LED der Zukunft

4. April 2016 Julia
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Die Zukunft der LED mit Hilfe des Trend Book 2018 von Trend One

Die LED übernimmt heute (01/2016) schon viele Aufgaben im Beleuchtungsbereich. Hierbei wird sich die LED Beleuchtung in den nächsten Jahren voll auf dem Markt durchsetzen. Wenn wir von LED Beleuchtung sprechen, so meinen wir sowohl LEDs auf Silizium-Basis, als auch organische LEDs (OLED), die auch schon in vielen Formen und Anwendungen Einzug halten.

Wir finden LEDs in verschiedensten Geräten, die wir tagtäglich benutzen, z.B.

LED Lampen und Leuchten
LED Taschenlampen
Fernseher mit LED Hintergrundbeleuchtung
OLED Technik
PC Bildschirme
Handybildschirme
LED Touchscreens
als Signalleuchten in elektronischen Geräten
als Scanner in Multifunktionsgeräten
als Laserlicht in Autoscheinwerfern
LED Rückleuchten und Bremslichter
LED Ambiente Beleuchtung in Haus, Wohnung, Wohnzimmern und Nutz- und Kraftfahrzeugen

Dieser Aufzählung sind sicherlich noch viel Produkte und Einsatzgebiete hinzuzufügen.

Außer für reine Beleuchtungsaufgaben, wird die LED auch heute schon zur energetisch günstigen Alternative in industriellen Prozessen zur Herstellung oder Umwandlung von Stoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Einige Beispiele werden nun kurz ausgeführt.

UV LED werden eingesetzt, um Lacke zu trocknen und z.B. Polysiloxan Lacke in kürzester Zeit vollständig auszuhärten.
Die UV LED kann für medizinische Zwecke verwendet werden, unter anderem für die Abtötung von Keimen und Bakterien.
Weiterhin sind LEDs in der Endoskopie als Lichtquelle eingesetzt. Andererseits kann durch Bündelung von LEDs auch ein Laser entstehen, der bei minimalinvasiven Operationen hilft.
Auch werden UV LED zur Reinigung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt.
UV LEDs finden bereits heute als Auslöser photokatalytischer Reaktionen zur Luftreinigung Verwendung. Dies geschieht, indem man einen Katalysator wie z.B. TiO2 (Titandioxid) mit mindestens 1mW UV Strahlungsenergie (Radiant Flux) aktiviert. Es sei erwähnt, dass die Stärke der Reaktion des Katalysators nicht von der Strahlungsenergie abhängig ist. Um den Katalysator zu aktivieren muss die sogenannte Bandlücke (band gap) in Höhe von 3,2 eV (Elektronen Volt) überwunden werden, damit Elektronen von einem Valenzband zum nächsten springen können. Die Umrechnung von 3,2eV auf eine Licht Wellenlänge ergibt, dass wir UV Licht mit einer Wellenlänge von 367nm oder weniger zur Aktivierung des Katalysators TiO2 benötigen. Wird nun die aktivierte Katalysatorfläche mit Luft durchströmt, so werden Giftstoffe (z.B. Benzen, Toluen, Xylen in diversen Ausprägungen), schlechte Gerüche und weitere VOCs (volatile organic compounds) aufgespalten und in ungefährlichere Stoffe umgewandelt. Die Reaktion läuft dabei im Bereich von 1 – 10 Nanosekunden (ns) ab.

Die LED der Zukunft

Nach diesem kurzen Exkurs zur aktuellen und gegenwärtigen Verwendung von LEDs, wollen wir uns den Fragen widmen:

Was kann die LED der Zukunft?
Wie sieht sie aus?
Wo wird die LED eingesetzt?

Zur Beantwortung dieser Fragen stützen wir uns auf die Quelle von „Trend One“. Diese Firma beschäftigt sich mit Mega-Trends und hat kürzlich das neue „Trendbook 2018 – Das Zukunftslexikon der wichtigsten Trendbegriffe“ veröffentlicht. Darin werden 16 Mega-Trends und 90 Macro-Trends mit Hilfe von anschaulichen Beispielen, Geschichten und Bildern erläutert. Das Buch selbst ist für UVP 98 € erhältlich (ISBN 9783000499753). Weiterhin enthält das Buch einen Sonderteil „Von Trends zu Innovationen in drei Schritten“, wo hilfreiche Tipps für Open Minds und Innovationsmanager gegeben werden.

Zunächst gehen wir auf 16 Mega-Trends ein und stellen diese kurz dar. Ein Mega-Trend ist etwas Langanhaltendes, das mit tiefgreifender Veränderung einhergeht. Ein Macro-Trend beschreibt eine spezifische Ausprägung von Mega-Trends, also Teilströmungen, die einen unterschiedlichen Wirkhorizont aufweisen.

Anschließend werden wir uns Anhand von Micro-Trends, also Veränderungen in kleinem Maßstab, Beispiele für zukünftige Wirkungsweise und Einsatzgebiete der LED ansehen.

Gesellschaftliche und industrielle Mega-Trends

Im Folgenden stellen wir Dir kurz 16 Mega-Trends vor. Für detaillierte Informationen bitten wir Dich, Dich an Trend One oder eine andere Zukunftsforschungsgesellschaft zu wenden.

Aging Society – Auswirkungen des demografischen Wandels unserer immer älter werdenden Gesellschaft
Attention Economy – Aufmerksamkeit wird zur Währung des 21. Jahrhunderts
Autonomous Systems – Autonome Systeme erledigen selbstorganisiert menschliche Arbeit
Connected World – Vernetzung der Welt auf Basis des Internets
Continental Shift – Verkleinerung des Gewichtes der heutigen Industrienationen und weitere Völkerwanderungen
Data Era – Zunehmende Digitalisierung aller Branchen, Geräte und Produkte & Data Mining
Distrust Society – Die Gesellschaft wird zunehmend misstrauischer, wodurch eine Gegenbewegung zur Informationsgesellschaft entsteht
Healthstyle – Effektives Selbstmanagement des eigenen Wohlbefindens wird zum DIY in der Gesundheitsbranche, streng nach dem Motto: "Vorbeugen statt heilen!"
Individualisation – Der Schrei nach individueller Einzigartigkeit
Outernet – Der Zugang zum Internet ist mit mobilen Geräten überall möglich. Das Internet wird zum Outernet
Seamless Commerce – Grenzen zwischen stationärem Handel, E-Commerce und M-Commerce gehen nahtlos ineinander über
Shy Tech – Hochtechnologie rückt in den Hintergrund und komplizierte Steuerung von Geräten wird zur natürlichen Interaktion
Skill Society – Einfache Tätigkeiten können durch Software übernommen werden. Die Fachkräfte werden durch Ubiquität von Informationen zu Hyperspezialisten
Sustainability – Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung, Emmisionsreduktion und Recycling haben nach wie vor hohe Priorität
Transhumanism – Immer neue Erkenntnisse in der Humanbiologie und Genetik sowie technischer Fortschritt bewegen Menschen dazu, den eigenen Körper zu optimieren
Urbanisation – Bereits heute leben 50% der Weltbevölkerung in Städten. Bis 2050 sollen es 75% sein.

Die o.g. Mega-Trends nehmen seit Jahren starken Einfluss auf unsere Lebens- und Denkweise. Nun wollen wir uns anschauen, in welchen Trends die LED eine Rolle spielt und welche Einflüsse die LED Technik auf unser Leben haben kann.

Beispielhafte Anwendung LED Beleuchtung im Hier und Jetzt:

Im Mega-Trend der „Attention Economy“ und dem Macro-Trend „Proximity Marketing“ werden schon jetzt LED Lichter eingesetzt, welche Kunden durch den Laden führen. Hierbei setzt die Supermarktkette Carrefour in Frankreich eine LED Beleuchtung von Philips ein, um die Kunden über ihr Smartphone direkt zu bestimmten Angeboten zu führen. Die LED Lichter sollen unsichtbare Codes an eine App senden, um so den Aufenthaltsort des Users genau zu bestimmen. So können ortsbasierte Dienste aktiviert werden, die Kunden schnell und sicher zu gewünschten Produkten leiten. Folglich wird die LED hierbei mit Zusatzfunktionen ausgestattet und sendet Signale z.B. auf einem Frequenzband von 2,4 GHz.

Denkbare Anwendungen für LEDs und OLEDs in den nächsten 10 Jahren (bis 2025)

Der Mega-Trend „Shy Tech“ setzt unter anderem auf kabellose Übertragung („wireless transmission“ von Daten, Licht und Wellen im allgemeinen. Dabei werden LEDs als Medium für optische Datenübertragung eingesetzt. Ein Vorreiter für die Übertragung per Lichtwellenleiter (Fiber optics) ist die Firma LEONI, die auch mehrere Standorte in Deutschland hat. Im Jahr 2020 könnte die Technologie per Licht Daten zu übertragen (Li-Fi) soweit gediehen sein, dass Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/sec im Spektrum sichtbaren Lichts gesendet werden. Hingegen werden schon im Jahr 2018 sogenannte „smart integrated objects“ dazu beitragen, dass selbstleuchtendes Papier bis 20 Jahre haltbar ist. Die Technologie basiert darauf, dass kleinste leuchtende Teile von LEDs mit Tinte verbunden werden. Das Lichtpapier oder die Lichttapete kann als Ersatz von Displays, Kleidung oder für die Grundbeleuchtung eines Raumes genutzt werden.
„Sustainability“ ist ein lang anhaltender Trend, der z.B. „Clean Tech“, also ökologisch saubere Technologien und Verfahrensweisen, aufweist und entwickelt. So ist es im Bereich des Möglichen, dass es 2020 Lampen zum Aufsprühen gibt. Forschern der Umea Universität ist es zum Beispiel gelungen, leuchtemittierende Zellen herzustellen, die sich auf beliebige Objekte aufsprühen lassen. Diese "Aufsprüh-Lampe" soll aus organischen Polymermolekülen bestehen und von einer neu zu gründenden Firma hergestellt werden.
Die „Distrust Society“ wird sich verstärkt mit „Kryptowährungen“ als Zahlmethode identifizieren. Der bekannteste Vertreter ist der Bitcoin aus dem Jahr 2009. Diese Währung unterliegt, ähnlich einer Aktie, die an der Börse gehandelt wird, gewissen Kursschwankungen. Folglich ist der reelle Gegenwert für einen Bitcoin sekündlich unterschiedlich. Voraussichtlich im Jahr 2025 wird es Preisschilder in Einkaufsläden geben, die den Bitcoin-Preis in Echtzeit anzeigen. Etwas, das mancher Onlineshop bereits heute schon realisiert hat. Ein Preisschild mit OLED Display hätte für den Einzelhändler den Vorteil, dass er bei einer möglichen Abwertung der Bitcoin keine Verluste macht und seine Waren währungsunabhängig verkaufen kann.
Der Mega-Trend „Individualisierung“ enthält den Bestandteil des „Self Tracking“. Hierbei handelt es sich um ständiges Aufzeichnen und Überwachen körperliche Leistungsdaten und sportliche Aktivitäten. Aktuell existiert hier ein Hype um Fitnessarmbändern wie Fitbit, Apples iWatch und viele anderen In 2025 werden die Menschen wieder einen Schritt weiter sein. Forscher der University of California haben einen pflasterähnlichen Sensor entwickelt, der mittels Infrarot den Sauerstoffgehalt im Blut misst. Im Sensor sind zur Messung zwei Infrarot-LEDs aus organischem Material verbaut. Das Pflaster selbst ist aus einem fortschrittlichen Kunststoff, der sich hoch flexibel an vorgegebene Geometrien des Körpers anpasst.

Denkbare Anwendungen für LED und OLED in den nächsten 20 Jahren (bis 2035)

Der Mega-Trend „Autonomous Systems“ beinhaltet den Macro-Trend „Industrie 4.0“ – die nächste industrielle Revolution. Ein Beispiel hierfür ist das sogenannte "Molecular Farming", eine vom Fraunhofer Institut entwickelte Methode, mit automatisierten Pflanzenfabriken Impfstoffe zu entwickeln. Bereits bis 2027 soll diese zeitsparende Technologie ausgereift sein, on der Pflanzen z.B. in Behältern mit Hydrokulturen aus Mineralwolle statt Pflanzenerde wachsen. Licht in violetter und blauer Farbe sowie mit UV Anteil wird von LEDs so in Intensität und Bestrahlungsdauer angepasst, dass die Pflanzen unter automatischer Zugabe von Wasser und Nährstoffen die optimale Impfstoffausbeute liefern.
Im Mega-Trend „Outirnet“ können zuverlässige Situationanalysen in physischer Umgebung durch das Zusammenspiel von Sensoren, Funkmodulen und Computerprozessoren durchgeführt werden („Context Aware Systems“). So ist es vorstellbar, dass in 2028 digitale Verkehrsschilder und Gefahrenhinweise im Inneren von Fahrzeugen aufleuchten und Autofahrer so schneller auf Verkehrsstörungen und Gefahrenstellen reagieren können. Mithilfe dieses Systems sollen sowohl Unfälle verhindert als auch der Benzinverbrauch vermindert werden. Die Anzeige der Schilder könnte auf den großen OLED Displays, über Headup Displays auf der Frontscheibe oder z.B. durch in die Frontscheibe eingelassene elektroaktive Polymere (verklebte Folie im Sicherheitsglas) bzw. darin integrierte OLED Technik angezeigt werden. Im letzteren Fall könnte es zum Beispiel auch möglich sein, dass sich die Frontscheibe des Fahrzeuges bei Blendungsgefahr automatisch verdunkelt.
In der „Distrust Society“ finden sich die LOCAS wieder – Personen, die Ihren Lebensstil auf kontrollierte Anonymität und Sicherheit ausrichten, da z.B. über ein mobiles Endgerät in der Hosentasche ständig der eigene Aufenthaltsort übermittelt werden kann. Etwas, das mancher Science-Fiction Leser schon von George Orwells Roman "1984" kennt. In diesem im Jahr 1949 veröffentlichten Roman wird die Gesellschaft vom „Großen Bruder“ (Big Brother) ständig überwacht. Ein interessantes Produkt für die LOCAS soll im Jahr 2030 eine Brille gegen automatische Gesichtserkennung sein. Darin sollen Infrarot LEDs verbaut sein, die Aufnahmen der Augenpartie stören. Die Brille und v.a. die Brillengläser wird aus Materialien gefertigt, die Kamerablitz zurückwerfen, sodass auch Fotos des Gesichts nicht auswertbar sind.
Im Mega-Trend „Healthstyle“ wird mit sogenannten „Mood Tech“ die Technologie im Stande sein, Stimmungen und Emotionen des Nutzers zu erkennen. Schauen wir wieder ins Jahr 2030. Extreme Miniaturisierung bringt Nano LEDs hervor. Die University of Illinois hat injizierbaren LEDs für die Neurologie entwickelt, die in der Optogenetik für Fortschritte sorgen. LEDs in der Größe einzelner Neuronen können nun ins Gehirn injiziert werden und stehen in direkter Interaktion mit dem Hirngewebe. So könnten Depressionen und negative Verhaltensweisen einfach mittels Lichttherapie direkt im Gehirn „umprogrammiert“ werden.
Ein weiterer Trend, der aus den o.g. 16 Mega-Trends hervorgeht ist die seit nun fast 2 Jahrhunderten zunehmende Technisierung der Menschheit in allen Bereichen. Nicht zuletzt deshalb haben wir Menschen es sogar geschafft ins Weltall zu fliegen. Nicht mehr nur Science Fiction, wir waren auf dem Mond, haben eine Raumstation installiert und den Mars mit Robotern besucht. Allerdings sind die Flüge mit Raketen in den Weltraum einerseits sehr teuer und verbrauchen andererseits viele Ressourcen an Treibstoff und hochwertigem Material. Das könnte sich eventuell im Jahr 2035 ändern, wenn der erste Weltraumlift installiert wird. Es wird eine lange Seilverbindung zwischen der Erde und einem die Erde umkreisenden Raumschiff geben. Der "Aufzug", der zwischen beiden hin und her fährt wird mittels Laser angetrieben. Die hohe notwendige Energie des Lasers wird dabei durch effizient miteinander verschaltete und auf einen Punkt ausgerichtete LEDs produziert. Auch das Seil, kann nicht einfach nur aus einem normalen Material bestehen. Um ein reißfestes Seil für diese immensen Kräfte herzustellen, werden sogenannte kleine Nanoröhrchen gezüchtet. Diese können dann von der Platte auf der sie gewachsen sind abgezogen und zu dünnen Stahlfäden versponnen werden. Die mechanischen Eigenschaften dieser Stahlfäden sind denen von Spinnenfäden weit überlegen. Die so etablierte und mit der Erde verbundene Weltraumstation wird dazu beitragen, dass der Mensch noch tiefer und schneller ins All reisen kann.