Lichttechnik

Forscher aus Soest wollen die LED-Technik verbessern

Mit Seltenen Erden angereicherte Spezialgläser leuchten intensiv und vermitteln je nach Zugabe ein gelbweißes Licht.

Mit Seltenen Erden angereicherte Spezialgläser leuchten intensiv und vermitteln je nach Zugabe ein gelbweißes Licht.

Foto: Fraunhofer

Soest.   Soester Forscher arbeiten an der Verbesserung der LED-Technik: Mehr Auflösung und mehr Kontraste. Zusammenarbeit mit Automobilzulieferer.

Manche Menschen haben immer noch einen Glühlampen-Vorrat im Keller. Andere fragen sich, wie lange sie noch Halogenlampen kaufen können. Aber klar ist auch: Die Leuchtdiodentechnik ist im Alltag angekommen, zu inzwischen deutlich gesunkenen Preisen. LED sind das Leuchtmittel der Wahl. Aber die Entwicklung geht weiter. Immer. Überall. Zu verbessern ist fast alles. Und daran arbeitet das Fraunhofer-Anwendungszentrum (AWZ) für Anorganische Leuchtstoffe in Soest.

Um einem Laien zu erklären, um was es dabei genau geht, muss Dr. Franziska Steudel, Teamleiterin Leuchtstoffdesign am AWZ, zunächst die Funktionsweise einer LED verdeutlichen. Einfach formuliert: Auf einem blau leuchtenden LED-Chip wird ein gelber Leuchtstoff aufgetragen, um weißes Licht zu erzeugen. Eine zusätzliche Optik verteilt das Licht im Raum. Das funktioniert bislang sehr gut.

Aber trotz ihrer hohen Effizienz erreicht eine LED im Betrieb hohe Wärmeleistungsdichten. So ergibt sich bei einer elektrischen Leistung von 1 W und einem Wirkungsgrad von 90 Prozent eine Flächenheizleistungsdichte von 100 kW/m². Dies entspricht etwa dem Doppelten einer handelsüblichen Kochplatte.

Wärmemanagement

Hohe Betriebstemperaturen wirken sich zum einen negativ auf die Lebensdauer der LED aus, zum anderen bewirken sie langfristig eine unerwünschte Farbveränderung der Optik. „Durch die hohen Temperaturen im Inneren der LED kann sich der Kunststoff der Optik verfärben. Diese lässt dann weniger Licht durch“, so Steudel. Das Wärmemanagement von LEDs hat sich in den vergangenen Jahren zwar erheblich verbessert, aber die Grenzen sind noch nicht erreicht.

Deshalb experimentieren die Soester Forscher an neuartigen Leuchtstoffen und Leuchtstoffsystemen mit Glas statt Kunststoff. Als Leuchtstoff kommt beispielsweise Boratglas zum Einsatz, das mit Seltenen Erden versetzt ist. Die Seltenen Erden dienen dabei als optischer Aktivator und könnten sich zukünftig direkt in der Optik befinden, der Leuchtstoff auf dem LED-Chip könnte dann wegfallen. Die leuchtenden Gläser besitzen gegenüber herkömmlichen Systemen eine höhere Lebensdauer und eine verbesserte Lichtqualität. Dabei kommt es darauf an, die Leuchtstoffe so zu optimieren, dass die Lichtausbeute möglichst hoch ist. Durch eine geeignete Auswahl und durch eine Kombination mehrerer Seltener Erden ist es möglich, ein breites Spektrum von Farben und Farbtemperaturen einzustellen.

Für eine höhere räumliche Auflösung und ein besseres Kontrastverhältnis entwickelt das Fraunhofer AWZ Soest unterdessen im bekannten System neuartige Strukturen des gelben Leuchtstoffs. Grundlegender Gedanke: Der Leuchtstoff wird nicht mehr ganzflächig auf den blau leuchtenden LED-Chip aufgetragen, sondern in nur winzige Strukturen gefüllt. Die geätzten oder gelaserten Pixelstrukturen haben Abmessungen von wenigen Mikrometern (= tausendstel Millimeter).

„Das ist wichtig für spezialisierte Anwendungen“, erklärt Steudel, etwa in Autoscheinwerfern, wenn ein Straßenschild präzise ausgeleuchtet, aber der Gegenverkehr nicht geblendet werden soll. Durch die verbesserte Auflösung wäre es zukünftig denkbar, dass auch Zeichen projiziert werden könnten. Vielleicht winken wir bald schon den Fußgänger nicht mehr über die Straße, sondern unser Auto weist mittels eines projizierten Zebrastreifens den Weg.

Nur noch eine Lichtquelle

Zukünftig könnte so statt einer LED-Matrix aus vielen Dioden nur noch eine Lichtquelle eingesetzt werden. Dabei scannt ein blauer Laser über den gelben pixelierten Leuchtstoff. Der würde einen Kunststoff schmelzen, weshalb Glas oder Keramik dann sowieso die Voraussetzung sind.

In einem Forschungsprojekt entwickelt das Fraunhofer AWZ Soest, das im Dezember 2013 am Campus der Fachhochschule Südwestfalen als Außenstelle des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) in Halle entstand, gemeinsam mit dem Lippstädter Automobilzulieferer HELLA bereits einen Prototyp für einen hochauflösenden Scheinwerfer mit Laserlichtquelle. Dabei soll es auch darum gehen, dass sich das Licht automatisch den Verkehrs- und Umgebungslichtverhältnissen anpasst.

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