Verfahren zur verbesserten LED-Produktion entwickelt

LEDs sind ein beliebtes und umweltfreundliches Leuchtmittel. Allerdings empfinden viele Menschen das Licht als kalt und es kommt häufig zu Farbabweichungen in der Raumbeleuchtung oder wenn LEDs beispielsweise an Ampeln im Straßenverkehr verwendet werden. Zudem sind die Herstellungskosten aufgrund der enthaltenen Materialien wie Saphir und des zeitintensiven Herstellungsprozesses sehr hoch.

Dr.-Ing. Christoph Prall forschte als wissenschaftlicher Mitarbeiter der HRW in seiner Dissertation zum Thema „Photolumineszenz bei hohen Temperaturen aus epitaktisch wachsenden Nitrid-Halbleiterschichten zur In-situ-Materialcharakterisierung“ in den Laboren der HRW an Möglichkeiten, die Effizienz bei der Herstellung zu erhöhen und dadurch die Kosten zu senken.

Denn während des Produktionsprozesses, der mehrere Stunden dauert, konnte bisher nicht untersucht werden, ob der gewünschte Farbton einer LED auch tatsächlich erzielt wurde oder ob es zu Abweichungen gekommen ist. Schon kleinste Schwankungen im Promillebereich bei einer Herstellungstemperatur von rund 1000 Grad sorgen bereits für farbliche Abweichungen, welche mit bloßem Auge wahrzunehmen sind.

Erst wenn der Produktionsprozess abgeschlossen war, wurde bisher das Ergebnis sichtbar und konnte erst am fertigen Produkt überprüft werden. Eine Korrektur war dann aber nicht mehr möglich. Dr.-Ing. Christoph Prall entwickelte in seiner Dissertation jetzt ein Verfahren, welches mittels Photolumineszenz ermöglicht, den gewünschten Farbton im laufenden Prozess (in situ) erstmals direkt zu kontrollieren und nachzujustieren.

„Konventionelle Überwachungstechniken bei der LED-Produktion nutzen bisher das Prinzip von Wärmebildkameras, um die Temperatur während des Prozesses zu überprüfen. Das Infrarotlicht geht aber durch die transparenten Materialien einer LED hindurch, was somit eine direkte Temperaturmessung erschwert und zwangsläufig zu Verzerrungen führt“, erläutert der 34-Jährige.

„Wir haben ein altes Konzept neu angewendet, indem wir während der Geburt einer LED mit UV-Laser-Blitzen die LED-Kristallschichten für den Bruchteil einer Sekunde zum Aufleuchten gebracht haben. Ob wir hiermit Erfolg haben würden, war zu Beginn nicht klar, jedoch ist dies auch Teil guter wissenschaftlicher Arbeit: mit einer Dissertation ein Stück weit Neues zu erkunden und bisherige Ergebnisse neu zu bewerten. Dies war zwar langwierig und strapazierte die Frustrationstoleranz, aber im Endeffekt sehr erfolgreich“, so Christoph Prall weiter.

Dr.-Ing. Christoph Prall war einer von gegenwärtig 14 kooperativen Promotionsstudierenden an der Hochschule Ruhr West. Er stammt aus Bad Honnef, hat in Remagen zunächst ein Diplom-Ingenieurstudium in Lasertechnik absolviert und dann ein Masterstudium in Applied Physics. Vor sieben Jahren entschied er sich dazu, an der noch jungen Hochschule Ruhr West sein Forschungsvorhaben umzusetzen, welches nun in seiner Promotion an der Universität Duisburg-Essen mündete. Hierbei wurde er von seinem Doktorvater Prof. Dr. Daniel Erni der Universität Duisburg-Essen und von Prof. Dr. Dirk Rüter vom Institut für Mess- und Sensortechnik der HRW betreut.

Prof. Dr. Dirk Rüter, Professor für Bauelemente und Werkstoffe der Elektrotechnik an der HRW, erklärt: „Die Dissertation von Christoph Prall ist ein gelungenes Beispiel dafür, wie eine kooperative Dissertation an einer Fachhochschule erfolgreich gelingen kann. Denn zum einen hat es eine sehr gute Zusammenarbeit mit der Universität Duisburg Essen gegeben. Zum anderen ist es organisatorisch so gelaufen, dass Lehre und Forschung eng verzahnt waren und begleitend zu dem Forschungsvorhaben mehrere Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten entstanden sind.

Auch für andere Studierende ist es motivierend und spannend, wenn sie merken, dass sie daran beteiligt sind, wenn dem Buch des globalen Wissens eine neue Seite hinzugefügt wird.“ An den vielversprechenden und neuartigen Ergebnissen der Dissertation bestehe bereits Interesse aus der Industrie sowie von anderen renommierten Forschergruppen und es wurde bereits eine Patentanmeldung beantragt.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte das Forschungsprojekt zusammen mit dem Industriepartner, der Laytec AG aus Berlin, im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM).

Die online veröffentlichte Dissertation findet sich unter:
https://dx.doi.org/10.17185/duepublico/46204