Autor: Anja Ziesche

Leuchtende Aussichten – LED mit Keramik

28. Juni 2017

Wer kennt sie nicht aus alten Filmen: Laternen, die eine Allee säumen und sie in wohlig gelb-weißes Licht tauchen, manchmal nur schummrig, ein anderes Mal hell strahlend, wie auch die Räume im Haus. Über 100 Jahre lang wurden uns die Nächte – seltener auch die Tage – von der »guten«, alten Glühlampe erhellt – je nach Wattanzahl und Art mal mehr, mal weniger.

Glühlampen erzeugen Licht, indem ein elektrischer Leiter durch Strom aufgeheizt und zum Glühen gebracht wird. Leider liegt dabei der Wirkungsgrad, also die Energie, die in Licht umgewandelt wird, bei ca. 5 Prozent. Die Restenergie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Und das ist alles andere als energieeffizient.

Aus diesem Grund gilt seit dem 1. September 2012 in Deutschland ein Verbot für die Herstellung und den Vertrieb von Glühlampen. Stattdessen empfiehlt das Umweltbundesamt heute z. B. die Nutzung energieeffizienterer Leuchtmittel wie Leuchtdioden (LED).

Das Licht der LED wird im Vergleich zur Glühlampe gänzlich anders erzeugt: Sie bestehen aus Chips mit Schichten aus Halbleitermaterial. Eine Schicht hat einen Elektronenüberschuss (n-Schicht) und die andere einen Elektronenmangel (p-Schicht), wobei der Mangel als Defektelektron (kleines »Loch«) nachweisbar ist. Um die unterschiedlichen Ladungen zu erreichen, werden dem Halbleitermaterial z. B. Bor- oder Siliziumatome beigegeben. Wird dann eine Spannung angelegt, fließt Strom von der n- zur p-Schicht, die Elektronen der n-Schicht wandern also in die p-Schicht mit dem Elektronenmangel. Dieser Prozess ist als Rekombination bekannt, d. h. als Zusammentreffen von einem Elektron mit einem Defektelektron. Die bei der Rekombination frei werdende Energie wird in einem Halbleiter meist direkt als Licht (Photon) abgegeben. Je mehr Spannung an die Halbleiterschichten angelegt wird, desto heller strahlt das Licht.

Spektrum der aditiven Farbmischung.
© Fraunhofer IKTS
Keramisches Leuchtpulver.
© Fraunhofer IKTS
Keramische Grünkörper mit Leuchtstoff bei Tageslicht.

Die Farben der LED

Damit die Wellenlänge (die Farbe) des Lichts an verschiedene Anwendungen angepasst werden kann, wird mit Leuchtstoffen gearbeitet. Diese sind bei herkömmlichen Innenraum-LEDs in Kunststoffen gebunden und auf dem Chip angebracht. Besonders weißes Licht wird für viele Anwendungen benötigt. Aber die Entwicklung von weißen LEDs warf lange Zeit Probleme auf. Erst in den 1990er Jahren, mit der Erfindung der blauen LED gelang ein großer Schritt hin zur weißen LED. Diese Entwicklung war so bahnbrechend, dass die japanischen Forschern Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Physik-Nobelpreis erhielten. Doch warum ist die blaue LED so wichtig für die Entwicklung der weißen?

 

Weißes LED-Licht

Weißes Licht kann durch eine Kombination von drei LEDs in rot, blau und grün erzeugt werden. Dieses Prinzip der »additive Farbmischung« hat aber Nachteile: Es werden für eine Farbe drei LEDs benötigt, wobei, je nach Blickwinkel das »Weiß« in anderen Nuancen erscheint.

Es gibt aber noch einen weiteren Weg, weißes Licht zu erhalten: Durch das Prinzip der Konversion von blauem Licht. Hierbei wird gelber Leuchtstoff in einem Träger (üblicherweise Silikon) auf die blaue LED aufgebracht. So konvertiert das blaue Licht zu gelb und erscheint uns in der Mischung der beiden Farben weiß.

 

© Fraunhofer IKTS
Dotierte YAG-Keramiken mit spezifischer Absorption.
© Fraunhofer IKTS
Weiß leuchtende, semitransparente YAG-Keramik unter blauer Beleuchtung.
© Fraunhofer IKTS
Dickschicht-basierte Weißlichtkonverter-Chips auf einem Dioden-Array.

Optokeramiken für die LED

Bei gewöhnlichen Innenraum-LEDs sind die Leuchtstoffe zur Lichtkonversion zumeist in Silikon gebunden. Weil aber auch bei der LED hohe Temperaturen entstehen, altern und vergilben die Kunststoffe schnell. Dadurch verändern sich die Wellenlängen der LEDs. Besonders wenn LEDs sehr lange leuchten müssen oder Feuchtigkeit ausgesetzt sind, altern sie schnell.

Um dieses Problem zu lösen, wurde am Fraunhofer IKTS eine Möglichkeit entwickelt, lichtkonvertierende Leuchtstoffe mit Transparentkeramik zu kombinieren: Das für die Lichtkonversion verantwortliche gelbe Cer, ein Leuchtstoff der seltenen Erden mit dem Elementsymbol Ce, wird oxidkeramischem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)-Rohpulver beigemengt. Mit diesem Ausgangsmaterial gelingt in einem komplizierten Prozess die Fertigung von transparenter YAG:Ce3+-Keramik, den keramischen Lichtkonvertern.

Die polykristallinen Keramiken aus optisch aktiven Materialien leiten Wärme wesentlich besser als Silikon. Sie lassen sich in ihren optischen Eigenschaften durch eine Strukturierung sehr genau maßschneidern. Gleichzeitig können die Keramikchips im hermetischen Gehäuse für LED-Module als abschließende Deckplatte fungieren. Somit sind sie hitze- und UV-beständig, unempfindlich gegen Feuchtigkeit sowie stabil gegenüber Gasen.

Damit werden LEDs mit keramischen Lichtkonvertern für außergewöhnliche Anwendungen und Beleuchtungsszenarien unter harschen Umfeldbedingungen interessant: Die Beleuchtung von großen Gewächshäusern oder Industrieanlagen zum Beispiel, die Stadienbeleuchtung oder das Licht in Operationssälen, aber auch der Unterwassereinsatz bieten möglichen Anwendungsfelder für solch langlebige und leistungsstarke LEDs. Obendrein verbessern keramische Konverter das Wärmemanagement der LEDs. Denn die Keramik selbst leitet Hitze ab.

Keramische Lichtkonverter werden aber nicht nur bei LEDs, sondern auch bei Laserdioden (LDs) eingesetzt. Aufgrund der robusten Eigenschaften von Keramik, halten sie einem höheren Energieeintrag stand. Sie können somit auch sehr helles Weißlicht auf Basis von Lasern erzeugen. Je nach verwendeter Lichtquelle unterscheidet sich die Geometrie, in der die lichtkonvertierenden Leuchtstoffe in den Lampen eingesetzt werden. Dazu aber ein anderes Mal mehr.

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