FRAUNHOFER-ANWENDUNGSZENTRUM FÜR ANORGANISCHE LEUCHTSTOFFE
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R M I K R O S T R U K T U R V O N W E R K S T O F F E N U N D S Y S T E M E N I M W S
D A S F R A U N H O F E R - A N W E N D U N G S Z E N T R U M I N S O E S T S T E L LT S I C H V O R
L e u c h t d i o d e n ( L E D s ) s i n d d i e Z u k u n f t d e r B e l e u c h t u n g s t e c h n i k . M o d e r n e H o c h l e i s t u n g s - L E D s b i e t e n g e g e n ü b e r k o n v e n t i o n e l l e n G l ü h - u n d E n e r g i e s p a r l a m p e n e n o r m e Vo r t e i l e i m H i n b l i c k a u f E f f i z i e n z , K o m p a k t h e i t , L e b e n s d a u e r u n d U m w e l t s c h u t z .
Hierbei ergeben sich neue Herausforderungen nicht nur im Bereich der LED-Chips, sondern auch bei den Leuchtstoffen und den Verkapslungsmaterialien. Neben der Effizienz der LED und des Leuchtstoffs stellen Zuverlässigkeit und Farbstabilität wichtige Aspekte dar. Das Thermomanagement in LED- Modulen und Baugruppen ist von enormer Bedeutung.
Zukünftige Anforderungen hin zu intelligenten Beleuchtungs- systemen, die sich gezielt den jeweiligen Bedürfnissen des Anwenders anpassen, bieten weitere Ansatzpunkte für die Forschung. Dieser Herausforderung stellt sich das Fraunhofer- Anwendungszentrum (AWZ) für Anorganische Leuchtstoffe.
Auf dem Gebiet der Leuchtstoffe besteht unser Leistungs- angebot aus der Bewertung und Entwicklung von Leucht- stoffen und Leuchtstoffsystemen mit dem Ziel, Leuchtstoff- effizienz, Zuverlässigkeit und Farbstabilität zu verbessern. Dazu setzen wir am Fraunhofer AWZ in Soest umfassende optische und spektroskopische Analysen, thermische und mikrostruk- turelle Charakterisierungen sowie Untersuchungen zur Lang- zeitstabilität von Leuchtdioden und Beleuchtungselementen ein.
Unsere Forschungsfelder beinhalten die Charakterisierung von Optiken für Leuchtdioden sowie die Mikrostrukturierung von Optiken und Leuchtstoffen, aber auch verwandter Bereiche.
LEUCHTENDE ZUKUNFT
GEFÖRDERT DURCH IN ZUSAMMENARBEIT MIT
Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle ist das Mutterinstitut des Fraunhofer- Anwendungszentrums für Anorganische Leuchtstoffe in Soest.
Es ist ein methodisch ausgerichtetes Fraunhofer-Institut in den Fachdisziplinen Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.
Das Fraunhofer IMWS ist Ansprechpartner für die Industrie und öffentliche Auftraggeber für alle Fragestellungen, die die Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen betreffen – mit dem Ziel, Materialeffizienz und Wirtschaftlichkeit zu steigern und Ressourcen zu schonen.
Mutterinstitut Fraunhofer IMWS
Das Fraunhofer-Anwendungszentrum in Soest bietet ein offenes Service-Angebot. Ziel ist es, die Wettbewerbsfähigkeit und die Zukunft der Licht- und Beleuchtungsindustrie, aber auch thematisch verwandter Bereiche zu unterstützen. Die Optimierung von Werkstoffen, Bauteilen und Systemen soll zum Erfolg der Projektpartner beitragen. Dabei stehen sowohl die Konzeption als auch die Anwendung bei der gemeinschaftlichen Entwicklung im Mittelpunkt.
Leistungsbereich
Forschungsthemen
Leuchtstoffdesign
Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen n
n
2 2 1
Unsere Forschung und Entwicklung ist aktuell in zwei Themenbereichen organisiert, in denen ähnliche Projekte gebündelt sind:
Neben der Herstellung und Optimierung von Leuchtstoffen bieten wir umfangreiche Möglichkeiten zur Bewertung von Materialien, die als Feststoff, Flüssigkeit oder Pulver vorliegen können.
Eine moderne Geräteausstattung bietet vielfältige Optionen zur lichttechnischen und thermografischen Untersuchung von LEDs und Leuchten.
Service-Angebot
Ein Ergebnis unserer Aktivitäten sind unter anderem leuchtstoffdotierte Gläser.
Zur Probenanalyse können temperaturabhängige, röntgendiffraktometrische Untersuchungen bis 1.200 °C durchgeführt werden.
Dynamische Differenz- kalorimetrie ermöglicht die Analyse des Schmelz- und Kristallisationsverhaltens von Materialien.
1 Titel Charakterisierung und Bewertung von
Leuchten, Leuchtdioden und Leuchtstoffen sowie deren Langzeitstabilität
Herstellung und Entwicklung von leuchtstoffdotierten Gläsern und Glaskeramiken
Strukturierung von LED-Optiken und Leuchtstoffen
Thermomanagement und photometrische Bewertung von Leuchten,
Leuchtdioden (LEDs) und LED-Modulen
Bewertung von elektrischen Bauteilen sowie deren Langzeitstabilität Optische und
lichttechnische Messungen
Thermografie
Mikroskopie Oberflächen- und Elementuntersuchungen, thermische und thermokinetische Analysen
Zur Analyse können neben der absoluten Photolumineszenz- Quanteneffizienz ebenfalls Anregungs- und Emissionsspektren der Photolumineszenz sowohl temperatur- als auch winkelaufgelöst bestimmt werden. Reflexions-, Transmissions- und Streuungsmessungen stehen für die optische Bewertung ebenfalls zur Verfügung. Die am Fraunhofer AWZ Soest entwickelten Materialien können zudem über Röntgenbeugungsverfahren hinsichtlich ihrer Kristallstruktur,
Kristallinität, Kristallorientierung und Verspannung untersucht werden.
Kalorimetrische Methoden erlauben neben der Bestimmung von Glasübergangs- und Kristallisationstemperaturen Aussagen hinsichtlich der spezifischen Wärmekapazität. Die Bewertung der Stabilität von Leuchtstoffen bei erhöhten Umgebungstemperaturen und hohen Anregungsleistungen sind ebenfalls Teil des Leistungsspektrums.
Das Fraunhofer-Anwendungszentrum bietet neben den verschiedenen Charakterisierungsverfahren die Möglichkeit der Strukturierung von Materialien zur Modifizierung der Oberflächeneigenschaften.
Hierfür stehen je nach Anwendung verschiedene Laser zur Verfügung.
Kleinste Strukturen können mit verschiedenen Mikroskopen
(Lichtmikroskop bis Elektronenmikroskop) untersucht werden. Ebenso ist die Durchführung von Kontrastmessungen an diesen Strukturen möglich.
Leuchtstoffdesign Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen
Neben der Messung der Lichtstärkeverteilung (LVK) im Fernfeld ist auch die winkelaufgelöste Messung des Emissions-
spektrums möglich. Weiterhin können die Leuchtdichte von Messobjekten (Nahfeld) unter verschiedenen Winkeln ermittelt und hieraus Strahlendaten für die Nutzung in Lichtsimulationen generiert werden.
Bildgebende Infrarot-Thermografie ermöglicht die Analyse der Wärmeentwicklung und -ausbreitung in unterschiedlichen Messobjekten. Strukturen von einzelnen LED-Chips bis zu ganzen LED-Modulen können durch Einsatz verschiedener Objektive aufgelöst werden. Der zeitliche Verlauf der Wärme- entwicklung kann mit einer Auflösung im Millisekunden- bereich verfolgt werden. Neben LEDs oder Beleuchtungs- elementen können verschiedenste Materialien hinsichtlich der Wärmeausbreitung untersucht sowie thermische Parameter (Temperaturleitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität) ermittelt werden. Zur Messung minimaler Temperaturunterschiede und zur Sichtbarmachung auch kleinster Wärmequellen bietet das Fraunhofer-Anwendungs- zentrum auch die Möglichkeit der aktiven (Lock-in)
Thermografie.
1
Mit dem Selten-Erd-Ion Europium (Eu³⁺) dotierte Spezialgläser unter Anregung mit UV-Licht.
Thermografieaufnahme einer Leuchtdiode.
Untersuchung der Eigenschaften zur Lichtstreuung einer Glasprobe mittels Roboter-Goniophotometer.
3
4 5 Skizziertes Mehrschichtsystem (10 Schichten à 105 nm Dicke) für die
Simulation sowie Diagramm zur berechneten Transmittanz und Reflektanz eines Bragg-Spiegels.
300 400 500 600 700
Transmittanz, / %Reflektanz
Wellenlänge / nm 0
20 40 60 80 100
TiO2 SiO2 TiO2 SiO2 TiO2 SiO2 TiO2 SiO2
BK7
4
Kontaktlose und zerstörungsfreie Oberflächenanalyse
PRAXISBEISPIEL 5
C180
C90
C270
C0
3D-Darstellung der Lichtstärkeverteilung einer Optik zur Straßenbeleuchtung.
Lichtstärkeverteilungskurve einer Optik zur Straßenbeleuchtung.
90° 90°
80° 80°
70° 70°
60° 60°
50° 50°
40°30°20°10° 0°10°20°30°40°
640 320 0 320 640
C0 - C180 C90 - C270
Messung der Rauheit einer Probe nach Strukturierung (Sa = 2,90 µm, Sz = 73,33 µm, Sdr = 0,9088).
Selten bestimmt das Material allein die Eigenschaft und Funktion eines Werkstoffs oder Bauteils.
Zunehmend rückt die Strukturierung der Oberflächen in den Vordergrund. Die Dimensionen der in Forschung und Industrie verwendeten Strukturen überspannen mehrere Größenordnungen. Sie reichen von einigen Millimetern bis hin zu wenigen Nanometern. Für die Erzeugung der Oberflächenstrukturen kommen sowohl mechanische, chemische als auch physikalische Bearbeitungsmethoden zum Einsatz.
Die Analyse der Oberflächenstruktur ist nicht nur in der Materialforschung, sondern auch in der Produktentwicklung notwendig. Hier stellt die Untersuchung der Oberflächen von Werkzeugen zur Abformung von Materialien für die Prozessoptimierung ein wichtiges Werkzeug dar.
Mikro- und nanoskopische Oberflächenstrukturen können mittels zerstörungsfreier Laserscanning- Mikroskopie erfasst und analysiert werden.
Kontakt
2
Prof. Dr. Stefan Schweizer
Leiter Fraunhofer-Anwendungszentrum für Anorganische Leuchtstoffe
Telefon +49 2921 378-3410
stefan.schweizer@imws.fraunhofer.de Außenstelle des Fraunhofer-Instituts für
Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS Lübecker Ring 2 │ 59494 Soest
www.awz-soest.fraunhofer.de
