Die Bedeutung richtiger Auswahl und Anwendung moderner Schutzüberzüge

Einfluss durch den Schutz von LED-Leuchtmitteln

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Im Folgenden wird Jade Bridges einige interessante Anwendungen von LEDs beschreiben und betrachten, wie moderne Schutzüberzüge und thermische Managementmaterialien die Leistung und die Lebensdauer von LED-Beleuchtungseinheiten speziell unter rauen Umgebungsbedingungen im Innen- als auch im Außenbereich verbessern. Die Ergebnisse sind überzeugend positiv.

Jade Bridges, Global Technical Support Manager, Electrolube

Das phänomenale Wachstum des LED-Markts ist nur schwer zu ignorieren: neue Anwendungen, das Herausstellen der Energieeinsparpotenziale in der Werbung und eine Unternehmenspolitik hin zum Umstieg auf effizientere Beleuchtungssysteme, lassen diesen exponentiell ansteigen. Zusammen mit der Designfreiheit und den unzähligen Anwendungsmöglichkeiten, die die Technologie bietet, wird davon ausgegangen, dass LEDs bis zum Jahre 2020 einen Anteil von fast 70 % am Beleuchtungsmarkt erreichen werden und so wirtschaftlich gesehen zur rentabelsten Beleuchtungstechnologie werden1).

Der Beleuchtungsmarkt für den Außenbereich ist ein typisches Beispiel, in welchem LEDs Architekten neue Möglichkeiten für verschiedenste Anwendungen eröffnet haben, einschließlich Unterflur-Beleuchtung in stark frequentierten Bereichen. Dies ist eine besonders anspruchsvolle Umgebung für LED-Leuchtmittel, die immer weiter an Beliebtheit gewinnt. Die lange Lebensdauer und Kompaktheit von LED-Arrays sind daher speziell für schlecht zugängliche Stellen die beste Wahl.

Vollständiger LED-Schutz sichert Leistung

Für den Schutz von in Fußwegen installierten Leuchtmitteln ist die Verwendung von Gießharzen erforderlich, die das LED-Array vollständig umschließen. Das Harz muss wegen des Fußgängerverkehrs abriebbeständig sowie UV-stabil sein und darf die Farbtemperatur des abgegebenen Lichts nicht beeinträchtigen. Wenn so widerstandsfähige Harze benötigt werden, denkt man schnell an auf Epoxidharz basierende Systeme, aber Standard-Epoxidharze sind nicht UV-stabil und vergilben im Laufe der Zeit. Darüber hinaus wurde anhand von Tests festgestellt, dass Epoxidharze anfällig für Abrieb sind; Aufgrund ihrer Härte tendieren sie zu Kratzern, welche auf transparenten Harzen weiße Spuren auf der Oberfläche hinterlassen.

Transparente Polyurethan-Systeme, wie z. B. UR5634 von Electrolube, bieten dahingegen eine gute UV-Stabilität und ein gewisses Maß an Flexibilität, sodass Kratzer oder Streifen nicht in dem Maße sichtbar sind wie bei einem Epoxidharz. So bleibt die äußere Erscheinung einer Beleuchtungseinheit, auf die es angebracht wird, erhalten und die Lebensdauer wird verlängert. In Bezug auf die Veränderung der Farbtemperatur haben die hauseigenen Tests des Unternehmens ergeben, dass diese direkt mit der Menge an aufgetragenem Material und den physischen Belastungen (Temperatur, Schwund), welchen die LED im Aushärtungsprofil ausgesetzt wird, zusammenhängt.

Das Diagramm stellt dar, wie die Vergusstiefe von UR5634 die Farbtemperaturveränderung beeinflusst. Da die Veränderung nur als Ergebnis der Interaktion mit der LED erfolgt, kann nach dem Vergießen der ersten Schicht eine weitere Schicht mit mehr Harz verwendet werden, um sicherzustellen, dass ein angemessenes Maß an Schutz erreicht wird, ohne dass die Farbtemperatur des abgegebenen Lichts weiter beeinträchtigt wird.

Der Kompromiss zwischen Vergusstiefe (und damit dem erreichten Schutzgrad) und der Veränderung der Farbtemperatur ist ausschlaggebend. Zunächst kann der Schutzgrad durch den Materialtyp oder die chemische Zusammensetzung gesteuert werden; beispielsweise bietet ein Standard-Schutzlack einen Grundschutz gegen Feuchtigkeit, Salzsprühnebel usw. Weiterhin realisiert ein in höherer Schichtdicke aufzutragender zweikomponentiger Schutzlack einen erhöhten Schutz gegen Kondensation und (falls vorhanden) korrosive Gase. Und letztendlich kann ein Gießharz in der entsprechenden Dicke aufgetragen werden, um den gewünschten umfänglichen Schutz zu realisieren. Durch die drei Materialschichten wird der gebotene Schutz in einer korrosiven Gasumgebung sichergestellt. Und auch andere, spannende neue Anwendungsmöglichkeiten für LED-Leuchtmittel, die den Designer vor jeweils ganz spezifische Herausforderungen in Bezug auf deren Schutz stellen, können hier betrachtet werden.

Neue Anwendungsmöglichkeiten für LEDs

Algen erzeugen über Photosynthese organische Nahrungsmittelmoleküle aus nichts anderem als Kohlenstoff und Wasser. Dabei ist Sauerstoff ein wichtiges Nebenprodukt, das für rund 30 – 50 % der globalen Sauerstoff-Nettoversorgung für die Atmung verantwortlich ist. Neben der Erzeugung von Nahrungsmittelmolekülen und der Sauerstoffproduktion werden Algen auch für die Verwendung in der Nahrungsmittelverarbeitung gezüchtet, wobei die Anwendung dabei sehr vielfältig ist: Verminderung der Eiskristallbildung in Eiskreme bis hin zur Klärung von Bier und Wein2). Die Umgebungsbedingungen für das Algenwachstum können überwacht und kontrolliert werden, indem die Wellenlänge des verwendeten Lichts angepasst wird und so spezifische Bedingungen für bestimmte Stämme simuliert werden. Bisher wurden für diesen Zweck Natriumdampf-Hochdrucklampen/Neonbeleuchtung verwendet, aber die in diesen Einheiten enthaltenen Giftstoffe stellen eine Kontaminationsgefahr dar, wenn die Lampen bei der Ernte beschädigt würden. Darüber hinaus ist die Wellenlänge des ausgegebenen Lichts für die Photosynthese nicht geeignet, wodurch der Prozess ineffizient wird. Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung von LEDs, welche in einer Nahrungsmittelproduktionsumgebung eine sichere Wahl sind. Der wichtigste Punkt ist, dass die Wellenlänge des von den LEDs abgegebenen Lichts kontrolliert werden kann, wodurch die Wachstumsraten gesteigert und die Prozesskosten gesenkt werden können.

Wie auch bei architektonischen Beleuchtungsanwendungen im Außenbereich müssen die für den Algenanbau verwendeten LEDs geschützt werden. Algen werden normalerweise in Fotobioreaktoren gezüchtet, um eine Kontamination oder das Wachstum von ungewünschten Arten zu verhindern. Damit die LEDs in diesen Behältern funktionieren, müssen sie geschützt werden – in erster Linie gegen den dauerhaften Kontakt mit Wasser. Während dafür die Einheiten normalerweise mit optisch klaren Gießharzen abgedichtet werden, muss in Bezug auf die Vergusstiefe ein Kompromiss eingegangen werden, welcher sowohl auf den erreichten Schutzgrad und die gewünschte Wellenlänge des ausgegebenen Lichts Auswirkungen hat.

Thermisches Wärmemanagement

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass LEDs Wärme produzieren; jeglicher Lufteinschluss im Harz nahe der Oberfläche von LED-Arrays lassen Wärmepunkte, sogenannte Hot-Spots, entstehen, die die Umgebungstemperatur in der Nähe der LED ansteigen lassen und somit deren Lebensdauer verringern. Die Wahl des richtigen Harzes ist hier wichtig, da bestimmte Eigenschaften wie die Viskosität einen Einfluss auf die Ausbildung von Lufteinschlüssen haben.

Bis jetzt ging es darum, wie die mit LEDs bestückte Leiterplatte gegen möglicherweise schädigende Umgebungseinflüsse geschützt werden kann. Aber was ist mit den anderen Baugruppen, wie z. B. Netzteile und Steuergeräte? Steuergeräte können direkt im Leuchtmittel oder weiter entfernt liegend angeordnet werden, müssen aber wahrscheinlich auch vor der Umgebung geschützt werden. Diese Einheiten können auch drahtlos aktiviert werden, dafür ist jedoch die dielektrische Konstante oder die relative Permittivität des Harzes zu berücksichtigen. Normalerweise sind relative Permittivitätswerte von rund 3 oder 4 ideal, aber bei variierenden Anwendungen und Signalfrequenzen ist es wichtig, die vergossene Baugruppe innerhalb der Anwendung zu testen, um sicherzustellen, dass sie die Vorgaben erfüllt.

Steuergeräte sind oft mit internen Temperatursensoren ausgestattet, wie z. B. positiven Temperaturkoeffizient-Thermistoren (PTC), für welche thermisch leitfähige Vergussmassen eingesetzt werden müssen, um sicherzustellen, dass alle Luftspalte minimiert wurden, um die Wärmeübertragung zu den Sensoroberflächen zu verbessern. Wärmeleitpasten, Raum-Temperatur vernetzende (RTV) Materialien und sogenannte Gap-Filler kommen oft in solchen Anwendungen zum Einsatz. Die letztendliche Wahl hängt dabei vom Sensor und dementsprechend der Größe eventuell vorhandener Luftspalte ab. Das gewählte thermische Managementmaterial muss also in der aufgetragenen Dicke stabil bleiben, damit es die bestmögliche Wärmeübertragung zum Sensor bietet.

Produkte wie das erst kürzlich eingeführte HTSX des Unternehmens bieten einen geringen thermischen Widerstand und eine hervorragende Stabilität über einem weiten Betriebstemperaturbereich hinweg. HTSX wurde aber als thermisches Schnittstellenmaterial für die Auftragung in dünnen Schichten konzipiert. Wenn der vorhandene Luftspalt größer als 200 Mikrometer ist, können die Ergebnisse besser ausfallen, wenn ein Gap-Filler oder ein RTV wie z. B. HTCPX oder TCOR des Unternehmens verwendet wird.

Für Netzteile können Gießharze für zwei verschiedene Zwecke eingesetzt werden: Schutz vor der Umgebung und Wärmeableitung. Beispielsweise bietet UR5633 des Unternehmens einen sehr hohen Grad an Wärmeleitfähigkeit kombiniert mit hervorragender Wasserbeständigkeit und Toleranz gegenüber geringen Temperaturen. Die Viskosität dieses zweikomponentigen Polyurethanharzes ist jedoch sehr hoch, sodass es für filigrane Anwendungen mit geringen Spaltmaßen, wo Lufteinschlüsse vermehrt auftreten können, weniger geeignet sein könnte. Es darf nicht vergessen werden, dass Lufteinschlüsse in einer vergossenen Baugruppe Hot Spots erzeugen können, die zu einer verringerten Leistung und kürzeren Lebensdauer führen können. Ein Harz mit niedrigerer Viskosität, wie z. B. das zweikomponentige Epoxidharz ER2221 des Unternehmens kann in diesem Fall besser geeignet sein. Bei Anforderungen, die hingegen beispielsweise eine chemische Beständigkeit und eine hohe Temperaturtoleranz erfordern bietet ein Hochleistungsharz, wie ER2225 zusätzliche hilfreiche Eigenschaften.

Beleuchtung für ein besseres Tierwohl

LED-basierte Beleuchtungstechnologien helfen inzwischen auch dabei, die Gesundheit, das Wohlergehen und den Ertrag von Nutztieren zu verbessern. Diverse Studien belegen, dass eine Verbesserung der Lichtqualität in Tierställen Stress reduziert, während die Verwendung von LEDs mit einer spezifischen Wellenlänge andere Probleme in Angriff nehmen kann, wie z. B. die Anziehungskraft der Lichtquelle auf Fliegen. Es ist ebenso erwiesen, dass die Farbtemperatur des Lichts Auswirkungen auf das Wachstum und positive Verhalten von Hühnern hat. Deshalb ist es nicht überraschend, dass die Geflügelindustrie in den nächsten Jahren rund 600.000 Ställe mit LED-Leuchtmitteln ausstatten will3).

Die Beleuchtung in solchen Umgebungen muss die Schutzart IP66 erfüllen, die Staubdichtigkeit und Schutz gegen starkes Strahlwasser, wie bei entsprechenden Hochdruckreinigern, bietet. Außerdem muss sie korrosionsbeständig sein (besonders gegen korrosive Gase, die in Geflügelställen oft vorhanden sind), sowie gegen hohe Feuchtigkeitswerte und mögliche Schäden durch Schlag/Stoß beständig sein. Schützende Materialien, wie z. B. Schutzlacke und Gießharze bieten den erforderlichen langfristigen Schutz, der die strengen Vorschriften dieser anspruchsvollen Umgebungen erfüllt.

Rundum-Schutz für lange LED-Lebensdauer

Die in diesem Artikel betrachteten Anwendungen heben die Bedeutung elektro-chemischer Produkte und deren Fähigkeit hervor, LEDs und zugehörige Geräte gegen widrige Umgebungsbedingungen zu schützen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Wärme wirksam von diesen Komponenten abgeleitet wird. Wie bei allen Elektronikanwendungen ist die richtige Auswahl und Anwendung von Schutzlacken, Gießharzen und thermischen Managementmaterialien wesentlich für die Leistung und die Lebenserwartung eines LED Leuchtmittel. Deshalb sind diese Fragen schon so früh wie möglich im Designprozess zu berücksichtigen.

Das Unternehmen hat sich zu einem respektierten, weltweit tätigen Hersteller in diesem schnell wachsenden Markt entwickelt und bietet technische Unterstützung und Beratung zur Materialauswahl für Designer und Hersteller von LED-Beleuchtungssystemen und deckt dabei eine große Bandbreite an Anwendungen unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen ab – von witterungsbeständigen Straßenbeleuchtungen bis hin zu modernen Innenbeleuchtungsdesigns.

www.electrolube.com


Quellen

  1. McKinsey & Company: Lighting the way: Perspectives on the global lighting market, Second Edition, 2012
  2. https://www.britannica.com/science/algae/Ecological-and-commercial-importance [Zugriff im Juli 2018]
  3. https://greengage.global/nfu-poultry-article-on-greengages-led-lighting-for-livestock-farming/ [Zugriff im Juli 2018]


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