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24.05.2016

Seltene Erden in LED-Lampen reduzieren


LEDs haben sich inzwischen als energiesparende und langlebige Leuchtmittel durchgesetzt. Mit den Leuchtdioden werden Wohnzimmer ebenso erhellt wie Fernsehgeräte, Smartphones und Tablet-Computer. Da das Licht aus Leuchtdioden in der Regel aber blau ist, muss für viele Anwendungen seine Wellenlänge ins weiße Spektrum geändert werden. Dafür setzen die Hersteller so genannte Konversionsfarbstoffe ein. In diesen ist eine hohe Konzentration Seltener Erden zu finden. Diese Metalle sind weltweit nur sehr begrenzt verfügbar. Um von diesen Seltenen Erden weniger abhängig zu sein, versuchen saarländische Chemiker um Professor Guido Kickelbick gemeinsam mit den Industriepartnern OSRAM GmbH, OSRAM Opto Semiconductors GmbH und BASF SE, den Anteil Seltener Erden in LEDs zu verringern. Das Projekt wird vom Bundesforschungsministerium (BMBF) mit 460.000 Euro an der Saar-Uni gefördert.

Einer Markstudie der Unternehmensberatung McKinsey zufolge wird die LED-Lampe bis 2020 einen Marktanteil von 70 Prozent erreicht haben und damit klar vor anderen Leuchtmitteln wie Halogenlampen oder gar der alten Glühlampe liegen. Moderne Computerbildschirme, Tablets, Smartphones und Fernseher werden ebenfalls meist von Leuchtdioden erhellt. Waren die LEDs bei Markteinführung noch recht unbeliebt, da sie nur kaltes, bläuliches Licht abgaben, haben es die Hersteller inzwischen geschafft, auch angenehmeres Licht, das ins warme, gelb-rote Spektrum reicht, zu erzeugen. Dafür setzen sie so genannte Konversionsfarbstoffe ein, die ein Teil des LED-typischen blauen Lichts ins rote Lichtspektrum umwandelt. Als Ergebnis emittiert die LED dann ein dem Tageslicht ähnliches Weißlicht.

Problematisch daran ist, dass die Konversionsfarbstoffe einen hohen Anteil Seltener Erden enthalten. Diese Metalle, zum Beispiel Yttrium und Lutetium, werden nur in wenigen Ländern, beispielsweise China, abgebaut. Diese Staaten nutzen ihre Monopolstellung und legen die Preise nach Belieben fest. Die Elektronikindustrie sucht daher nach Wegen, den Anteil der Seltenen Erden zu reduzieren, auch in den LED-Lampen.

Daran arbeiten Forscher der Universität des Saarlandes mit. Professor Guido Kickelbick und sein Team am Lehrstuhl für Anorganische Festkörperchemie versuchen als international anerkannte Experten auf dem Gebiet anorganisch-organischer Hybridmaterialien, die Stabilität der LEDs zu erhöhen. Dieses Ziel wollen sie erreichen, indem sie neue transparente Materialien entwickeln, in denen organische Farbstoffe eingeschlossen sind. Sie wollen den Trägern der Konversionsfarbstoffe, die keine oder zumindest signifikant weniger Seltene Erden als bisher beinhalten, also eine neue, stabile Struktur verleihen. "Die Stabilität von organischen Konversionsfarbstoffen unter den Bedingungen in einer LED ist wesentlich geringer als die von konventionellen selten-erd-reichen anorganischen Systemen", so Professor Kickelbick. "Ziel des BMBF-geförderten Projektes ist es, eine neuartige Matrix für die organischen Farbstoffe zu entwickeln, welche ihre Stabilität wesentlich erhöht." Dadurch sollen die organischen Farbstoffe konkurrenzfähig zu den konventionellen Farbstoffen werden und damit der Gehalt an Seltenen Erden reduziert werden.

Die Weißlicht-LEDs, die am Ende des Forschungsprojekts herauskommen sollen, werden sich im Vergleich zur heutigen Technologie deutlich verändert haben. Bis zu 70 Prozent der Kosten für die Konversionsfarbstoffe sollen dank der Reduzierung der Seltenen Erden entfallen. Die Konverter, die das Licht umwandeln, sollen langfristig effizienter und langlebiger werden. Zudem macht sich die Industrie unabhängiger von der marktbeherrschenden Stellung der wenigen Staaten, die Seltene Erden abbauen.

An dem Projekt "Organische und Seltenerd-reduzierte Konversionsmaterialien für LED-basierte Beleuchtung (ORCA)" ist die Universität des Saarlandes mit dem Lehrstuhl von Professor Kickelbick gemeinsam mit den Industriepartnern OSRAM GmbH, OSRAM Opto Semiconductors GmbH und BASF SE beteiligt.

Quelle: Universität des Saarlandes




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