Effizienzsteigerung von lumineszierenden Boratgläsern und -glaskeramiken

Die Effizienz von lumineszierenden Boratgläsern und -glaskeramiken als temperaturstabile Lichtkonverter zu verbessern, stellt eine große Herausforderung dar. Einen neuen Ansatz verfolgt das Fraunhofer-Anwendungszentrum (AWZ) für Anorganische Leuchtstoffe in Soest in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Südwestfalen. Mittels gezielter Veränderung der Netzwerkstruktur und Erzeugung von Streuzentren konnte so die Effizienz von Leuchtstoffsystemen verbessert werden.

Lumineszierende Boratgläser und -glaskeramiken bieten eine vielversprechende Anwendungsmöglichkeit als temperaturstabile Lichtkonverter, wie sie beispielsweise in der Beleuchtungstechnik eingesetzt werden. Das kürzlich abgeschlossene Promotionsvorhaben von Dr. Charlotte Rimbach von der Fachhochschule Südwestfalen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer AWZ setzt hier an. In der Arbeit werden neue Ansätze zur Effizienzsteigerung von Boratgläsern und -glaskeramiken untersucht. »Eine gezielte Veränderung der Netzwerkstruktur und durch thermische Nachbehandlung herbeigeführtes Wachsen von Streuzentren bieten vielversprechende Möglichkeiten«, erklärt Rimbach, Mitarbeiterin im Fachbereich Elektrische Energietechnik der Fachhochschule Südwestfalen in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Schweizer, Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums Soest.

Um die optische Weglänge durch Streuung an gewachsenen Kristalliten im Glas zu erhöhen und damit die Lichtausbeute zu steigern, wurden die Gläser mit unterschiedlicher Zusammensetzung durch Kristallisation zu Glaskeramiken weiterverarbeitet. Mittels Ramanspektroskopie, einer Spektroskopietechnik, bei der die Wechselwirkung von Licht mit Materie genutzt wird, analysierte die Wissenschaftlerin zunächst die Glasstruktur. Die Bewertung des Kristallisationsverhaltens fand durch den Einsatz von dynamischer Differenzkalorimetrie statt, einem Verfahren zur Messung von abgegebener und aufgenommener Wärmemenge einer Probe bei isothermer und nicht-isothermer Arbeitsweise. Die abschließende Analyse der Lichtausbeute erfolgte durch optische Spektroskopie.

»Die Untersuchungen zeigen, dass die Lithiumkonzentration einen wesentlichen Einfluss auf die Nahfeldstruktur, den Glasübergang, die Kristallisationstemperatur sowie die Lumineszenzeigenschaften des Glases hat. Der Zeitpunkt der Kristallisation, also des Übergangs vom Glas zur Glaskeramik, verschiebt sich für die Glassysteme mit zunehmender Lithiumkonzentration zu niedrigeren Temperaturen«, ergänzt Rimbach.

Ein Vergleich der Glasstabilitäten der untersuchten Glassysteme zeigt, dass sich ein Lithium-Aluminium-Boratglas mit einem Lithium-zu-Bor-Verhältnis von 1:2 am besten zur Glaskeramikherstellung eignet. Die Größe und der Anteil der erzeugten Kristallite im Glas kann über eine Wärmebehandlung, bei der das Material über einen längeren Zeitraum bei Temperaturen über 500 °C erhitzt wird, in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur wie auch der Heizrate gesteuert werden. Optische Messungen an den Glaskeramiken zeigen, dass die Streueigenschaften wie gewünscht mit der Behandlungszeit eingestellt werden können.

»Die wissenschaftlichen Ergebnisse von Charlotte Rimbach stellen einen wichtigen Beitrag für die Grundlagenforschung im Leuchtstoff-Bereich dar. Die hervorragenden Erkenntnisse können in weitere anwendungsbezogene Forschungsvorhaben bei uns am Fraunhofer AWZ einfließen«, erklärt Prof. Dr. Stefan Schweizer, Doktorvater und Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums Soest.

Die vollständige Arbeit mit dem Titel »Optimierung und Charakterisierung von lumineszierenden Lithium-Aluminium-Boratgläsern und -glaskeramiken« kann unter folgendem Link eingesehen werden: http://dx.doi.org/10.25819/ubsi/9897