Nanoskalige Materialien für moderne Lichtquellen · molekül Organische Schichten T. Jüstel,...

Nanoskalige Materialien fürNanoskalige Materialien fürmoderne Lichtquellen

Thomas JüstelFH Münster, Abt. Steinfurt

tj@fh t [email protected]

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

T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences, Germany Slide 3

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


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

1,0

e in

tens

ity [a

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0,6

0,8

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tens

ität

0,0

0,2

0,4

Em

issi

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0,0

0,2

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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]


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


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,


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


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


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


Nanopartikel in GasentladungslichtquellenStrahlung der Gasentladung

GewünschtesSpektrum KappeGlaskolben

Nanopartikel in Gasentladungslichtquellen

pp

Leuchtstoff-schicht

angeregtesHg-Atom Elektronen

Elektrode

Gasentladung UV-Strahlung sichtbares LichtLeuchtstoff-

hi ht


schicht

Nanopartikel in GasentladungslichtquellenBeschichtung von Glas + Leuchtstoffen mit 10 - 50 nm Al2O3-Partikel


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


→ Erhöhung der Energieeffizienz, Lebensdauer und Umweltverträglichkeit

Nanopartikel in GasentladungslichtquellenNanopartikel in Gasentladungslichtquellen

Phosphat-Leuchtstoff + Al2O3


Nanopartikel in GasentladungslichtquellenBeschichtung von Plasmabildschirmglas und -Leuchtstoffen mit MgONanopartikel in Gasentladungslichtquellen

Frontglasplatte

SichtbaresLicht

Beschichtung mit MgO

Frontglasplatte

PlasmaUV UV

Rückseitige Glasplatte


Effiziente und langzeitstabile Plasmafernseher durch MgO-Nanopartikel

Nanopartikel in GasentladungslichtquellenMgO-Schicht auf Natron-Kalk-Glas für Plasmafernseher


Nanostrukturierte Schicht mit einer Dicke von 600 800 nm


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


Grün + rot Kalt- und warmweiß

Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDs

70


(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”


• 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.]


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:


Verbesserung der Lichtauskopplung

Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsLUXEON - Warmweiß - Die Komponenten

(Al In Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu4

4

JAZZ 3300K


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


vergleichbar mit Halogenlampen400 450 500 550 600 650 700 750 800

nm

Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanopartikel als Vorstufen für transparente oder transluzente


transparente oder transluzente lumineszierende Keramiken

Hochdruck + 1500 – 1800 °C

ceramics


Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNeuer Ansatz: Verbundkeramik


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


phosphor plate

Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsDie Komponenten: CaF2 und YAG:Ce Partikel


YAG:CeCaF2

Primärpartikel Primärpartikel

d = 0.2 µm d = 2 - 4 μm


Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanoskalige Leuchtstoffe für LEDsHalbleiter-Leuchtstoffe → Quantenpunkte


Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanoskalige Halbleiter-Leuchtstoffe


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 “


höherer Bandlücke „Exciton Reflective Coating“

Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsNanoskalige Leuchtstoffe für LEDs


Nanoskalige Leuchtstoffe für LEDsHalbleiterleuchtstoffe - Typen

Teilchengröße

CdS


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


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


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


„ 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


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

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