Leuchtstoffe werden nicht nur in Leuchtmitteln wie LEDs oder Leuchtstofflampen verwendet, sie werden auch in vielen weiteren Alltagsprodukten eingesetzt. Deren Herstellung ist allerdings ein technisch anspruchsvoller Prozess. Daher werden zur Überwachung und optimalen Prozessführung der Herstellung von anorganischen und organischen Leuchtstoffen Sensorkombinationen eingesetzt.

Künstliche Lichtquellen haben in den vergangenen 150 Jahren die Lebensqualität entscheidend verbessert. Heutzutage spielt dabei die Energieeffizienz der Leuchtmittel eine immer wichtigere Rolle. Obwohl es nicht in jedem Fall sinnvoll ist, werden mit der Umsetzung der EG-Verordnung 244/2009 (Glühlampenverbot) schrittweise Glühfadenlampen durch andere Lichtquellen mit höherer Lichtausbeute ersetzt. In Leuchtstofflampen entsteht durch die elektrische Anregung von Hg-Dampf ultraviolettes Licht. Das unsichtbare UV-Licht wird durch Leuchtstoffe in sichtbares Licht umgewandelt.

Je nach Zusammensetzung dieser Leuchtstoffe ist es möglich, verschiedenfarbige Leuchtstofflampen herzustellen. In LEDs entsteht durch die elektrische Anregung der Diode Licht, wobei die Lichtfarbe von der chemischen Zusammensetzung der Halbleiter abhängig ist. Eine relativ neue Entwicklung, die zum Beispiel bei der Herstellung von Displays für Telefone genutzt wird, ist die OLED, bei der der Halbleiter eine organische Verbindung ist. Vorteile der LED sind die sehr gute Energieeffizienz, die Robustheit und die hohe Lichtqualität.

Anorganische Leuchtstoffe wie Orthophosphate bestehen aus einem Wirtsmaterial, in das als Dotierung Aktivatoren und Sensibilisatoren eingebracht werden. Weiterhin enthalten diese Materialien charakteristische Gitterdefekte. Die Herstellung der Leuchtstoffe erfolgt in der Regel durch Festkörperreaktionen bei hohen Temperaturen. Zur Einstellung der Stöchiometrie und der gezielten Entstehung von Gitterdefekten wird das Material oft unter definierten reduzierenden Bedingungen mit Wasserstoff geglüht. Organische Leuchtstoffe sind meistens aromatische Verbindungen mit ausgedehnten π-Elektronensystemen. Diese Verbindungen und viele ihrer Vorprodukte sind in hohem Maße empfindlich gegenüber Spuren von Sauerstoff oder Feuchte.

Grundlagen der Messtechnik
Um die Reduktionskraft in reduzierenden Gasen (das heißt bei überstöchiometrischer H2-Konzentration) bei hohen Temperaturen zu messen, werden potentiometrische Festelektrolytsensoren eingesetzt. Die Vorteile dieser Sensoren liegen neben der hohen Genauigkeit in der schnellen Ansprechzeit und hohen Lebensdauer auch in schwierigen Umgebungsbedingungen. Die potentiometrische Festelektrolytzelle ist prinzipiell kalibrierfrei, soweit die Elektroden des Sensors nicht durch chemische Verbindungen vergiftet werden und ein Gasaustausch durch den festen Elektrolyten ausgeschlossen ist. Kernstück des Sensors ist eine geheizte Keramik aus stabilisiertem ZrO2. Im elektrochemischen Gleichgewicht erhält man an dem potentiometrischen Sensor eine Zellspannung, die nur von der Differenz des chemischen Potenzials des Sauerstoffs an den beiden Elektroden abhängt.
Ein Nachteil dieses Sensors in reduzierenden Gasen ist jedoch, dass der Sensor aufgrund der hohen Arbeitstemperatur und der katalytisch aktiven Elektroden den Sauerstoff immer als Gleichgewichtssauerstoffkonzentration misst. Eine direkte Messung des freien Sauerstoffs, das heißt der Sauerstoffkonzentration, die neben den reduzierenden Gasen vorliegt, ist prinzipbedingt nicht möglich. Die Praxis zeigt, dass die Auswertung solcher Messungen den meisten Anwendern Schwierigkeiten bereitet.

Für die Messung der H2-Konzentration in Prozessgasen nutzt man seit über 100 Jahren den Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD). Hierbei wird die wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs gegenüber allen anderen Gasen ausgenutzt. Zwei in einer Wheatstone-Brücke gegenüberliegende Messküvetten werden von dem Messgas und einem Bezugsgas umströmt. Um einen direkten Einfluss der Gasströmung auf die Fühlertemperatur zu vermeiden, werden die Fühler von einer Diffusionsbarriere bedeckt, zusätzlich wird die gesamte Messkammer thermostatisiert. Bei Konzentrationsänderungen des Messgases ändern sich dessen Wärmeleitfähigkeit und damit auch der elektrische Widerstand der beiden Messfühler. Dies führt zu einer Änderung der Ausgangsspannung. Die Brücken-Spannung ist im Idealfall linear zur H2-Konzentration, tatsächlich liegt der Kennlinie aber eine mathematische Funktion zugrunde, die durch Kalibrierung ermittelt werden muss.

Zur Messung von Feuchtigkeitsspuren eignen sich neben dem relativ aufwendigen Taupunktspiegelhygrometer die coulometrische Keidel-Messzelle und die coulometrische Festelektrolytzelle. Im Gegensatz zur potentiometrischen Zelle wird bei der coulometrischen Zelle bei einer angelegten äußeren Spannung ein Strom gemessen, welcher der Konzentration proportional ist. Ein Vorteil der coulometrischen Festelektrolytzelle ist, dass die Konzentrationen von Sauerstoff- und Feuchtespuren parallel in einer Messzelle gemessen werden können.

Vorteile der Signalkopplung
Für die Herstellung anorganischer (keramischer) Leuchtstoffe werden tragbare oder stationäre Geräte von Zirox eingesetzt, in denen neben der potentiometrischen ZrO2-Messzelle ein WLD integriert ist. Das Messgas gelangt nach Passieren eines Vorfilters und einer integrierten Flammensperre zur sicherheitstechnischen Abkopplung des Gerätes von dem Prozess zunächst an den WLD. Anschließend erfolgt die Messung in der potentiometrischen Zelle. Der Anwender erhält damit gleich mehrere für die Prozessführung relevante Größen. Es wird die H2-Konzentration gemessen, die nach der Festkörperreaktion im Ofen noch vorhanden ist. Weiterhin wird als Maß für die Reduktionskraft des Gasgemisches die O2-Konzentration im chemischen Gleichgewicht gemessen.
Die Zellspannung, die direkt mit der Gleichgewichtssauerstoffkonzentration verbunden ist, wird in der Praxis auch direkt als Führungsgröße genutzt.

Zusätzlich erfolgt die Berechnung des freien Sauerstoffs im Prozess, das heißt des Sauerstoffs, der mit dem vorhandenen Wasserstoff reagieren kann. Bei Kenntnis dieser drei Größen und der Ofentemperatur ist eine sichere Prozessführung möglich. Die Wechselwirkungen des Leuchtstoffes mit den Prozessgasen können über thermodynamische Beziehungen berechnet werden.

Bei der Herstellung von OLED-Materialien werden organische Grund- und Hilfsstoffe eingesetzt. Hier arbeitet man mit einer Kopplung der potentiometrischen Festelektrolytzelle mit der coulometrischen Keidelzelle. Mit der potentiometrischen Zelle wird die Gleichgewichtssauerstoffkonzentration des Inertgases gemessen. Gleichzeitig erfolgt die Messung von Feuchtigkeitsspuren im Prozess mit Hilfe der coulometrischen Keidelzelle. Zusätzlich wird in einigen Anwendungen der freie Sauerstoff mit einem elektrochemischen Sauerstoffsensor (Clark-Zelle) gemessen. Hierbei handelt es sich um einen amperometrischen Sensor mit einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten. Durch eine dünne Membran gelangt der Sauerstoff an den Sensor und wird an den Elektroden elektrochemisch umgesetzt. Aus der Differenz der Signale der beiden O2-Sensoren erhält man unter anderem die Konzentration der Kohlenwasserstoffe im Prozess. Auch in diesem Fall ergeben sich durch die Kopplung der Sensorsignale Vorteile gegenüber der Prozessführung mittels einzelner Sensoren.