14.11.2018

Pixelierte Leuchtstoffe

Neue Methode für eine höhere räumliche Auflösung von Leuchtdioden.

Leuchtdioden gewinnen für Beleuchtungs­systeme mit hoher Licht­ausbeute und hoher räumlicher Auflösung zunehmend an Bedeutung. Sie kommen in Projektions­systemen oder Fernseh­geräten zum Einsatz, ebenso wie im Auto: Dort erhöhen hochauf­lösende, adaptive Front­beleuchtungs­systeme im Vergleich zu herkömm­lichen Schein­werfern die Lichtqualität und Sicherheit durch einstell­bares, blendfreies Licht. LED-Matrix­systeme und Flüssig­kristall­anzeigen sind Stand der Technik. Die Weißlicht­erzeugung basiert dabei auf einem blau-emit­tierenden LED-Chip oder Laser in Kombi­nation mit einem gelb-emit­tierenden, pixelierten Leucht­stoff. Die Pixelierung der Leucht­stoffe wird entweder durch Laser­strukturierung oder Ätzen erreicht. Die Auflösung dieser Systeme hängt davon ab, wie gut die einzelnen Leucht­stoffpixel optisch voneinander entkoppelt sind.

Abb.: Laserscanning-Mikroskopie-Aufnahme eines einzelnen Pixels. Die Höhe wird durch die Farbskala kodiert. (Bild: Fh.-AWZ)

Eine vielver­sprechende Alternative bieten mit Leuchtstoffen gefüllte Silizium­strukturen, insbesondere bei Anwendungen, die ein sehr hohes Auflösungs­vermögen benötigen. „Dabei werden die gewünschten Strukturen in einen Silizium­wafer geätzt und anschließend mit Leuchtstoff­pulver gefüllt. Solche pixelierten Leucht­stoffe ermög­lichen eine deutlich höhere räumliche Auflösung, da sehr kleine Pixel­strukturen mit Abmessungen von wenigen Mikro­metern erzeugt werden können“, erklärt Franziska Steudel, Teamleiterin „Leuchtstoff­design“ am Fraunhofer-Anwendungs­zentrum AWZ für Anorganische Leucht­stoffe in Soest. Unter Anregung des Leuchtstoffs mit blauer Laser­strahlung überzeugen die Strukturen mit einer hervor­ragenden Kontrast­auflösung sowie einer lambertschen Lichtstärke­verteilung.

„Aufgrund ihrer hohen ther­mischen Leit­fähigkeit verbessern die Silizium­strukturen nicht nur das optische Auflösungs­vermögen, sondern tragen zudem deutlich zum Wärme­management bei“, sagt Peter Nolte, Leiter des Teams „Zuver­lässigkeit von Leucht­stoffen“ am gleichen Fraunhofer-Anwendungs­zentrum. 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.

Fh.-IMWS / JOL

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