Lumineszierende Gläser als Basis neuer Leuchtstoffe zur Optimierung von LED

Lumineszierende Gläser können moderne Lichtquellen für unterschiedliche Anwendungen optimieren. In der aktuellen Forschungsarbeit am Fraunhofer-Anwendungszentrum in Soest werden zudem neue Materialen wie lumineszierende Glaskeramiken für mögliche Einsatzgebiete bewertet. Weitere Ansätze zur Verbesserung der LED-Technik sind die Formgebung und die Zuverlässigkeit der Leuchtstoffe.

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Lumineszierende Gläser leuchten unter ultraviolettem (UV) Licht (oberer Bildteil) und sind unter Raumlicht transparent (unterer Bildteil). Der Farbeindruck wird durch den verwendeten Dotierstoff bestimmt: blau (Thulium), rot (Europium) und grün (Terbium) [Bild: Fraunhofer AWZ Soest]

Die LED-Technik hat sich in den vergangenen 20 Jahren fest als Bestandteil der Basisausstattung von Allgemeinbeleuchtungslösungen integriert. Nun gilt es, sie für gesteigerte Ansprüche weiterzuentwickeln. Einflüsse intelligenter Lichtsteuerungen und fortschrittliche Beleuchtungskonzepte wie Human Centric Lighting (HCL) stellen neue Anforderungen an die Lichtumgebung. Ein Lösungsansatz dafür sind neue Leuchtstoffe auf Basis lumineszierender Gläser, an denen am Fraunhofer-Anwendungszentrum (AWZ) für Anorganische Leuchtstoffe in Soest geforscht wird.

Die mit Metallionen der Seltenen Erden dotierten Gläser sollen die Lebensdauer von Weißlicht-LEDs erheblich erhöhen und einen langzeitstabilen Farbeindruck sicherstellen. Die glasbasierten Leuchtstoffe zeichnen sich durch hervorragende Materialeigenschaften sowie eine hohe chemische und thermische Stabilität aus. Unter Blaulichtanregung zeigen sie brillante Farben mit gleichmäßiger Abstrahlung in alle Raumrichtungen. Zudem kann Glas in beliebige Formen gebracht werden, was eine Vielzahl an Designs zulässt. Durch geeignete Auswahl und Kombination verschiedener Seltener Erden ist es möglich, ein breites Spektrum von Farben und Farbtemperaturen einzustellen.

Ein oft nicht beachteter Aspekt von LED-Leuchtstoffen, wie sie in jeder handelsüblichen Weißlicht-LED verwendet werden, ist die Wärmeentwicklung innerhalb des Leuchtstoffs selbst. Beim Lichtkonversionsprozess wird energiereiches blaues Licht der primären LED in den energieärmeren (grünen, gelben oder roten) Spektralbereich verschoben. Die sich daraus ergebende Energiedifferenz wird in Form von Wärme im Leuchtstoff abgegeben. Die Wärmeleistung bei der Konversion von blauem (450 nm) zu gelbem (570 nm) Licht beträgt mehr als 20 Prozent der eingestrahlten Lichtleistung. Da für immer mehr Anwendungen hohe Anregungsleistungen zum Einsatz kommen, erwärmen sich die Leuchtstoffe zunehmend und ein sogenanntes »thermisches Quenching« ist zu beobachten. Die Lumineszenzintensität des Leuchtstoffs sinkt, der Farbeindruck der LED ändert und verschiebt sich in Richtung des blauen, also »kaltweißen« Spektralbereichs.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffen zeigen die am Fraunhofer AWZ in Soest entwickelten Leuchtstoffe erst bei höheren Temperaturen ein derartiges »Quenching«, erläutert Dr. Peter Nolte, Teamleiter Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen: »Wir können die Temperaturerhöhung der Leuchtstoffoberfläche mit einer Infrarotkamera sowohl orts- als auch zeitaufgelöst genauestens untersuchen. Aus der Wärmeleistungsdichte im Glas lässt sich anhand von Thermografieaufnahmen die im Glas freigesetzte Gesamtwärmeleistung berechnen.«

Falls es die Anwendung erfordert, können aus den lumineszierenden Gläsern durch eine thermische Nachbehandlung lumineszierende Glaskeramiken hergestellt werden, deren Temperaturleitfähigkeit oberhalb der des konventionellen gelben Leuchtstoffs von Weißlicht-LEDs, Ce:YAG, liegt.