LED mit lumineszierenden Gläsern
Glaskeramiken können Lichtemission und Energieffizienz von Leuchtdioden optimieren.
Die LED-Technik hat sich in den vergangenen zwanzig Jahren fest als Bestandteil moderner Beleuchtungssysteme 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 zu gelbem Licht beträgt mehr als zwanzig Prozent der eingestrahlten Lichtleistung. Da für immer mehr Anwendungen hohe Anregungsleistungen zum Einsatz kommen, erwärmen sich die Leuchtstoffe zunehmend und ein 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 nun entwickelten Leuchtstoffe erst bei höheren Temperaturen ein derartiges Quenching“, sagt 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.
Fh.-IMWS / JOL
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