Magisches Material

Keramische Konverter für lasergepumpte Phosphor-Lichtquellen ebnen den Weg zur Laserlichttechnik mit höchster Leuchtdichte auf kleinstem Raum.

Keramische Konverter für lasergepumpte Phosphor-Lichtquellen ebnen den Weg zur Laserlichttechnik mit höchster Leuchtdichte auf kleinstem Raum.

Zap! Schießt Laserfernlicht aus einem Auto-Scheinwerfer, strahlt es nachts doppelt so weit wie ein LED-Pendant. Die laser-gepumpten Phosphor-Lichtquellen können auf wenigen Zehntel Quadratmillimetern Licht höchster Intensität erzeugen. Verbaut in digitalen Projektoren, leuchten solche Lichtquellen Kino-Leinwände mit 20 Metern Bilddiagonale und mehr aus. Die Beleuchtungstechnologie gilt als zukunftsweisend. Ihr Trumpf: höchste Leuchtdichte auf kleinstem Raum.

Die Leuchtdichte besagt, wie hell das Auge leuchtende Flächen wahrnimmt. Gemessen wird sie in Candela pro Quadratmeter (cd/m²), Lichtstärke pro Fläche. Eine 100-Watt-Glühbirne kommt auf zehn Millionen, die gleißende Mittagssonne auf rund 1,6 Milliarden cd/m². Moderne Laser-Phoshor-Lichtquellen können deutlich höhere Werte erreichen. Sie eignen sich zur konzentrierten Beleuchtung von begrenzten Bereichen – ideal nicht nur für Such- oder Bühnen-Scheinwerfer und Projektoren, sondern auch für Machine-Vision-Anwendungen, Mikroskope oder faseroptische Geräte wie Endoskope.

Der Trend: höhere Leuchtdichten bei miniaturisierter Technik. SCHOTT beschleunigt den Prozess mit einem besonderen Material: fluoreszierende Keramiken. Was bewirken sie in laser-gepumpten Phosphor-Lichtquellen? Die Lichttechnologie verlangt die Umwandlung (Konversion) des Laserlichts. Dieses trifft auf einen Leuchtstoff (engl.: Phosphor) und regt ihn zum Leuchten an – blaues Laserlicht wird etwa in gelbes Licht konvertiert. SCHOTT nutzt dotierten kristallinen Leuchtstoff wie ihn LED-Leuchtmittel enthalten. „Anders als organisch eingebettetes Leuchtstoffmaterial ist unseres als anorganisches fluoreszierendes Keramikmaterial aufbereitet“, erklärt Dr. Volker Hagemann, Senior Manager Application bei SCHOTT Advanced Optics. „Es ist alterungsbeständiger, lässt mehr Licht auf minimalem Raum erzeugen und ermöglicht höhere Leuchtdichten bei bestem Wärmemanagement.“

Das keramische Konverter-Material widersteht Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius, Leuchtstoffe in organischer Bindung wie Silikon weniger als 160 Grad Celsius. Dies und die hervorragende Wärmeleitfähigkeit sind zur Leistungssteigerung entscheidend, denn bei höheren Leuchtdichten entstehen immer auch höhere Temperaturen.

SCHOTT hat Konvertermaterialien für gelbes und grünes Licht entwickelt, insbesondere für Laser-Phosphorräder in Digitalprojektoren. Hier wird umgewandeltes Laserlicht farblich gefiltert, um den gesamten Farbraum der digitalen Projektion abzudecken. Die Rotation der Phosphorräder sorgt für deren Kühlung und ermöglicht Leuchtdichten von über 2,5 Mrd. cd/m². So halten sie mehr als 500 Watt-Laserlicht stand.

Neueste Innovation sind statische Konverter, die kompakte Designs erlauben. Das Material ist auf Wärmeverteiler, sogenannte „Heat-Spreader“ aufgelötet, um Wärme nachhaltig herauszuführen sowie Effizienz und Zuverlässigkeit zu erzielen. Vorder- und Rückseiten der Keramik erhalten spezielle Antireflex- und Metallbeschichtungen zur optimalen Lichtlenkung und Wärmeableitung. Die Konverter-Komponenten widerstehen einer hohen dauerhaften Bestrahlungsstärke von über 50 Watt pro Quadratmillimeter und erreichen Leuchtdichten bis zu 1,5 Mrd. cd/m². Letzteres gilt für nahezu haar-dünne Materialstärken von 100 Mikrometern, die Wärme besonders gut ableiten.

„Unsere Material- und Prozessentwickler haben einen ausgeklügelten Produktionsprozess vom Nanopulver bis zur gesinterten Keramik entwickelt und verfeinert. Wir können maßgeschneiderte Produkte für verschiedene Laser-Anwendungen fertigen“, so Hagemann. Die Erschließung der neuen Materialklasse beschäftigt SCHOTT seit Jahren – und bleibt weiter spannend. „Wir arbeiten ständig daran, den Kundennutzen zu erhöhen, sei es durch dünnere Konverterplättchen, neue Geometrien, Beschichtungen oder neue Materialklassen.“

Interview: ADJACENCIES
Leistungsgrenzen überschreiten

Herr Dr. Hagemann, warum befasst sich ein Glashersteller mit Keramik?

Weil wir stets auf Marktbedürfnisse blicken und Leistungsgrenzen erweitern wollen. Glas steht im Wettbewerb zu anderen Materialien. Keramiken interessierten SCHOTT deshalb bereits vor mehr als zehn Jahren als optische, transparente Werkstoffe, weil sie das Eigenschaftsspektrum von Glas und Glaskeramik in Bezug auf Festigkeit oder Brechzahl und Dispersion ergänzen können.

Die keramischen Lichtkonverter trumpfen aber mit anderen Eigenschaften.

Schon damals zeigten Entwicklungsprojekte die Qualitäten von Keramik als Lichtkonverter. Sie überzeugten durch gute Konversionseffizienz und thermische Eigenschaften. Das interessierte uns, denn SCHOTT unterstützt den disruptiven Wandel in der Beleuchtung seit mehr als 100 Jahren.

Wie wurde aus den Entwicklungsprojekten ein Produkt?

Wir konnten auf hervorragende Kompetenzen in der Pulverprozessierung, Heißformgebung, Beschichtung und optischen Messtechnik zurückgreifen und sie mit Keramik- und Optik-Know-how bündeln. Das erlaubte es, die Keramik an die Anforderungsprofile erster Kunden anzupassen und schnell Muster zur Entwicklung erster Laser-Phosphor-Lichtquellen bereitzustellen. In enger Kundenkooperation gelangen Produktentwicklung und Massenproduktion.

Was fasziniert Sie an den Konverter-Keramiken?

Ihr Anwendungspotenzial. Die Keramik kann mehreren 100 Watt Laserleistung standhalten. Dabei hilft sie Licht zu erzeugen, das tatsächlich heller als die Sonne strahlt. Genau wegen solcher Spitzenleistungen schauen wir über den Tellerrand der Werkstoffgruppe Glas – und befassen uns mit angrenzenden Materialien, sogenannten „ Adjacencies“.

Dr. Volker Hagemann,
Senior Manager Application Keramische Konverter

14. Dezember 2020

Kontakt

Sarah-Sophia Lenzing
Advanced Optics
SCHOTT AG

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