An der Universität Innsbruck gelang es, einen neuen roten Leuchtstoff zu entwickeln, der die Lichtausbeute von LEDs steigert und die Beleuchtungsmittel deutlich effizienter macht.
Leuchtdioden oder LEDs können nur Licht einer bestimmten Farbe erzeugen. Anders verhält sich dies bei weißem Licht, das aus mehreren Farben besteht und ein spezielles Verfahren zur Farbmischung erfordert. Bei weißen LEDs werden rote und gelb-grüne Phosphore durch das Licht einer blauen Diode angeregt. Die Partikel entsenden entsprechendes Licht im roten und grünen Bereich und ergeben in Kombination mit dem blauen Licht schließlich weißes Licht, erklärt Hubert Huppertz vom Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck.
Roter Leuchtstoff
Die Schwäche von konventionellen weißen LEDs liegt in deren geringer Lichtausbeute. Diese ist auf die Beschaffenheit des menschlichen Auges zurückführen. Dieses nimmt Grün besonders gut wahr, Blau und Rot hingegen weniger gut. Jetzt ist es Huppertz und seinem Team gelungen, einen neuen roten Leuchtstoff zu entwickeln, dessen Licht vom Auge gut wahrgenommen wird. Der Leuchtstoff steigert die Lichtausbeute von weißen LEDs um rund ein Sechstel und verbessert die Energie-Effizienz von Beleuchtungs-Systemen deutlich. Basis der Innovation ist der rote Phosphor, der alle Anforderungen an die optischen Eigenschaften eines Leuchtstoffs erfüllt. In Anlehnung an die Formel Sr[Li2Al2O2N2]:Eu2+ gaben ihm die Forscher den Namen SALON.
Weiterentwicklung
Die Entwicklung geht auf Huppertzs Doktorat zurück, das er an der Universität Bayreuth absolvierte. Damals entwickelte er mit Europium dotierte Nitride, die fluoriszieren. Europium ist ein Metall der Seltenen Erden. Von der damaligen Arbeitsgruppe weiter optimiert, werden die fluoriszierenden Nitride heute vielfach eingesetzt.
Die roten Farbstoffe des roten Phosphor sind mitverantwortlich, dass LEDs nicht mehr kalt-weiß, sondern auch warm-weiß leuchten. Aber auch diese roten Farbstoffe sind vom menschlichen Auge nicht gut wahrnehmbar. Sie entsenden zwar rotes Licht im sichtbaren Bereich, ein Großteil der Energie geht aber in den Infrarotbereich, den das menschliche Auge nicht wahrnimmt.
Mit dem neu entwickelten Leuchtstoff SALON ist es nun gelungen, die Lichtemission von Rot leicht in Richtung Blau zu verschieben, um so einen orange emittierenden Stoff zu erhalten.
„Mit SALON haben wir weniger Energieverlust, es emittiert genau in dem roten Bereich, den wir sehen können.“ Hubert Huppertz
Kristallstruktur
Es sei schwierig gewesen, die Synthese zu optimieren, berichtet das Forscherteam. Zunächst standen nur wenige sehr kleine Partikel in einer inhomogenen Probe zur Verfügung. Schließlich konnte aus einem der vielversprechendsten Syntheseprodukte ein Kristall isoliert und damit die Struktur des neuen Materials bestimmt werden.
Für eine weitere Charakterisierung des neuen Materials kooperierten die Forscher mit dem Industriepartner OSRAM Opto Semiconductors, dem Fraunhofer Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS sowie der Forschungsgruppe um Dirk Johrendt an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Die Innovation wurde bereits zum Patent angemeldet.
Hier gelangen Sie zum Paper:
Sr[Li2Al2O2N2]:Eu2+ — A high performance red phosphor to brighten the future. Gregor J. Hoerder, Markus Seibald, Dominik Baumann, Thorsten Schröder, Simon Peschke, Philipp C. Schmid, Tobias Tyborski, Philipp Pust, Ion Stoll, Michael Bergler, Christian Patzig, Stephan Reißaus, Michael Krause, Lutz Berthold, Thomas Höche, Dirk Johrendt & Hubert Huppertz. Nature Communications 10, 1824 (2019)
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