03.08.2021 - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Leuchtende Nanokristalle

BAM entwickelt Messmethoden für lumineszente Materialien

Winzige leuchtende Partikel kommen heute in immer mehr Produkten zum Einsatz: von Smartphones über OLED-Fernseher bis hin zu Autoscheinwerfern. Für die Industrie ist die exakte Kenntnis der Leuchtkraft entscheidend. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt dazu verlässliche Messmethoden und schließt eine wichtige Lücke.

Leuchtende, d.h. lumineszente Materialien finden inzwischen immer zahlreichere Anwendungen: Sie kommen in der Medizintechnik bei diagnostischen Verfahren zum Einsatz, in der Photovoltaik, bei Sicherheitscodes auf Geldscheinen, in den Displays von LED- oder OLED-Fernsehern, Smartphones oder E-Book-Readern und in der Beleuchtungstechnik.

Dabei geht der Trend von Partikeln im Mikrometerbereich zu solchen in Nanogröße, die besonders vorteilhafte Streueigenschaften besitzen und eine hohe Lichtausbeute erzielen.

Entscheidend für alle Anwendungen dieser Materialien ist die Effizienz ihrer Photolumineszenz, kurz: ihre Leuchtkraft. Ein direktes Maß dafür ist die Zahl der Lichtquanten oder Photonen, die die Partikel emittieren im Vergleich zu denen, die sie absorbieren. Man spricht auch von der Quantenausbeute.

Diese Schlüsselgröße bestimmt die Helligkeit der Substanzen. Sie ist damit für Unternehmen, die die Materialien herstellen oder anwenden, ein entscheidendes Indiz, um die Qualität, Performance und Eignung verschiedener leuchtender Partikel bewerten und miteinander vergleichen zu können.

Zur Bestimmung der Quantenausbeute, die von vielen äußeren Faktoren wie der Temperatur oder dem umgebenden Medium abhängt, existiert bislang jedoch nur eine einzige internationale Norm. Diese deckt nur vergleichsweise einfach zu messende Proben ab. Kompliziertere Messungen an streuenden Partikeln werden nicht erfasst. Gerade diese Materialien aber sind verstärkt für industrielle Anwendungen relevant.

Das stellt Unternehmen, die leuchtende Funktionsmaterialien wie typische Leuchtstoffe und sogenannte Konvertermaterialien herstellen oder im Bereich der Lichttechnik und Displaytechnologie anwenden, zunehmend vor Probleme. Gerade sie benötigen für die Qualitäts- und Produktkontrolle zuverlässige Methoden zur Bestimmung der Quantenausbeute. Diese Methoden selbst zu entwickeln, würde selbst große Unternehmen überfordern.

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), zu deren Auftrag die Förderung der deutschen Wirtschaft zählt, forscht seit vielen Jahren zu lumineszenten Materialien, entwickelt Referenzmethoden und -materialien in dem Bereich und stellt Referenzdaten bereit. Jetzt startet die BAM ein Verbundprojekt, das wissenschaftliche Erkenntnisse schnell in die Normung und damit in die Anwendung bringen soll. Finanziert wird das Vorhaben vom Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen des Förderprogramms „Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen“.

In Kooperation mit der Schott AG, die seit mehr als 100 Jahren optische Materialien herstellt, wird die BAM verlässliche Methoden zur Ermittlung der Quantenausbeute lumineszenter Partikel entwickeln. Ausgewählt wurden dazu zunächst wirtschaftlich besonders interessante Substanzen: Neuartige Konvertermaterialien, die z.B. im Zusammenspiel von blauem Laser- und LED-Licht Autoscheinwerfen eine sehr hohe Lichtausbeute sowie gleichzeitig eine angenehme optische Wahrnehmung verleihen. Diese Materialien werden in der Industrie für viele verschiedene Applikationen intensiv nachgefragt.

Die Schott AG wird dazu lumineszente Materialien direkt aus der Anwendung zur Verfügung stellen und gemeinsam mit der BAM Messprozeduren entwickeln, die für eine industrielle Prozesskontrolle geeignet sind. Diese Messvorschriften sollen standardisierbar sein, damit sie zeitnah in die internationale Normung überführt werden können.

„Mit dem Verbundprojekt wollen wir eine wichtige Lücke schließen, um mittelfristig die Marktposition deutscher Unternehmen in dem Bereich zu stärken“, so Ute Resch-Genger von der BAM, die das Vorhaben leitet.

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