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DE10157447B4 - Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle Download PDF

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DE10157447B4 DE10157447A DE10157447A DE10157447B4 DE 10157447 B4 DE10157447 B4 DE 10157447B4 DE 10157447 A DE10157447 A DE 10157447A DE 10157447 A DE10157447 A DE 10157447A DE 10157447 B4 DE10157447 B4 DE 10157447B4
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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
(a) Synthetisieren eines ersten Leuchtstoffs und eines zweiten Leuchtstoffs;
(b) Mischen des ersten Leuchtstoffs und des zweiten Leuchtstoffs gemäß einem Mischungsverhältnis in eine Leuchtstoffmischung, wobei das Mischungsverhältnis bestimmt wird durch die Schritte:
(1) Messen der Emissionsintensität einer ersten Bezugswellenlänge des ersten Leuchtstoffs für eine Mehrzahl von Anregungswellenlängen, die innerhalb eines ersten Bereichs von Anregungswellenlängen liegen;
(2) Auswählen einer ersten Anregungswellenlänge aus dem ersten Bereich von Anregungswellenlängen basierend auf den in Schritt (1) gemessenen Emissionsintensitäten;
(3) Messen des Emissionsspektrums des ersten Leuchtstoffs für die erste Anregungswellenlänge und Ermittlung einer ersten Emissionswellenlänge als Intensitätsmaximum im gemessenen Emissionsspektrum;
(4) Ermitteln der ersten Farbe, die der ersten Emissionswellenlänge entspricht, in einer Normfarbtafel;
(5) Messen der Emissionsintensität einer zweiten Bezugswellenlänge des zweiten Leuchtstoffs für eine Mehrzahl von Anregungswellenlängen, die innerhalb eines zweiten Bereichs von Anregungswellenlängen liegen;...

Description

  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle mit großer Helligkeit mittels einer Ultraviolett-Lichtquelle und geeigneten Leuchtstoffverbindungen, welche direkt oder indirekt mittels der Ultraviolett-Lichtquelle angeregt werden.
  • Eine Weißlichtquelle wird gewöhnlich mittels Mischens von Licht verschiedener Wellenlängen bereitgestellt und weißes Licht, welches vom menschlichen Sehvermögen wahrgenommen wird, ist gewöhnlich aus zumindest zwei Farben zusammengesetzt. Zum Beispiel kann eine herkömmliche Weißlichtquelle durch Mischen von rotem Licht, grünem Licht und blauem Licht mit einem geeigneten Intensitätsverhältnis realisiert werden. Alternativ kann die Weißlichtquelle durch Mischen von gelbem Licht und blauem Licht mit einem geeigneten Intensitätsverhältnis realisiert werden.
  • Die Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik verwendet gewöhnlich zumindest Leuchtstoffverbindungen verschiedener Farben, um das Farbwiedergabevermögen zu gewährleisten. Eine Vorraussetzung jedoch, um eine Weißlichtquelle hoher Effizienz bereitzustellen, ist es, dass das Licht aus der anregenden Lichtquelle von allen Leuchtstoffverbindungen absorbiert werden kann. Ferner haben alle Leuchtstoffverbindungen aufeinander abgestimmte Absorptionskoeffizienten in Bezug auf das Licht der anregenden Lichtquelle. Ferner sollten die Leuchtstoffverbindungen aufeinander abgestimmte Quantenabsorptionen haben, um das Mischen des Lichts zu erleichtern.
  • US 3,707,641 offenbart eine Entladungsvorrichtung mit zwei Fluoreszenzmaterialien, wobei das erste Fluoreszenzmaterial auf eine UV-Anregung reagiert und sichtbares und ultraviolettes Licht emittiert. Das zweite Fluoreszenzmaterial wird durch das UV-Licht des ersten Fluoreszenzmaterials angeregt und emittiert sichtbares Licht, so dass eine hocheffiziente gemeinsame Lichtemission entsteht.
  • WO 01/24284 A1 offenbart eine Weißlicht-LED, wobei Primärlicht der LED mit Licht einer zweiten Wellenlänge und einer dritten Wellenlänge gemischt wird, wobei der Leuchtstoff, der von dem Primärlicht angeregt wird, entweder ein Grundmaterial mit zwei entsprechenden Dotieratomen oder zwei entsprechend dotierte Grundmaterialien aufweist.
  • Wie aus den obigen Erläuterungen ersehen werden kann, sollten die Leuchtstoffverbindungen jedoch sorgfältig ausgewählt werden, damit das Absorptionsband zu der Wellenlänge der anregenden Strahlung passt. Ferner sollten die Leuchtstoffverbindungen aufeinander abgestimmte Absorptionskoeffizienten und eine aufeinander abgestimmte Quantenabsorption aufweisen, um weißes Licht hoher Qualität bereitzustellen. Diese Anforderungen legen den Materialien der Leuchtstoffverbindungen strikte Beschränkungen auf.
    •
  • Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle mit großer Helligkeit mittels einer Ultraviolett-Lichtquelle und geeigneter Leuchtstoffverbindungen bereitzustellen, wobei eine der Leuchtstoffverbindungen mittels einer Ultraviolett-Lichtquelle und die anderen Leuchtstoffverbindungen mittels des von der Leuchtstoffverbindung, welche durch das ultraviolette Licht angeregt wird, re-emittierten Lichts angeregt werden.
  • Gemäß der Erfindung wird dazu ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle bereitgestellt, wobei ein erster Leuchtstoff und ein zweiter Leuchtstoff synthetisiert werden, der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff gemäß einem Mischungsverhältnis in eine Leuchtstoffmischung gemischt werden, eine Lichtquelle mit der ersten Anregungswellenlänge bereitgestellt wird und die Leuchtstoffmischung auf die Lichtquelle angewendet wird. Zum Bestimmen des Mischungsverhältnisses wird die Emissionsintensität einer ersten Bezugswellenlänge des ersten Leuchtstoffs für eine Mehrzahl von Anregungswellenlängen, die innerhalb eines ersten Bereichs von Anregungswellenlängen liegen, gemessen, eine erste Anregungswellenlänge aus dem ersten Bereich von Anregungswellenlängen basierend auf den zuvor gemessenen Emissionsintensitäten ausgewählt, das Emissionsspektrum des ersten Leuchtstoffs für die erste Anregungswellenlänge gemessen und eine erste Emissionswellenlänge als Intensitätsmaximum im gemessenen Emissionsspektrum ermittelt, die erste Farbe, die der ersten Emissionswellenlänge entspricht, in einer Normfarbtafel ermittelt. Darauf wird die Emissionsintensität einer zweiten Bezugswellenlänge des zweiten Leuchtstoffs für eine Mehrzahl von Anregungswellenlängen, die innerhalb eines zweiten Bereichs von Anregungswellenlängen liegen, gemessen, eine zweite Anregungswellenlänge aus dem zweiten Bereich von Anregungswellenlängen basierend auf den zuvor gemessenen Emissionsintensitäten ausgewählt, das Emissionsspektrum des zweiten Leuchtstoffs für die zweite Anregungswellenlänge gemessen und eine zweite Emissionswellenlänge als Intensitätsmaximum im gemessenen Emissionsspektrum ermittelt, die zweite Farbe, die der zweiten Emissionswellenlänge entspricht, in einer Normfarbtafel ermittelt, eine Linie von der Farbkoordinate der ersten Farbe zu der Farbkoordinate der zweiten Farbe in der Normfarbtafel gezeichnet und das Mischungsverhältnis des ersten Farbstoffs und des zweiten Farbstoffs derart bestimmt, dass eine emittierte Farbe davon auf einer Linie in der Normfarbtafel in einem Bereich des Weißlichts liegt.
  • Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle bereitgestellt, wobei eine Ultraviolett-Lichtquelle bereitgestellt wird, ein erster Leuchtstoff und ein zweiter Leuchtstoff in eine Leuchtstoffmischung gemischt werden, wobei der erste Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus BaMgAl10O17:Eu; ZnS:Ag; und (Sr, Ca, Ba, Mg)10(PO4)6Cl2:Eu besteht, und der zweite Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Y3Al5O12:Ce, Gd; ZnS:Mn; und 3Cd3(PO4)2CdC12:Mn besteht, der erste Leuchtstoff mit der Ultraviolett-Lichtquelle zum Erzeugen eines ersten Emissionslichts angeregt wird, wobei das erste Emissionslicht blau ist, der zweite Leuchtstoff mit dem ersten Emissionslicht zum Erzeugen eines zweiten Emissionslichts angeregt wird, wobei das zweite Emissionslicht gelb ist, und das erste Emissionslicht und das zweite Emissionslicht in ein Weißlicht gemischt werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen dargestellt.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Anregungsspektrum eines (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17-Leuchtstoffpulvers mit Bezug auf die Wellenlänge von 488 nm;
  • 2 ein Emissionsspektrum des mittels eines ultravioletten Lichts der Wellenlänge 382 nm angeregten (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17-Leuchtstoffpulvers;
  • 3 die Farbtemperaturänderungen in der Normfarbtafel gemäß CIE von verschiedenen BAM/YAG Verhältnissen, welche mittels eines ultravioletten Lichts der Wellenlänge 382 nm bestrahlt werden;
  • 4 ein Anregungsspektrum eines (Y2,3Ce0,05Gd0,65)Al5O12-Leuchtstoffpulvers mit Bezug auf die Wellenlänge von 600 nm;
  • 5 ein Emissionsspektrum des mittels eines blauen Lichts der Wellenlänge 470 nm angeregten (Y2,3Ce0,05Gd0,65)Al5O12-Leuchtstoffpulvers;
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle bereit, welche eine Ultraviolett-Lichtquelle und geeignete Leuchtstoffverbindungen verwendet. Eine der Leuchtstoffverbindungen wird mittels einer Ultraviolett-Lichtquelle angeregt und erzeugt Strahlung mit größerer Wellenlänge. Andere Leuchtstoffverbindungen werden mittels der Strahlung größerer Wellenlänge angeregt und erzeugen Strahlung mit wesentlich größerer Wellenlänge. Das mittels dieser Leuchtstoffverbindungen erzeugte Licht wird gemischt, um weißes Licht bereitzustellen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zwei Leuchtstoffverbindungen benutzt.
  • Die Ultraviolett-Lichtquelle kann entweder mittels einer Ultraviolett-LED, eines Elektronenstrahles oder eines Plasmas realisiert werden.
  • Die Leuchtstoffverbindung, welche blaues Licht emittiert, nachdem sie mittels ultravioletten Lichts angeregt wurde, kann aus der Gruppe, welche sich aus BaMgAl10O17:Eu; ZnS:Ag; und (Sr, Ca, Ba, Mg)10(PO4)6Cl2:Eu zusammensetzt, ausgewählt sein.
  • Die Leuchtstoffverbindung, welche gelbes Licht emittiert, nachdem sie mittels blauen Lichts angeregt wurde, kann aus der Gruppe, welche sich aus Y3Al5O12:Ce, Gd; ZnS:Mn; und 3Cd3(PO4)2CdCl2:Mn zusammensetzt, ausgewählt sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren, um die Leuchtstoffverbindungen zu erzeugen wird nachfolgend erläutert:
    • 1. Synthetisieren eines Leuchtstoffpulvers mit der Formel BaMgAl10O17:Eu (als BAM bezeichnet) wie zum Beispiel (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17 mittels Festkörper-Reaktion oder Chemosynthese-Verfahren, beispielsweise Zitrat-Sol-Gel-Verfahren oder Kopräzipitation.
    • 2. Synthetisieren eines Leuchtstoffpulvers mit der Formel Y3Al5O12:Ce, Gd (als YAG bezeichnet) wie zum Beispiel (y2,3Ce0,05Gd0,65)Al5O12 mittels Festkörper-Reaktion oder Chemosynthese-Verfahren, beispielsweise Zitrat-Sol-Gel-Verfahren oder Kopräzipitation.
    • 3. Messen des Anregungsspektrums des (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17-Leuchtstoffpulvers mit Bezug auf die Wellenlänge von 488 nm. Wie in 1 dargestellt, kann das (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17-Leuchtstoffpulver mittels eines ultravioletten Lichts angeregt werden.
    • 4. Messen des Emissionsspektrums des mittels eines ultravioletten Lichts der Wellenlänge 382 nm angeregten (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17-Leuchtstoffpulver. Wie in 2 dargestellt, emittiert das (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17-Leuchtstoffpulver nach Anregen mittels eines ultravioletten Lichts einer Wellenlänge von 382 nm blaues Licht. Die Farbkoordinate des blauen Lichts ist unter Bezugnahme auf die 1931 CIE (commission internationale del'Eclairage) Normfarbtafel bestimmt und ist mit dem Buchstaben „A" in 3 markiert.
    • 5. Messen des Anregungsspektrums des (Y2,3Ce0,05Gd0,65)Al5O12-Leuchtstoffpulvers mit Bezug auf die Wellenlänge von 600 nm. Wie in 4 dargestellt kann das YAG-Leuchtstoffpulver mittels eines blauen Lichts einer Wellenlänge zwischen 400 und 490 nm angeregt werden.
    • 6. Messen des Emissionsspektrums des mittels eines Lichts der Wellenlänge 470 nm angeregten (Y2,3Ce0,05Gd0,65)Al5O12-Leuchtstoffpulvers. Wie in 5 dargestellt, emittiert das (Y2,3Ce0,05Gd0,65)Al5O12--Leuchtstoffpulver nach Anregen mittels eines blauen Lichts gelbes Licht. Die Farbkoordinate des gelben Lichts ist unter Bezugnahme auf die 1931 CIE Normfarbtafel bestimmt und ist mit dem Buchstaben „B" in 3 markiert.
    • 7. Mischen des obigen BAM-Leuchtstoffpulvers und des YAG-Leuchtstoffpulvers in verschiedenen Verhältnissen (BAM/YAG = 3,3; 5,0; 7,1 bzw. 9,3) und Verwenden einer 382 nm Ultraviolett-LED als Anregungsstrahlung. Die Farbtemperaturvariationen für die verschiedenen BAM/YAG Verhältnisse sind in 3 gezeigt.
    • 8. Zeichnen einer gestrichelten Gerade, welche die Punkte „A" und „B" in 3 miteinander verbindet. Wie in 3 zu sehen ist, durchquert die gestrichelte Gerade einen Weißlichtbereich in der CIE Normfarbtafel. Ferner befinden sich die Farbtemperaturveränderungen der verschiedenen BAM/YAG Verhältnisse auch entlang der gestrichelten Gerade.
  • Die obigen BAM-Leuchtstoffpulver und YAG-Leuchstoffpulver können in verschiedenen Verhältnissen gemischt werden und mit einer Ultraviolett-Lichtquelle als Strahlungsquelle gepackt werden, womit eine Weißlichtquelle wie zum Beispiel eine Weißlicht-LED gebildet wird. Die gepackte Weißlicht-LED kann beispielsweise in eine der nachfolgenden Anordnungen implementiert werden: eine Lampe, eine SMD-Vorrichtung (SMD = surface mounted device) und eine COB-Vorrichtung (COB = Chip-on-Board).
  • Zusammenfassend hat die erfindungsgemäße Weißlichtquelle typische Vorteile gegenüber bekannten Weißlichtquellen:
    • 1. Erfindungsgemäß kann eine Leuchtstoffverbindung von dem Licht einer anderen Leuchtstoffverbindung angeregt werden. Dadurch ist es nicht notwendig, dass die erfindungsgemäßen Leuchtstoffverbindungen von der gleichen Lichtquelle angeregt werden. Die Anwendbarkeit von Leuchtstoffverbindungen wird erhöht.
    • 2. Die Weißlichtquelle kann aus einer großen Vielfalt von Leuchtstoffverbindungen erzeugt werden; das Farbwiedergabevermögen und die Effizienz werden erhöht.
  • Obwohl die Erfindung gemäß des obigen Ausführungsbeispiels beschrieben ist, können verschiedene Variationen vorgenommen werden. Zum Beispiel können in dem erfindungsgemäßen Verfahren Leuchtstoffverbindungen verwendet werden, welche direkt oder indirekt mittels einer Ultraviolett-Lichtquelle angeregt werden und welche im einem geeigneten Verhältnis gemischt werden, um eine gleichmäßige Weißlichtquelle großer Helligkeit bereitzustellen.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Synthetisieren eines ersten Leuchtstoffs und eines zweiten Leuchtstoffs; (b) Mischen des ersten Leuchtstoffs und des zweiten Leuchtstoffs gemäß einem Mischungsverhältnis in eine Leuchtstoffmischung, wobei das Mischungsverhältnis bestimmt wird durch die Schritte: (1) Messen der Emissionsintensität einer ersten Bezugswellenlänge des ersten Leuchtstoffs für eine Mehrzahl von Anregungswellenlängen, die innerhalb eines ersten Bereichs von Anregungswellenlängen liegen; (2) Auswählen einer ersten Anregungswellenlänge aus dem ersten Bereich von Anregungswellenlängen basierend auf den in Schritt (1) gemessenen Emissionsintensitäten; (3) Messen des Emissionsspektrums des ersten Leuchtstoffs für die erste Anregungswellenlänge und Ermittlung einer ersten Emissionswellenlänge als Intensitätsmaximum im gemessenen Emissionsspektrum; (4) Ermitteln der ersten Farbe, die der ersten Emissionswellenlänge entspricht, in einer Normfarbtafel; (5) Messen der Emissionsintensität einer zweiten Bezugswellenlänge des zweiten Leuchtstoffs für eine Mehrzahl von Anregungswellenlängen, die innerhalb eines zweiten Bereichs von Anregungswellenlängen liegen; (6) Auswählen einer zweiten Anregungswellenlänge aus dem zweiten Bereich von Anregungswellenlängen basierend auf den in Schritt (5) gemessenen Emissionsintensitäten; (7) Messen des Emissionsspektrums des zweiten Leuchtstoffs für die zweite Anregungswellenlänge und Ermitteln einer zweiten Emissionswellenlänge als Intensitätsmaximum im gemessenen Emissionsspektrum; (8) Ermitteln der zweiten Farbe, die der zweiten Emissionswellenlänge entspricht, in einer Normfarbtafel; (9) Zeichnen einer Linie von der Farbkoordinate der ersten Farbe zu der Farbkoordinate der zweiten Farbe in der Normfarbtafel; und (10) Bestimmen des Mischungsverhältnisses des ersten Farbstoffs und zweiten Farbstoffs derart, dass eine emittierte Farbe davon auf einer Linie in der Normfarbtafel in einem Bereich des Weißlichts liegt; (c) Bereitstellen einer Lichtquelle mit der ersten Anregungswellenlänge; und (d) Anwenden der Leuchtstoffmischung auf die Lichtquelle.
  2. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei die erste Anregungswellenlänge im ultravioletten Bereich liegt.
  3. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei die erste Emissionswellenlänge des ersten Leuchtstoffs der zweiten Anregungswellenlänge des zweiten Leuchtstoffs entspricht.
  4. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei die erste Bezugswellenlänge der ersten Farbe entspricht und die zweite Bezugswellenlänge der zweiten Farbe entspricht.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei die Mischungsverhältnis-Bestimmung von Schritt (10) die Schritte aufweist: (i) Mischen des ersten Leuchtstoffs und des zweiten Leuchtstoffs in eine Mehrzahl von Leuchtstoff-Testmischungen gemäß einer entsprechenden Mehrzahl von vorgegebenen Mischungsverhältnissen; (ii) Anzeigen der Farbtemperatur in der Normfarbtafel entsprechend von Licht, das von jeder der Leuchtstoff-Testmischungen emittiert wird, wenn sie mit der ersten Anregungswellenlänge angeregt wird; und (iii) Interpolieren zwischen den Werten der Farbtemperatur, die Licht entsprechen, das von jeder der Leuchtstoff-Testmischungen auf jeder Seite des Weißlichtbereichs emittiert wird, so dass das Mischungsverhältnis des ersten Leuchtstoffs und des zweiten Leuchtstoffs festgelegt wird.
  6. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine LED ist oder das Licht durch einen Elektronenstrahl oder ein Plasma erzeugt wird.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei die erste Farbe blau und die zweite Farbe gelb ist.
  8. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 7, wobei der erste Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus BaMgAl10O17:Eu; ZnS:Ag und (Sr, Ca, Ba, Mg)10(PO4)6Cl2:Eu besteht, und der zweite Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Y3Al5O12:Ce,Gd; ZnS:Mn; und 3Cd3(PO4)2CdCl2:Mn besteht.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff entweder mittels einer Festkörper-Reaktion oder eines Chemosynthese-Verfahren hergestellt werden.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtquelle, die die Leuchtstoffmischung verwendet, als Lampe oder in SMD- oder Chip-on-Board-Technik gepackt ist.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, das aufweist: (a) Bereitstellen einer Ultraviolett-Lichtquelle; (b) Mischen eines ersten Leuchtstoffs und eines zweiten Leuchtstoffs in eine Leuchtstoffmischung, wobei der erste Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus BaMgAl10O17:Eu; ZnS : Ag; und (Sr, Ca, Ba, Mg)10(PO4)6Cl2:Eu besteht, und der zweite Leuchtstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Y3Al5O12:Ce,Gd; ZnS:Mn; und 3Cd3(PO4)2CdCl2:Mn besteht; (c) der erste Leuchtstoff wird mit der Ultraviolett-Lichtquelle zum Erzeugen eines ersten Emissionslichts angeregt, wobei das erste Emissionslicht blau ist; (d) der zweite Leuchtstoff wird mit dem ersten Emissionslicht zum Erzeugen eines zweiten Emissionslichts angeregt, wobei das zweite Emissionslicht gelb ist; (e) Mischen des ersten Emissionslichts und des zweiten Emissionslichts in ein Weißlicht.
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