Faszination Technik Wie die Leuchtkraft von lumineszenten Materialien bestimmt werden kann

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die Normung leuchtender Funktionsmaterialien.

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Fluoreszenz entsteht immer dann, wenn Substanzen, die von einer Lichtquelle angestrahlt werden, einen Teil der Photonen absorbieren und sie kurz darauf mit geringerer Energie wieder abgeben. Leuchtende, d.h. lumineszente Materialien kommen in zahlreichen Anwendungen zu Einsatz: in der Medizintechnik bei diagnostischen Verfahren, bei Sicherheitscodes auf Geldscheinen und in der Beleuchtungstechnik. Fluoreszierende Substanzen sind auch in vielen Displays, in Autoscheinwerfen oder in Photovoltaikanlagen enthalten.

Quantenausbeute als Maß für die Leuchtkraft

Dabei geht der Trend von Partikeln im Mikrometerbereich zu solchen in Nanogröße, die besonders vorteilhafte Streueigenschaften besitzen und eine hohe Lichtausbeute erzielen. Entscheidend für alle Anwendungen dieser Materialien ist ihre Leuchtkraft. Ein direktes Maß dafür ist die Zahl der Lichtquanten oder Photonen, die die Partikel emittieren im Vergleich zu denen, die sie absorbieren. Man spricht auch von der Quantenausbeute.

Diese Schlüsselgröße bestimmt die Helligkeit der Substanzen. Sie ist damit für Unternehmen, die die Materialien herstellen oder anwenden, ein entscheidendes Indiz, um die Qualität, Performance und Eignung verschiedener leuchtender Partikel bewerten und miteinander vergleichen zu können.

Methoden zur Bestimmung der Quantenausbeute nötig

Zur Bestimmung der Quantenausbeute, die von vielen äußeren Faktoren wie der Temperatur oder dem umgebenden Medium abhängt, existiert bislang jedoch nur eine einzige internationale Norm. Diese deckt nur vergleichsweise einfach zu messende Proben ab. Kompliziertere Messungen an streuenden Partikeln werden nicht erfasst. Gerade diese Materialien aber sind verstärkt für industrielle Anwendungen relevant.

Das stellt Unternehmen, die leuchtende Funktionsmaterialien wie typische Leuchtstoffe und sogenannte Konvertermaterialien herstellen oder im Bereich der Lichttechnik und Displaytechnologie anwenden, zunehmend vor Probleme. Gerade sie benötigen für die Qualitäts- und Produktkontrolle zuverlässige Methoden zur Bestimmung der Quantenausbeute. Diese Methoden selbst zu entwickeln, würde selbst große Unternehmen überfordern.

Referenzmaterialien sind entwickelt

Zur genauen Bestimmung der Fluoreszenzquantenausbeute werden gut charakterisierte Vergleichsmaterialien benötigt. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat Referenzsubstanzen für das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts entwickelt und zu zertifiziert. Eine Herausforderung dabei war es, die Quantenausbeute der ausgewählten Substanzen sehr exakt zu bestimmen. Laut BAM erforderte das u.a. besonders ausgefeilte Kalibrierprozeduren der verwendeten Messeinrichtungen. Es liegen nun zwölf zertifizierte Referenzmaterialien vor.

Standardisierbare Messvorschriften für die internationale Normung

Jetzt startet die BAM ein Verbundprojekt, das wissenschaftliche Erkenntnisse schnell in die Normung und damit in die Anwendung bringen soll. In Kooperation mit der Schott AG, die seit mehr als 100 Jahren optische Materialien herstellt, wird die BAM verlässliche Methoden zur Ermittlung der Quantenausbeute lumineszenter Partikel entwickeln.

Ausgewählt wurden dazu zunächst wirtschaftlich besonders interessante Substanzen: Neuartige Konvertermaterialien, die z.B. im Zusammenspiel von blauem Laser- und LED-Licht Autoscheinwerfen eine sehr hohe Lichtausbeute sowie gleichzeitig eine angenehme optische Wahrnehmung verleihen. Die Schott AG wird dazu lumineszente Materialien direkt aus der Anwendung zur Verfügung stellen und gemeinsam mit der BAM Messprozeduren entwickeln, die für eine industrielle Prozesskontrolle geeignet sind. Diese Messvorschriften sollen standardisierbar sein, damit sie zeitnah in die internationale Normung überführt werden können.

Quelle: BAM

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