Lumineszierende Gläser

Intelligente Lichtsteuerung und fortschrittliche Beleuchtungskonzepte wie Human Centric Lighting (HCL) stellen gesteigerte Anforderungen an die Lichtumgebung. Dafür gilt es, die LED-Technik weiterzuentwickeln. Ein Lösungsansatz stellen Leuchtstoffe auf Basis lumineszierender Gläser dar.

Lumineszierende Gläser als Lichtkonverter

Eine typische Weißlicht-LED besteht aus einem blauen LED-Chip, der mit einem Leuchtstoff-Polymer-Komposit bedeckt ist. Der Leuchtstoff konvertiert hierbei einen Teil des blauen Lichts in gelbes, sodass insgesamt weißes Licht entsteht. Durch Wärmeentwicklung innerhalb dieses Komposits selbst kann es im Laufe der Zeit zu Veränderungen des Farbeindrucks der LED kommen. Das Fraunhofer Anwendungszentrum für Anorganische Leuchtstoffe beschäftigt sich mit der Entwicklung alternativer Leuchtstoffsysteme. Mit Metallionen aus der Gruppe der Seltenen Erden angereicherte Gläser versprechen einen langzeitstabilen Farbeindruck und könnten daher die Lebensdauer von Weißlicht-LEDs erheblich erhöhen. Die glasbasierten Leuchtstoffe zeichnen sich durch hervorragende Materialeigenschaften aus und können in beliebige Formen gebracht werden. Letzteres lässt eine Vielzahl an Designs zu und ermöglicht auch den Einsatz als lumineszierendes optisches Bauteil.

Ein Ansatz sind Gläser auf der Basis von Lithiumaluminiumborat, optisch aktiviert mit der Seltenen Erde Dysprosium (Dy3+). Die Lumineszenz-Ausbeute hängt hierbei stark von dem Mischungsverhältnis der beiden Grundkomponenten Lithium- und Boroxid sowie der Konzentration an Dysprosium ab. Der Farbeindruck verschiebt sich hierbei mit zunehmenden Lithiumoxid-Gehalt ins Gelbliche, während für eine höhere Dy3+-Konzentration eine Verschiebung ins Grünliche zu beobachten ist.

Um das Glassystem detailliert bewerten zu können, wird es in verschiedene Geometrien gebracht. Ein interessanter Ansatz für neue Beleuchtungskonzepte stellen Glasstäbe dar, da sie gleichzeitig als Lichtleiter und Lichtkonverter eingesetzt werden können. Das Lumineszenz-Verhalten derartiger Lichtstäbe kann zum einen über die Länge, zum anderen über die Höhe der Dysprosium-Aktivierung eingestellt werden. Bei ultravioletter und/oder blauer Anregung weisen die Lichtstäbe eine winkelabhängige Lichtstärke- und Farbortverteilung auf, die durch optische Simulationen vorausgesagt werden kann.

© Fraunhofer AWZ Soest
Unter Blaulichtanregung weiß leuchtender, Dysprosium-dotierter Glasstab.

Lumineszierende Gläser für weiße Leuchtdioden

Weiße LEDs, die eine Kombination einer blauen LED mit einem gelb emittierenden Leuchtstoff darstellen, ermöglichen im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungselementen aufgrund des fehlenden Rotanteils oft nur eine »kaltweiße« Farbwiedergabe. Zudem zeigt ein Teil der bislang eingesetzten Leuchtstoffe eine Degradation aufgrund der durch die hohen Betriebsströme generierten Wärme.

Neue Leuchtstoffe auf Basis lumineszierender Gläser, dotiert mit Seltenen Erden, sollen die Lebensdauer von weißen Leuchtdioden erheblich erhöhen und einen langzeitstabilen Farbeindruck sicherstellen. Die lumineszierenden Gläser zeichnen sich durch eine erhöhte chemische und thermische Stabilität sowie elementspezifische Emissionen aus. Durch geeignete Auswahl und Kombination mehrerer Seltener Erden ist es möglich, ein breites Spektrum von Farben und Farbtemperaturen einzustellen.

Die Schwierigkeit bei Weißlicht-LEDs besteht in der richtigen Kombination aus LED und Leuchtstoff, sodass ein weißer Lichteindruck entsteht. Dessen Bewertung erfolgt mit dem sogenannten CIE-Diagramm. Der Farbort von Weißlicht-LEDs sollte sich hierbei im Bereich natürlicher Lichtquellen befinden. Dafür müssen sich die Emission des Leuchtstoffs und die Emission der blauen LED im CIE-Diagramm gegenüberliegen. Vor allem Terbium und Europium eignen sich sehr gut für den Einsatz in der Beleuchtungstechnik. Beide weisen unter ultravioletter (UV)/Blaulichtanregung eine intensive Emission im grünen (Terbium) beziehungsweise im roten Spektralbereich (Europium) auf. Durch Mischung beider Seltener Erden kann so das gesamte Spektrum von rot bis grün abgebildet werden. 

Lumineszierende Gläser
© Fraunhofer AWZ Soest
Lumineszierende Gläser verschiedener Zusammensetzung.