Neue Technologie für warmweiße LEDs

Leuchtdioden (LED) ermöglichen deutliche Energieeinsparungen gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln. Bezüglich der Lichtqualität sind allerdings herkömmliche Beleuchtungslösungen den LEDs noch überlegen, da LEDs nicht das volle Farbspektrum wiedergeben. Vor allem fehlt ein effizienter roter Leuchtstoff in LEDs, um wärmeres Weißlicht zu erzeugen. In dem Projekt EuroLED arbeiten vier Partner an der Entwicklung eines nanoskaligen Leuchtstoffsystems für weiße LEDs, das auf einem grundlegend neuen Konzept basiert. Mit der energieeffizienten Erzeugung von warmweißem Licht wollen sie die Akzeptanz für energiesparende LEDs in der Bevölkerung erhöhen.

Ähnlich wie Sonnenlicht beeinflusst die Farbtemperatur von Leuchtmitteln unser Wohlbefinden. Je mehr Rotanteile sich im wahrgenommenen Spektrum befinden, umso wärmer und angenehmer ist seine Wirkung auf uns. Vor 14 Jahren gelang es erstmals, mit LEDs eine physiologisch angenehmere Arbeitsatmosphäre, also warmes weißes Licht, zu erzeugen. Basis war der in Japan entwickelte rote Leuchtstoff CASN. Noch heute werden Weißlicht- LEDs zusätzlich mit dem roten Leuchtstoff beschichtet, um warmes weißes Licht zu erhalten. Jedoch ist CASN äußerst ineffizient, da es einen Großteil der Strahlung nahen Infrarot-Spektralbereich abgibt, welcher für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Die EuroLED-Partner entwickeln jetzt eine geeignete Alternative.

Neuartiges rot emittierendes Leuchtmittel

»Am Fraunhofer IAP haben wir bereits einen rot emittierenden nanoskaligen Leuchtstoff entwickelt und patentiert. Er basiert auf speziellen aus mit dreiwertigen Europium-Ionen modifizierten Nanopartikeln. Dieses schmalbandige Emittermaterial kann als zusätzliche Schicht auf eine herkömmliche weiße LED aufgetragen werden«, erklärt Dr. Christoph Gimmler, der das Projekt am Fraunhofer CAN, einem Forschungsbereich des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP, leitet. »Dreiwertige Europium-Ionen haben ein sehr enges Emissionsband, das für das menschliche Auge bis zu dreimal stärker sichtbar ist als das Licht, das von dem herkömmlichen roten Leuchtstoff CASN abgestrahlt wird. Dadurch ist Eu-dotiertes Material deutlich effizienter als CASN«, so Gimmler.

Das Projekt EuroLED

Im Rahmen des Projektes werden die Fraunhofer-Forscher basierend auf YVO4:Eu den Leuchtstoff weiter optimieren. Insbesondere die Lichtausbeute und die Herstellungskosten stehen hierbei im Fokus. Bei den Projektpartnern wird der Leuchtstoff dann eingehend und für die Entwicklung und Herstellung von Prototypen dieser neuen Generation von LEDs weiter prozessiert. Die Technologie soll im Anschluss bis zur Serienreife und Markteinführung vorangetrieben werden.

»Ursprünglich haben wir den Leuchtstoff noch im Gramm-Maßstab hergestellt. Im Laufe des Projektes werden wir die Ausbeute auf bis zu 1 kg Material je Batch herstellen, um die Projektpartner zu beliefern. Darüber hinaus verfügen wir im Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und –verarbeitung PAZ über industrienahe Syntheselinien, mit denen wir das Material auch im Tonnenmaßstab zur Verfügung stellen könnten.«

Konsortialführer des Projekts ist das niederländische KMU Seaborough Research B.V. Das forschende KMU ist schon seit über zehn Jahren im Bereich LED am Markt tätig. Im Projekt EuroLED wird hier die Demonstrator-LED hergestellt und hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften und Langzeitstabilität charakterisiert werden. Weitere deutsche Partner sind neben dem Fraunhofer IAP, das Forschungsinstitut für Anorganische Werkstoffe-Glas-Keramik-GmbH (FGK) und die MJR PharmJet GmbH. FGK und MJR befassen sich mit der weiteren Prozessierung desim Fraunhofer CAN entwickelten roten Leuchtmittels für die Beschichtung der LED . MJR PharmJet verfügt zudem über das technische Knowhow und die Ausrüstung, um diese notwendigen Prozessschritte großtechnisch durchzuführen.

Die Materialentwicklung am Fraunhofer CAN innerhalb des 18-monatigen Projekts EuroLED wird mit ca. 212.000 Euro durch den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) im Rahmen des Förderprogramms für forschungstreibende KMU Eurostars finanziert. Es startete am 1. November 2018. Am 13. Februar 2019 treffen sich die Partner in Hamburg am Forschungsbereich CAN des Fraunhofer IAP, um die ersten Fortschritte vorzustellen.

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Foto: Am Fraunhofer CAN in Hamburg entwickeln die Forscher Leuchtmittel für effizientere, wärmere Weißlicht-LED. © Fraunhofer IAP, Fotograf: Till Budde