Leuchtstoff-Design für hochauflösende und kontrastreiche Weißlichtquellen

Leuchtdioden (LEDs) sind aus der aktuellen Beleuchtungstechnik nicht mehr wegzudenken. Insbesondere gewinnen Beleuchtungssysteme mit hoher Lichtausbeute und hoher räumlicher Auflösung zunehmend an Bedeutung. Sie finden ihren Einsatz beispielsweise in Automobilfrontscheinwerfern, Projektionssystemen und Fernsehern. Im Vergleich zu herkömmlichen Scheinwerfern erhöhen im Automobil hochauflösende, adaptive Frontbeleuchtungssysteme die Lichtqualität und Sicherheit durch einstellbares, blendfreies Licht. LED-Matrixsysteme und LCD-Anzeigen sind Stand der Technik. Mit Leuchtstoffen gefüllte Siliziumstrukturen bieten eine interessante Alternative, insbesondere bei Anwendungen, die ein sehr hohes Auflösungsvermögen benötigen.

Das in der aktuellen Forschung verfolgte Konzept zur Weißlichterzeugung basiert auf einem blau-emittierenden Halbleiter-Chip in Kombination mit einem gelb-emittierenden, pixelierten Leuchtstoff. Die Pixelierung der Leuchtstoffe wird entweder durch Laserstrukturierung oder Ätzen erreicht. Das Auflösungsvermögen dieser Systeme hängt davon ab, wie gut die einzelnen Leuchtstoffpixel optisch voneinander entkoppelt sind.

Das Konzept im Detail

Bild 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer mit Leuchtstoff-Pulver gefüllten Siliziumstruktur. Fraunhofer-Anwendungszentrum Soest

Für die hier vorgestellten pixelierten Leuchtstoffe werden die gewünschten Strukturen in einen Siliziumwafer geätzt und anschließend mit Leuchtstoffpulver gefüllt. Eine 75 nm dünne, mittels ALD (Atomic Layer Deposition) aufgebrachte Schicht aus Aluminiumoxid fixiert das Pulver. So entsteht eine stabile, poröse, dreidimensionale Struktur. Die Aluminiumoxidschicht besitzt im sichtbaren Spektralbereich eine hohe Transmittanz, sodass sich die Quanteneffizienz des auch für herkömmliche LEDs verwendeten Leuchtstoffpulvers nicht verringert. Bild 1 zeigt beispielhaft eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer dieser Strukturen. Die Pixel haben eine Größe von 125 µm × 125 µm, der Abstand zwischen den Pixeln beträgt 20 µm.

Bild 2: Rückstreu- und Emissionsspektrum der gefüllten Si-Struktur, angeregt mit einer blauen Laserdiode. Fraunhofer-Anwendungszentrum Soest

Unter Anregung des gelb-emittierenden Leuchtstoffs mit einer blauen Laserdiode weist die Struktur eine nahezu Lambertsche Lichtstärkeverteilung auf.  Bild 2 zeigt das Rückstreu- und Emissionsspektrum: Das rückgestreute Licht der Laserdiode ist schmalbandig (blau hinterlegte Fläche), der Leuchtstoff emittiert im Spektralbereich von 465 nm bis 800 nm (orange hinterlegte Fläche). Das innere Bild gibt die Normfarbtafel der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE, Commission Internationale de l’Èclairage) mit dem Weißlichtpunkt E und den Farbkoordinaten x = 0,38 und y = 0,46 des dargestellten Spektrums wieder. Dies ist ein Beleg dafür, dass der Farbeindruck noch leicht ins Gelbliche (warmweiß) verschoben ist.

Kontrastauflösung

Bild 3: Die Leuchtdichte einer Struktur mit 25 µm Pixelgröße unter Anregung mit einem blauen Laserspot (oben) und ihr Linienprofil sowie das Profil der Referenz (unten). Fraunhofer-Anwendungszentrum Soest

Bild 3 zeigt im oberen Teil die Leuchtdichte einer Struktur mit einer Pixelgröße von 25 µm unter punktförmiger Anregung mit einem blauen Laser, wobei die Spotgröße des Lasers 16 µm beträgt und damit kleiner ist als die Pixelstruktur. Die sternförmige Struktur kommt durch ein Überstrahlen der Kamera zustande und stellt ein Messartefakt dar. Bild 3 zeigt im unteren Bereich das Linienprofil dieser Struktur sowie eine 2 mm große Referenzstruktur. Die pixelierte Struktur zeigt einen Einbruch in der Leuchtdichte zwischen dem Laser-angeregten Pixel und dem benachbarten Pixel um zwei Größenordnungen (-20 dB). Bei der Referenzstruktur dagegen tritt lediglich eine Verringerung in der Leuchtdichte um einen Faktor 6,5 (-8,1 dB) auf.

Warum die Siliziumstrukturen das Wärmemangement deutlich vereinfachen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Wärmemanagement

Bild 4: Temperaturprofil eines luftgekühlten und eines ungekühlten Leuchtstoffs unter Anregung mit einer blauen Laserdiode bei 600 mW. Fraunhofer-Anwendungszentrum Soest

Aufgrund ihrer hohen thermischen Leitfähigkeit verbessern die Siliziumstrukturen nicht nur das optische Auflösungsvermögen, sondern tragen zudem deutlich zum Wärmemanagement bei. Je kleiner die Pixel, desto geringer ist die Erwärmung des Leuchtstoffs, da die umgebenden Siliziumwände die Wärme effizient abführen. Die Porosität der Leuchtstoffschicht erlaubt bei Anwendungen mit sehr hoher Leistungsdichte sogar eine aktive Luft- oder Wasserkühlung des Leuchtstoffs. Hierfür wird das Silizium auf der Rückseite der Strukturen entfernt und der verbleibende Leuchtstoff auf einer Kapillare befestigt, durch die mit einer Membranpumpe Luft geströmt wird. Mittels einer Thermographiekamera wird die Temperaturverteilung aufgenommen, wobei die Messung einige Minuten nach dem Einschalten der Laserdiode startet, sobald sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. Unter Anregung mit intensiv blauem Licht zeigt die luftgekühlte Struktur eine um 40 °C geringere Maximaltemperatur als die ungekühlte Struktur (Bild 4).

Pixelierter Leuchtstoff als vielversprechende Alternative

Die ersten Ergebnisse dieser neuen Leuchtstoffstrukturen zeigen eine deutlich verbesserte Kontrastauflösung gegenüber einem unstrukturierten Leuchtstoff. Eine zusätzliche Kühlung mit einem Luftstrom liefert bereits eine deutlich geringere Maximaltemperatur als bei einem ungekühlten Leuchtstoff. Da die Strukturen sehr stabil sind, erlauben sie auch eine Kühlung mit Wasser und sind für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen geeignet.

(na)