Technologie

LED mit lumineszierenden Gläsern

18.10.2019 - 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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