LED-Leuchtstoffe – Neues Rot für schöneres Weiß

Einem Team von Wissenschaftlern um Wolfgang Schnick, Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische Festkörperchemie an der LMU, ist es in Kooperation mit Dr. Peter Schmidt von der Philips Technologie GmbH Aachen gelungen, ein neues Material für Leuchtdioden zu entwickeln.

„Seine außergewöhnlichen Leuchteigenschaften könnten den LED-Markt revolutionieren“, sagt Schnick. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher aktuell in der Fachzeitschrift Nature Materials.

Nach dem EU-Verbot von Glühlampen, die nur wenige Prozent der elektrischen Energie in Licht verwandeln, gelten Leuchtdioden (LEDs) als Lichtquelle der Zukunft. Sie erzeugen Licht durch Anregung von Elektronenübergängen in halbleitenden Festkörpern. Im Gegensatz zu den umstrittenen Energiesparlampen, die giftiges Quecksilber enthalten, sind sie ökologisch unbedenklich und zudem sehr effizient, senken also den Energieverbrauch.

Jede LED kann immer nur eine Lichtfarbe erzeugen. Schnick und sein Team haben jedoch bereits zuvor den technologischen Durchbruch geschafft, neuartige Leuchtstoffe zu entwickeln, die blaues Licht von LEDs in alle Farbkomponenten des sichtbaren Spektrums umwandeln, insbesondere in solche im roten Spektralbereich. Durch Farbmischung kann so weißes Licht in sehr hoher Qualität erzeugt werden. Für diese Entwicklung wurden sie 2013 für den Deutschen Zukunftspreis nominiert.

Neuer Leuchtstoff mit großem Potenzial

Weißes Licht wird erzeugt, indem einfarbige blaue LEDs mit verschiedenen keramischen Leuchtstoffen beschichtet werden. Diese können einen Teil des blauen Lichts absorbieren und in allen anderen Farben des sichtbaren Spektrums von Cyan bis Rot emittieren. Durch Mischung aller dieser Farbkomponenten entsteht dann weißes Licht. Hierbei werden allerdings extreme Anforderungen an die Leuchtstoffe gestellt. Sie brauchen nämlich eine hohe thermische Belastbarkeit und müssen mit sehr hoher Effizienz arbeiten.

„Bei kommerziell erhältlichen Weißlicht-LEDs muss man sich bisher noch zwischen möglichst hoher Effizienz und ausreichender Farbwiedergabe entscheiden“, sagt Schnick. Begrenzender Faktor sind hierbei vor allem die eingesetzten rot emittierenden Leuchtstoffe, da sie in besonderer Weise die Farbwiedergabe beeinflussen. Auch die Industrie hat seit vielen Jahren großen Bedarf an neuen Leuchtstoffen, deren Emissionen den tiefroten Spektralbereich abdecken, um höchste Effizienz und hervorragende Farbwiedergabe in Einklang zu bringen.

Das nun von Schnick, Schmidt und ihren Kollegen neu entdeckte nitridische Material Sr[LiAl3N4] zeigt nach gezielter Zugabe des Seltenerdmetalles Europium intensive und außergewöhnlich schmalbandige Lumineszenz im Roten bei Wellenlängen von etwa 650 nm und einer Halbwertsbreite von nur 50 nm.

Erste LED-Prototypen mit diesem Leuchtstoff zeigten dabei im Vergleich zu handelsüblichen Weißlicht-LEDs eine um 14 % erhöhte Lichtausbeute bei trotzdem brillanter Farbwiedergabe. „Dieses neuartige Material übertrifft im Hinblick auf die einzigartigen Lumineszenzeigenschaften alle bisher für LEDs verwendeten tiefrot emittierenden Leuchtstoffe und zeigt sehr großes Potenzial für die industrielle Anwendung“, sagt Schnick.

Wissenschaftler am Lumileds Development Center Aachen (Philips Technologie GmbH) um Dr. Peter Schmidt sind derzeit damit beschäftigt, den neuen roten Leuchtstoff für die Produktion tauglich zu machen. Ihr Ziel ist es, den Weg zur nächsten Generation von helleren, energieeffizienteren weißen LEDs mit bester Farbwiedergabequalität zu ebnen.

Publikation:
Philipp Pust, Volker Weiler, Cora Hecht, Angela S. Wochnik, Ann-Kathrin. Henß, Detlef Wiechert, Christina Scheu, Peter J. Schmidt, Wolfgang Schnick:
Narrow Band Red-Emitting Sr[LiAl3N4]:Eu2+ as Next Generation LED-Phosphor Material
In: Nature Materials 2014
Doi: 10.1038/nmat4012
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat4012.html

Kontakt:
Prof. Dr. Wolfgang Schnick
Department Chemie der LMU München
Tel. +49 (0)89 2180 77436
E-Mail: wolfgang.schnick@uni-muenchen.de