iCOL Intelligente Farbkonversion

Auch wenn die LED-Beleuchtung in vielen Bereichen des täglichen Lebens immer stärker Einzug hält und man dazu verleitet ist anzunehmen, dass die Technologie weitgehend ausgereift sei, so ist dies bei Weitem nicht der Fall. So stellt etwa in Punkto Weißlichtqualität die Konstanz des Farborts eine zentrale Problematik dar. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und durch altersbedingte Degradation können Farbänderungen auftreten, die bei KundInnen vielfach eine gewisse allgemeine Skepsis der LED-Beleuchtung gegenüber hervorrufen. Dadurch wird das Risiko verstärkt, eine rasche Umrüstung auf energieeffizientere Lichtlösungen zu verzögern. Derzeit diskutiere Ansätze, um die vom U.S. Department of Energy für das Jahr 2020 vorgegebenen maximalen Farbabweichungen zu realisieren, sehen die Integration von Sensoreinheiten vor, die den aktuellen Farbort (bzw. dessen Änderung) vermessen und durch eine Regelungselektronik den Betrieb der LED so nachregeln, dass der Farbort erhalten bleibt. Demgegenüber sollen in diesem Projekt die Grundlagen für einen völlig neuen Lösungsansatz und diesbezügliche Konzepte erarbeitet und evaluiert werden, die darauf abzielen, in LED-Lichtquellen der übernächsten Generationen viele der für den oben angeführten kurzfristigen Lösungsansatz erforderlichen zusätzlichen elektronischen Komponenten überflüssig zu machen. Erreicht werden soll dies durch ein maßgeschneidertes optisches Design, welches der Farbkonversionsschicht eine gewisse „Intelligenz“ verleiht und es ermöglicht, Ursachen für eine Farbveränderung durch dadurch initiierte optische Effekte zu kompensieren.
Ein derartiger Ansatz ist völlig neu und erfordert intensive Grundlagenforschung und Konzeptevaluierung um herauszufinden, unter welchen Voraussetzungen (Zusammenspiel der optischen Eigenschaften der einzelnen Materialien, Anforderungen an Materialien im Hinblick auf ihre optischen und thermischen Eigenschaften) und ob ein solcher Ansatz überhaupt das Potential hat, in der Praxis umgesetzt zu werden. Dieses soll im Rahmen des vorliegenden Projekts auf der Basis einer Grundlagenforschung entlang der Technologiereifegrade 1 – 3 erfolgen. Dies umfasst die Erstellung von Konzepten auf der Basis von Materialrecherchen, die Überprüfung der physikalischen Plausibilität der Konzepte, kombinierte optische und thermische Simulationen zu deren Evaluierung bzw. einer Rückkopplung in eine erneute Konzepterstellung. Begleitend erfolgen erste experimentelle Charakterisierungen (thermisch, optisch) potentiell geeigneter Materialien bzw. daraus gefertigter Schichtaufbauten, die sowohl der Evaluierung einzelner mittels Simulationen gewonnener Vorhersagen als auch der Ermittlung von Eingangsparametern für die Simulation dienen sollen. Ziel ist es, Konzepte zu erarbeiten und zu evaluieren, die es erlauben sollen, den Farbort bei Temperaturänderungen, bei einer Phosphordegradation, bzw. einer Kombination aus beiden aufrecht zu erhalten (? u´v´< 0.002 entsprechend der Vorgabe des U.S. Department of Energy für das Jahr 2020). Zudem werden diesbezügliche Materialanforderungen spezifiziert, die bei einer erfolgreichen Evaluierung danach auf der Basis eines in diesem Projekt zu entwickelnden Forschungsstrategiekonzeptes in Folgeprojekten mit höheren Technologiereifegraden umgesetzt werden sollen.

Ausgangssituation

Leuchtdioden haben inzwischen in vielen Bereichen der Beleuchtung Einzug gehalten. Insbesondere das enorme Energieeinsparungspotential und die damit verbundene Verringerung der Betriebskosten sind (neben dem Glühbirnenverbot und der allgemeinen Ablehnung von Energiesparlampen) für viele Leute ein entscheidendes Argument um zu LED-Produkten zu greifen.
Ein wichtiges Verkaufsargument ist auch die lange Lebensdauer, die je nach Produkt bis zu einigen 10.000 Stunden betragen kann. Die Lebensdauer ist dabei nicht mehr durch einen Totalausfall definiert, vielmehr spricht man dann vom Ende der Lebensdauer, wenn der Lichtstrom auf unter 70% des Anfangswerts zurückgegangen ist. Inzwischen gibt es auch schon erste Modelle, mit deren Hilfe diese Lebensdauern abgeschätzt werden können. Problematischer ist dies mit Farbänderungen, die im Laufe der Zeit ebenfalls auftreten können. Für Farbänderungen gibt es weder Vorhersagemodelle noch ist ein „Ende der Lebensdauer“ auf Basis von Farbänderungen definiert. In der Tat können aber insbesondere in Bereichen, in denen die Lichtfarbe entscheidend ist durch derartige Farbänderungen LED-Lichtquellen im Laufe der Zeit ebenfalls unbrauchbar werden.
In komplexeren Systemen kann man die jeweilige Lichtfarbe mit Sensoren messen und die Lichtfarbe nachregeln. Dies erfordert aber zusätzliche Elektronik und in einfacheren Leuchtenausführungen ist eine derartige Nachregelung auch nicht möglich.
Das Projekt icol widmete sich dieser Thematik mittels eines Materialansatzes. Ausgangspunkt ist der Umstand, dass die Farbkonversionsschichten (Phosphore in Silikon) von Farbkonversions-LEDs sich während des Betriebs erwärmen. Damit ändern sich auch ihre optischen Eigenschaften. Einer dieser Parameter ist der Brechungsindex, sowohl der von den Phosphoren als auch der von Silikon. Die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex von Silikon ist aber in etwa 2 Größenordnungen größer als der der Phosphore. Zudem ist dieser Wert negativ, das heißt der Brechungsindex von Silikonen wird mit zunehmender Temperatur kleiner. Damit wächst aber auch die Brechungsindexdifferenz zwischen Silikon und Phosphor. Es kommt zu mehr Streuung, sodass insgesamt mehr gelbes Licht (Phosphoremission) erzeugt wird. Umgekehrt nimmt die Quantenausbeute der Phosphore mit zunehmender Temperatur ab. Es sollte daher möglich sein bei entsprechender Abstimmung von temperaturbedingter Brechungsindexvariation von Silikon und temperaturbedingter Abnahme der Quantenausbeute des Phosphors eine Farbänderung (Änderung des Ausmaßes der Phosphoremission) kompensieren zu können. Auf Basis dieser Überlegungen sollten in diesem Projekt primär auf der Basis von optischen Simulationen Konzepte gefunden und evaluiert werden, mit deren Hilfe man Farbänderungen (sowohl temperaturbedingt aber auch durch Materialdegradation) von Farbkonversions-LEDs möglichst minimieren kann.
Damit trägt das Projekt zum einen zur Qualitätssteigerung von LED-Leuchtmitteln bei und liefert auch eine Möglichkeit wie komplexe Sensorelektronik zur Farbortkontrolle hintangehalten werden könnte. Bedingt durch das Energieeinsparungspotential von LED-Leuchtmitteln an sich aber auch der Möglichkeit Ressourcen einsparen zu können deckt das Projekt wichtige Aspekte der österreichischen Klimaschutzstrategie ab.