruktionen. Die Technik ermöglicht es, die Sperrschichttemperatur niedrig zu halten und beim Umwandeln der Energie in sichtbares Licht effizient vorzugehen. Es treten im Betrieb nur wenig Temperaturveränderungen über die gesamte Fläche auf; ausgenommen eines kleinen Temperaturanstiegs in dem Bereich der Ansteuerung.

Ein Infrarot-Kamerabild eines Light-Sheets; es ist vertikal hängend befestigt und besitzt keinen Kühlkörper.

Ein Infrarot-Kamerabild eines Light-Sheets; es ist vertikal hängend befestigt und besitzt keinen Kühlkörper.Cooledge

Abhängen oder Ankuscheln

Das direkte Aufbringen des Light-Sheets auf fast jedes Material – ob Holz, Glas, Kunststoff oder Metall – ist laut Cooledge sehr einfach umzusetzen. Die thermische Gegebenheit ermöglicht einen minimalen Materialeinsatz, das führt wiederum zu minimalistischem Aufbau. Das Light-Sheet eröffnet so die Voraussetzung, innovative Designs zu entwickeln. Durch seine Flexibilität lassen sich Kurven, glatte Konturen und fließende Formen kreieren. Das sind gute Aussichten für Leuchten und Beleuchtungskonzepte: sie sind nicht mehr durch starre PCB-Platten begrenzt.

Außer der Flexibilität in der Form ergeben sich weitere Möglichkeiten in der Größe und Dimension des Lampendesigns. Ein Light-Sheet lässt sich auf eine bestimmte Größe zuschneiden oder es lassen sich mehrere zu einer großflächigen Beleuchtung zusammensetzen. Beim Zuschneiden darf der Entwickler nur gekennzeichnete Stellen verwenden. Das gewünschte Design läßt sich so entsprechend der Anforderungen der Anwendung umsetzen. Der Einsatz des Standardprodukts ermöglicht über 5000 verschiedene Konfigurationen hinsichtlich Lichtausbeute, Farbtemperatur, Breite und Länge.

Innovatives Lampendesign aus Holz.

Innovatives Lampendesign aus Holz.Cooledge

Intelligente Accessoires

Ein Light-Sheet mit 7-mm-LED-Pitch lässt sich mit einem Diffuser oder einer Optik ausstatten. Letztere kann man sehr nah an den LEDs befestigen, sodass ein klares, einheitliches und flaches Lampendesign entstehen kann.

Eine einfache physikalische Faustregel bei Optiken besagt, dass der Abstand der Diffuserplatte zu den LEDs etwa dem doppelten Abstand der LEDs zueinander entsprechen sollte. Bei einem LED-Abstand von 7 mm entsprächen das etwa 14 mm. Da die Tiefe beim Lampendesign mit dem Light-Sheet nur noch eine zweitrangige Rolle spielt, ist die 12-mm-Version die bessere Wahl. Ein weiterer Pluspunkt: das Light-Sheet lässt sich, kombiniert mit handelsüblichen 0- bis 10-V-Bausteinen, auf zwei Prozent herunter dimmen.

Wenn Qualität die Anforderung trifft

Über unterschiedlichen Phosphormischungen erreicht man einen hohen Farbwiedergabeindex (Color Rendering Index, CRI); er sorgt für große Farbechtheit sowie Detailtreue und stellt einen Indikator für Lichtqualität dar. Die Messlatte setzt dabei immer noch die Edison Glühbirne mit einem CRI-Wert von 100 bei einem warmen Weißton aufgrund ihres hohen Anteils im roten Wellenspektrum.

Weißlicht-LEDs kommen hingegen von der anderen Seite des sichtbaren Spektrums, da sie auf einer blauen Leuchtdiode basieren, was zu einem kühlen Farbton führt. Cooledge verwendet LEDs, die für alle Farbtemperaturen einen CRI-Wert von mindestens 80 (typisch 83) aufweisen. Angestrebt sind Produkte mit einem CRI-Wert von mehr als 90.

In Verbindung mit der guten Lichtausbeute entspricht das Light-Sheet den Anforderungen des internationalen DoE-Energy-Star-Programms (US Department of Energy). Des Weiteren gehört es zu den UL-anerkannten (Underwriters Laboratories) sowie den CE-kompatiblen Produkten. Das Bestehen der LM-80-Tests oder die IES-TM-21 ist Voraussetzung für das Energy Star-Label. Ziel der LM-80-Tests ist es, mit einem verkürzten Test von 6000 Stunden (was knapp neun Monaten entspricht) zu demonstrieren, dass die LED in einem konsistenten industriellen Testprozedere ihre Eigenschaften hinsichtlich des Helligkeitsverlaufs und der Lebensdauer unter Beweis stellt. Dazu fordert LM-80 einen LED-Test bei drei verschiedenen Temperaturen; fest vorgegeben sind +55 und +85 °C).

Im Vergleich dazu enthält die Extrapolierungsmethode IES-TM-21 Empfehlungen, wie sich LM-80-Testergebnisse interpretieren lassen, um Stromerhalt oder Lumen Maintenance Life von LED-Produkten über einen längeren Zeitraum zu ermitteln. Die Ergebnisse garantieren Herstellern von Endprodukten, das sämtliche Einzel-LEDs denselben Anforderungen genügen und nicht unterschiedlich altern.

Das Light-Sheet erfüllt und übertrifft die Bedingungen der LM-80 und TM-21, da der Lichtabfall nach 100.000 Stunden zehn Prozent beträgt. Dies entspricht einer Zeitspanne von 25 Jahren (ausgehend von jährlichen 4000 Stunden bei einer Nutzung mit 16 Stunden pro Tag an 250 Werktagen im Jahr).

Einfach Farbe bekennen

Seit September 2013 müssen Hersteller in der EU auch die Farbkonsistenz ihrer LED-Leuchtmittel angeben. Dazu dient der Stufenwert Standard Deviation of Colour Matching (SDCM). Er beziffert die Farbwertabweichung innerhalb einer Serie und darf den Wert sechs nicht überschreiten.

Beim Erklären der Bedeutung in der Praxis muss man wissen, dass das menschliche Auge ein sehr empfindliches Organ ist – auch in Bezug auf die Wahrnehmung von Farben. Bereits eine Abweichung von wenigen Kelvin in der Farbtemperatur erfasst es als Farbunterschied, was vor allem bei Flächen- und Streifenbeleuchtungen nicht akzeptabel ist. Die Herausforderung beim Herstellen von LED-Beleuchtung liegt darin, eine definierte und möglichst homogene Farbtemperatur beim Endprodukt zu erzielen. Das Light-Sheet gibt es in SDCM 3,5, was einer Farbselektion von ein bis zwei Bin nach MacAdam 3.5 entspricht. Diese eng gesteckten Kriterien berechnen Chromatizitätskoordinaten, die so nahe bei den definierten Werten liegen, dass das menschliche Auge nur wenig Farbunterschied wahrnimmt.

Wer macht das Rennen?

In der Beleuchtungsindustrie, die sich von Standardformaten weg entwickelt, spielen Techniken, die den Traum von hauchdünnen, flexiblen, hocheffizienten Leuchten verwirklichen, eine Schlüsselrolle. OLEDs gelten heute als die Zukunft der Innenraumbeleuchtung, allerdings findet sich die Technik hauptsächlich in Entwicklungslaboren oder Vorserien. Einzelne Designstudien zeigen, was sich bei OLEDs für Möglichkeiten an dünnen und flexiblen Varianten eröffnen. Trotzdem stellen Kosten, Lebensdauer und Farbtreue Hürden zur Marktreife dar.

Mit der Light-Sheet-Technik stellt Cooledge eine gute Alternative vor, die durch ihren speziellen Aufbau punktet. Bei den Faktoren Flexibilität, Design und Formfaktor muss sich das Light-Sheets gegenüber OLEDs nicht verstecken. Der Unterschied: OLEDs stecken noch in den Kinderschuhen, das Light-Sheet ist bereits Realität.