Das menschliche Auge ist für Grün besonders empfindlich, für Blau und Rot hingegen weniger. Chemiker um Hubert Huppertz von der Universität Innsbruck haben nun einen neuen roten Leuchtstoff entwickelt, dessen Licht vom Auge gut wahrgenommen wird. Damit lässt sich die Lichtausbeute von weißen LEDs um rund ein Sechstel steigern, was die Energieeffizienz von Beleuchtungssystemen deutlich verbessern kann.

Leuchtdioden oder LEDs können nur Licht einer bestimmten Farbe erzeugen. Mit unterschiedlichen Verfahren zur Farbmischung lässt sich aber auch weißes Licht herstellen. „Bei einer weißen LED werden rote und gelb-grüne Phosphore durch das Licht einer blauen Diode angeregt. Die Partikel emittieren entsprechendes Licht im roten und grünen Bereich, die Kombination mit dem blauen Licht ergibt weißes Licht“, beschreibt Hubert Huppertz vom Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck die Funktionsweise. Mit seinem Team arbeitet er an der Verbesserung der roten und grünen Leuchtstoffe. Nun ist es seinem Team in Zusammenarbeit mit der Firma OSRAM Opto Semiconductors gelungen, einen neuen roten Leuchtstoff zu synthetisieren, der über hervorragende Lumineszenzeigenschaften verfügt und LED-Beleuchtungsmittel deutlich energieeffizienter machen kann.

Farbverschiebung verbessert Lichtausbeute

Der leistungsstarke rote Phosphor Sr[Li₂Al₂O₂N₂]:Eu²⁺, dem die Forscher den Namen SALON gaben, erfüllt alle Anforderungen an die optischen Eigenschaften eines Leuchtstoffs. Die Entwicklung geht zurück auf Forschungen, die Hubert Huppertz noch an der Universität Bayreuth durchgeführt hat. Im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte er dort mit Europium dotierte Nitride, die fluoreszieren. Diese wurden von der damaligen Arbeitsgruppe dann fortführend in München weiter optimiert und kommen heute breit zum Einsatz. Diese roten Farbstoffe sind mitverantwortlich, dass LEDs nicht mehr kalt-weiß, sondern auch warm-weiß leuchten. Interessanterweise reagiert das menschliche Auge am sensibelsten auf die Farbe Grün. Im blauen und roten Bereich ist das Auge weniger empfindsam. Zwar emittieren diese Leuchtstoffe rotes Licht im sichtbaren Bereich, ein Großteil der Energie geht aber in den Infrarotbereich, den das menschliche Auge nicht wahrnimmt. Mit dem nun in Innsbruck entwickelten Leuchtstoff ist es gelungen, die Lichtemission von Rot leicht in Richtung Blau zu verschieben.

„Weil zunächst nur wenige sehr kleine Partikel in einer sehr inhomogenen Probe zur Verfügung standen, war es schwierig die Synthese zu optimieren“, erzählt Doktorand Gregor Hoerder. Der Durchbruch gelang, als die Forscher einen Einkristall aus einem der vielversprechendsten Syntheseprodukte isolieren und damit die Struktur des neuen Materials bestimmen konnten. „Der Stoff ist so synthetisiert, dass er mehr im orangen als im roten Bereich emittiert“, freut sich Hubert Huppertz. „Mit SALON haben wir weniger Energieverlust, es emittiert genau in dem roten Bereich, den wir sehen können.“

 

An der weiteren Charakterisierung des neuen Materials waren auch OSRAM Opto Semiconductors als starker Industriepartner, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle und die Forschungsgruppe um Dirk Johrendt an der Ludwig-Maximilians-Universität München beteiligt. Die Entwicklung wurde bereits zum Patent angemeldet.

 

Publikation: Sr[Li₂Al₂O₂N₂]:Eu²⁺ — A high performance red phosphor to brighten the future. Gregor J. Hoerder, Markus Seibald, Dominik Baumann, Thorsten Schröder, Simon Peschke, Philipp C. Schmid, Tobias Tyborski, Philipp Pust, Ion Stoll, Michael Bergler, Christian Patzig, Stephan Reißaus, Michael Krause, Lutz Berthold, Thomas Höche, Dirk Johrendt & Hubert Huppertz. Nature Communications 10, 1824 (2019) DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-09632-w