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Nanoskalige Materialien fürNanoskalige Materialien fürmoderne Lichtquellen
Thomas JüstelFH Münster, Abt. Steinfurt
tj@fh t dtj@fh-muenster.de
Nanomaterialien @ Wessling Alternberge am 14 Mai 2013T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences, Germany Slide 1
Nanomaterialien @ Wessling, Alternberge am 14. Mai 2013
Lichtquellen - Status Quo 2013Lichtquellen Status Quo 2013Fluoreszenzlampen Halogenlampen UHP-Lampen
Energiedichte
T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences, Germany Slide 2OLEDs LEDs Laser
InhaltInhalt• Entwicklung elektrischer Lichtquelle
• Prinzipien der Lichterzeugung
• Aktuelle Trends
• Nanopartikel und NanostrukturenNanopartikel und Nanostrukturen
• Anwendungsbeispiele
Edison-Glühlampe1879
– Nanopartikel in Gasentladungslichtquellen– Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs– Lichtauskopplung in OLEDsLichtauskopplung in OLEDs
• Zusammenfassung und AusblickLEDs Fraunhofer
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LEDs Fraunhofer-Gesellschaft 1999
Entwicklung künstlicher LichtquellenEntwicklung künstlicher Lichtquellen
Ur und Frühgeschichte 19 Jhdt 20 Jhdt 21 JhdtUr- und Frühgeschichte 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.
Zeit bzw. Grad der Kontrolle
LagerfeuerF k l
KerzenÖll
Glüh- undH l l
Gasentladungsl
Chemische LichtquellenAnorganische +
organische LEDs
Fackel Öllampen Halogenlampen -lampen
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Elektrische Lichtquellen
Entwicklung künstlicher LichtquellenElektrische Lichtquellen im
19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert
Entwicklung künstlicher Lichtquellen
leuchtende Festkörper leuchtende Gase leuchtende FestkörperC, Os, W Hg, Na, Ne, Xe AlInGaP,AlInGaN
1 0
0,6
0,8
1,0
ntes
inty
[a.u
.]
0,6
0,8
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e in
tens
ity [a
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0,6
0,8
1,0
te In
tens
ität
0,0
0,2
0,4
Em
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on I
0,0
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Rel
ativ
e
300 400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
Nor
mie
rt
300 400 500 600 700 800Wavelength [nm]
300 400 500 600 700 800
Wavelength [nm]300 400 500 600 700 800
Wellenlänge [nm]
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Prinzipien der LichterzeugungPrinzipien der LichterzeugungEinteilung der Lichtquellen nach dem Mechanismus der Lichterzeugung
Glüh- undH l lüh
Nieder – und Hoch-d k
Anorganische d i h
Fackeln, Öll K
Thermische Strahler Lumineszenzstrahler
Halogenglüh-lampen
druckgasent-ladungslampen
und organische Leuchtdioden
Öllampen, Kerzen, Gaslampen
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Aktuelle TrendsMiniaturisierung und Reduktion der Einbautiefe Erhöhung der Leistungsdichte
Aktuelle Trends
g g Erhöhung der Temperatur
Modifikation der LichtspektrenModifikation der Lichtspektren z.B. Erhöhung der Farbtemperatur (Blue Vision)
Erhöhung der Lichtqualität (Farbwiedergabe)Erhöhung der Lichtqualität (Farbwiedergabe) Verbesserung der spektralen Energieverteilung Optimierte Lichtverteilung durch Streuschichten
Erhöhung der Lebensdauer und Energieeffizienz LEDs statt Glüh- oder Fluoreszenzlampen
www.microvision.com
Schutzschichten und Lichtauskoppelstrukturen
→ Beschichtungen von Oberflächen (Glas,
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Keramik, Leuchtstoffen) mit Nanopartikeln
Nanopartikel und NanostrukturenNanopartikel und NanostrukturenUnter Nanopartikeln versteht man Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 nmweniger als 100 nm
0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 10 mm 100 mmAtome nm-Partikel µm-Partikel Einkristalleµ
1 125 70000 6*106 ~ Atome/Moleküle
Quanten- Quanten- Klassische Festkörper- Optikchemie größeneffekte chemie und -physik Laserkristalle
Transparenz Streuung Transparenz40 nm
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Transparenz Streuung Transparenz
Nanopartikel und NanostrukturenNanopartikel und NanostrukturenOptische Materialien mit Nanostruktur Gd2O3:Eu
Nanopartikel BaSi2O5:Pb beschichtet
1. Primärpartikelp BaSi2O5:Pb beschichtet
mit Al2O3 Nanopartikeln
2. Beschichtungen
Inverser SiO2 Opalit 300 K ität
Superkristallaus Quantenpunkten
3. Nanoporöse Strukturen mit ~ 300 nm Kavitätenaus Quantenpunkten
4. Superstrukturen
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Nanopartikel und NanostrukturenNanopartikel als Basis neuer Materialentwicklungen
Nanopartikel und Nanostrukturen
• Transparente Keramiken– Laserkeramik– Szintillatorkeramik– LED-Konverterkeramik
• Nanoskalige(Leucht) Pigmente– Transparente Farbkonverterschichten
“Q k ” l ED K– “Quantenpunkte” als LED-Konverter
• Photonische PigmentePhotonische Pigmente– Anisotrope Farbpigmente
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Nanopartikel in GasentladungslichtquellenStrahlung der Gasentladung
GewünschtesSpektrum KappeGlaskolben
Nanopartikel in Gasentladungslichtquellen
pp
Leuchtstoff-schicht
angeregtesHg-Atom Elektronen
Elektrode
Gasentladung UV-Strahlung sichtbares LichtLeuchtstoff-
hi ht
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schicht
Nanopartikel in GasentladungslichtquellenBeschichtung von Glas + Leuchtstoffen mit 10 - 50 nm Al2O3-Partikel
Nanopartikel in Gasentladungslichtquellen
Schematischer Aufbau der Leuchtstoffbeschichtung in Fluoreszenzlampen
L ht t ff hi ht ( 20 )Entladungsvolumen
Al2O3-SchichtHg*
Leuchtstoffschicht (~ 20 µm)Vorbeschichtung (~ 1 µm)Glassubstrat (~ 1 mm ) Glas
2 3
Funktionen der Vorbeschichtung• Reduktion des Hg-Verbrauches durch geringere Plasma/Glas-Wechselwirk.• Rückstreuung transmittierter UV Photonen “Star Coating”• Verbesserung der Haftung der Leuchtstoffpartikel
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→ Erhöhung der Energieeffizienz, Lebensdauer und Umweltverträglichkeit
Nanopartikel in GasentladungslichtquellenNanopartikel in Gasentladungslichtquellen
Phosphat-Leuchtstoff + Al2O3
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Nanopartikel in GasentladungslichtquellenBeschichtung von Plasmabildschirmglas und -Leuchtstoffen mit MgONanopartikel in Gasentladungslichtquellen
Frontglasplatte
SichtbaresLicht
Beschichtung mit MgO
Frontglasplatte
PlasmaUV UV
Rückseitige Glasplatte
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Effiziente und langzeitstabile Plasmafernseher durch MgO-Nanopartikel
Nanopartikel in GasentladungslichtquellenMgO-Schicht auf Natron-Kalk-Glas für Plasmafernseher
Nanopartikel in Gasentladungslichtquellen
Nanostrukturierte Schicht mit einer Dicke von 600 800 nm
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Nanostrukturierte Schicht mit einer Dicke von 600 - 800 nm
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsa os a ge euc tsto e ü sAufbau einer leuchtstoffkonvertierten LED
(Al,In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeBlau 420 – 480 nm Gelb Kaltweiß
Gelb + rot WarmweißG ü t K lt d iß
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Grün + rot Kalt- und warmweiß
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
70
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce LeuchtstoffTypische LED Leuchtstoffe
50
60
ensi
tät Tc = 5270 K: CRI = 82
Tc = 4490 K: CRI = 79Tc = 4110 K: CRI = 76
20
30
40
ssio
nsin
te Tc = 3860 K: CRI = 73Tc = 3540 K: CRI = 70
0
10
400 500 600 700 800
Emis
Kaltweiße „Standard“ LEDs• 1 5 W LEDs
Wellenlänge [nm]
• 1 – 5 W LEDs • 275 lm/W! • bläulich-weißes Licht • mäßige Farbwiedergabe “Es fehlt rote Strahlung”
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• mäßige Farbwiedergabe “Es fehlt rote Strahlung”
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsWeiße LEDs mit hoher Farbwiedergabe
0,8
1,0 SrS:Eu (Sr0.75Ca0.25)S:Eu (Sr0.5Ca0.5)S:Eu (Sr0.25Ca0.75)S:EuCaS:Eua.
u.]
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
Leuchtstoffmischung aus Y3Al5O12:Ce und CaS:Eu 0,4
0,6
CaS:Eu
ssio
n in
tens
ity [a
Problem CaS:Eu ist hydrolyseempfindlich 500 600 700 800
0,0
0,2
Emi
Verbessserung der Stabilität von CaS:EuReduktion der Hydrolyseempfindlichkeit
Wavelength [nm]
Reduktion der Hydrolyseempfindlichkeitdurch Anwendung einer Teilchenbeschich-tung, d.h. Verkapselung der Partikel mit einem diffusionsdichten Materialeinem diffusionsdichten Material
Gleichzeitig:
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Verbesserung der Lichtauskopplung
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsLUXEON - Warmweiß - Die Komponenten
(Al In Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu4
4
JAZZ 3300K
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
0.8
1
1.2(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu
4
4
4
4BB 3300K
0.4
0.6
0.8
5
4
4
0
0.2
400 450 500 550 600 650 700 750 800nm
0
400 450 500 550 600 650 700 750nm
Warmweiße LEDs für die Innenraumbeleuchtung• 1 – 5 W LEDs
100 l /W
black body 3600 K
fluorescent, CCT=3600 K
• > 100 lm/W• gelblich-weißes “warmes“ Licht • gute Wiedergabe von allen Farbtönen
l i hb i H l l
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vergleichbar mit Halogenlampen400 450 500 550 600 650 700 750 800
nm
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanopartikel als Vorstufen für transparente oder transluzente
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
transparente oder transluzente lumineszierende Keramiken
Hochdruck + 1500 – 1800 °C
ceramics
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Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNeuer Ansatz: Verbundkeramik
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
Matrix: Transparentes CaF2 aus nanoskaliger Vorstufe
Leuchtstoff: YAG:Ce
YAG:Ce3+White light
White light Emitted yellowTransmitted blue
YAG:Ceparticle
Transparent LED chip
CaF2 ceramics
Substrate
LED chip
LED chipRemovable
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phosphor plate
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsDie Komponenten: CaF2 und YAG:Ce Partikel
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
YAG:CeCaF2
Primärpartikel Primärpartikel
d = 0.2 µm d = 2 - 4 μm
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Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanoskalige Leuchtstoffe für LEDsHalbleiter-Leuchtstoffe → Quantenpunkte
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Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanoskalige Halbleiter-Leuchtstoffe
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
Problem: Oberflächenlöschung der Lumineszenz, d.h.der angeregten Zustände, da Exzitonenin Halbleitern einen erheblichen Radius aufweisen
H lbl it B h di [ ] B dlü k [ V]Halbleiter Bohrradius [nm] Bandlücke [eV]CuCl 1.3 3.4ZnSe 8.4 2.58CdS 5 6 2 53CdS 5.6 2.53CdSe 10.6 1.74CdTe 15.0 1.50GaAs 28.0 1.43
Lösung:Epitaktische Beschichtung mit einem Materialhöh B dlü k E it R fl ti C ti “
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höherer Bandlücke „Exciton Reflective Coating“
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
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Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsHalbleiterleuchtstoffe - Typen
Teilchengröße
CdS
Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs
CdSCdS
CdSe CdSe
InP
Hohe Q antena sbe ten0.8
1.0 InP-QDs
ar
b. u
nits
)
Hohe Quantenausbeutenerfordern Core-Shell-(Shell)Materialien, z. B. CdS-ZnS 0.2
0.4
0.6
Nor
m. P
L-In
tens
ity (a
InP
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oder CdSe-CdS-ZnS 450 500 550 600 650 700 750 8000.0
Wavelength (nm)
Lichtauskopplung in OLEDsLichtauskopplung in OLEDsOLED → Planares Substrat
→ Strahlungsauskopplung nur etwa 20-30%
Lichtleitungs-
Glassubstrat“Lichtleitung”
g
”Moden”Emitter-molekül
Organische Schichten
T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences, Germany Slide 27ITO-Kathode (Spiegel) Quelle: Dietrich Bertram, Philips Lightung Aachen
ExerciseLichtauskopplung in OLEDsSubstrat
n=1.5Substrat
n=1.8
Lichtauskopplung in OLEDs
n 1.5
ITOn=1.8 Substrat
n=1.5
ITOn=1.8
SubstratOrganik
n=1.8
Al ITOn=1 8
Organikn=1.8
Al
n=1.5
ITOn=1.8
Organikn=1.8
n=1.8
90
Organikn=1.8
AlAl
60
70
80
cacy
[lm
/W]
x2.8
Al
Lösung: Interne LichtAuskoppelstruktur (ILA)“Streufolie” mit SiO2-Nanopartikeln
20
30
40
50
Pow
er e
ffic
x1.5
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20barediode
outcouplingfoil
halfsphere Quelle: Dietrich Bertram, Philips Lightung Aachen
Lichtauskopplung in OLEDsLichtauskopplung in OLEDsOLED mit verbesserter Lichtauskopplung: Resultate
Luminanz Effizienz x y CCT CRIcd/m2 lm/W K
Planare OLED 993 63,8 0,465 0,426 2750 80Mit ILA 1027 66,0 0,461 0,424 2787 81
Mit „Sphären“ 1444 92,8 0,459 0,420 2793 81
T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences, Germany Slide 29
„ p 1444 92,8 0,459 0,420 2793 81Quelle: Dietrich Bertram, Philips Lightung Aachen
Zusammenfassung und AusblickNanoskalige Partikel und Strukturen sind von strategischer Bedeutung, um moderne Lichtquellen weiterzuentwickeln!
Zusammenfassung und Ausblick
q
1. Steigerung der EnergieeffizienzVerbesserte Lichtein- und auskopplung (SiO2)pp g ( 2)Erhöhung der Entladungseffizienz (MgO)
2. Erhöhung der LebensdauerSchutzbeschichtungen auf Glas und LeuchtstoffenReduktion des Hg-Verbrauches (Al2O3)
3. Reduktion der UmweltverträglichkeitHg-Reduktion (Al2O3)Verringerung des Materialeinsatzes
4. Einführung neuer ProdukteCDM Lampen mit KeramikbrennerLEDs mit keramischen Konvertern
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LEDs mit keramischen KonverternOptische Marker auf Basis keramischer Nanopartikel
DanksagungDanksagung
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
F ?T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences, Germany Slide 31
Fragen?
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