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Pixelierte Leuchtstoffe bieten Potenziale für hochauflösende und kontrastreiche Weißlichtquellen

12.11.2018

© 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).

Mit Leuchtstoff gefüllte Siliziumstrukturen ermöglichen eine deutlich höhere räumliche Auflösung und ein besseres Kontrastverhältnis als herkömmlich verwendete Leuchtstoffe. Die neuartigen Strukturen, die am Fraunhofer-Anwendungszentrum für Anorganische Leuchtstoffe in Soest in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISIT entwickelt werden, ermöglichen zusätzlich eine aktive Luft- oder Wasserkühlung des Leuchtstoffs, sodass die bei der Lichtkonversion entstehende Wärme effizienter abtransportiert werden kann. Sie stellen somit eine vielversprechende Alternative zu LED-Matrixsystemen und Flüssigkristallanzeigen (LCD) dar, insbesondere bei Anwendungen mit einem sehr hohen Auflösungsvermögen.

Leuchtdioden (LEDs) sind aus der modernen Beleuchtungstechnik nicht mehr wegzudenken. Insbesondere gewinnen 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 (LCD) 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.

Eine vielversprechende Alternative bieten deshalb 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 Dr. Franziska Steudel, Teamleiterin »Leuchtstoffdesign« am Fraunhofer-Anwendungszentrum (AWZ) für Anorganische Leuchtstoffe in Soest, die die neuen Forschungsergebnisse zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT gerade in einem Fachbeitrag der Zeitschrift »elektronik industrie« präsentiert hat. 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 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.

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