Im Rahmen des 29. DAfP-Symposiums präsentiert Prof. Dr. Jan Werner aktuelle Forschungsaktivitäten zur Entwicklung leistungsfähiger, stabiler Lichtquellen auf Basis optokeramischer Materialien. Der Fokus liegt auf phosphor-konvertierten LEDs (pc-LEDs) und deren Erweiterung in den NIR-Bereich.
Von VIS bis NIR – Konzepte und Umsetzung leuchtstoffkonvertierender lichtemittierender Dioden auf Basis anorganischer Keramik-Konverter
Jan Werner – Forschungsinstitut für Glas – Keramik GmbH / Hochschule Koblenz
Leuchtstoffkonvertierte Licht emittierende Dioden (engl. phosphor-converted LEDs, pc-LEDs) sind heute der Standard für die allgemeine Beleuchtung und basieren auf dem Prinzip der Lumineszenzkonversion: Ein blauer LED-Chip (InGaN) wird mit einer Leuchtstoffschicht (Konverter) kombiniert, die einen Teil des blauen Lichts absorbiert und in Licht anderer Wellenlängen umwandelt, typischerweise in Gelb, Grün und Rot. Die Mischung des verbleibenden blauen Lichts mit dem breitbandig emittierten Licht des Leuchtstoffs (z. B. Cer-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat, YAG:Ce) ergibt für das menschliche Auge weißes Licht.
Gegebenenfalls kann unter Verwendung geeigneter Konverter das Licht besonders kurzwellig emittierender violetter oder ultravioletter LEDs in blaues, gelbes, grünes und rotes Licht und somit in den gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichts (VIS) konvertiert werden.
Diese Technologie ermöglicht eine hohe Lichtqualität, flexible Farbtemperaturen und eine effiziente sowie langlebige Lichtquelle. Für Hochleistungs-LEDs kommen in lichtdurchlässige Polymere eingebettete Leuchtstoffe wegen der hohen thermischen Belastungen, die zur Degradation der Kunststoffmatrix führen würden, nicht in Frage. Aus diesem Grund wurden in den vergangenen Jahren erfolgreich mechanisch, chemisch und thermisch stabile keramische Leuchtstoffkonverter entwickelt und zur Anwendung gebracht.
Auf vergleichbare Weise bieten breitbandig emittierende NIR-Leuchtstoffe Potenzial und eine Grundlage für die Entwicklung effizienter und langlebiger NIR-Konverter auf Keramikbasis. Ziel ist hier die Kombination eines kurzwellig emittierenden LED-Chips mit langwellig emittierenden Leuchtstoffen im NIR-Spektralbereich zwischen ca. 800 und 2.500 nm. In Form hoch lichtdurchlässiger Keramiken bieten diese NIR-Konverter große Vorteile hinsichtlich ihrer thermischen, chemischen und mechanischen Stabilität in Kombination mit geringer spektraler Verschiebung bei hohen Betriebstemperaturen. Diese Aspekte machen Keramik-NIR-Konverter interessant für anspruchsvolle Anwendungen in der Industrie, Analytik, Lebensmittel- und Medizintechnik.
Zur Erzielung hoher Effizienzen ist neben der gezielten Materialauswahl in Bezug auf Dotierungselemente und Wirtsmaterialien die Beherrschung der gesamten keramischen Prozesskette erforderlich. Dies ermöglicht sowohl die präzise Einstellung der chemisch-mineralogischen Zusammensetzung als auch eines möglichst homogenen und defektfreien Gefüges der Leuchtstoffkeramiken.
Im Rahmen des Vortrags werden die wesentlichen Verfahrensschritte sowie die zu beachtenden technischen Herausforderungen auf dem Weg zu funktionalen, lichtdurchlässigen, optokeramischen Bauteilen beschrieben.
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