Elektrische Lichtquellen: Chemie in Lampen

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Chemie in Lampen

Elektrische LichtquellenMAT THIAS BORN | THOMAS JÜSTEL

Rest entfällt auf Hochdruckgasentladungslampen. Hierausergibt sich, dass etwa 10% der weltweit erzeugten elektri-schen Energie für Beleuchtungszwecke verbraucht wird.Dieser Wert entspricht der Energie, die von ca. 90 Kraft-werken mit je einem Gigawatt (GW) Leistung in einem Jahrerzeugt würde. Ziel ist es daher, die ineffizienten Glüh- undHalogenlampen durch effizientere Lichtquellen, wie Gas-entladungslampen und Leuchtdioden (LED), zu ersetzen.Hierbei wurden in der Vergangenheit die in Abbildung 2dargestellten Effizienzsteigerungen der verschiedenen Licht-quellentypen realisiert.

Dies gelang wesentlich durch die Erforschung und Ent-wicklung verbesserter Lampenmaterialien, z. B. durchneuartige Leuchtstoffe für Niederdruckgasentladungslam-pen, keramische Wandmaterialien für Hochdruckgasentla-dungslampen und hocheffiziente Halbleiter für Leuchtdi-oden. Darüber hinaus hat die Verwendung maßgeschnei-derter Füllkomponenten zu einer stetigen Verbesserung derLampenprodukte geführt. Abbildung 1 gibt eine Übersichtder in heutigen Lichtquellen eingesetzten chemischen Ele-mente bzw. ihrer Verbindungen. Dabei hat die Vermeidung

Seit der Erfindung der Glühlampe sind elektrische Lichtquellenin unserem täglichen Leben unverzichtbar. Inzwischen gibt eseine Vielzahl von Anwendungen in der Allgemein- und Spe-zialbeleuchtung, die eine kontinuierliche Weiterentwicklungvon Lampentechnologien erfordern. Dabei steht die Verbesse-rung der Energieeffizienz, Lebensdauer und Lichtqualität beigleichzeitiger Miniaturisierung und Umweltverträglichkeit derProdukte im Vordergrund. Um diesen Anforderungen gerechtzu werden, ist die Verwendung von geeigneten Materialiensowie die Kontrolle von chemischen Wechselwirkungen vonKomponenten ein zentrales Thema der heutigen Lichtquellen-forschung.

Der weltweite Markt für elektrische Lichtquellen be-trägt ca. 14 Milliarden Stück. Den mit Abstand größ-

ten Anteil stellen die Glüh- und Halogenlampen (11 Milli-arden), gefolgt von Fluoreszenzlampen (2.8 Milliarden). Der

DOI: 10.1002/ciuz.200600377

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Leuchtstoffe set-zen sich aus Akti-vator (grün) undWirtsgitter (blau)zusammen. Füll-komponenten inGasentladungs-lampen sind rotgekennzeichnet,Elektrodenkompo-nenten in orange.

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umweltgefährdender Substanzen, wie Hg oder Pb, eine im-mer größere Bedeutung mit Blick auf die Entsorgung derProdukte [1]: In jüngster Zeit sind Richtlinien der Europä-ischen Union von den Lampenproduzenten einzuhalten [2].

GlühlampenDie Glühlampe war die erste elektrisch betriebene Licht-quelle, die im 19. Jahrhundert erfunden wurde und bis heu-te weiterentwickelt wird. Sie hat in fast allen Beleuchtungs-anwendungen Eingang gefunden, insbesondere dort, woeinfache und kompakte Lösungen bei geringen Lichtströ-men gefragt sind.

Aufbau und Arbeitsweise von GlühlampenLouis Jacques de Thenard entdeckte im Jahr 1801, dass maneinen Metalldraht zum Glühen bringen kann, indem manStrom durch ihn fließen lässt. 50 Jahre später entwickeltedann Heinrich Göbel eine erste Kohlenfadenlampe, in derein verkohlter Bambusfaden als Glühdraht in einem evaku-ierten Glaskolben diente. Basierend auf diesen Erkenntnis-sen führte Thomas Edison zahlreiche Versuche durch, dieGlühlampe als Lichtquelle zu etablieren. 1879 hatte er denkommerziellen Durchbruch geschafft, indem er den Bam-busfaden zu einer Spirale aufwickelte und so eine ent-scheidende Verbesserung der Lichtausbeute erreichenkonnte.

Obwohl Kohlefadenlampen noch heute kommerziell er-hältlich sind, wird in modernen Glühlampen dagegen einMetalldraht verwendet, der auf so hohe Temperaturen er-hitzt wird, dass ein beträchtlicher Teil der ausgesendetenStrahlung im sichtbaren Spektralbereich liegt [3]. Hierbei istder Metalldraht stets in einem Glaskolben montiert, der allerdings heutzutage mit einem Inertgas, z.B. N2 oder Ar,gefüllt ist.

Um den Metalldraht zur Weißglut zu bringen, muss ergemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz auf mindestens2400 K erhitzt werden. Handelsübliche Glühlampen ver-wenden Wendeltemperaturen von ca. 2700 K, wobei die Energieeffizienz für die Erzeugung von sichtbarem Lichtnur bei etwa 5% liegt.

Dieser Wert liegt weit unterhalb des theoretisch maxi-malen visuellen Nutzeffekts eines thermischen Strahlers von95 lm/W bei 6600 K. Zur Erhöhung der Energieeffizienz ei-ner Glühlampe müsste man demnach eine deutlich höhereWendeltemperatur wählen. Allerdings stehen elektrisch leit-fähige Wendelmaterialien mit Schmelz- oder Sublimations-punkten oberhalb von 4200 K (TaC) nicht zur Verfügung.So hätte selbst eine Wolframglühlampe, die am Schmelz-punkt des Wolframs (3700 K) betrieben würde, nur eine Ef-fizienz von ca. 55 lm/W.

Ein weiterer Aspekt ist die Sublimation des Wolfram-drahtes: Um eine Lebensdauer von 1000 Stunden zu erzie-len, werden Glühlampen mit deutlich niedrigeren Wendel-temperaturen betrieben. Eine mögliche Maßnahme zur Re-duktion der Abdampfrate ist der Wechsel des Standardfüll-gases, ein Ar-N2-Gemisch, zu Kr oder Xe. Außerdem kann

die Abdampfrate durch die Verwendung einer Wendel- bzw.einer Doppelwendelkonstruktion weiter vermindert wer-den: Ein gewendelter Wolframfaden ermöglicht eine höhe-re Betriebstemperatur und somit höhere Lichtausbeutenbei gleicher Lebensdauer. Moderne Glühlampen erzielen jenach spezifizierter Lebensdauer etwa 8 – 17 lm/W bei Wen-deltemperaturen von 2400 – 3100 K. Eine weitere Steige-rung der Wendeltemperatur und der Lichtausbeute beigleichzeitig hoher Lebensdauer gelingt durch die Verwen-dung von Halogenen bzw. von Halogenverbindungen.

HalogenglühlampenIn den oben beschriebenen Glühlampen verursacht die Sub-limation des Wolframs und dessen Transport zur und Kon-densation auf der Gefäßwand (Glaskolben) eine sogenann-te Abschwärzung, die zu einer unerwünschten kontinuier-lichen Abnahme des Lichtstromes führt. In Halogenglüh-lampen wird dem Transport des Wolframs durch Zugabevon Halogenen und Sauerstoff entgegengewirkt. Auf dieseWeise entstehen an der Gefäßwand flüchtige Wolfram-oxyhalogenide wie WO2Br2, die zur Wendel transportiertwerden und dort aufgrund der hohen Temperaturen disso-ziieren. Durch diese chemische Transportreaktion kommtes zu einer teilweisen Reparatur beschädigter Wendelbe-reiche, etwa von sogenannten „hot-spots“. Die Einstellungeines Kreisprozesses ist auch für andere Lampentypen einwesentliches Mittel zur Verbesserung der Stabilität und Le-bensdauer, weshalb hierauf an späterer Stelle noch einmalnäher eingegangen wird.

Durch die Verringerung des Nettotransports von Wolf-ram in Halogenglühlampen können höhere Wendeltempe-

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raturen zugelassen werden. Dies resultiert einerseits inhöheren Lichtausbeuten von bis zu 25 lm/W, andererseitswird eine Miniaturisierung des Lampenkolbens möglich.Durch Aufbringen von Infrarotstrahlung reflektierenden In-terferenzschichten auf den Glaskolben kann die Effizienzweiter auf bis zu 35 lm/W gesteigert werden. Im Zusam-menhang mit noch höheren Lichtausbeuten wird derzeitdie Anwendung von „photonic band gap“-Materialien inGlühlampen diskutiert. Derartige photonische Kristalle, bei-spielsweise aus Wolfram, weisen eine optische Bandlückeim Bereich des infraroten Lichts auf. Dies gelingt durch pe-riodische Modulationen des Brechungsindexes, die etwa inder Wellenlänge des „auszusortierenden“ Lichts liegen. Aufdiese Weise könnte man - so die Idee - die ungewünschteninfraroten Photonen unterdrücken und deren Energie prin-zipiell für die Erzeugung sichtbaren Lichts nutzen. Theore-tisch ließe sich damit die Effizienz einer Glühlampe auf biszu 60% steigern.

GasentladungslampenIn einer Gasentladung werden Atome, Moleküle oder auchIonen angeregt, wodurch Photonen abgestrahlt werdenkönnen. Die Anregung der Spezies erfolgt üblicherweisedurch Elektronen, die im elektrischen Feld zwischen zweisich gegenüberliegenden Elektroden beschleunigt werden.Die Elektroden können dabei durch dielektrische Schichtenvor dem direkten Kontakt mit dem Plasma geschützt sein.

Dies ist bei sogenannten Barrierenentladungen der Fall, diez. B. in den einzelnen Bildpunkten von Plasmafernsehgerä-ten realisiert sind: In jedem Pixel wird die von Xe2

*-Exzi-meren erzeugte UV-Strahlung mit Hilfe von Leuchtstoffenin blaues, grünes bzw. rotes Licht konvertiert. Alternativkann die Energieeinkopplung auch durch in das Plasma ein-gestrahlte elektromagnetische Felder wie Mikrowellen er-folgen. In diesem Zusammenhang spricht man auch vonelektrodenlosen Entladungen. Zu den vielen Faktoren, diedie Eigenschaften einer Gasentladung bestimmen, gehörenz. B. Art und Partialdrücke von Füllkomponenten, Art undTemperaturen von Elektroden- und Wandmaterialien sowiedie Elektroden- und Entladungsgeometrien.

Bei der Lichterzeugung unterscheidet man zwei Haupt-typen: Niederdruck- und Hochdruckgasentladungslampen.Im ersteren Fall sind die Betriebsdrücke so gering (< 100 Pa),dass die mittleren freien Weglängen der Elektronen in derGrößenabmessung des Entladungsgefäßes liegen, bei-spielsweise einige cm. Aufgrund der geringen Stoßraten mitden Neutralgasteilchen gewinnen die Elektronen hierbeivergleichsweise hohe Energien (>1 eV) bzw. Temperaturen(> 10000 K) durch das elektrische Feld, was zu einer effi-zienten Anregung, vorzugsweise von atomaren Resonanzli-nien, führt. Elektronen und Neutralgasteilchen befindensich daher nicht im thermischen Gleichgewicht, sodass dieNeutralgasteilchen ebenso wie das Entladungsgefäß kaltbleiben. Dies ist bei Hochdruckgasentladungslampen grund-sätzlich anders: Aufgrund des vergleichsweise hohen Be-triebsdrucks von 100 bis über 10.000 kPa sind die Stoßra-ten der Plasmaspezies hinreichend groß, sodass sich einenäherungsweise einheitliche Teilchentemperatur von meh-reren 1000 K einstellt. Dabei spielt die Wahl des Wandma-terials eine entscheidende Rolle, da es Temperaturen vonbis zu 1600 K über mehrere 1000 Stunden in Gegenwartvon reaktiven Spezies widerstehen muss. In Abhängigkeitvon der Füllung tragen in Hochdrucklampen verschiedeneAnteile zum Spektrum bei, z. B. druckverbreiterte Atom-linien, molekulare Strahlungsbanden und quasi-kontinuier-liche frei-frei oder frei-gebundene Übergänge. In Nieder-druck- und Hochdruckgasentladungslampen treten Ver-lustprozesse auf, die zur Einstellung radialer Temperatur-profile führen, sodass das Licht nur in einem begrenzten Teilder Entladung erzeugt wird.

Abbildung 3 gibt eine Übersicht über die wichtigsten Ty-pen von Gasentladungslichtquellen. Im Fall der Quecksil-berniederdrucklampen und der Xenon-Exzimerlampen wirddie UV-Strahlung mit Hilfe von Leuchtstoffen in den sicht-baren Spektralbereich konvertiert.

NiederdruckgasentladungslampenFür den Betrieb effizienter Niederdruckgasentladungen ha-ben sich insbesondere Na, Hg und Xe als günstige Emittererwiesen, wobei lediglich Natrium direkt sichtbares Licht(Na-Liniendublett bei 589 nm) emittiert. Dagegen erzeugensowohl Hg- als auch Xe2*-Niederdruckentladungen fast aus-schließlich UV-Strahlung, die dann mit Hilfe von fluores-

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zierenden Leuchtstoffen in sichtbares Licht konvertiert wer-den muss. Man spricht daher auch von Fluoreszenz- oderLeuchtstofflampen, welche heute nach den Glühlampendie am weitesten verbreiteten Lichtquellen darstellen.

Der Einsatz von Xenon als Emitter in der Niederdruck-entladung besitzt einige technische und ökologische Vor-teile gegenüber der Verwendung des toxischen Quecksil-bers, wie z. B. die Möglichkeit schnelle Schaltzyklen zu rea-lisieren. Dies ist darauf zurückführen, dass Xenon als Edel-gas nicht wie Hg nach dem Zünden der Entladung zunächstverdampft werden muss. Darum wird Hg auch nicht in Plasmabildschirmen eingesetzt, sondern hier finden aus-schließlich Edelgase und insbesondere Xe Verwendung.Steht allerdings die Energieeffizienz und Lebensdauer einerLichtquelle im Vordergrund, so ist die Xe-Entladung der Hg-Entladung eindeutig unterlegen: Während Xe2*-Exzimereenergiereiche UV-Strahlung bei 172 nm erzeugen, emittie-ren die angeregten Hg-Atome in einer Hg-Niederdruckent-ladung vorrangig bei 254 nm, einer Resonanzlinie, ab (Ab-bildung 4). Somit ist gemäß dem Stokesschen Gesetz der Energieverlust aufgrund der Strahlungskonversion in denlangwelligen Spektralbereich deutlich geringer. Zudemnimmt die Stabilität der Leuchtstoffe mit steigender Ener-

gie absorbierter UV-Photonen ab, was auf die Wirtsgitter-anregung durch 172 nm Photonen mit anschließender Bildung von Farbzentren im Gitter zurückzuführen ist.

Somit führen Xe-Entladungslampen bis heute nur einNischendasein. Sie werden nur dort eingesetzt, wo schnel-le Schaltzyklen von Bedeutung sind, z. B. in Photokopierern.Dagegen sind Hg-Niederdruckentladungslampen in Formder Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen nach denGlühlampen die am weitesten verbreiteten Lichtquellen.

Der enorme kommerzielle Erfolg der Leuchtstofflam-pen ist letztendlich der Variabilität der Emissionsspektrenund der anorganisch-chemischen Materialforschung zu ver-danken: In den letzten 60 Jahren sind eine Vielzahl vonLeuchtstoffen entwickelt worden, welche 254 nm-Photo-nen stark absorbieren und mit hoher Quantenausbeute inbeinahe jedes gewünschte Emissionsspektrum zwischen300 und 700 nm umwandeln (Tabelle 1).

Bei den heute eingesetzten Leuchtstoffen, die aus-schließlich anorganischer Natur sind, handelt es sich um sta-bile Wirtsmaterialien, die mit einigen Molprozent Aktivato-ren und ggf. mit Sensibilisatoren dotiert werden. So ist z. B.der gängigste rote Emitter in Leuchtstofflampen ein Eu3+ ak-tiviertes oxidisches Gitter, nämlich (Y1-xEux)2O3 bzw.

Leuchtstoff- Emission Emissions- Lumenäquivalent Anwendung inzusammensetzung [Farbe] maximum [nm] [lm/Wopt.]SrAl12O19:Ce3+ UV-B 300 – Medizinische Lampen

LaB3O6:Bi3+Gd3+ UV-B 311 – Medizinische Lampen

LaPO4:Ce3+ UV-B 320 – Kosmetische Lampen

YPO4:Ce3+ UV-A 335, 355 – Kosmetische Lampen

BaSi2O5:Pb2+ UV-A 350 – Kosmetische Lampen

(Sr,Zn)2MgSi2O7:Pb2+ UV-A 365 – Kosmetische Lampen

SrB4O7:Eu2+ UV-A 368 – Kosmetische LampenSchwarzlichtlampen

Sr2P2O7:Eu2+ Violett 390 30 Reprographielampen

BaMgAl10O17:Eu2+ Blau 453 80 Farbe 80 LampenPlasmabildschirme

Sr4Al14O25:Eu2+ Cyan 490 270 Farbe 90 Lampen

BaMgAl10O17:Eu2+Mn2+ Cyan 453, 515 200 Farbe 90 Lampen

Zn2SiO4:Mn2+ Grün 525 500 PlasmabildschirmeDekolampen

CeMgAl11O19:Tb3+ Grün 541 495 Farbe 80 Lampen

GdMgB5O10:Ce3+Tb3+ Grün 542 495 Farbe 80 Lampen

LaPO4:Ce3+Tb3+ Grün 545 500 Farbe 80 Lampen

Y3Al5O12:Ce3+ Gelb 565 450 Farbe 90 Lampen,Dekolampen

(Y1-xGdx)BO3:Eu3+ Orange 595 270 Farbe 80 LampenPlasmabildschirme

Y2O3:Eu3+ Rot-orange 611 280 Farbe 80 Lampen

Y(V1-xPx)O4:Eu3+ Rot-orange 615 225 Farbkorrektur inHochdrucklampen

GdMgB5O10:Ce3+Tb3+Mn2+ Rot 630 215 Farbe 90 Lampen

Mg4GeO5.5F:Mn4+ Rot 655 80 Dekolampen

TAB. 1 | C H E M I S C H E Z U SA M M E N S E T Z U N G U N D O P T I S C H E E I G E N S C H A F T E N B E D E U T E N D E R

KO M M E R Z I E L L E R L E U C H T S TO F F E F Ü R B E L E U C H T U N G S Z W EC K E


Y2O3:Eu, wobei x bei etwa 0.05 liegt. Die Wahl des Aktiva-tors wird durch die Möglichkeit zur Mischkristallbildungund vor allem durch das Zielspektrum erheblich be-schränkt, da die aktivator-spezifischen Energieniveaus ge-eignete Energiedifferenzen aufweisen müssen, um das ge-wünschte Emissionsspektrum zu erzeugen. So sind für denultravioletten Spektralbereich nur Gd3+, Ce3+, Pb2+ oderEu2+ als Aktivatoren geeignet, und demnach verwendet manin UV-emittierenden Leuchtstofflampen für medizinischeoder kosmetische Zwecke entsprechend dotierte Leucht-stoffe.

Fluoreszenzlampen für die Allgemeinbeleuchtung ent-halten Leuchtstoffe mit einem Emissionsspektrum, das ei-nen möglichst großen spektralen Überlapp mit der Augen-empfindlichkeitskurve Vλ aufweist (Abbildung 5). Demnachsind linienemittierende Aktivatorionen wie Eu3+ (610 nm)oder Tb3+ (545 nm) von entscheidender Bedeutung, da de-ren Verwendung Lichtausbeuten von bis zu 100 lm/W er-möglicht. Das entspricht einer Energieeffizienz von ca. 30%.

Um neben der hohen Lichtausbeute auch eine hoheLichtqualität bzw. Farbwiedergabe zu gewährleisten, ver-wendet man in modernen Fluoreszenzlampen eine trichro-matische RGB-Leuchtstoffmischung, wobei zwei der dreiLeuchtstoffe, z.B. LaPO4:Ce,Tb und Y2O3:Eu, Linienemittersind. Mangels geeigneter linienemitterender Aktivatoren imblauen Spektralbereich verwendet man üblicherweise einenEu2+-aktivierten Breitbandemitter, meist BaMgAl10O17:Eu.

Trichromatische Fluoreszenzlampen emittieren somitein Spektrum, das vorwiegend aus Linien besteht, wobei dasFehlen einiger Spektralfarben naturgemäß eine geringereFarbwiedergabe im Vergleich zu einem Kontinuumsstrahler,d.h. der Glühlampe, bedingt. Um die Farbwiedergabe, dieetwa 80 – 85% einer Glühlampe entspricht, zu verbessern,verwendet man in sogenannten Farbe-90-Lampen weitereLeuchtstoffe, um die Lücken im Emissionsspektrum aufzu-füllen. Dabei handelt es sich konsequenterweise um breit-bandig emittierende Leuchtstoffe, die mit Ce3+, Eu2+ oderMn2+ aktiviert sind.

Weitere Entwicklungen zur Verbesserung der Fluores-zenzlampen zielen auf eine Erhöhung der Lebensdauer unddie Reduktion des Hg-Verbrauches im Lampenbetrieb bzw.der Reduktion der dosierten Hg-Menge. Beides lässt sichdurch den Einsatz von Teilchenbeschichtungen erreichen:Die etwa 3 – 5 µm großen Leuchtstoffpartikel werden miteinem stabilen Oxid, das für 254 nm-Photonen transparentist, beschichtet. Die Beschichtung muss dabei eine hoheStabilität gegenüber der Entladung und eine nur geringechemische Wechselwirkung mit Hg aufweisen. Ein geeig-netes Material, das alle Anforderungen erfüllt, ist Al2O3. Eswird bei Leuchtstoffen als Beschichtung angewendet, dieentweder eine zu geringe Stabilität (BaMgAl10O17:Eu) odereine starke Adsorption von Quecksilber (BaSi2O5:Pb) zeigen.

HochdruckgasentladungslampenHochdruckgasentladungslampen basieren auf den Elemen-ten Hg oder Na. Darüber hinaus werden andere Metalleoder Verbindungen in sogenannten Metallhalogenidentla-dungen der Lampenfüllung hinzugefügt. Jede Kombinationerzeugt dabei Strahlung mit spezifischen lichttechnischenEigenschaften, wie Farbort oder Farbwiedergabe. Theore-tisch können mehr als 50 verschiedene Metalle in solchenLampen verwendet werden.

Anhand dieser Variationsmöglichkeiten hat die Lam-penindustrie mehrere Grundtypen entwickelt, die auf zahl-reiche verschiedene Anwendungen für die Allgemein- undSpezialbeleuchtung zugeschnitten sind.

QuecksilberhochdrucklampenIn diesem Lampentyp wird in das Quarzgefäß eine Mi-schung aus Hg und Ar gefüllt. Das Entladungsgefäß befin-det sich zwecks thermischer Isolierung in einem evakuier-ten Außenkolben. Nach Anlegen eines Hochspannungs-zündpulses von einigen kV erfolgt die Entladung zunächstim Startgas Ar. Die Gefäßwand wird dann im Verlauf der Zeitdurch thermische Verluste des Plasmas weiter aufgeheiztund das flüssige Hg zunehmend verdampft, bis sich der ge-samte Hg-Vorrat in der Gasphase befindet. Bei einem Druckvon mehreren 100 bis 1000 kPa liefern die atomaren unddruckverbreiterten Linien des Hg ein bläulich-weißes Spek-trum, das auch UV-Anteile, beispielsweise bei 254 nm ent-hält. Zur Effizienzsteigerung können die UV-Photonen zu-sätzlich mit Hilfe von auf der Innenseite des Außenkolbensangebrachten Leuchtstoffen, z. B. YVO4:Eu, in sichtbaresLicht konvertiert werden, was auch die Farbqualität ver-bessert. Quecksilberhochdrucklampen werden im Bereichder Innen- und Außenbeleuchtung eingesetzt. Ihre Effizi-enz ist mit Werten von 50-60 lm/W im Vergleich zu ande-ren Hochdruckgasentladungslampen gering. Dies gilt auchfür die nur mäßige Farbqualität.

Eine aktuelle Weiterentwicklung dieses Lampentyps ba-siert auf dem Bedarf an punktförmigen und hochintensivenLichtquellen für Projektionsanwendungen. Hierzu werdendie Entladungen – auch als sogenannte UHP-Lampen be-kannt – bei Hg-Drücken von mehr als 10000 kPa und bei

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Spektrum einer36 W Farbe 80-Fluoreszenz-lampe und dieAugenempfind-lichkeitskurve Vλλ(YOX = Y2O3:Eu, LAP = LaPO4:CeTb, BAM =BaMgAl10O17:Eu).



extrem kurzer Bogenlänge von nur etwa 1 mm betrieben.Im Unterschied zu den oben genannten Quecksilber-dampflampen trägt hier – aufgrund der sehr viel höherenBedriebsdrücke – auch Molekülstrahlung von z. B. Hg2 maß-geblich zur sichtbaren Strahlung bei, sodass ein kontinu-ierlicheres, weißes Spektrum resultiert. Ein zentraler Aspektderartiger Quecksilberdampf-Höchstdrucklampen ist dabeidie Gewährleistung einer hohen Stabilität der Entladungwie konstanter Lichtstrom und gleichbleibender Elektro-denabstand. Dies wird durch die Einstellung eines Wolf-ramkreisprozesses erreicht, indem beispielsweise Zusätzevon O2 und Br2 der Entladung beigefügt werden. In Analo-gie zu den bereits erwähnten Halogenglühlampen wird hierdas von den Elektroden sublimierte Wolfram in Form vonWolframoxybromid-Verbindungen wieder auf die Elektro-den zurückgeführt.

MetallhalogenidlampenIn Metallhalogenidlampen werden neben Hg und Ar ver-schiedene Verbindungen von Metallen und Halogenen,meist Jodverbindungen, zugeführt. Auf diese Weise gelan-gen auch schwer verdampfbare Metalle in Form von flüch-tigeren Metallhalogeniden in die Gasphase, wo diese imheißen Plasma teilweise dissoziieren und Linien- und Mo-lekülstrahlung erzeugt wird. Hinzu kommt eine geringerechemische Aggressivität der Spezies mit Blick auf die Wand-korrosion. Man unterscheidet drei Arten von Metallhaloge-nidlampen: Viellinienstrahler, Molekülstrahler und Drei-bandenstrahler. Bei den Viellinienstrahlern kommen Sel-tenerdverbindungen wie DyI3, HoI3 oder TmI3 zum Einsatz.Bei den Xenonlampen, die für die Frontbeleuchtung in Au-tomobilscheinwerfern eingesetzt werden, wird auch ScI3

verwendet, wobei das umweltschädliche Hg inzwischen er-folgreich durch ZnI2 ersetzt wurde [2].

Neben Hg und Ar werden Metallhalogenidlampen auchNaI und TlI hinzugefügt, um die Effizienz und Farbqualitätweiter zu verbessern. Molekülstrahler, wie z. B. SnCl2, pro-duzieren ebenfalls ein quasi-kontinuierliches Spektrum mitguter Farbqualität. In Dreibandenstrahlern werden Mi-schungen aus Natrium-, Thallium- und Indiumhalogeniden(Bromiden, Iodiden) gefüllt. Sie liefern Strahlungsbeiträgeim gelben (Na), grünen (Tl) und blauen (In) Spektralbe-reich. Eine Besonderheit der Metallhalogenidlampen liegt inder Realisierung eines Halogenid-Kreisprozesses: Die ver-dampften Metallhalogenidverbindungen dissoziieren in denheißeren Plasmazonen bei unterschiedlichen Temperatu-

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… in einemDreibandenstrah-ler in Gegenwartvon Sauerstoffund Brom. Die Lös-lichkeitskurve fürWolfram (SPW)setzt sich aus denPartialdrückender verschiedenenSpezies zusam-men.

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… mit kerami-schem Entla-dungsgefäß auspolykristallinemAl2O3.


ren in Metallatome, Halogene und Ionen. Im heißen Plas-mazentrum werden die Teilchen dann zum Leuchten an-geregt. Konvektion und Diffusion transportieren die Speziesschließlich in kältere Zonen zurück, wo sie mit den Halo-genen wieder rekombinieren können.

In Metallhalogenidlampen ist die Einstellung eines Wolf-ramkreisprozesses nur begrenzt möglich, da der hierfürbenötigte Sauerstoff beispielsweise von Selten-Erd-Kompo-nenten chemisch gebunden wird. Dies ist bei den Dreiban-denstrahlern nicht der Fall (Abbildung 6). Ähnlich demWolframkreisprozess in Halogenglühlampen oder Queck-silberdampf-Höchstdrucklampen bewirkt eine Zugabe vonSauerstoff und Halogen eine gezielte Beeinflussung derWolframlöslichkeit. Darunter versteht man den Summen-partialdruck, der sich aus allen beteiligten Wolframverbin-dungen bei vorgegebener Temperatur ergibt. Anhand derAbbildung 6 erkennt man, dass die Wolframlöslichkeit ander Gefäßwand diejenige an der Elektrodenspitze über-

steigt. Nach den Prinzipien des chemischen Transportskann somit Wolfram von der Wand zur Elektrode zurück-geführt werden.

In Metallhalogenidlampen gibt die Rekristallisation vonQuarz eine obere Grenze für die maximal tolerierbare Ge-fäßwandtemperatur von ca. 1270 K vor. Aus diesem Grundentwickelte die Lampenindustrie keramische Wandmateri-alien auf der Basis von polykristallinem Al2O3, die Mitte der90er Jahre in den Markt für Metallhalogenidlampen einge-führt wurden. Aufgrund der höheren Wandtemperaturenkönnen höhere Partialdrücke der Spezies erzielt werden,was zu einer weiteren Verbesserung der Strahlungseffizi-enz und Farbeigenschaften führt. Abbildung 7 zeigt die ther-mischen und chemischen Aspekte dieses Lampentyps auf.In das Entladungsgefäß werden stabförmige Elektroden ein-geführt, deren Kopfstück aus Wolfram besteht. Um den ther-mischen Ausdehnungskoeffizienten des polykristallinenAl2O3 über einen Temperaturbereich von 300 bis 1400 Kan den der Elektroden anzupassen, besteht deren Endstückaus Nb. Die eigentliche Abdichtung erfolgt mit Hilfe einesSchmelzglases, bestehend aus SiO2, Al2O3 und einem Sel-tenerdoxid, z. B. Dy2O3, wobei die Seltenerdkomponentean die Füllung der Entladung angepasst ist. Da Nb mit derHalogenkomponente aus dem Plasma reagieren würde,muss das Schmelzglas diesen Teil der Elektrode vollständigbedecken. Zur effizienteren Abfuhr der Elektrodenwärmewird deren Mittelstück aus Mo – einem Metall mit hoherWärmeleitfähigkeit – gefertigt. Im Laufe des Betriebs tretenTransport- und Korrosionsprozesse auf, die lichttechnischeEigenschaften und die Lebensdauer der Lampen begrenzen.Auf diese Phänomene wird im nachfolgenden Abschnittnäher eingegangen.

Metallhalogenidlampen finden aufgrund ihrer hohen Ef-fizienz von mehr als 100 lm/W sowie sehr guten Farbei-genschaften und hohen Lebensdauern von über 10000 Stun-den breite Anwendung in der Allgemeinbeleuchtung, z. B.in Kaufhäusern. Abbildung 8 zeigt ein Spektrum einer Sel-tenerdlampe mit einer Leistung von 75 W, wovon etwa 60%in Strahlung umgesetzt werden. Im Sichtbaren liegt die Ef-fizienz bei etwa 33%, was dem 7-fachen Wert einer kon-ventionellen Glühlampe entspricht.

Weitere HochdruckgasentladungslampenNeben den auf Hg basierenden Hochdruckgasentladungs-lampen sind Natriumdampflampen weit verbreitet. Hierstrahlen die bei etwa 589 nm liegenden Linien des Natriumsihr charakteristisches gelbes Licht ab. Um dem aggressivenheißen Natriumdampf bei Wandtemperaturen von über1000 K widerstehen zu können, besteht das Entladungsge-fäß auch hier aus polykristallinem Al2O3. In SiO2-Gefäßensind solche Lampen wegen der Wandkorrosion nur bei er-heblich niedrigeren Wandtemperaturen als Niederdruck-lampen verfügbar. Typische Einsatzgebiete von Natrium-dampflampen liegen in der Straßen- und Tunnelbeleuch-tung sowie in der Pflanzenbeleuchtung in Gewächshäu-sern.

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Abb. 8 SpektraleIntensitäten einerMetallhalogenid-lampe (NaI/TlI/DyI3/Ar/Hg) mitkeramischem Ent-ladungsgefäß. Vλλ bezeichnet diespektrale Augen-empfindlichkeits-kurve.

Abb. 9 Simulati-on von Partial-drücken in einerGasentladung mitGemisch ausNaI/DyI3 als Funk-tion der Wand-temperatur mitdominanter Kom-plexverbindungNaDyI4.



Mitte der 90er Jahre wurde eine mit Mikrowellen ange-regte Hochdruck-Schwefellampe vorgestellt. Ihr Vorteil: Einsonnenähnliches Spektrum, dass von S2-Molekülen herrührtund ein elektrodenloser Betrieb. Letzterer ist notwendig, daes keine geeigneten Elektroden gibt, die dem aggressivenheißen Schwefeldampf widerstehen würden. Die beacht-lich hohe Effizienz der Lampe von 170 lm/W wird aller-dings durch den ineffizienten und lebensdauerbegrenzen-den Mikrowellengenerator zunichte gemacht, weshalb sichdieser Lampentyp – auch mit Blick auf die Betriebskosten– bis heute auf dem Markt nicht durchsetzen konnte.

Thermochemie von MetallhalogenidlampenDie Thermochemie von Gasentladungen, insbesondere vonMetallhalogenidlampen, stellt ein zentrales Gebiet der mo-dernen Lichtquellenforschung dar. Zum einen ist man anden im Plasma vorherrschenden Spezies und Teilchen-dichten interessiert, um beispielsweise die Energiebilanzenbzw. Strahlungseigenschaften zu verstehen und weiter zuverbessern. Zum anderen beeinflussen Korrosions- undTransportprozesse des Elektroden- und Wandmaterials dasStabilitäts- und Lebensdauerverhalten der Lampen. Zur Si-mulation des chemischen Gleichgewichts kommen kom-merzielle Simulationsprogramme, z. B. FactSage [4], zumEinsatz. Derartige sogenannte Gibbs-Minimierer könnenkomplexe Gleichgewichtssimulationen über einen weitenTemperatur- und Druckbereich beschreiben. Die Qualitätder Berechnungen hängt dabei entscheidend von den ver-wendeten thermodynamischen Eingangsgrößen wie Bil-dungsenthalpien oder -Entropien ab. Diese sind oftmalsnicht bekannt und müssen experimentell, etwa mit Hilfe derKnudsen-Effusions-Massenspektrometrie [5], bestimmt wer-den. Aus Messungen von Partialdrücken können damitGleichgewichtskonstanten der verschiedenen chemischenReaktionen ermittelt werden. Darüber hinaus spielen dieWechselwirkungen fester, gasförmiger und flüssiger Speziessowohl untereinander als auch miteinander eine entschei-dende Rolle. Beispielsweise werden thermodynamische Da-ten der kondensierten Phase aus Messungen von Partial-drücken gasförmiger Spezies ermittelt. Aus solchen Unter-suchungen können schließlich chemische Reaktionen wieKorrosions- und Transporteigenschaften in den Lampen ab-geleitet werden.

Abbildung 9 zeigt eine Simulation der Partialdrücke vonSpezies in einer Hochdruckgasentladung mit einem Ge-misch aus NaI/DyI3 als Funktion der Wandtemperatur. Letz-tere ist diejenige Temperatur, welche die kälteste Stelle aufder Innenseite des Entladungsgefäßes repräsentiert.

Gemäß Abbildung 9 entsteht in dieser Entladung dieKomplexverbindung NaDyI4 gemäß der Reaktion

NaI (g) + DyI3 (g) ↔ NaDyI4

die das Plasma mit Blick auf seinen Partialdruck dominiert.Aufgrund der Komplexbildung findet eine Verstärkung derPartialdrücke von Na und Dy Atomen in der Gasphase statt,

wie man anhand der vergleichsweise geringeren Partial-drücke der reinen Komponenten NaI und DyI3 erkennt [6].Dieser Effekt resultiert in verbesserten Strahlungseffizienzenund Farbeigenschaften dieses Lampentyps.

Im Verlaufe des Betriebs von Metallhalogenidlampenwerden Korrosions- und Transporteigenschaften beobach-tet, die einen wesentlichen Einfluss auf die lichttechnischenEigenschaften haben. Abbildung 10 zeigt den Querschnitteines polykristallinen Al2O3 Gefäßes, in dem eine Entladungin NaI/DyI3 über 9000 Stunden betrieben wurde. Das dorteingezeichnete schwarze Quadrat deutet die ursprünglicheGeometrie unmittelbar nach der Herstellung des Gefäßesan. In den Elektrodenregionen und auf der inneren Unter-seite des Entladungsgefäßes, an der sich die flüssigen Füll-salze befinden, beobachtet man eine Verarmung von Al2O3.Dieses wird im Verlaufe der Zeit in die kälteren Zonen, bei-spielsweise in die inneren Ecken des Gefäßes, transportiert.

Um die Korrosions- und Transportphänomene desWandmaterials und Auswirkungen auf die Gasphasenei-genschaften zu untersuchen, werden sogenannte Auslage-rungsexperimente durchgeführt. Diese erlauben eine Tren-nung von zusätzlich überlappenden Effekten, wie z. B. derWolframkorrosion. Zu diesem Zweck werden elektroden-lose Gefäße, welche die zu untersuchende Salzfüllung so-wie Ar enthalten, unter isothermen Bedingungen oder in ei-nem Temperaturgradienten über eine Dauer von mehrerenhundert bis tausend Stunden erhitzt. Durch Anlegen einesTemperaturgradienten berücksichtigt man den in Lampenbeobachteten Transport der Spezies von heißeren in kälte-

A B B . 1 0 | KO R ROS I O N N AC H 9 0 0 0 S T U N D E N

Querschnitt eineskorrodierten Ent-ladungsgefäßesaus polykristalli-nem Al2O3 nach9000 h Betriebs-dauer. Als Füllungwurde eine Mischung ausNaI/DyI3 verwen-det.


re Zonen. Im Unterschied hierzu liefern isotherm durchge-führte Experimente thermodynamische Kenngrößen wieLöslichkeiten oder Bildungsenthalpien und -entropien derzu untersuchenden Spezies in Abhängigkeit von wohl defi-nierten Temperaturen. Abbildung 11 gibt ein Beispiel für einin einem Temperaturgradienten durchgeführtes Auslage-rungsexperiment. In eine Ampulle aus polykristallinemAl2O3 wurde dabei eine Mischung aus NaI und DyI3 gefülltund ein Temperaturgradient von 1450 bis 1600 K einge-stellt. Innerhalb der Ampulle befinden sich mehrere klei-nere flache Al2O3-Plättchen, an deren Orten jeweils einebestimmte, dem Temperaturgradienten entsprechende Tem-peratur vorherrscht. Nach einer definierten Auslagerungs-zeit werden die Plättchen dann aus der Ampulle entferntund verschiedenen analytischen Verfahren, wie SEM undXRD, unterzogen. Auf diese Weise können stabile Korrosi-onsphasen wie Aluminate, identifiziert werden. Die Am-pullen werden weiteren quantitativen Analysen unterzogen,um die darin verbleidenden Komponenten auf ihre Speziesund Zusammensetzung hin zu untersuchen. Gemäß Ab-bildung 11 (rechts) beobachtet man nach 1000 h die an

den kalten Stellen akkumulierten KorrosionsprodukteDy3Al5O12(s) und DyAlO3(s). Die Deposition von Al2O3

rührt dabei von heißeren Stellen her, an denen ein Verlustvon Wandmaterial beobachtet wird (Abbildung 11, links).Dagegen beobachtet man bei mittleren Temperaturen (Ab-bildung 11, mitte) nahezu unveränderte Eigenschaften desWandmaterials. Untersuchungen für verschiedene Füllun-gen und Füllmengen haben ergeben, dass Al2O3 durch dieVerbindung AlI3 chemisch transportiert wird, ausgelöstdurch kondensierte Phasen [7]. In SiO2-Gefäßen hat mandementsprechend SiI2 und SiI4 als Transportkomponentenfür SiO2 identifiziert. Allerdings findet hier der Wandangriffund -transport ausschließlich über die Gasphase statt (Ab-bildung 12). An dieser Stelle sei dem Leser weiterführendeLiteratur, z. B. [8, 9], empfohlen.

HalbleiterlichtquellenIn Halbleiterlichtquellen wird elektromagnetische Strahlungdurch Rekombination von Elektronen und positiven La-dungsträgern (Löchern) erzeugt [10]. Dabei werden Licht-quanten mit einer Energie emittiert, die der Bandlücke desHalbleiterübergangs entspricht. In anorganischen Leucht-dioden erfolgt der Rekombinationsvorgang in einer Zone,welche an der Kontaktstelle eines p- und n-dotierten Halblei-ters entsteht. Hierzu wird beispielsweise die aus GaN be-stehende Matrix mit Mg2+ (p-Halbleiter) bzw. Si4+ (n-Halblei-ter) dotiert. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung inDurchlassrichtung werden Elektronen und Löcher zur Re-kombinationszone transportiert und Photonen werden aus-gesendet. Bei umgekehrter Polarität (Sperrrichtung) hinge-gen kommt es zur Verarmung von Ladungsträgern in der ak-tiven Schicht, sodass keine Strahlungsemission stattfindenkann.

Obwohl Leuchtdioden schon seit den 60er Jahren kom-merziell erhältlich sind, war ihre Verwendung bis vor eini-gen Jahren auf Anzeige- und Signaleinrichtungen be-schränkt. Die Verwendung von LEDs für die Allgemeinbe-leuchtung wurde bis dahin nicht ernsthaft diskutiert: Ei-nerseits emittierten die bis dahin bekannten grünen, gelbenund roten LEDs nur einen sehr geringen Lichtstrom von ca. 0.2 – 2 Lumen. Andererseits konnte man mit den bis da-hin verwendeten Halbleitermaterialien (Al1-xGax)As und(Al1-x-yGaxIny)P aufgrund der zu geringen Bandlücken vonArseniden und Phosphiden keine blaue oder blaugrüneLichtemission erhalten, was Voraussatzung für die Darstel-lung weißen Lichts ist [10].

Der entscheidende Durchbruch wurde 1994 durch dieEntwicklung von effizienten und stabilen blauen LEDs aufder Basis des halbleitenden Materials (In1-xGax)N auf Sa-phirsubstrat erzielt [11]. Durch die Verwendung nitridischerHalbleiter können LEDs mit einem Emissionsmaximum zwi-schen 370 und 580 nm realisiert werden, wobei sich das Ma-ximum mit steigendem In-Gehalt ins Langwellige verschiebt(Abbildung 14). Die höchste externe Quantenausbeute vonetwa 20% wird heute für (In1-xGax)N LEDs bei 450 nm er-reicht [12].

A B B . 1 1 | KO R ROS I O N SA B L AG E R U N G E N I N A l 2O 3

A B B . 1 2 | KO R ROS I O N I N S i O 2- G E F Ä S S E N

Abb. 11 SEM-Un-tersuchungen anpolykristallinenAl2O3-Gefäßen, die mit einer Mischung aus NaIund DyI3 gefülltund in einem Tem-peraturgradientenfür 1000 h ausge-lagert wurden. Dierömischen Ziffernkennzeichnen räumliche Gebietemit entsprechendeingetragenenTemperaturen.

Abb. 12 Verar-mung, Transportund Ablagerungvon SiO2 in Quarz-gefäßen durch dieGasphasenkom-ponenten SiI2 undSiI4.



Gleichzeitig wurde die Entwicklung von „High Bright-ness“-LEDs vorangetrieben, welche die konventionellen 5 mm Epoxydharz LEDs in Lichtausbeute und -strom deutlichübertreffen [12]. Dazu wurde ein Design entwickelt, das ei-nen guten thermischen Kontakt zwischen LED-Kristall undHalterung gewährleistet. So wird eine optimale Kühlungdes Halbleiters erzielt. Zudem wurde die Chipfläche in-zwischen von 0.07 auf bis zu 4 mm2 deutlich erhöht, so dassnun LEDs mit einer Leistungsaufnahme von einigen Wattverfügbar sind. Für allgemeine Beleuchtungszwecke wer-den heute weiße LEDs auf der Basis von UV-A (370 nm)oder blau-emittierenden (In1-xGax)N Halbleitern (450 nm)gefertigt. Dazu wird der Chip, der sich in einem Reflektor(Silberspiegel) befindet, mit einem geeigneten Leuchtstoffbeschichtet. Das resultierende Spektrum entspricht weißemLicht mit hoher Lichtausbeute und guter Farbwiedergabe.

Für die Erzeugung von weißem LED-Licht bieten sichzwei Konzepte an: Erstens die Beschichtung von UV-A-LEDsmit einer Leuchtstoffschicht, die das UV-A-Licht vollständigin weißes Licht konvertiert [13]. Zweitens die Beschich-tung von blauen LEDs mit einer Leuchtstoffschicht, die gel-bes Licht gemäß Abbildung 14 emittiert. In diesem Fall muss

die Schichtdicke derart eingestellt werden, dass ein be-stimmter Anteil des blauen Lichts nicht in gelbes Licht kon-vertiert wird und so durch additive Lichtmischung weißesLicht entsteht [11].

Das zweite Konzept ist hinsichtlich der maximal er-reichbaren Energieeffizienz günstiger, da bei der Verwen-dung von UV-A-LEDs der größere Stokes-Shift bei der Kon-version ins Sichtbare zu einem höheren Energieverlustführt.

Da blaue (In1-xGax)N-LEDs zudem auch höhere Quanteneffizienzen als UV-A-LEDs zeigen, wurden konse-quenterweise 1997 weiße LEDs entwickelt, die auf blau-emittierenden Halbleitern basieren. Die weiße Emissionwird durch eine Beschichtung mit dem Leuchtstoff (Y1-xGdx)3Al5O12:Ce (YAG:Ce) erreicht, der im blauen Spek-tralbereich stark absorbiert und bei ca. 560 nm eine breiteEmissionsbande aufweist.

So realisiert man eine weiße Lichtquelle, die neben gu-ter Effizienz eine hohe Farbwiedergabe erreicht. Die erstenExemplare hatten zunächst nur eine Lichtausbeute von 10 lm/W. Bei einer Leistungsaufnahme von ca. 70 mW ent-spricht dies einem Lichtstrom von 0.7 lm [14]. Durch die

A B B . 1 3 | I n - G a - L E D A B B . 1 5 | W E I S S E L E D

A B B . 1 4 | L E D - S PE K T R U M M I T N I T R I D I S C H E M H A L B L E I T E R

400 450 500 550 600 650 700 750

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Absorption des YAG: Ce-Leuchtstoffs

Wellenlänge [nm]

Emission desYAG: Ce-Leuchtstoffes

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Norm

iert

e Inte

nsitä

t

Ag-Spiegel

SilikonInGaN-Halbleiter

Leuchtstoff

InGaNLDE

Abb. 13 Emissi-onsspektren von(In1-xGax)N-LEDs inAbhängigkeit vomIn- bzw. Ga-Ge-halt. Von linksnach rechts: stei-gender In-Gehalt,fallender x-Para-meter.

Abb. 14 Prinzipder Lichtkonver-sion in einerweißen Leucht-stoff-LED mit Hilfeeines YAG:Ce-Leuchtstoffes.

Abb. 15 Spektrenvon weißen LEDsauf der Basis eines460 nm (In1-xGax)-N-Halbleiters be-schichtet mitYAG:Ce (schwarzeKurve) bzw.SrSi2N2O2:Eu undSr2Si5N8:Eu (blaueKurve).


stetige Verbesserung der Abscheidetechnologie zur Her-stellung der Halbleiter sowie der Leuchtstoffbeschichtungzeigen weiße LEDs heute eine Lichtausbeute von mehr als30 lm/W, wobei die Leistungsaufnahme von wenigen mWbis auf 5 W gesteigert werden konnte [14]. Heute liefernweiße 5 W-LEDs einen Lichtstrom von bis zu 150 lm, wasdem einer konventionellen 15 W-Glühlampe entspricht – al-lerdings wird die LED nur bei einem Drittel der elektrischenLeistung betrieben.

Weitere Vorteile von LEDs gegenüber anderen Licht-quellen liegen in ihrer hohen Lebensdauer von mehreren10.000 Stunden [15], ihrer geometrischen Flexibilität undin ihrer einfachen Ansteuerung aufgrund des Niederspan-nungsbetriebs, ähnlich wie bei den Halogenlampen: Aller-dings sind sie diesen hinsichtlich ihrer Lebensdauer und Ef-fizienz deutlich überlegen. Eine weitere Verbesserung derEnergieeffizienz ist abzusehen, so dass LEDs schon baldauch mit Gasentladungslampen in Konkurrenz treten wer-den. Weiße LEDs könnten daher zur Lichtquelle erster Wahlwerden.

Die zukünftige Verbreitung von LEDs in der Allgemein-beleuchtung setzt jedoch noch die Lösung einiger Proble-me voraus. Zum Beispiel zeigen weiße LEDs, die ausschließ-lich YAG:Ce als Leuchtstoff verwenden, eine starke Ab-hängigkeit der Farbwiedergabe von den Betriebsbedingun-gen [16]. Diese Beobachtung lässt sich auf den fehlendenRotanteil im Spektrum zurückführen. Um dieses Problem zuumgehen, bietet sich ein weiteres Konzept an, das in derKombination eines grünen mit einem roten Leuchtstoff be-steht – der blaue Anteil stammt von der LED selbst. Mit Hil-fe der additiven Mischung der drei Farben erhält man – un-abhängig von den Betriebsbedingungen – weißes Licht mithoher Farbqualität. Dieses Konzept findet seit den 70er Jah-ren in den Dreibandenlampen wie Energiesparlampen undLeuchtstoffröhren breite Anwendung. Geeignete grüne undrote Leuchtstoffe müssen dabei ihr Emissionsmaximum zwi-schen 520 und 560 nm bzw. 590 und 630 nm aufweisen.Hocheffiziente Materialien, die dieses Kriterium erfüllenund auch stark im blauen Spektralbereich um 450 nm ab-sorbieren, erfordern kovalente Wirtsgitter mit Eu2+ oderCe3+ als Aktivatoren. Sie werden zum Beispiel durchSrGa2S4:Eu (535 nm) und SrS:Eu (615 nm) präsentiert [16].

Der Nachteil sulfidischer Leuchtstoffe ist ihre Reaktionmit Wasser bzw. Restfeuchtigkeit unter Abspaltung von H2S.Das führt einerseits zur Degradation der Leuchtstoffe undinitiiert andererseits Folgereaktionen, z.B. die Bildung vonschwarzem Ag2S, wenn ein Silberspiegel als Reflektor inder LED verwendet wird.

Aus diesem Grund werden seit einiger Zeit alternativeLED-Leuchtstoffe mit Eu2+ als Aktivator entwickelt. Eu2+-Leuchtstoffe, die im grünen oder roten Spektralbereichemittieren, lassen sich durch Verwendung silikatischer odernitridischer Wirtsgitter erhalten. Vielversprechende rot-emittierende Leuchtstoffe findet man beispielsweise in derMischkristallreihe (Ba1-x-ySrxCay)2Si5N8:Eu, die auch zur Farb-korrektur weißer YAG:Ce-LEDs eingesetzt werden [17].

Darüber hinaus ist es kürzlich gelungen, einen effizien-ten grünen Eu2+-Leuchtstoff auf der Basis eines SrSi2N2O2

Wirtsgitters zu entwickeln. Es wurde gezeigt, dass mit die-sem Leuchtstoff in einer Mischung mit Sr2Si5N8:Eu weißeLEDs mit hoher Farbqualität und Effizienz auch bei ver-gleichsweise hohen Betriebstemperaturen (200 °C) herge-stellt werden können [18].

Weltweit werden derzeit zahlreiche weitere nitridischeLeuchtstoffe, wie z.B. CaAlSiN3:Eu, erforscht, um schließlicheine optimale Leuchtstoffmischung für weiße LED-Licht-quellen in den Händen zu halten, was für Fluoreszenzlam-pen schon vor vielen Jahren gelang und so zu ihrem Sie-geszug verhalf.

ZusammenfassungElektrische Lichtquellen sind heute in unserem täglichen Lebenin vielfältigen Anwendungen allgegenwärtig. Die Haupt-triebkräfte für die Einführung neuer und verbesserter Produktesind die stetig wachsenden Anforderungen an die Effizienz,die Lichtqualität, die Lebensdauer und die Miniaturisierung.Derzeit erobern neue Festkörperlichtquellen bestehende so-wie neue Anwendungsgebiete. Der Aufsatz gibt einenÜberblick über elektrische Lichtquellen und die damit ver-bundenen chemischen Aspekte. Ein Schwerpunkt liegt auf derErforschung und Entwicklung der verwendeten Materialien,einschließlich Transport- und Korrosionsphänomenen, die derSchlüssel für Hochleistungslampen sind.

SummaryToday, electrical light sources are a commodity in our daily lifepresent in numerous application areas. The major drivingforces to introduce improved and novel products into the mar-ket are steadily increasing demands concerning conversionefficiency, light quality, lamp life and miniaturization. In ad-dition, new solid state light sources are presently emerging in-to existing and upcoming applications. This article gives anoverview of electrical light sources and related chemical as-pects. A focus is on research and development of applied ma-terials including transport and corrosion phenomena, whichare key for high performance lamps.

SchlagworteLichtquellen, Gasentladung, Leuchtstoff, Thermochemie,Halbleiter

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Die AutorenProf. Dr. Matthias Born ist Physiker und seit 1992 im Philips Forschungslabor in Aachen tätig. SeineTätigkeiten umfassen das Gebiet der Lichterzeu-gung, insbesondere mit Hilfe von Plasmen. Im Jahr2000 habilitierte er sich mit seinen Arbeiten überquecksilberfreie Gasentladungslampen an derHeinrich-Heine-Universität Düsseldorf, wo er alsaußerplanmäßiger Professor am Institut für Laser-und Plasmaphysik tätig ist.

Prof. Dr. Thomas Jüstel ist Chemiker und nahm 1995eine Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter imPhilips Forschungslabor in Aachen auf. Dort hat erProjekte zur Entwicklung von Leuchtstoffen fürEntladungslampen, Plasmabild-schirmen undLeuchtdioden geleitet. Seit 2004 lehrt er an der FH Münster Anorganische Chemie und Material-wissenschaften und ist gleichzeitig als Berater beiPhilips tätig.

KorrespondenzadresseProf. Dr. Matthias BornPhilips Technologie GmbH ForschungslaboratorienWeisshausstr. 2D-52066 AachenTel.: 0241-6003-618E-Mail: [email protected]

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Elektrische Lichtquellen: Chemie in Lampen