2013 Kooperationsprojekt

Geordnete großflächige Mikro- und Nanostrukturen

In den vergangenen Jahren wurden bei LED-Lichtquellen erhebliche Fortschritte hinsichtlich Lichtausbeute und Vielfalt der Lichtfarben erzielt, wodurch sie als Ersatz für herkömmliche Leuchtmittel immer interessanter werden. Gegenstand des Forschungsprojekts ist es, den Produktionsprozess und die Lichtausbeute der Strahler weiter zu optimieren.

links: Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahme von laserstrukturierten Konverter-Keramiken: Laserstrahlablation mit Ultrakurzpulslaser, Durchmesser der Gesamtstruktur ca. 4 mm, Strukturhöhe ca. 400 µm (Quelle: Bayerisches Laserzentrum GmbH) rechts: Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahme v. periodischen Strukturen, li: mittels direkter Laserstrahl-Interferenz-Strukturierung auf einem Stempel erzeugt, Material: Edelstahl; re: sphärische Submikrometerstrukturen, Material: Siliziumdioxid (Quelle: BLZ GmbH)

Im Rahmen des Vorhabens sollte die Erzeugung von Mikro- und Nanostrukturen verschiedener aktiver optischer Oberflächen mit dem Ziel der Strahlformung und Effizienzsteigerung simulativ und experimentell untersucht werden. Im Vordergrund stand die Strukturierung aktiver Oberflächen von konverterbasierten LEDs, da hierdurch eine Beeinflussung der spektralen Abstrahlcharakteristik und eine Erhöhung der Lichtauskopplung erreicht werden kann.

Basis für die experimentelle Durchführung waren zunächst simulative Untersuchungen. Hierdurch konnte ein grundlegendes Verständnis zur Wirkung von Nano- und Mikrostrukturen an optisch aktiven Oberflächen (LEDs) erarbeitet werden. Im Anschluss wurden laserbasierte Technologien für die direkte Strukturierung der Materialien, beispielsweise mittels der direkten Laserstrahlinterferenz-Strukturierung in Kombination mit einem räumlichen Lichtmodulator, eingesetzt. Hierdurch ist es möglich, Strukturen im Mikro- wie auch Nanometerbereich zu erzeugen. Die Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität und Prozessgeschwindigkeit aus, die vor allem bei der applikationsspezifischen Herstellung von strukturierten Oberflächen in kleinen und mittleren Serien einen Kostenvorteil gegenüber konventionellen Verfahren bieten.

Durch Einsatz optischer Simulationssoftware konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich ihrer Periode und Geometrie optimierte Nanostrukturen zu einer Steigerung der Lichtausbeute der untersuchten LEDs von maximal 13 % führen. Ein weiteres Ergebnis stellt die Erarbeitung geeigneter Makrostruktur-Geometrien auf Konverteroberflächen dar, die zu einer Verbesserung der Farbhomogenität vor allem im Randbereich der abgestrahlten Intensitätsverteilung führen. Die Ergebnisse aus der Simulation konnten anhand der Vermessung von konverterbasierten LEDs, deren Oberfläche durch laserstrahlunterstützte Verfahren strukturiert wurde, erfolgreich verifiziert werden.

Projektfinder
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Forschungsverbünde

In strategisch wichtigen Bereichen werden von der Forschungs­stiftung auch Forschungs­verbünde initiiert und gefördert.

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