Mn 4+ aktivierte LED Leuchtstoffe für die Innenraum- und Pflanzenbeleuchtung

Transkript

1 Mn 4+ aktivierte LED Leuchtstoffe für die Innenraum- und Pflanzenbeleuchtung Prof. Dr. Thomas Jüstel FH Münster, FB Chemieingenieurwesen Hochschule Hamm-Lippstadt, 14. Juni 2018 T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 1

2 Zu meiner Person Thomas Jüstel (Jahrgang 1968), verheiratet Lebenslauf Universität Bochum ( ) Koordinationschemie Max-Planck Institut Mülheim (1995) Elektrochemie Philips Research Aachen ( ) Festkörperchemie, Lumineszenz FH Münster (seit März 2004) AG Tailored Optical Materials Dekan (seit Juli 2013) Leitung des Fachbereichs Chemieingenieurwesen (CIW) Lehrtätigkeit Anorganische Chemie Festkörperchemie Koordinationschemie Bioanorganische Chemie Materialwissenschaften Optische Funktionsmaterialien Leuchtstoffe Materialcharakterisierung Inkohärente Lichtquellen T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 2

3 Anregungsenergie [ev] Hist. Entwicklung anorganischer Leuchtstoffe 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt. Anregungsdichte HE-Partikel > 1 kv Röntgen > 1 kv EUV 1 kv ev CaWO 4 Apatite & Sulfide SE-Leuchtstoffe & Szintillatoren Granate & Silikate Kristalle & Keramiken VUV ev UV-R ev VIS ev NIR < 1.6 ev T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 3

4 Inhalt 1. Leuchtstoffe: Aufbau & Eigenschaften 2. Fluoreszenzlichtquellen 3. Anorganische LED 4. Neue Anforderungen & Trends 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung 6. Zusammenfassung 7. Internet-Links & weiterführende Literatur T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 4

5 1. Leuchtstoffe - Aufbau Leuchtstoffe (Lumineszenzstrahler, Leuchtpigmente, Luminophore, engl.: Phosphore) sind Strahlungskonverter Im engeren Sinne sind es mikro- oder nanoskalige Pigmente, die nach der Anregung durch Strahlung (NIR-, VIS-, UV-, Röntgen-, Gamma-), Hochenergiepartikel, durch Temperaturerhöhung oder nach einer mechanischen Belastung (sichtbare) elektromagnetische Strahlung im nicht-thermischen Gleichgewicht aussenden Unter Tageslicht Bei Anregung durch Elektronen oder UV-Strahlung T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 5

6 1. Leuchtstoffe - Aufbau Leuchtstoff = Wirtsgitter + Dotierungen (Verunreinigungen) + Defekte Wirtsgitter Y 2 O 3, Y 3 Al 5 O 12, ZnS, CaAlSiN 3, Sr 2 Si 5 N 8, Auswahl wird durch die Anwendung bestimmt: Anregungsenergie, Anregungsdichte, chemische Umgebung, Temperatur Dotierungen Cr 3+, Fe 3+, Mn 2+/4+, Sb 3+, Pb 2+, Eu 2+/3+, Ce 3+, Auswahl wird durch die Anwendung und das Wirtsmaterial bestimmt: Löslichkeit, Mobilität, Redoxstabilität, Lage des CT-Zustandes usw. Defekte V K, V A, F, Interstitials,... verursachen Afterglow und Energiespeicherung Konzentrationslöschung und thermische Löschung Farbpunktverschiebung sowie Abnahme der Linearität und Stabilität T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 6

7 Morphologie 1. Leuchtstoffe - Aufbau Nanoskalige Teilchen Bio- und Produktmarker, Transparente Konverter Mikroskalige Teilchen Fluoreszenzlampen, LEDs, Bildschirme, Röntgenfilme, EL-Lichtquellen Einkristalle Szintillatoren, Laser Keramiken LEDs, Szintillatoren, Laser 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 10 mm T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 7

8 1. Leuchtstoffe - Eigenschaften 1. Anregung Absorption von Energie aus einer externen Quelle 2. Energietransfer Zu Lumineszenzzentren oder Defektstellen 3. Relaxation Strahlend: Emission (Lumineszenz) Leuchtstoffe Nicht-strahlend: Wärme (Phononen) Pigmente Anregungsquelle Wärme Wärme Emission Wärme REM-Bild von BaMgAl 10 O 17 :Eu A D S ET ET ET ET A A Emission Wärme Wärme Vor dem Emissionsprozess tritt meist noch Energietransfer (ET) auf T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 8

9 1. Leuchtstoffe - Eigenschaften ET zu Defekten oder nicht-lumineszierenden Verunreinigungen Anregung A* ET Strahlende Übergänge A* A A Typische Übergangszeiten ~ 1* s ET ET A* Transfer zu Defekt-, Löschzentren, z.b. Partikeloberfläche A 0.02 Ausmaß der Energiemigration ist abhängig von Abklingzeit des Lumineszenzzentrums Abstand der Aktvatoren r(a-a) Phononenspektrum Temperatur (spektraler Überlapp) 0 Abklingzeit der strahlenden Übergänge 1-10 ns Org. Moleküle ( - *), QDots (LB-VB) Core-Shell-Partikel ns Ce 3+, Pr 3+ (4f5d), Nd 3+ (4f5d) Pot. hohe Konzentration 10 ns - 10 µs Eu 2+ Moderate Konzentration > 10 µs Pr 3+, Sm 3+, Eu 3+, Gd 3+, Tb 3+, Dy 3+ Niedrige Konzentration T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie

10 1. Leuchtstoffe - Eigenschaften Anregungs- und Emissionsspektrum Absorptions- und Reflexionsspektrum Quantenausbeute (intern und extern) Abklingkurve und Nachleuchtverhalten Thermische Löschung Linearität (Sättigung) Intensity [counts] Abklingkurven von SrSi 2 N 2 O 2 :Eu Decay Measurement T= K T= K T= K T= K T= K T= K T= K T= K T= K time [ns] T-Abhängigkeit der PL diverser Leuchtstoffe bei 254 nm Anregung Relative intensity [a.u.] 1,0 PRO-2009-AB-012 ex307nm PRO-2009-AB-012 mon656nm 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Norm. emission integrals [a.u] 0,6 0,4 0,2 PL-Spektren von Mg 2 TiO 4 :Mn Wavelength [nm] 1,0 LiEuMo 2 O 8 Ideal YAG:Ce U728 0,8 656 nm Linearität von YAG:Ce und LiEuMo 2 O 8 Stabilität (Alterung) 0, Exc. density [W/mm 2 ] T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 10

11 Intensität [W/nm] 2. Fluoreszenzlichtquellen Leistungsindikatoren 1 Lebensdauer: Ausfall, 70% Lichtstrom L Lichtfarbe: ca K Farbwiedergabe: R a = Energieeffizienz: = P Nutzbare Strahlung P Elektrische Leistung Lichtausbeute [lm/w] Stark abhängig vom Spektrum Das Optimum liegt bei 555 nm V( ) = 683 lm/w für = 100% 0 Augenempfindlichkeitskurve Wellenlänge z, [nm] ,35 0,3 0,25 0,2 0,15 Lichtstrom [lm] 1000 lm für 200 lm/w 5 W Strahlung Glühlampe mit P = 100 W und 10 lm/w ~ 5%, d.h. ~ 95% IR-Strahlung!!! 0,1 0, Wellenlänge [nm] T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 11

12 2. Fluoreszenzlichtquellen Typen Gasentladungen (Hg) Elektrolumineszente Festkörper Leuchtstoffschicht + - Ni/Au p-kathode p-leitendes GaN Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone) n-leitendes GaN Hg * e - Transparentes Substrat (Al 2 O 3 oder GaN) Kathode Konverterschicht T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 12

13 Historische Entwicklung 2. Fluoreszenzlichtquellen Quelle: Philips Lumileds T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 13

14 Status Anorganische LED Anorganische LED Halbleitermaterial Wellenlängenbereich[nm] Externe Quantenausbeute [%] Anwendungsbereiche (Al,Ga)N Desinfektion, Photochemie, Reinigung (In,Ga)N nm) Beleuchtung, Datenspeicher (Al,Ga)InP Hintergrund- und Signalbeleuchtung (Al,Ga)As Pflanzenbeleuchtung, Biometrie, Sensoren GaAs Fernbedienungen, Sensoren (In,Ga)As Biometrie, Sensoren Nick Holonyak, jr. (2000) It is vital to know that the LED is an ultimate form of light source, in principle and practice, and that its development indeed can and will continue until all power levels and colors are realized T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 14 1

15 Anorganische LED - Aufbau 3. Anorganische LED Level 0 Level 1 Level 2 Level 3 Level 4 Halbleiter + Primäroptik + Leiterplatte + Sekundäroptik + Rahmen + Kontakte + Netzteil + Halterung + Kühlkörper + Design LED-Chip LED-Lampe LED-Modul LED-System LED-Leuchte + ggf. Leuchtstoffe zur Farbkonversion: Auf allen Level einsetzbar T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 15

16 Anorganische LED - Spektren (Al,In,Ga)P 580 nm 700 nm Gelb Orange Rot (In,Ga)N nm UV-A Blau Grün (Al,Ga)N nm UV-C UV-A 3. Anorganische LED Alle Spektralfarben und UV-Strahlung heute direkt durch LEDs verfügbar Weißes Licht hoher Farbwiedergabe nur durch Konverter (Leuchtstoffe) zugänglich Optimal sind 450 nm (In,Ga)N LED + Konverter 0, T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 16 Emissionsintensität 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Emissionswellenlänge / nm Wellenlänge [nm] 350 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 InN GaN Ga Anteil / mol-% In 1-x Ga x N

17 3. Anorganische LED Rot + Grüne + Blaue LEDs Blaue LED + gelber Leuchtstoff Blaue LED + RG Leuchtstoffmischung UV LED + RGB Leuchtstoffmischung T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 17

18 Phosphor Converted (pc) LED 3. Anorganische LED Leucht -stoff Golddraht Kontakt Plastik -linse InGaN- Halbleiter Kühlkörper (Cu) (Al,In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) Lichtfarbe Blau nm Gelb Kalt-weiß Gelb + rot Warm-weiß Grün + rot Kalt- und warm-weiß Nah UV nm Blau + grün + rot Kalt- und warm-weiß T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 18

19 3. Anorganische LED 1. Anorganische Leuchtstoffe Mikroskalige Pigmente SrB 4 O 7 :Eu BaMgAl 10 O 17 :Eu (Sr,Ba) 2 SiO 4 :Eu (Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce (Ca,Sr) 2 SiO 4 :Eu (Ca,Sr)S:Eu (Ca,Sr)AlSiN 3 :Eu Nanoskalige Pigmente (Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce Quantum Dots (Zn,Cd)(S,Se) (Al,Ga,In)(N,P,As) Si, Ge, (Cu,Ag)(Ga,In)(S,Se) 2 2. Organische Leuchtstoffe (instabil!) Polyzyklische aromatische Verbindungen Perylene Coumarine Metallkomplexe Ln 3+ -Komplexe Ln = Tm, Tb, Eu Ir 3+, Pt 2+, Ru 2+ - und Cu + -Komplexe Emissionsspektren von Eu 2+ Leuchtstoffen 0, T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 19 Normalised emission intensity 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Wavelength [nm] Auswahlkriterien eines Anwenders Patentsituation Preis/Zugang Chemische Stabilität Farbpunktstabilität Konversionseffizienz (IQA und EQA) Thermische Löschung Absorptionsspektrum Sättigungsverhalten Umweltverträglichkeit

20 Emission intensity Emission intensity [a.u.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Blue OLED 3. Anorganische LED: 1. Generation Kaltweiße LEDs Yellow Converter Ce 3+ or Eu 2+ Phosphor Konverter 0, Wavelength [nm] (In,Ga)N LED Gelb/Orange Konverter Tc = 5270 K CRI = 82 Tc = 4490 K CRI = 79 Tc = 4110 K CRI = 76 Tc = 3860 K CRI = 73 Tc = 3540 K CRI = Wavelength [nm] Status quo kaltweiße Hochleistungs-LED 2018 Konverter (Y,Gd,Tb,Lu) 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ oder (Ca,Sr,Ba) 2 SiO 4 :Eu 2+ Lichtausbeute LE 303 lm/w (CREE 2015) Effizienz (WPE) 70-80% Farbwiedergabe CRI ~ Farbtemperatur CCT > 5000 K Element Y Gd Ce Al O (Y 0,77 Gd 0,2 Ce 0,03 ) 3 Al 5 O 12 Molare Masse (g/mol) 88,91 157,25 140,12 26,98 16,0 639,243 Koeffizient 2,31 0,6 0, Massenanteil (ger.) 32% 15% 2% 21% 30% 100% T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 20

21 3. Anorganische LED: 2. Generation Warmweiße LEDs (In,Ga)N LED Y 3 Al 5 O 12 :Ce Roter Konverter 4.50E E E E-04 JAZZ 3300K BB 3300K equal-lumen spectra W/nm 2.50E E E E E-05 Status quo warmweiße Hochleistungs-LED 2018 Roter Konverter Eu 2+ aktiviert Anteil ~10 Gew.-% Lichtausbeute LE lm/w Farbwiedergabe CRI Farbtemperatur K Lit.: nm 800 Wavelength [nm] T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie E+00 Leuchtstoff nm Molare Masse (g/mol) Koeffizient für Eu 2+ Ca 0,5 Sr 0,45 Eu 0,05 S 99,14 0,05 8% (Sr 0,95 Eu 0,05 ) 2 Si 5 N 8 434,12 0,1 4% Ca 0,5 Sr 0,45 Eu 0,05 AlSiN 3 168,14 0,05 5% Massenanteil Eu 2+

22 y [ lm/w ] 3. Anorganische LED: 2. Generation Ursachen für geringere Lichtausbeute w.w. LED Eu 2+ Tb 3+ Mn 2+ Ln 3+ Mn Spektrale Wechselwirkung durch Reabsorption 2. Reduktion des Lumenäquivalentes Abfall [ nm ] FWHM [nm] Position (nm) LE (lm/w) Roter Konverter (Ca,Sr)S:Eu (Ca,Sr,Ba) 2 Si 5 N 8 :Eu (Ca,Sr)AlSiN 3 :Eu Mg 2 TiO 4 :Mn K 2 (Si,Ge,Ti)F 6 :Mn 4+ Ln 3+ aktiviert (Ln = Pr, Sm, Eu) Eu 2+ - aktiviert Eu 2+ - aktiviert Quelle: A. Zukauskas et al., Appl. Phys. Lett. 93 (2008) T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 22

23 3. Anorganische LED: 3. Generation Schmalbandiger Rotemitter Sr[LiAl 3 N 4 ]:Eu 2+ Next Generation LED-phosphor material? Synthese LiAlH 4 + (1-x) SrH 2 + x EuF AlN + N 2 (Sr 1-x Eu x )[LiAl 3 N 4 ] + 3x HF + (3-x) H 2 RF-Ofen, 1000 C Optische Eigenschaften max = 651 nm für 5% Eu 2+ FWHM = 1180 cm -1 QA(200 C) > 95%rel. zu QA(RT) Abklingzeit Eu 2+ : r ~ 1.1 µs 410 nm Photoionisation! Starke Re-absorption der YAG:Ce/LuAG:Ce Emission Quelle: W. Schnick et al., Nature Materials (2014) 1-6 T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 23

24 Energie (cm -1 ) 3. Anorganische LED: 3. Generation Rotemitter mit Linienspektrum 4,0x10 4 3,5x10 4 Relative Intensität 1,0 0,8 0,6 0,4 6,2 5,0 4,1 3,5 3,1 2,8 2,5 2,3 2,1 1,9 1,8 Anregung ( em = 628 nm) Emission ( ex = 474 nm) T = 3 K 4 A 2 4 T 1 Energie (ev) 4 A 2 4 T 2 NPL 2 E 4 A 2 3,0x10 4 2,5x10 4 [Xe]4f 6 5d 1 CT 0,2 4 A 2 T 0, Wellenlänge (nm) 2,0x10 4 1,5x10 4 1,0x10 4 0,5x10 4 0,0 Eu 2+ 8 S 7/2 [Xe]4f 7 Dq cm -1 Δ SB cm - Mn 4+ [Ar]3d 3 Dq cm -1 Δ SB 400 cm -1 Bsp.: K 2 TaF 7 :Mn 4+ Lit.: T. Jansen, F. Baur, T. Jüstel, J Luminescence 192 (2017) 644 T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, 1 FH Münster Folie 24

25 3. Anorganische LED: 3. Generation Rotemitter mit Linienspektrum Relative intensity 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 K 2 MF 6 :Mn mit M = Si, Ge, Ti Emission spectrum Excitation spectrum 631 nm Relative intensity [a.u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 Warmweiße pcled 1,0 CCT = 3000 K Blue chip + YAG:Ce + K 2 SiF 6 :Mn 0, Wavelength [nm] 0, Wavelength (nm) LED Chip Blau nm Konverter Gelb (Y,Gd,Tb,Lu)Al 5 O 12 :Ce Rot Mn 4+ - Leuchtstoff (GE Patent US2006/ ) Tb 3 Al 5 O 12 :3%Ce + K 2 MF 6 :Mn 4+ Probleme: Absorptionsstärke, Linearität und Stabilität des roten Linienemitters: MnF 4 MnF 3 + ½ F 2 T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 25

26 3. Anorganische LED: 3. Generation Rotemitter mit Linienspektrum: Mn 4+ -aktivierte Leuchtstoffe Leuchtstoff LE /lm W -1 Em. λ em /nm K 2 SiF 6 :Mn K 2 TiF 6 :Mn K 2 GeF 6 :Mn K 2 SiF 6 :Mn Mg 14 Ge 5 O 24 :Mn 4+ Ca 2 LaSbO 6 :Mn 4+ Mg 14 Ge 5 O 24 :Mn K 2 Ge 4 O 9 :Mn Rb 2 Ge 4 O 9 :Mn Ca 2 YNbO 6 :Mn Ca 2 LaSbO 6 :Mn LaScO 3 :Mn Fluoride Hohes LE, geringe Stabilität Oxide Geringes LE, hohe Stabilität T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 26

27 3. Anorganische LED: 4. Generation Von Mikropulvern zu Keramiken oder nanoskaligen Konvertern Blaue (In,Ga)N LED + YAG:Ce Schicht aus Mikropartikel in Silikonharz Blaue (In,Ga)N LED + QDots Schicht aus Nanopartikel (viele Projekte aber wenige Produkte) Blaue (In,Ga)N LED + (Y,Lu)AG:Ce Keramikkörper (Philips: Lumiramic, Osram: c 2, Schott) T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 27

28 4. Neue Anforderungen & Trends Schmalband-Rotemitter zur Erhöhung der Lumenausbeute Eu 2+ Mn 4+, CdSe bzw. InP Qdots oder Eu 3+? Material Em. bei [nm] FWHM [nm] Pro Kontra (Sr,Ca)S:Eu schmalbandig Geringe chem. Stabilität (Sr,Ba) 2 Si 5 N 8 :Eu Zuverlässigkeit IR-Emission (Ca,Sr)AlSiN 3 :Eu Zuverlässigkeit IR-Emission SrLiAl 3 N 4 :Eu schmalbandig IR-Emission, Re-absorption K 2 SiF 6 :Mn 631 Linien < 2 sehr schmalbandig CdSe QDots InP QDots Direct red LEDs Modulierbar Grün bis Rot Modulierbar Grün bis Rot Modulierbar in Rot Modifiziert nach GE, PGS2016, Newport Beach, CA, USA Moderate Absorption schmalbandig Zuverlässigkeit Re-absorption schmalbandig Zuverlässigkeit Re-absorption keine Stokes-V. schmalbandig Tb 2 Mo 3 O 12 :Eu 615 Linien < 1 sehr hohes LE und Stabilität Niedriges T 1/2, komplexe Anst. Schwache Absorption T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 28

29 4. Neue Anforderungen & Trends Weitere Verbesserungen von pcleds Parameter Ziel Anforderung an Rotkonverter - Lebensdauer (L70 oder L85) > h Photostabilität - Wall Plug Efficiency (WPE) > 50% Keine spektrale Interaktion - Lumenäquivalent > 300 lm/w opt. FWHM < 35 nm, nm - Lumeneffizienz ( ) > 200 lm/w el. FWHM < 35 nm, nm - Farbwiedergabeindex (CRI) FWHM < 50 nm, nm - R FWHM > 30 nm, nm - Gamut Area Index (GAI) ~ 56(black body) FWHM < 35 nm, nm Schlussfolgerung: Eu 3+ oder Mn 4+ aktivierte Materialien wären ideal.. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 29

30 4. Neue Anforderungen & Trends Trend: Erhöhung der Energiedichte von (In,Ga)N LED bzw. Laserdioden Leuchtstoffe mit 1. Geringerer thermischer Löschung ESA 2. Verringerter photochemischer Alterung 3. Erhöhter Linearität 4. Geringerer Farbzentrenbildung Photoionisation (PI) Source: Audi.de Harte Wirtsmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, geringer thermischer Ausdehnung und Defektdichte sowie organikfreie Medien Maßnahmen: Sättigungsmessungen/Linearität Suche nach rigiden Wirtsmaterialien Rel. emission integrals (arb. units) 1,0 K 2 SiF 6 : Mn 4+ Ideal 0,8 0,6 0,4 0,2 Transluzente Keramiken 0, Exc. density (W/mm 2 ) T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 30

31 4. Neue Anforderungen & Trends Konverter für hohe Energiedichten Verbundkeramiken Matrix: Transparentes Al 2 O 3 oder CaF 2 aus nanoskaliger Vorstufe CaF 2 Mn 4+ dotierte Fluoride dichromatische Keramik Leuchtstoff: YAG:Ce oder andere Granate oder Nitride (T m > 2000 K) White light LED chip Transmitted blue White light Emitted yellow YAG:Ce 3+ particle Transparent CaF 2 ceramics Substrate LED chip Removable phosphor plate T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 31

32 4. Neue Anforderungen & Trends Trend: (In,Ga)N LED und Laserdioden mit erweiterter Funktionalität 1. Physiologische Wirkungen Melatoninsuppression: 480 nm Kollagenaufbau: nm Durchblutungstimulation: nm 2. Spektroskopische/Sensorische Funktionen IR-Spektroskopie: nm NIR Emission + up-konversion reflektierter Strahlung Intensity [counts] 1,0x10 0 8,0x10-1 6,0x10-1 4,0x10-1 2,0x10-1 Emission spectra Energy [ev] 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 Melatoninsuppression 0, Wavelength [nm] 3. Datenübertragung Lokale NIR Netzwerke ns-leuchtstoffe nm Emissionsintensität [a.u.] 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Wellenlänge [nm] T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 32

33 4. Neue Anforderungen & Trends Trend: Human Centric Lighting Optimierung des LED-Spektrums Rezeptoren im Auge Stäbchen (1 Typ) Zäpfchen (3 Typen) Blaulicht (prgc) Sichtbares (blaues LED, ~ 480 nm) Licht beeinflusst die Konzentration des Schlafhormons Melatonin Konzentration des Stresshormons Cortisol Aufmerksamkeit, Körpertemperatur usw. S/W-Kontrast Farbwahrnehmung Hormonsteuerung Blue Light Hazard Sommer Lux Winter Lux Büro 500 Lux Aktiv. ab 250 Lux (DIN 67600) T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 33

34 4. Neue Anforderungen & Trends Trend: UV emittierende LED - (Al,Ga)N Halbleiter Lit.: J. Chen et al., 2017 UV-Spektren von (Al,Ga)N Halbleitern Entwicklung der externen Quantenausbeute und UV-Leistung von (Al,Ga)N LED zwischen 2000 und 2016 T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 34

35 4. Neue Anforderungen & Trends UV emittierende LED - Status 2018 UV-LED Anwendungen UV-A emittierende (In,Ga)N LED ( nm) mit hoher Effizienz weltweit am Markt UV-B bzw. UV-C emittierende (Al,Ga)N LEDs ( nm) zeigen rasante Entwicklung bzgl. Effizienz und UV-Leistung Hauptprobleme: Lebensdauer und Verkapselung Aktuelle Entwicklungsziele Interne Quantenausbeute Lichtauskopplung Leistungsdichte Lebensdauer T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 35 Friday Afternoon

36 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Typen Glüh- und Halogenglühlampen Metallhalogenidlampen Na-Hochdrucklampen Hg-Niederdrucklampen: FL, CFL, QL (Induktion) Anorganische LED: (In,Ga)N, (Al,In,Ga)P, Ga(As,P) Gras kultiviert am Tageslicht oder durch LED-Beleuchtung Tageslicht (links) und LED-Beleuchtung (rechts) Pflanze Wurzel T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 36

37 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Glüh- und Halogenglühlampen Für private Haushalte Hoher Energieverbrauch Hohe thermische Belastung (IR) T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 37

38 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Natrium-Hochdrucklampen (HPS = High Pressure Sodium) T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 38

39 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Hg-Niederdruckentladungslampen mit einer RB Leuchtstoffmischung: Blauer Leuchtstoff nm BaMgAl 10 O 17 :Eu Roter Leuchtstoff nm Y 2 O 3 :Eu GdMgB 5 O 10 :Ce,Tb,Mn YVO 4 :Eu T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 39

40 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Anorganische LED - Spektren (Al,In,Ga)P 580 nm 700 nm Gelb Orange Rot (In,Ga)N nm UV-A Blau Grün (Al,Ga)N nm UV-C UV-A Emissionsintensität 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Wellenlänge [nm] Alle Spektralfarben und UV-Strahlung heute direkt durch LEDs verfügbar Weißes oder mischfarbiges Licht (magenta) durch Konverter (Leuchtstoffe) zugänglich Optimal sind 450 nm (In,Ga)N LED + Konverter T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 40

41 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Farbmischung und Kontrolle Dynamische Beleuchtung möglich! Treiber Kontroller - Sensor + Intensität & Spektrum Konverter T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 41

42 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Spektrale Optimierung 1. Blaue (In,Ga)N und rote & NIR (Al,In,Ga)P LED 2. Blaue (In,Ga)N LED und roter & NIR Konverter nm LED Relative spectral power distribution 0,015 roter Konverter (NIR Konverter) Spectral Flux [W/nm] 0,010 0,005 Electrical power consumption: 6.7 W 5.9 W 5.2 W 4.5 W 3.8 W 2.6 W (Al,In,Ga)P nm Löschung ~ 0.7%/K Rotverschiebung (Al,In,Ga)N nm Löschung ~ 0.1%/K Spektral konsistent 0, Wavelength [nm] Plattformkonzept Leistungsaufnahme Spannung Stromstärke Chiptemperatur 1 W 4.5 V 0.2 A ~ 120 C 5 W 4.5 V 1.1 A > 150 C T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 42

43 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Rot/NIR Leuchtstoffe für Pflanzenbeleuchtung Aktivator Mn 4+ Cr 3+ Fe 3+ Pr 3+ Sm 2+ Sm 3+ Eu 2+ Eu 3+ Emissionsbereich [nm] nm nm nm nm nm nm nm nm Optimaler Konverter für die Pflanzenbeleuchtung (P680 + P700) max ~ nm Mn 4+ -Leuchtstoffe T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 43

44 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Mn 4+ aktivierte Oxide Host Emission Peak (nm) Ca 14 Zn 6 Al 10 O Ca 2 (Ga,In,Sc,Y,La,Gd,Lu)(Nb,Ta,Sb)O CaAl 12 O CaAl 2 O CaMg 2 Al 16 O CaYAlO Gd 2 MgTiO K 2 Ge 4 O La 2 LiTaO La 3 GaGe 5 O LaAlO LaScO Li 2 MgTiO LiAlGe 2 O LiAlO LiGaGe 2 O Host Emission Peak (nm) Mg 14 Ge 5 O Mg 2 TiO Mg 3 Ga 2 GeO Mg 7 Ga 2 GeO Mg 8.5 As 3 O MgAl 2 Si 2 O Sr 2 MgAl 22 O Sr 2 YNbO Sr 4 Al 14 O SrGe 4 O SrLaAlO SrTiO Y 3 Al 5 O YAl 3 (BO 3 ) YbAlO Neuer Mn 4+ Leuchtstoff mit hoher therm. Löschtemperatur: Y 3 Mg 2 Ge 3 O 12 :Mn Lit.: T. Jansen, J. Gorobez, T. Jüstel et al., ECS JSSS Focus Issue 7 (2018) R3086 (weekly digest) T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 44

45 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Mn 4+ aktivierte Oxide: Y 2 Mg 3 Ge 3 O 12 :Mn 4+ Strukturtyp: Granat, kubisch, Ia3d T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 45

46 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Mn 4+ aktivierte Oxide: Y 2 Mg 3 Ge 3 O 12 :Mn 4+ EQE(RT) > 50%, LE = 78 lm/w opt., x = 0,7109 ; y = 0,2889 T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 46

47 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Mn 4+ aktivierte Oxide: Y 2 Mg 3 Ge 3 O 12 :Mn 4+ T 1/2 > 800 K!!! T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 47

48 Relative Intensität Relative Intensität Relative Intensität 5. Lichtquellen für Pflanzenbeleuchtung Relative Photosynthese-Effizienz Photosynthesekurve Sonnenspektrum AM1.5 Spektraler Überlapp Wellenlänge /nm Überlappungsintegral = 30% Die Photosyntheseaktionskurve hat zwei Maxima: 445 nm und 660 nm Das Überlappungsintegral mit dem solaren Strahlungsspektrum beträgt lediglich 30% Durch Einsatz von LEDs oder pcleds kann es drastisch auf etwa 90% erhöht werden Relative Photosynthese-Effizienz Photosynthesekurve 445 nm nm LEDs Spektraler Überlapp Überlappungsintegral = 90% Relative Photosynthese-Effizienz Photosynthesekurve 445 nm LED + MGMn Spektraler Überlapp Überlappungsintegral = 88% Wellenlänge /nm Wellenlänge /nm T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 48

49 Anwendernutzen 6. Zusammenfassung Zeitliche Entwicklung der LED Anwendungen Effizienz bei der Arbeit & Ausbildung Ambiente Umweltverträglichkeit Beleuchtung Vision Kosten Energieeffizienz Lebensdauer Recycling Zeit Gesundheit Geometrische, spektrale und zeitliche Flexibilität Neuere Anwendungsbereiche Beleuchtung mit erweiterter Funktionalität: Datentransfer, Sensorik,.. Agrikultur: Horticulture Lighting und (Vertical) Urban (Indoor) Farming T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 49

50 6. Zusammenfassung Zukunft der LED/Laserdioden Anwendungen Parameter LED Laserdioden - Lichtstrom > 100 lm > 1000 lm - Lichtausbeute > 200 lm/w > 100 lm/w - Lichtqualität (mit Konverter!) > 80 > 80 - Lebensdauer > h > h - Anwendungen Beleuchtung Projektion Medizin Medizin Signalanlagen Materialbearbeitung Photochemie (Tele)Kommunikation Agrikultur KFZ-Scheinwerfer Kosmetik (Umwelt)Analytik Human Centric Lighting Light Engines T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 50

51 7. Internet-Links und weiterführende Literatur Internet Homepage T. Jüstel PISA und LISA CREE General Electric Lumileds Nichia Osram Opto Philips (Signify) Seoul Semiconductor Soraa Sylvania Vishay Vossloh-Schwabe Xylem Literatur Booklet Philips: Philips LED Lighting in Horticulture Kozai, T.; Fujiwara, K.; Runkle, E.S., LED Lighting for Urban Agriculture, Springer (2016) M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294 T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 51

52 Vielen Dank!! Fragen? T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster Folie 52