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Lumineszierender Gläser optimieren LED-Technik

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Die LED-Technik hat sich in den vergangenen 20 Jahren als Allgemeinbeleuchtungslösung etabliert. Mit neuen Leuchtstoffen auf Basis lumineszierender Gläser entwickelt das Fraunhofer die Technik für höherer Ansprüche weiter.

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Lumineszierende Gläser leuchten unter ultraviolettem (UV) Licht (oberer Bildteil) und sind unter Raumlicht transparent (unterer Bildteil). Der verwendete Dotierstoff bestimmt den Farbeindruck.
Lumineszierende Gläser leuchten unter ultraviolettem (UV) Licht (oberer Bildteil) und sind unter Raumlicht transparent (unterer Bildteil). Der verwendete Dotierstoff bestimmt den Farbeindruck.
(Bild: Fraunhofer AWZ Soest)

In der aktuellen Forschungsarbeit am Fraunhofer-Anwendungszentrum in Soest werden lumineszierende Gläser und Glaskeramiken für mögliche Einsatzgebiete bewertet. Die mit Metallionen der Seltenen Erden dotierten Gläser sollen die Lebensdauer von Weißlicht-LEDs erheblich erhöhen und einen langzeitstabilen Farbeindruck sicherstellen.

Die glasbasierten Leuchtstoffe haben eine hohe chemische und thermische Stabilität. Unter Blaulichtanregung zeigen sie brillante Farben mit gleichmäßiger Abstrahlung in alle Raumrichtungen. Zudem kann Glas in beliebige Formen gebracht werden, was eine Vielzahl an Designs zulässt. Durch geeignete Auswahl und Kombination verschiedener Seltener Erden ist es möglich, ein breites Spektrum von Farben und Farbtemperaturen einzustellen.

Wärmeentwicklung innerhalb des Leuchtstoffs

Ein oft nicht beachteter Aspekt von LED-Leuchtstoffen, wie sie in jeder handelsüblichen Weißlicht-LED verwendet werden, ist die Wärmeentwicklung innerhalb des Leuchtstoffs selbst. Beim Lichtkonversionsprozess wird energiereiches blaues Licht der primären LED in den energieärmeren (grünen, gelben oder roten) Spektralbereich verschoben. Die sich daraus ergebende Energiedifferenz wird in Form von Wärme im Leuchtstoff abgegeben.

Die Wärmeleistung bei der Konversion von blauem (450 nm) zu gelbem (570 nm) Licht beträgt mehr als 20 % der eingestrahlten Lichtleistung. Da für immer mehr Anwendungen hohe Anregungsleistungen zum Einsatz kommen, erwärmen sich die Leuchtstoffe zunehmend und ein sogenanntes "thermisches Quenching" ist zu beobachten. Die Lumineszenzintensität des Leuchtstoffs sinkt, der Farbeindruck der LED ändert und verschiebt sich in Richtung des blauen, also "kaltweißen" Spektralbereichs.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffen zeigen die am Fraunhofer AWZ in Soest entwickelten Leuchtstoffe erst bei höheren Temperaturen ein derartiges "Quenching", erläutert Dr. Peter Nolte, Teamleiter Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen: „Wir können die Temperaturerhöhung der Leuchtstoffoberfläche mit einer Infrarotkamera sowohl orts- als auch zeitaufgelöst genauestens untersuchen. Aus der Wärmeleistungsdichte im Glas lässt sich anhand von Thermografieaufnahmen die im Glas freigesetzte Gesamtwärmeleistung berechnen.“

Falls es die Anwendung erfordert, können aus den lumineszierenden Gläsern durch eine thermische Nachbehandlung lumineszierende Glaskeramiken hergestellt werden, deren Temperaturleitfähigkeit oberhalb der des konventionellen gelben Leuchtstoffs von Weißlicht-LEDs, Ce:YAG, liegt.

Seminartipp

Das Seminar LED-Beleuchtung in der elektrotechnischen Praxis vermittelt Basiswissen zu elektrotechnischen Erfordernissen von LED-Leuchten.

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