Thermisch stabile Leuchtstoffe für weiße LEDs

Leuchtstoffe auf Basis mit Seltenen Erden dotierter Gläser sollen die Lebensdauer von weißen Leuchtdioden erhöhen und einen langzeitstabilen Farbeindruck sicherstellen. Diese lumineszierenden Gläser zeichnen sich durch eine erhöhte chemische und thermische Widerstandsfähigkeit aus. Um Weißlicht-LEDs weiter zu optimieren, ist die richtige Kombination von LED und Leuchtstoff entscheidend. Vor allem Terbium und Europium eignen sich sehr gut für einen Einsatz in der Beleuchtungstechnik. Beide weisen unter ultravioletter oder Blaulichtanregung eine intensive Emission im grünen (Terbium) beziehungsweise im roten (Europium) Spektralbereich auf. In richtiger Kombination mit einer blauen LED lässt sich so ein weißer Lichteindruck einstellen. Auch bei den im Betrieb einer LED auftretenden hohen Temperaturen von 150 °C weisen sie eine intensive Emission auf. Die thermische Stabilität der am Fraunhofer-Anwendungszentrum entwickelten glasbasierten Leuchtstoffe liegt oberhalb der des konventionellen gelben Leuchtstoffs von Weißlicht-LEDs, Ce:YAG.

Ein oft nicht beachteter Aspekt der Temperaturbelastung von LED-Leuchtstoffen ist die Wärmeentwicklung innerhalb des Leuchtstoffs selbst. Beim Lichtkonversionsprozess wird blaues, energiereiches Licht der primären LED in energieärmeres (zum Beispiel gelbes) Licht umgewandelt. Die sich daraus ergebende Energiedifferenz (Stokes-Shift) wandelt sich in Wärme um. Die Wärmeleistung bei der Umwandlung von blauem (450 nm) zu gelbem (570 nm) Licht beträgt mehr als 20 Prozent der eingestrahlten Lichtleistung. Die Erwärmung der Leuchtstoffoberfläche kann orts- und zeitaufgelöst mit einer Infrarotkamera aufgenommen werden. Aus der  Wärmeleistungsdichte im Glas lässt sich anhand von Thermografieaufnahmen die im Glas freigesetzte Gesamtwärmeleistung berechnen.

Thermografieaufnahme einer Glaskuppel unter UV-Anregung
© Foto Fraunhofer AWZ Soest

Thermografieaufnahme (links) und Fotografie (rechts) einer Tb(3+)-dotierten Glaskuppel unter UV-Anregung bei 150 °C.