Bildergalerie
Bild 1: Ein Messplatz im Labor des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Anorganische Leuchtstoffe in Soest, einer Außenstelle des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik in Halle.
Bild 2: Das CIE-Diagramm mit Weißpunkt (E) und den Koordinaten für eine Blaulicht-LED und für die im Foto unter UV-Anregung gezeigten Tb3+- und Eu3+-dotierten Gläser.
Bild 3: Temperaturabhängigkeit der normierten Photolumineszenzintensität von Tb3+- und Eu3+-Boratglas. Die durchgezogene Linie basiert auf einer Anpassung mit dem Arrhenius-Modell.
Bild 4a: Übersichtsaufnahme der Thermografieaufnahmen einer Hochleistungs-LED, montiert auf einem Stern-Kühlkörper. Die maximale Oberflächentemperatur beträgt in der Modulmitte 105 °C.
Bild 4b: Mikroskopaufnahme der Thermografieaufnahmen einer Hochleistungs-LED, montiert auf einem Stern-Kühlkörper. Die maximale Oberflächentemperatur beträgt in der Modulmitte 105 °C.
Bild 5: Aktivthermografie an der in Bild 4 gezeigten Hochleistungs-LED. Die Aufnahme zeigt deutlich die aktiven LED-Komponenten.
Bild 6a: Oberflächentemperatur eines Samarium-dotierten Boratglases unter punktueller Laseranregung.
Bild 6b: Berechnete Wärmeleistungsdichte aus dem in Bild 6a mit einem weißen Rahmen gekennzeichneten Bereich.

Leuchtdioden gehört die Zukunft in der Beleuchtungstechnik. Moderne Hochleistungs-LEDs bieten gegenüber konventionellen Glüh- und Energiesparlampen Vorteile im Hinblick auf Effizienz, Kompaktheit, Lebensdauer und Umweltschutz. Weiße LEDs haben jedoch aufgrund der Kombination einer blauen LED mit einem gelb emittierenden Leuchtstoff im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungselementen oft eine kaltweiße Farbwiedergabe aufgrund des fehlenden Rotanteils. Zudem zeigt ein Teil der bislang eingesetzten Leuchtstoffe eine Degradation aufgrund der durch die hohen Betriebsströme generierten Wärme.

Lumineszierende Gläser für weiße Leuchtdioden

Leuchtstoffe auf Basis lumineszierender Gläser, dotiert mit seltenen Erden, sollen die Lebensdauer weißer Leuchtdioden erheblich erhöhen und einen langzeitstabilen Farbeindruck sicherstellen. Die Gläser und seltenen Erden positionieren sich durch eine erhöhte thermische und chemische Widerstandsfähigkeit sowie elementspezifische Emissionen. Durch geeignete Auswahl und Kombination mehrerer seltenen Erden ist es möglich, ein breites Spektrum an Farben und Farbtemperaturen einzustellen.

Die Schwierigkeit bei Weißlicht-LEDs liegt in der richtigen Kombination aus LED und Leuchtstoff, damit ein weißer Lichteindruck entsteht. Dessen Bewertung erfolgt mit dem sogenannten CIE-Diagramm (Bild 2). Das Licht sollte möglichst nah am Weißpunkt (E) liegen. Dafür müssen sich die Emission des Leuchtstoffes und die Emission der blauen LED gegenüberliegen. Beispielhaft ist die Emission einer klassischen blauen LED eingezeichnet, die für Weißlicht-LEDs zum Einsatz kommt und bei etwa 450 nm emittiert.

Vor allem Terbium und Europium eignen sich gut für den Einsatz in der Licht- und Beleuchtungstechnik. Beide weisen unter ultravioletter (UV)/Blaulichtanregung eine intensive Emission im grünen (Tb3+) beziehungsweise im roten Spektralbereich (Eu3+) auf.

Durch Mischung beider seltenen Erden lässt sich so das gesamte Spektrum von Rot bis Grün abbilden. Beispielhaft sind in Bild 2 vier Proben unter Anregung mit UV-Licht gezeigt und deren Emission im CIE-Diagramm durch Kreuze gekennzeichnet. Alle auf der gestrichelten Linie zwischen Tb3+ und Eu3+ befindlichen Farbmischungen sind abhängig vom Konzentrationsverhältnis möglich. Die gepunkteten Linien kennzeichnen den zu den seltenen Erden komplementären blauen Spektralbereich. Bild 3 stellt die Temperaturabhängigkeit der Photolumineszenz der glasbasierenden Leuchtstoffe dar.

Die Intensität, jeweils integriert über das Emissionsspektrum und normiert auf den Wert bei Raumtemperatur, nimmt für beide Leuchtstoffe leicht ab. Zum Vergleich der Temperaturstabilität verschiedener Leuchtstoffe dient die sogenannte Quenching-Temperatur bei der die Intensität auf die Hälfte des Wertes bei Raumtemperatur abgesunken ist. Diese beträgt für Eu3+ etwa 300 °C, während sie für Tb3+ deutlich über 500 °C liegt. Für den konventionellen gelben Leuchtstoff in Weißlicht-LEDs, YAG:Ce, beträgt die Quenching-Temperatur dagegen etwa 270 °C.[1]

Infrarot-Thermografie als Messinstrument

Mithilfe eines hochauflösenden Infrarot-Thermografiesystems lassen sich zerstörungsfrei die Oberflächentemperatur und die Wärmeflüsse in Leuchtdioden verschiedener Bauarten untersuchen. Bild 4a zeigt eine Thermografieaufnahme einer einzelnen LED und offenbart die Bereiche des Bauteils, die eine höhere thermische Belastung erfahren. Das Auflösungsvermögen herkömmlicher Thermografiesysteme reicht allerdings nicht aus, um sogenannte Hotspots innerhalb des LED-Packages zu erkennen. Hierzu bedarf es eines hochauflösenden Infrarotmikroskops (Bild 4b).

Bild 4a und 4b geben Aufschluss über die Oberflächentemperaturverteilung, erlauben allerdings keine genauere Untersuchung der aktiven Bauelemente eines LED-Moduls: Durch Erwärmung des Verkapselungsmaterials und der Umgebung der LED überlagert sich die Thermografiesignatur der eigentlichen LED, also des Halbleiters (Bild 4b).

Die Aktivthermografie oder auch Lock-in-Thermografie löst dieses Problem durch periodisches Bestromen und somit periodisches Erwärmen des LED-Moduls. So lassen sich die aktiv erwärmten Bauteile von den passiv erwärmten unterscheiden. In Bild 5 sind die aktiven LED-Halbleiter klar zu erkennen. Die Fähigkeit, Temperaturunterschiede von wenigen Millikelvin zu messen, eröffnet die Möglichkeit einer präzisen Überprüfung von LED-Bauelementen auf Fehlstellen, mangelhafte Kontaktierungen und thermische Überbelastungen.

Thermografie an Leuchtstoffen

Ein oft nicht beachteter Aspekt der Temperaturbelastung von LED-Leuchtstoffen ist die Wärmeentwicklung innerhalb des Leuchtstoffes selbst durch den Lichtkonversionsprozess. Dabeiwird das blaue, energiereiche Licht aus der LED in energieärmeres (etwa gelbes) Licht umgewandelt. Die sich daraus ergebende Energiedifferenz (Stokes-Shift) wandelt sich in Wärme um.

Die Wärmeleistung bei der Umwandlung von blauem (450 nm) zu gelbem (570 nm) Licht beträgt mehr als 20 % der eingestrahlten Lichtleistung. Um die Wärmeentwicklung innerhalb eines Leuchtstoffes systematisch zu untersuchen, dotierten die Wissenschaftler am Anwendungszentrum für Anorganische Leuchtstoffe die oben beschriebenen Boratgläser mit der seltenen Erde Samarium. Anschließend bestrahlt man die Wirkstoffe punktuell mit Laserstrahlung der Wellenlänge 405 nm und einer optischen Leistung von 40 mW.

Währenddessen nahm man die Erwärmung der Probenoberfläche orts- und zeitaufgelöst mit einer Infrarotkamera auf (Bild 6a). Die Wärmeleistungsdichte im Glas lässt sich dann über die Wärmeleitungsgleichung aus den Thermografieaufnahmen rechnerisch bestimmen (Bild 6b). Eine Integration der Wärmeleistungsdichte führt zu der im Glas freigesetzten Gesamtwärmeleistung.

Eckdaten

Lumineszierende Gläser können herkömmliche Leuchtstoffe in LEDs ersetzen. Sie punkten hinsichtlich der Effizienz sowie der Farbwiedergabe. Die geringen Abmessungen und die Verkapselung von LED-Modulen erfordern spezielle Methoden bei der Thermografie.

Literaturquelle

[1] R.-Y. Yang et al., Opt. Mater. 35, 2183-2187 (2013)