27. Aug 2014 „3D-Nano-LED“ – Prototyp von Osram „3D nano LED“ – Prototype from Osram -->

Mehr Produktivität und Lichtausbeute durch Nanotechnologie

Mit dem Einsatz von Nanotechnologie plant Osram künftig deutlich mehr LED-Chips auf den bestehenden Produktionsanlagen fertigen zu können. Forschern des Unternehmens ist es erstmalig gelungen, eine sogenannte „3D-Nano-LED“ für weißes Licht herzustellen. Möglich wird der Produktivitätsschub durch die besonderen Oberflächeneigenschaften des LED-Chips: Anders als bei heute gebräuchlichen Modellen ist diese nicht glatt, sondern besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter mikroskopisch kleiner Säulen. Dadurch vergrößert sich ihre lichtemittierende Oberfläche. Der bestimmende Faktor für die Kapazität einer LED-Chip-Fabrik ist heute die Größe der sogenannten Wafer. Ein Wafer sieht aus wie eine etwas größere DVD und fungiert während der LED-Chip-Produktion als Unterlage. Auf dieser werden Halbleitermaterialien als dünne Schichten aufgebracht und dann in Zehntausende einzelne Chips zerteilt. Die Zahl der Chips pro Wafer wird dadurch begrenzt, dass für eine bestimmte Lichtmenge eine gewisse LED-Chip-Oberfläche notwendig ist – ansonsten leidet die Effizienz. Und genau hier liegt die Innovation des Prototypen: „Wenn man sich die Oberfläche eines 3D-Nano-LED-Chips unter dem Mikroskop anschaut, sieht es aus, als hätten wir auf einem flachen Stück Land ganz viele Hochhäuser errichtet“, erklärt Martin Strassburg, Innovationsmanager bei der Osram Geschäftseinheit Opto Semiconductors.

Der Prototyp-Chip hat auf gleicher Grundfläche eine 5- bis 10-mal größere Oberfläche als aktuelle LED-Chips. Bezogen auf die Grundfläche wird somit auch viel mehr Licht erzeugt. Außerdem lässt sich dadurch auch die Lichtausbeute zukünftig um etwa zehn Prozent steigern. „Das wären je nach Modell pro Wafer einige Tausend zusätzlicher Chips“, so Strassburg. Besonders anwendungsnah ist der Prototyp-Chip, weil die Oberfläche bereits mit dem Leuchtstoff versehen wurde, der – wie bei weißen LED üblich – das anfänglich blaue Licht der LED in weißes Licht verwandelt. Damit dies gelingt, wurde am Osram-Standort Schwabmünchen ein neuartiger, extrem effizienter Leuchtstoff entwickelt, der besonders feinkörnig ist und sich so auch an den Seitenflächen der „Nano-Säulen“ verteilen kann.

Die Erforschung der 3D-Nano-LED wird vom ICT FP7 Programm der Europäischen Union im Projekt GECCO (#280694) gefördert.

www.osram.de

Greater productivity and luminous efficacy with nanotechnology

By making use of nanotechnology, Osram hopes to produce significantly more LED chips with its existing production plant. Osram researchers have for the first time succeeded in manufacturing a so-called „3D nano LED“ for white light. The productivity boost is possible due to the special surface characteristics of the LED chip – in contrast to today’s standard models, this is not smooth but consists of many adjacent, microscopically small columns with a three-dimensional structure, thus increasing its light-generating area. The current determining factor for the capacity of an LED chip factory is the wafer size. A wafer has the appearance of a somewhat larger DVD, and functions as a substrate upon which semiconductor materials are applied as thin layers and which is then divided into tens of thousands of single chips. The quantity of chips per wafer is limited by the fact that a specific LED chip surface is required for a certain quantity of light, otherwise efficiency is adversely affected. It’s precisely here that the level of innovation with the prototype is to be found. „If you look at the surface of a 3-D nano LED chip under a microscope it looks as if lots of skyscrapers have been built on a flat piece of land,“ explained Martin Strassburg, Innovation Manager at Opto Semiconductors, a business unit of Osram.

The prototype chip has a five to ten times larger surface on the same substrate than current LED chips, and thereby generates significantly more light in relation to the base area. In addition the luminous efficacy will be increased by approximately 10% in the future. „That would make several thousand additional chips from each wafer, according to the specific model,“ said Strassburg. To achieve the 3-D chip geometry, a  particular  masking layer is applied to the wafer above the first deposited semiconductor layers which can be imagined as an ultra-thin glass panel covering the chip itself. Holes are then applied to this with diameters of just a few hundred nanometers, through which the characteristic columns of the Nano LED develop. These columns are then coated with a transparent contact material to ensure that the driving current can spread across the entire surface.

The research of 3D nano LEDs is supported by the ICT FP7 program of the European Union as part of the GECCO project (#280694).

www.osram.com

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