XI.1: Temperaturstrahler XI.2: Plasmastrahler XI.3 ... · Prinzip eines anorganischen Leuchtstoffes...

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XI.: Weitere Strahlungsquellen XI.1: Temperaturstrahler XI.2: Plasmastrahler XI.3: „Unkonventionelle“ Elektrolumineszenz

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XI.: Weitere Strahlungsquellen

XI.1: Temperaturstrahler

XI.2: Plasmastrahler

XI.3: „Unkonventionelle“ Elektrolumineszenz

Strahlungsfluß

Bewertung des Strahlungsflusses durch Leistungsmessgerät:

Strahlungsfluß φe [φe]=W

Bewertung des Strahlungsflusses durch das Auge:

Index e wie energetisch

Übergang zum Lichtstrom φv

[ ] lmvΦ =780

380

683 ( )nm

ev

nm

dlm v dW d

λ λλΦ

Φ = ∫

Lichtausbeute: v

el

lmP W

η Φ =

(das Lumen)

Index v wie visuell

Strahlstärke ↔ Lichtstärke

1 1

e ee

dId

φ φ = = Ω Ω

Strahlstärke:

[ ] WsreI =

Lichtstärke:

780

380

683 ( )nm

ev

nm

dIlmI v dW d

λ λλ

= ∫

[ ] lm cdsrvI = =

XI.1.1: Temperaturstrahlung

Strahlungsgleichgewicht: Emittierte und absorbierte Leistung müssen im thermischen Gleichgewicht gleich sein:

( , ) ( , )λ λλ α λ=e eM T E T

wobei α: Absorptionsgrad und Eeλ(λ,T): spektrale Bestrahlungsstärke

α=1: Alle auftreffende Strahlung wird absorbiert → Schwarzer Strahler, Schwarzkörperstrahler SK

( , )( , ) λλ

λλα

=SK ee

L TL T

Für eine möglichst große Emission muß der Strahler im gewünschten Wellenlängenbereich auch möglichst gut absorbieren.

XI.1.1: Temperaturstrahlung

15

2

1 1( , )π srexp( ) 1

λ λλ

λ

=−

SKe

cL T cT

c1=3.74 10-16Wm2

Es gilt:c2=1.439 10-2 m K

(Planck‘sche Strahlungsformel)

Spektrale Strahldichte iststark temperaturabhängig

→ Verschiebung des Maximums mit der Temperatur

→Hohe Strahldichte bei hohen Temperaturen

XI.1.1: Temperaturstrahlung

Die Wellenlänge der maximalen spektralen Strahldichte verschiebtmit steigender Temperatur nach dem Wien‘schenVerschiebungsgesetz: K

max 0.29cmλ =T

Die gesamte Strahldichte ergibt sich durch Integration zu:

42 4

σ W( ) mit σ 5.667 10 8π sr m K

= = ⋅ −⋅

SKeL T T

(Stefan-Boltzmann-Gesetz)

XI.1.2: Glühlampen

Eine effiziente Glühlampe muß also im sichtbaren Spektralbereich einen hohen Absorptionsgrad haben und mit einer möglichst hohen Temperatur(nahe an 5000 K) betrieben werden.

Im tatsächlichen Betrieb: Kompromiss zwischen Lebensdauer und höchstmöglicher Lichtausbeute.

391Lebensdauer im Vakuum: =const.

XI.1.2: Glühlampen: Historische Entwicklung

9,8Ar,N2AEG: W-Wendel1913

22-33HalogenzusatzGEC: Halogen-Glühlampe1959

10-18Ar,N2Doppel-Wendel1932KrDoppel-Wendel1936

7VakuumGEC: Gezogener W-Draht1910VakuumSiemens, Halske:Gespritzte Ni-W-Fäden1908

VakuumJust, Hanamann: Gespritzte Wolframfäden

19065,8VakuumBolten:Tantalfaden1905

VakuumAuer von Welsbach: Osmiumfaden19023VakuumMetallisierte Kohlenfäden1905

1,5VakuumEdison: Beginn der tech. EntwicklungKohlefaden (Fabrikationsreife)

1879

VakuumGoebel: Kohlefäden (in evakuierten Parfümflaschen)

1854

Licht-ausbeute [lm/W]

Glühdraht brennt in Luft

Erhitzung von Edelmetallfäden (Pt) (Physiker Grove)

1840-1860

XI.1.2: Glühlampen

Abdampfen der Wolframatome wird verhindert durch:

• Stickstoff-Argon-Gemisch

4.2 10-92.3 10-7

1 bar Ar/N2VakuumAbdampfrate von Win g cm-2s-1 @ 2870 K:

• Wendelung

Wärmeverluste werden verringert durch

Wendelung verringert den Wärmeübergang aufgrund von Konvektion

XI.1.2: Glühlampen

Typische physikalisch bedingte Lebensdauer einer Allgebrauchs-Glühlampe: 1000 h

Halogen-GlühlampenLebensdauer kann erhöht werden durch Zusatz von Halogenen. Hier am Beispiel der (historischen) Jodlampe:

1. W-Atom dampft ab2. Diffusion nach außen3. Bildung von WJ2 im Aussenbereich (gasförmig > 250 °C)

4. Diffusion zur Wendel5. Zersetzung

6. Abscheidung auf Wendelaus [2]

Halogen-Lampe erlaubt- höhere Temperatur (höhere Lichtausbeute)oder - größere Lebensdauer

W + J2 ↔ WJ2

T gross(~ 3000 K)

T klein(~ 400 K)

XI.1.2: Halogen-Glühlampen

- höhere Drahttemperatur bei gleicher Lebensdauer

→ höhere Lichtausbeuteoder

- höhere Lebensdauer bei gleicher Drahttemperatur

Weitere Vorteile:

-Miniaturisierung möglich, da weniger Kolbenschwärzung durch Rücktransport

→erlaubt höhere Betriebsdrücke und Füllung mit teureren Edelgasen (geringere Wärmeleitung)

- dielektrische Spiegel reflektieren die IR-Strahlung

Funktionsprinzip Kaltlichtreflektor

- dielektrische Spiegel reflektieren nur die sichtbare Strahlung

XI.2: Leuchtstofflichtquellen

...bereits diskutiert: Die weisse LED

Farbstoff

Abb.

LED erzeugt blaues Licht

Anregung eines Leuchtstoffes

Emission von niederenergetischerem Licht

GasentladungslampenGasentladungslampen

HochdruckNiederdruck

z.B. Philips UHP-Lampe, 100W, 90HzHg, 200bar

0.1-1 Pa Hg, 103 Pa Edelgas

direkte Nutzung der Plasmastrahlung

Anregung einesLeuchtstoffes

Gasentladungslampen: Atomare Gasentladungslampen: Atomare ÜbergängeÜbergänge

Gasentladungslampen: DruckabhängigkeitGasentladungslampen: Druckabhängigkeit

Druckabhängige Verbreiterung der Emissionsspektren bei einerNatriumgasentladungslampe

- niedriger Druck: atomare Linie- hoher Druck: breites Spektrum

Quelle:J. de Groot, J. van Vliet, The High-Pressure

Sodium Lamp, Philips Technical Library (1986)

GasentladungslampenGasentladungslampen

0.1-1 Pa Hg, 103 Pa Edelgas

-Anregung von Quecksilber von geringem Druck durch Elektronenstoß Quecksilber-Niederdruckgasentladung erzeugt UV-Strahlung (185 und 254 nm)-Leuchtstoffschicht wandelt UV-Strahlung in sichtbares Licht um (Energieverlust ca. 50%)

Spektren bei der LeuchtstofflampeSpektren bei der Leuchtstofflampe

XI.2: Leuchtstofflichtquellen

Prinzip eines anorganischen Leuchtstoffes

REM-Aufnahme von Leuchtstoffpartikelnfür Kathodenstrahl-röhren

XI.2: Leuchtstofflichtquellen

Allgemeinbeleuchtung: Lichtausbeuten, Lebensdauern, Allgemeinbeleuchtung: Lichtausbeuten, Lebensdauern, BetriebskostenBetriebskosten

Glühlampe <19 lm/W 1000 h

Hochvolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W 2500 h

Niedervolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W <5000 h

Leuchtstofflampe <104 lm/w 16000 h

Kompaktleuchtstofflampe

<88 lm/W 10000 h

Lichtquelle Lichtausbeute Lebensdauer

Glühlampe <19 lm/W 1000 h

Hochvolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W 2500 h

Niedervolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W <5000 h

Leuchtstofflampe <104 lm/w 16000 h

Kompaktleuchtstofflampe

<88 lm/W 10000 h

Glühlampe <19 lm/W 1000 h

Hochvolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W 2500 h

Niedervolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W <5000 h

Leuchtstofflampe <104 lm/w 16000 h

Kompaktleuchtstofflampe

<88 lm/W 10000 h

GlühlampeGlühlampe <19 lm/W<19 lm/W 1000 h1000 h

Hochvolt-HalogenglühlampeHochvolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W<22 lm/W 2500 h2500 h

Niedervolt-HalogenglühlampeNiedervolt-Halogenglühlampe

<22 lm/W<22 lm/W <5000 h<5000 h

LeuchtstofflampeLeuchtstofflampe <104 lm/w<104 lm/w 16000 h16000 h

KompaktleuchtstofflampeKompaktleuchtstofflampe

<88 lm/W<88 lm/W 10000 h10000 h

Lichtquelle Lichtausbeute Lebensdauer

aus [1]

Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „BeamerBeamer““1 mm

Philips UHP-Lampe, 100W, 90HzHg, 200bar

0 .0 0

0 .0 5

0 .1 0

0 .1 5

0 .2 0

0 .2 5

0 .3 0

0 .3 5

0 .4 0

0 .4 5

4 0 0 .0 0 5 0 0 .0 0 6 0 0 .0 0 7 0 0 .0 0w a v e le n g t h [ n m ]

Inte

nsity

[W/n

m]

1 6 0 b ar2 0 0 b ar2 4 0 b ar

enthält Hg-Höchstdruck-

lampe

* Pavel Pekarski, UHP Lamps for Projection Systems, ICPIG 2003 Greifswald

Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Xenon“Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Xenon“--ScheinwerferScheinwerfer

4 mm

D2-Lampe (Xenon Lampe):

50 bar Xenon (7 bar Kaltfülldruck)20 bar Quecksilber<1 bar NaI, ScI3

Technische Daten:

Strom: 0.4 A, 400 Hz RechteckLeistung: 35 Watt (85 V)Lichtstrom: 3200 lm (Start: 400 lm)

XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Kathodenstrahlröhre

1. Elektronen werden durch thermionische Emission aus Kathode gelöst

2. Kontrollgitter steuert e-Fluß

3. Anoden beschleunigen und fokussieren e-Strahl

4. Horizontale und vertikale Steuerung des Strahls durch Ablenkplatten

(1-4 bei Farbbildschirmen jeweils für 3 e-Strahlen)

XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Kathodenstrahlröhre

5. Elektronen fallen durch Löcher in Schattenmaske auf verschiedenfarbige Phosphore

6. Elektronen regen Phosphore an

7. Bildschirm leuchtet farbig

XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Plasmaanzeige

• pixelartige Zündung von Gasentladung ähnlich wie in Leuchtstofflampe

• einfarbig emittierende Phosphore

XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Feldemissionsbildschirme

„Pixelierte Minielektonenstrahlröhren“

XI.3.1 : Hochfeldelektrolumineszenz

1. Tunneln eines Elektrons aus Grenzflächenzuständen

2. Beschleunigung durch E-Feld

3. Energieabgabe durch Stossanregung u. Stossionisation

4. Lichtaussendung durch Rekomination

ElektrolumineszenzElektrolumineszenz--FolieFolie

Schema der Hochfeld-EL

Elektrode

Dielektrikum

Elektrode

Quelle: www.helicon.de

Typische Daten Betriebsspannung: 115 V ACStandardfrequenz: 400 HzLeuchtdichte: < 200 cd/m2

Lichtausbeute: < 1 lm/W

Organische Leuchtdioden (Organische Leuchtdioden (OLEDsOLEDs))

Cathode

AnodeSubstrate

Organic semiconductor

- sehr dünne Bauelemente (< 1 µm)- mechanisch flexibel (?) - geringe Gewicht- grosse Flächen- alle Farben- geringe Betriebsspanungen- ...

Quelle: www.covion.com

XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Materialien

Konjugierte Polymere Aufdampffähige Moleküle

Alq3

Covion PPV co-polymers

Polyfluorene (Dow)

HTL

ETL

Abscheidung aus der Flüssigphase Vakuumabscheidung

Thin film fabricationPolymer film

Spin Coating

Doctor Blade

Ink Jet Printing

Dipping

OLED: Energiediagramm

+-

A typical device consists of 3 layers

+

+

+

+

+

+

+

+

+

• avoid large barriers (ITO-side: PEDOT, Phthalos; low work function cathodes: Ca, LiF+Mg:Ag)

• balanced carrier injection

XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Prinzip

5) Light emission from the device

XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Heterostrukturen

• more degrees of freedom with evaporated small molecules

• multiple layers can support injection and carrier balance

Lichtausbeuten im Vergleich

- OLED-Weltrekord: > 90 lm/W (green)

- zum Vergleich Bildschirme: 1 lm/W (CRT), 2 lm/W (AMLCD)

XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Effizienzen

XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Stabilitäten

red CDT-PLED blue CDT-PLED

OLEDOLED--BeleuchtungsBeleuchtungs--RoadmapRoadmap