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Besserer Kontrast und Leuchtstärke: Pixellierte Leuchtstoffe als nächste Weißlichtquelle

Gegenüber herkömmlichen Leuchtstoffen ist die räumliche Auflösung und das Kontrastverhältnis bei mit Leuchtstoff gefüllten Siliziumstrukturen erheblich verbessert. Weil sie auch besser kühlbar sind, stellen sie eine mögliche künftige Alternative zu LED-Matrixsystemen und LCDs dar.

Pixel Bildquelle: © Fraunhofer IMWS/ Fraunhofer AWZ Soest

Laserscanning-Mikroskopie-Aufnahme eines einzelnen Pixels. Die Höhe wird durch die Farbskala kodiert und reicht von +2 µm (rot) bis 50 µm (blau)

LEDs kommen heute überall zum Einsatz, von Projektionssystemen und Fernsehern über Hallenbeleuchtungen bis zu Fahrzeugbeleuchtungen. Die Weißlichterzeugung basiert dabei auf einem blau-emittierenden LED-Chip oder Laser in Kombination mit einem gelb-emittierenden, pixelierten Leuchtstoff, wobei die Pixelierung der Leuchtstoffe durch Laserstrukturierung oder Ätzen erreicht wird. Die Auflösung dieser Systeme hängt dabei von der Qualität der optischen Entkoppelung der einzelnen Leuchtstoffpixel ab.

Dr. Franziska Steudel, Teamleiterin »Leuchtstoffdesign« am Fraunhofer-Anwendungszentrum (AWZ) des Fraunhofer Anwendungszentrums (AWZ) für Anorganische Leuchtstoffe in Soest erklärt, dass für die Herstellung von mit Leuchtstoffen gefüllten Siliziumstrukturen »die gewünschten Strukturen in einen Siliziumwafer geätzt und anschließend mit Leuchtstoffpulver gefüllt werden. Solche pixelierten Leuchtstoffe ermöglichen eine deutlich höhere räumliche Auflösung, da sehr kleine Pixelstrukturen mit Abmessungen von wenigen Mikrometern erzeugt werden können«.

Bei Anregung des Leuchtstoffs mit blauer Laserstrahlung  zeigen die Strukturen eine hervorragende Kontrastauflösung sowie eine lambertsche Lichtstärkeverteilung, d.h. sie strahlen in alle Richtungen Licht mit derselben Leuchtdichte ab. »Aufgrund ihrer hohen thermischen Leitfähigkeit verbessern die Siliziumstrukturen nicht nur das optische Auflösungsvermögen, sondern tragen zudem deutlich zum Wärmemanagement bei«, sagt Dr. Peter Nolte, Leiter des Teams »Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen« am Fraunhofer AWZ Soest.

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 Kühlung des Leuchtstoffs mit Luft oder Wasser.