SCHOTT solutions Nr. 1/2013 > Forschung und Technologie

Foto: SCHOTT/C. Costard

Keramische Inspirationen für Optik und Beleuchtung


Transparente und transluzente Keramiken stehen an der Schwelle zum industriellen Einsatz als neue optische Materialien mit hohem Potenzial. SCHOTT Entwickler legten maßgebliche Grundlagen zu ihrer reproduzierbaren Fertigung.


Thilo Horvatitsch

Auf den ersten Blick erinnern sie an gläserne Linsen oder Farbfilter. In den transparenten oder milchig-gelben Plättchen aus Keramik schlummern jedoch große neue Potenziale: „Damit könnten wir lang gehegte Wünsche der optischen Industrie nach einem neuen transparenten Material für fotografische und andere Abbildungssysteme erfüllen. Und wir ebnen den Weg zu hoch­effizienten LED-Systemen”, beschreibt Dr. Yvonne Menke zwei zentrale Einsatzfelder.

Die Managerin Materialentwicklung in der SCHOTT Forschung und Entwicklung lernte die Herstellung und Eigenschaften des zukunftsträchtigen Werkstoffs im Labor von Dr. Akio Ikesue genau kennen. Der japanische Wissenschaftler und Träger des Otto-Schott-Forschungspreises erzielte in den 1990er-Jahren ­einen Durchbruch in der Entwicklung von transparenten Keramiken zur Erzeugung von Laserlicht. Passive transparente Keramiken bringen nicht nur überlegene thermische und mechanische Qualitäten mit. Sie liefern auch hohe optische Brechzahlen von 2 und mehr sowie außergewöhnliche Dispersionswerte. So werden im Abbe-Diagramm, das die Eigenschaften optischer Materialien ­systematisch abbildet, neue Bereiche erschlossen, die sich mit Glas bisher nicht abdecken ließen. Damit wird also der Werkzeugkasten der Optik-Designer erweitert. Diese können so kompak­tere Kameraobjektive realisieren oder Farb- und Abbildungsfehler minimieren.
Die in der Zuführung zum Hochtemperaturofen platzierten transparenten Keramiken sind bereits gesintert und komplett fertiggestellt. Foto: SCHOTT/C. Costard
Die Vorteile des neuartigen Materials sind insbesondere im infraroten Spektralbereich wichtig, denn dort ist der besagte Werkzeugkasten nicht so gut gefüllt wie bei Gläsern für den sichtbaren Spektralbereich. Manche transparenten Keramiken besitzen im Gegensatz zu Gläsern ein sehr breites Lichttransmissionsfenster vom ultravioletten (UV) bis in den infraroten (IR) Wellenlängenbereich von 6 Mikrometern. Vor diesem Hintergrund wird das neue Material, das äußerst unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen ist, auch interessant für messtechnische Anwendungen oder etwa für die Geo-Observation von Rohstoff-Lagerstätten mittels Spezialkameras. Auch als transluzentes, also lichtteildurchlässiges Material zur Farbkonversion spielen Keramiken ihre Vorteile aus.

Farbkonversion ist die Grundlage aller weißen LED-Lichtquellen, die eigentlich blaue LEDs sind, die mit einem lumineszierenden Material überzogen werden. Dieses Material ist typischerweise in Silikon gebunden und damit längst nicht so hitzebeständig wie eine fluoreszierende Keramik, die bei über 1.600 Grad Celsius gefertigt wird. „Die ausgezeichnete Temperaturstabilität und Wärmeleitfähigkeit der keramischen Konverter ermöglichen in Kombination mit leistungsstarken LEDs oder Laserdioden die Entwicklung ­neuartiger Lichtquellen”, erläutert SCHOTT Senior Scientist Dr. Volker Hagemann. Deren Leuchtdichte ist 2- bis 3-mal stärker als die eines typischen Xenon-Brenners. Anwendungsfelder sind beispielsweise Beamer bzw. digitale Projektoren der nächsten Generation oder Scheinwerfer.
Zur optischen Vermessung wird eine transluzente Keramik mit einem speziellen Gerät in die Messstation im SCHOTT Laserlabor gelegt. Foto: SCHOTT/C. Costard
Die vielfältigen Eigenschaften oder Farbkoordinaten der Keramiken lassen sich gezielt zuschneiden bzw. optimieren in einem mehrstufigen Fertigungsprozess, der im SCHOTT Labor implementiert wurde (siehe Details). Teils unterstützt durch das vom deutschen Forschungsministerium (BMBF) geförderte Verbundprojekt OptoKeramat, gelang dabei die einfache, reproduzierbare Herstellung von vorgeformten keramischen Sinterlingen für optische und Fluoreszenz-Anwendungen. „Unsere Kompetenzen liegen hier vor allem im Materialdesign sowie in der speziellen Pulver- und Sintertechnologie”, so Dr. Menke. Auf dieser Basis gelang die ­Herstellung transparenter Keramiken mit einem Durchmesser von nahezu 30 Millimetern. „Transluzente Keramiken können wir sogar mit knapp 50 Millimetern Durchmesser herstellen”, versichert Dr. Volker Hagemann. Erste Bemusterungen laufen bereits. <

Vom Nanopulver zur Keramik