Neuer Phosphor erhöht LED-Effizienz mit hoher thermischer Stabilität

Phosphorkonvertierte LEDs (pcLEDs) synthetisieren sichtbares Licht durch die Kombination von GaN-basierten blauen oder nahezu ultravioletten (nUV) Chips mit abwärtskonvertierenden Leuchtstoffen. Diese Leuchtstoffe absorbieren einen Teil des Anregungslichts des Chips und wandeln es in längere Wellenlängen um, die sich dann mit dem restlichen blauen Licht vermischen und so weißes Licht erzeugen. Seit der Einführung von GaN-LEDs mit hoher Helligkeit in den 1990er Jahren sind pcLEDs in der Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallanzeigen (BLU), allgemeiner Beleuchtung und speziellen Beleuchtungsanwendungen allgegenwärtig geworden. Da die Leuchtstoffleistung die Farbqualität und Energieeffizienz direkt bestimmt, hat sich die Materialentwicklung als entscheidender Treiber für die Marktdurchdringung von LEDs herausgestellt.

Die frühe pcLED-Entwicklung basierte auf Leuchtstoffen, die ursprünglich für CRT-Displays und Leuchtstofflampen entwickelt wurden. Mit Cer dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) wurde aufgrund seiner hohen Umwandlungseffizienz und überlegenen Weißlichtsynthese zum Eckpfeiler der Branche. Später wurden mit Europium dotierte Erdalkaliorthosilikate (BOSE) als zusätzliche gelbe Leuchtstoffe für Anwendungen mit geringer Leistung eingeführt.

pcLEDs haben jedoch eine grundlegende Einschränkung: Leuchtstoffe bleiben in direktem physischen Kontakt mit LED-Chips und halten Betriebstemperaturen zwischen 100 °C und 150 °C stand. Herkömmliche Leuchtstoffe weisen unter diesen Bedingungen eine deutliche Verschlechterung der Lichtausbeute (thermisches Löschen) auf, was die Leistung von Hochleistungs-LEDs erheblich beeinträchtigt. Daher ist die Entwicklung von Leuchtstoffen, die bei 150 °C eine Lichtstromerhaltung von >90 % gewährleisten, zur obersten Forschungspriorität der Branche geworden.

In den frühen 2000er Jahren wandten sich Forscher feuerfesten Materialien mit hohem Schmelzpunkt zu, insbesondere Nitriden und Oxynitriden. Nitrid-Leuchtstoffe (z. B. CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, β-Sialon:Ce) weisen Kristallstrukturen auf, die auf tetraedrischen [SiN4]- oder [AlN4]-Netzwerken basieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Oxiden oder Halogeniden positionieren diese Materialien Eu2+- oder Ce3+-Aktivatoren in direkter Koordination mit Stickstoffatomen. Die stärkere kovalente Bindung und die höhere Polarisierbarkeit der Stickstoffatome induzieren einen ausgeprägten „spektralen Rotverschiebungseffekt“ (Nephelauxetischer Effekt), der neben einer außergewöhnlichen thermischen Stabilität eine effiziente Absorption von blauem Licht und eine Emission von Grün nach Rot ermöglicht.

Die thermische Löschung ist hauptsächlich auf strahlungslose Übergänge zwischen angeregten Zuständen und Grundzuständen zurückzuführen. Die kristallographische Analyse zeigt einen positiven Zusammenhang zwischen Materialhärte und thermischer Stabilität. Während Silikate eine mäßige Härte (9–13 GPa) aufweisen, weisen Materialien wie Si3N4 (16–20 GPa) und SiC (24,5–28,2 GPa) eine außergewöhnliche Steifigkeit auf. Dieses Verständnis führte zur Entwicklung fortschrittlicher Leuchtstoffklassen:

• Carbidonitrid-Serie: Der Einbau von Kohlenstoffatomen in Sr2Si5N8-Matrizen erhöht die Gittersteifigkeit und verbessert die Lumenerhaltung bei erhöhten Temperaturen erheblich.
• Oxycarbidonitrid-Serie: Durch die chemische Modifikation von Sr7Al12O25 durch Si-N/Al-O-Kreuzsubstitution entstehen leistungsstarke grüne Leuchtstoffe. Experimentelle Daten bestätigen, dass der kontrollierte Kohlenstoffeinbau die Gittersteifigkeit erhöht und dadurch die thermische Stabilität erhöht.

Während aktuelle Leuchtstoffe die Leistung von pcLED auf die Standards von Leuchtstofflampen gehoben haben, strebt die Branche weiterhin nach dem Effizienzmaßstab von 200 lm/W. Zu den wichtigsten Forschungsschwerpunkten gehören:

• Schmalbandemission: Optimierung der roten Emissionsbandbreite, um Energieverluste zu minimieren und Spektren besser an die photopischen Empfindlichkeitskurven des Menschen anzupassen.
• Materialtechnik: Entwicklung neuartiger Wirtskristalle auf Basis von Si3N4- und SiC-Struktureinheiten zur weiteren Unterdrückung der thermischen Löschung durch Kontrolle der Gittersteifigkeit.
• Anwendungsspezifische Anpassung: Präzise Abstimmung der Metallionenverhältnisse, um maßgeschneiderte Leuchtstoffe für spezielle Beleuchtungsanforderungen zu erstellen (z. B. hoher CRI, spezifische CCT-Werte).