Technik

Licht 2 I 2020

Quanten-Sprünge

QD LEDs für echte Highlights

Einige Leuchtmittelhersteller hatten sich in den 2005er bis 2010er Jahren mit QDs zur Konversion des blauen LED-Lichts zu einer weißen Lichtfarbe befasst. Scheinbar alle Anbieter haben sich mittlerweile zurückgezogen. Nun hat Osram mit der OSCONIQ S 3030 eine QD-LED auf den Markt gebracht, die dank QD-Phosphor mit einem CRI 90 (Color Rendering Index) bei 0,2 W aufwarten kann und die Vorteile der QDs im On-Chip-Betrieb nutzbar macht.

Mit Hilfe der QDs erreicht Osram eine Effizienz von 173lm/W bei warmweißer CCT, während konventionelle warmweiße LEDs derselben Klasse lediglich 140lm/W bis 150lm/W liefern. Die QDs sind durch Verkapselung sicher vor Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen geschützt. Das 3,0 mm x 3,0 mm große Gehäuse und der geringe thermische Widerstand ermöglichen ein einfaches Systemdesign und eine leichte Skalierbarkeit. Die S 3030 QD ist in Farbtemperaturen von 2.700 bis 6.500 K erhältlich, optimal für Flächenbeleuchtung und Downlights. Der Vorteil: bei dem neuen Verfahren bleiben bestehende LED-Fertigungsprozesse gleich, nur wird statt Phosphor eine QD-Schicht aufgebracht. Dazu hatte das Unternehmen das Startup Pacific Light Technologies (PLT) gekauft. Dr. Juanita Kurtin, Gründerin von PLT: »Wir hatten 2011 die Idee, dass QDs in LED-Gehäusen funktionieren müssten, um sowohl den Beleuchtungs- als auch den Displaymarkt anzusprechen.« Die dort entwickelte QD-Konvertierlösung ermöglicht neben der On-Chip-Nutzung die hohe Effizienz.

Vielseitige QD-LEDs

Licht bei QDs entsteht durch zwei Effekte: Photo- oder Elektrolumineszenz. Bei ersterem werden QDs durch Licht zum Leuchten angeregt, was man bei Osram nutzt, beim zweiten durch Strom. Ein QD misst wenige Nanometer und besteht aus wenigen Atomschichten eines Halbleitermaterials wie Silizium, Cadmiumselenid, Cadmiumsulfid, Indiumarsenid und Kupfer-Indium-Disulfid. Strahlt Licht auf einen QD, wird es absorbiert und in eine andere Wellenlänge, abhängig von der Größe des QDs, gewandelt. So leuchten 2 nm große QDs blau, 3 nm große grün und bei 4-5 nm gelb bzw. bei 6-7 nm Durchmesser rot. Natürlich beeinflusst auch das Ausgangsmaterial der QDs die emittierte Farbe. Die meisten QDs haben ein sehr breites Absorptionsspektrum und das emittierte Licht ist nahezu unabhängig vom Spektrum des absorbierten Lichts. So können mit einer einzigen Lichtquelle gleichzeitig mehrere Quantenpunkte unterschiedlicher Farbe angeregt werden.

Konventionell konvertiert eine Phophorbeschichtung das blaue LED-Licht z.T. in gelbes Licht, was sich zu weiß addiert. Dabei absorbiert die Phosphorschicht auch Licht, was die Effizienz reduziert. Außerdem hatten so produzierte LED-Chargen oft sehr unterschiedliche Weißtöne. Jetzt besteht die Herausforderung darin, QDs von einheitlicher Größe herzustellen, um eine möglichst exakte Lichtfarbe zu garantieren.

Letztendlich bestehen die QDs bei Osram aus einer Kugel mit rot-emittierenden Teilchen im Kern und einer Schutzschicht drumherum, die Herstellung ist laut Juanita Kurtin ein mehrere Tage dauernder Prozess. Außerdem durfte die Schutzschicht keines der von den QDs konvertierten Photonen reabsorbieren. Die Erzeugung der Verkapselung auf der Ebene der QDs ist letztlich die Voraussetzung für eine kostengünstige Herstellung von LEDs mit den gleichen Anlagen wie konventionelle LEDs. Eine fehlende Verkapselungstechnik war auch lange Zeit der Hinderungsgrund um QDS bei LEDs einzusetzen, denn die Betriebsbedingungen in einer LED-Beleuchtung sind rau.
Momentan basieren die QDs auf Cadmium und die globalen RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances) regeln die erlaubten Mengen. Deshalb arbeitet man bei Osram intensiv an cadmiumfreien QDs.
Lumileds war eines der ersten Unternehmen, dem mit QD-Einsatz ein Durchbruch gelang. Auch Nexxus Lighting und QD Vision kündigten im Mai 2009 eine kommerziell erhältliche QD LED an. Marl und Nanoco brachten 2015 den CFQD Color Film auf den Markt. Allerdings setze man die Version TM Red in der Lichttherapie etwa für Sport- und Aufprallverletzungen ein, die Deep-Red-Variante in der vertikalen Landwirtschaft.

Quantenpunkte für Elektrolumineszenz-Lichtquellen

Die Form und Anordnung der QDs hat starken Einfluss auf das Lichtergebnis. An der ETHZ arbeiten Forscher mit Elektrolumineszenz und konnten zeigten, dass bei ultradünnen Nanoplättchen, das Licht ausschließlich rechtwinklig dazu emittiert wird. Die Wissenschaftler stapelten 2,4 nm dünne Halbleiterplättchen abwechselnd mit einer 0,65 nm dünnen organischen Isolierschicht. Diese Schicht unterbindet ungewünschte quantenphysikalische Wechselwirkungen. »Je mehr Plättchen wir übereinanderstapeln, desto intensiver wird das Licht. Wir können so die Lichtintensität beeinflussen, ohne dabei die bevorzugte Emissionsrichtung zu verlieren«, sagt Jakub Jagielski, Doktorand an der ETHZ.

Für die neue Lichtquelle gilt: um Licht mit einer bestimmten Intensität zu erzeugen, benötigt man, verglichen mit herkömmlichen QD-LED, nur halb so viel Energie. Das gilt allerdings vorerst nur bei blauem Licht. Und die Technologie hat einen weiteren großen Vorteil: Die so gestapelten QD-LEDs sind sehr einfach in einem einzigen Schritt herzustellen.

QD-LED und Metamaterial

Interessant ist jetzt das Projekt MetaQuant, wobei QD-LEDs mit Metamaterialien kombiniert werden, um das Abstrahlverhalten zu optimieren. Hierbei nutzt man die Elektrolumineszenz der QDs zusammen mit optischen Metamaterialien. Dabei soll erforscht werden, wie optische Metamaterialien mit Lichtquellen auf Basis von QD-LEDs wechselwirken, um deren Abstrahlverhalten zu optimieren und sie flacher als herkömmliche LEDs zu bauen, indem auf optische Komponenten, wie z.B. Linsen verzichtet werden.

Ein Metamaterial ist eine meist periodische Struktur im µm- und nm-Bereich aus elektrischen oder magnetisch wirksamen Materialien. »Das Ziel des Projektvorhabens besteht in der Realisierung von effizienten Lichtquellen auf der Basis von QD-LEDs und optischen Metamaterialien zur Anwendung in miniaturisierten spektralen Sensorsystemen«, berichtet Projektleiter Dr. Danny Reuter von der TU Chemnitz.
Die Wahl der Halbleiter und Partikelgröße erlauben das gezielte Einstellen der Emission vom blauen bis in den nahinfraroten Spektralbereich. Durch Integrieren mehrerer spektral unterschiedlicher QD-LED-Segmente mit QD-Photodetektoren auf einem Substrat, lassen sich ultraflache und individualisierbare, gedruckte, spektrale Sensoren, ohne bewegliche Komponenten realisieren. Dank der Metamaterialien kann dann die Lichtemission bzgl. Richtung und spektraler Breite optimiert werden. Das hat Einfluss auf eine Vielzahl weiterer Einsatzfelder, wie Photodetektoren, Solarzellen, Hyperspektral-Imaging-Systemen oder auch Ambiente-Beleuchtungen in Fahrzeugen oder Smart Homes.

Aber auch bei Osram geht die Entwicklung weiter. »Die S 3030 QD ist das erste LED-Paket, das in Massenproduktion hergestellte Quantenpunkte enthält; eine nächste Generation kommt 2020 mit einer noch höheren Effizienz auf den Markt«, berichtet Juanita Kurtin.