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Quantum Dots in der LED-Beleuchtung

Effizienzlücke geschlossen

19. September 2019, 13:30 Uhr | Markus Haller

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Anforderungen an Quantum Dots

Für eine wirtschaftliche Umstellung auf Quantum Dots in LEDs, müssen die Nanopartikel folgende Anforderungen erfüllen:

Gutes Emissionsverhalten: Eine schmalbandige, anpassbare Emission sowie Farbstabilität in Bezug auf Temperatureinflüsse und hohe Lichtströme.
Gute Umwandlungseffizienz: Das erfordert eine gute Absorption von blauem Licht und einen hohen Quantenwirkungsgrad, der auch bei hohen Temperaturen und hohem Lichtstrom stabil bleibt.
Hohe Robustheit: Dies betrifft vor allem die Einflüsse von Temperaturen > 100 °C, hohen Lichtströmen und hoher Luftfeuchtigkeit.
Prozesskompatibilität: Geeignete Partikelgröße als Voraussetzung; die Kompatibilität mit Silikonen und anderen bei der Verarbeitung verwendete Materialien sowie ein geringer Materialverbrauch.

Für die Verwendung in den ersten LED-Komponenten setzt Osram Opto Semiconductors auf eine Mischung der pulverartigen, ummantelten Quantum Dots mit Standard-Verkapselungsmaterialien. Die Wärmestabilität während der Verarbeitung ist ein entscheidender Vorteil. Bei der Wärmehärtung des Verkapselungsmaterials bei deutlich über 100 °C für mehrere Stunden und wiederholtem Aufheizen und Abkühlen bleibt die Stabilität erhalten. Auch beim späteren Einsatz in der Anwendung bleibt das Material unempfindlich gegenüber Temperatureinflüssen.

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Erste Quantum Dot LED Osconiq S 3030 QD

Die erste Serien-LED auf Basis von Qantum Dots ist nach Wissen des Autors die Mid-Power-LED »Osconiq S 3030 QD« (Bild 3). Mithilfe der QDs ist es möglich, die Effizienzlücke zwischen CRI80- und CRI90-LEDs zu schließen. Das Emissionsspektrum ist stärker auf die Augenempfindlichkeit ausgerichtet, als es bei LEDs mit Standard-Konversionstechnik der Fall ist.

Die Osconiq wurde speziell für den Einsatz in Flächenbeleuchtung und Downlights entwickelt und ermöglicht Leuchten mit höherer Effizienz und Farbwiedergabe. Die QD-LED erreicht bei CRI 90 eine Effizienz von 173 lm/W bei 3000 K.

Das ist der aktuell höchste Wert in der Klasse der 0,2 Watt-LEDs. Die kompakten Abmessungen (3,0 mm x 3,0 mm) und ein niedriger thermischer Widerstand vereinfachen das Systemdesign. Bei 150 °C / 120 mA (Overstress) zeigt sich bei der LED kein Unterschied in der Degradation gegenüber der Phosphorreferenz – auch nicht über 3.000 Stunden hinweg.

Anwendungen in der gesamten Photonik

Die Nutzung von Quantum Dots in LEDs ist letztlich durch die Entwicklung einer Verkapselung möglich geworden. Für die Leuchtenentwicklung stehen nun Lichtquellen mit höherer Energieeffizienz und Farbqualität zur Verfügung. Die Entscheidung, welches LED-Produkt als erstes zur Marktreife und Serienproduktion gebracht wurde, richtete sich nach dem hohen Bedarf an schmalbandigen, roten Emittern für die Allgemeinbeleuchtung.

Darüber hinaus gibt es noch sehr viel mehr Entwicklungspotenzial. Quantum Dots sind grundsätzlich für alle Photonik-Anwendungen interessant, die von einer gezielten Lichtemission in einem schmalen Wellenlängen-Bereich profitieren. Vielversprechend sind die neuen Möglichkeiten im Bereich der μLEDs.

Nach Unterlagen von Osram Opto Semiconductors/mha