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LED-Schutz: eine Anleitung für Konstrukteure Chemische Schutzmedien für satte Farben

15.02.2018

Moderne LED-Leuchtlösungen sollen beeindruckend aussehen, aber bitte schön auch lange und verlässlich funktionieren. Speziell für diesen Zweck entwickelte Lacke und Gießharze sorgen dafür, dass die LEDs diesen Anforderungen tatsächlich gerecht werden können.

Der LED-Markt ist einer der am schnellsten wachsenden Sektoren in der Elektronikindustrie. LEDs werden mittlerweile in Beleuchtungssystemen, Beschilderungen und Haushaltsgeräten aller Art verwendet. Aufgrund ihrer hohen Anpassungsfähigkeit, Lebensdauer und Effizienz bieten sie viele Vorteile gegenüber traditionellen Lampen. Sie sind sowohl drinnen als auch draußen eine echte Alternative zu Halogenlampen, herkömmlichen Glühbirnen und Leuchtstoffröhren. Aufgrund der gestalterischen Freiheit, die LEDs bieten, werden die Anwendungen aber immer vielfältiger und herausfordernder: Moderne Leuchtlösungen müssen ästhetisch ansprechend sein, gleichzeitig aber sehr hohen Anforderungen in puncto Verlässlichkeit und Lebensdauer genügen. Zum Glück gibt es speziell entwickelte chemische Produkte, die Entwicklern von LED-Systemen helfen, diesen Spagat zu meistern und funktionelle Verbesserungen zu erzielen, beispielsweise eine verbesserte Effizienz oder einen verringerten Stromverbrauch.

Bei LED-Anwendungen können Kon-
strukteure solche Produkte verwenden, um Leuchtsysteme in unwirtlichen Umgebungen zu schützen, beispielsweise bei Installationen unter korrosiven Bedingungen. Mit dem richtigen Schutz lassen sich moderne LEDs in Umgebungen einsetzen, die UV-Strahlung, Wasser oder Chemikalien ausgesetzt sind. Dabei ist es zwingend notwendig, das Einsatzgebiet einer Anwendung im Vorfeld sorgfältig abzuwägen, um dann das richtige Schutzmittel auswählen zu können.

Volle Leistung trotz widriger Umstände

Der Schutz kann durch Schutzlacke oder Gießharze erreicht werden. Die konkrete Wahl hängt von den Einsatzbedingungen und dem gewünschten ästhetischen Effekt ab. Ist der Schutz auch direkt über der LED erforderlich, müssen einige Punkte berücksichtigt werden. Beispielsweise muss das schützende Material klar sein, um eine möglichst große Leuchtkraft der LED sicherzustellen. Außerdem müssen mögliche Änderungen der Farbtemperatur während des Betriebs beachtet werden. In den folgenden Beispielanwendungen werden diese und weitere Einflussfaktoren genauer beleuchtet.

Schutz für LED-Beschilderung

Die LED-Beschilderung ist eine boomende Branche. LEDs bieten hier umfangreiche Designmöglichkeiten, aber auch kostengünstige und effiziente interaktive Anzeigen. Abhängig von seinem Standort und seinem Design ist das Schild den Umgebungsbedingungen in unterschiedlichem Maße ausgesetzt. Ein Straßenschild wird beispielsweise zum Schutz vor den Elementen versiegelt.

Üblicherweise kommt dafür ein IP-klassifiziertes Gehäuse zum Einsatz. Dennoch können schwankende Temperaturen dazu führen, dass Feuchtigkeit eindringt oder sich salzhaltiges Kondensat auf dem Schild bildet. Eventuell ist die Beschilderung außerdem über längere Zeit UV-Licht ausgesetzt. Hier bietet sich die Verwendung eines Acryl-Schutzlacks an, etwa Electrolubes AFA. Der Lack bietet Schutz vor Feuchtigkeit und Salznebel, verliert aber seine Klarheit auch dann nicht, wenn er UV-Strahlung ausgesetzt ist. Weiterhin ist zu berücksichtigen, ob sich Wasser auf der Leiterplatte ansammeln kann. In diesem Fall muss für einen höheren Schutzgrad gesorgt werden.

Ein weiteres Beispiel ist eine LED-Beschilderung, die korrosiven Gasen ausgesetzt ist. Solche Gase können durch Lack hindurch bis zur LED-Linse vordringen, den LED-Chip verfärben und dadurch die Leuchtkraft der LED drastisch reduzieren. Zuerst muss der Konstrukteur abwägen, wie stark die Beschilderung dem korrosiven Gas ausgesetzt ist. Beispielsweise sind die Dämpfe, denen die Preisanzeige einer Tankstelle ausgesetzt ist, im Normalfall nicht konzentriert genug, um die LEDs der Anzeige zu beeinträchtigen. Deshalb reicht ein Lack, der die LED gegen die obengenannten allgemeinen Umweltbedingungen schützt. Liegen korrosive Gase jedoch in höherer Konzentration vor, ist eine wirksamere Barriere in Form von Gießharzen erforderlich. Typische Anwendungen für LEDs mit Gießharzmantel sind Indus-
triebeleuchtungen und Beleuchtungen in der Landwirtschaft beziehungsweise Viehzucht. Die Grafik auf der rechten Seite zeigt, welcher Schutz von den verschiedenen Lacken und Gießharzen erwartet werden kann. Silikonharze sind gasdurchlässig, weshalb sie in solchen Anwendungen sehr schlecht abschneiden.

Kratzresistente Bodenbeleuchtung

Ein Beispiel für eine Anwendung, die physikalisch und chemisch vor Umwelteinflüssen geschützt werden muss, sind LED-Lichtleisten für die Bodenbeleuchtung in einem Einkaufszentrum. Solch eine Beleuchtung muss sowohl funktionell als auch optisch ansprechend sein. Viele Menschen laufen direkt über das Harz, das zum Schutz der LEDs verwendet wird. Da Schutzlack als dünner Film aufgetragen wird (< 200 µm), kann er allein nicht den nötigen physikalischen Schutz bieten. Unter den Gießharzen bietet festes Epoxyd den besten physikalischen Schutz für die Einheit. Bei der Auswahl muss allerdings berücksichtigt werden, dass die meisten Epoxyd-Harzsysteme an Qualität verlieren, sobald sie UV-Strahlung ausgesetzt sind.

Bei dieser Anwendung werden die LEDs aber sowohl inner- als auch außerhalb des Gebäudes installiert und müssen deshalb UV-beständig sein. Weiterhin sollte bedacht werden, dass bei Epoxyd die Oberfläche verkratzen kann, so dass Verschleißspuren deutlicher sichtbar sind. Aus diesen Gründen empfiehlt sich ein Polyurethanharz, etwa Electrolubes UR5634 oder UR5635, für Anwendungen, bei denen eine Lichtstreuung erforderlich ist.

Einheitliche Farbtemperatur

Bei der Entwicklung von LED-Beleuchtungen wird häufig eine bestimmte Farbtemperatur angestrebt. Das heißt, für jede Anwendung soll die gewünschte Leuchtkraft erreicht werden. Wie bereits angesprochen, hängt die Farbtemperatur der LED vom aufgetragenen Schutzmedium ab. Deshalb müssen mögliche Veränderungen der Farbtemperatur überprüft werden. Aufgrund ihrer Materialbeschaffenheit und der geringen Schichtdicke von 25 bis 75 µm haben Schutzlacke normalerweise nur geringfügige Auswirkungen auf die Farbtemperatur. Beim Gießharz kann der Effekt stärker sein, da es in dickeren Schichten aufgetragen wird. Wenn sich beispielsweise die Farbtemperatur dauerhaft von 3500 auf 4500 K erhöht, kann der Konstrukteur eine LED mit einer geringeren Farbtemperatur verwenden. Zusätzlich könnte er die Dicke des aufgetragenen Harzes variieren. Je dünner die Schicht ist, desto geringer die Veränderung der Farbtemperatur. Natürlich darf er dabei die Mindestdicke, unterhalb derer die LED nicht mehr wirksam geschützt ist, nicht unterschreiten. Unter Umständen ist es auch möglich, zwei Harzschichten zu verwenden: die erste Schicht zur Minimierung der Farbtemperaturveränderung und die zweite Schicht, um für den erforderlichen Schutz zu sorgen.

Neben diesen ersten Veränderungen, die das Auftragen einer Schutzschicht bewirkt, muss auch die Leistung des LED-Systems unter den späteren Einsatzbedingungen getestet werden. Beispielsweise kann die Klarheit des Schutzmediums durch die Umgebung beeinflusst werden. Am besten testen Entwickler zuerst ein klares Harz, um dessen Farbspektrum zu kennen. Die Ergebnisse lassen sich dann verwenden, um die Klarheit des Harzes vor und nach UV-Einstrahlung zu vergleichen.

Nicht nur das Schutzmedium und die Umgebung haben Einfluss auf die Farbtemperatur, sondern auch die Temperatur, unter der eine LED betrieben wird. Beispielsweise kann eine Steigerung der LED-Betriebstemperatur dazu führen, dass die Farbe des Lichts wärmer wird. Besonders wenn mehrere LEDs mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen in einer Reihe installiert sind, wirkt sich dieser Effekt oft störend auf die Ästhetik aus. Zwar sind LEDs deutlich effizienter als konventionelle Beleuchtungsformen, dennoch produzieren sie etwas Wärme. Vor diesem Hintergrund ist Wärmemanagement ein weiterer wichtiger Bereich, in dem spezielle chemische Produkte eingesetzt werden, um die Leistung und die Lebensdauer von LED-Systemen zu steuern.

Wärmeableitung mit Gießharzen

Mit Gießharzen lässt sich die Wärme von Elektrogeräten ableiten. Gleichzeitig schützen sie die Einheit vor Umwelteinflüssen, sorgen somit für einen wirksamen Schutz der Technik hinter und am LED-Gerät und unterstützen aus dem Inneren der Einheit heraus die Lichtreflexion. Es gibt unterschiedliche Gießharze, die wärmeleitfähige Füllstoffe enthalten: Epoxyd, Polyurethan und Silikon. Die konkrete Wahl hängt von den Umgebungsbedingungen ab. Ist eine Anlage häufigen und schnellen Temperaturänderungen ausgesetzt, eignet sich ein flexibles Polyurethan- oder Silikonmaterial besser als steifes Epoxyd. Die Einsatzumgebung spielt eine wichtige Rolle, egal, ob Schutzmaterial für einzelne LEDs oder eine komplette Einheit gesucht wird. Die richtige Auswahl und Anwendung von Schutzüberzügen, kombiniert mit effizientem Wärmemanagement, gewährleistet ein gleichbleibendes Licht der LEDs bei gleichzeitig verbesserter Lebensdauer.

Bildergalerie

  • Gießharz (Polyurethane Resin) liefert einen weitaus besseren Schutz vor korrosiven Gasen als herkömmlicher Schutzlack (Acrylic Conformal Coating). Die Grafik zeigt, um wie viel Prozent korrosive Gase die Leuchtkraft von LEDs mit verschiedenen Schutzschichten reduzieren.

    Bild: Electrolube

  • Die Übersicht zeigt, wie stark sich die unterschiedlichen Schutzmedien in Folge einer 1000-stündigen UV-Bestrahlung verfärben.

    Bild: Electrolube

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