-
Die
Erfindung betrifft einen Leuchtstoffkörper, der auf natürlichen
und/oder synthetischen, hoch stabilen, plättchenförmigen Substraten wie Glimmer (Aluminosilikat),
Korund (Al2O3),
Silica (SiO2), Glas, ZrO2 oder
TiO2 sowie mindestens einem Leuchtstoff basiert,
dessen Herstellung über
strukturierte Folien sowie dessen Verwendung als LED-Konversionsleuchtstoff
für weiße LEDs
oder sogenannte Color-on-demand-Anwendungen.
-
Weiße LEDs
stellen die zukünftige
Technologie dar, um Licht künstlich
zu erzeugen. Sogenannte phosphor converted pcLEDs oder Lumineszenzkonvertierte
IukoLEDs werden nach allgemeiner Meinung von Licht und Energiefachleuten
ab 2010 die Glühbirne
und Halogenbirnen wahrnehmbar substituieren. Ab 2015 wird die Substitution
von Fluoreszenzöhren
stattfinden.
-
Diese
allgemein akzeptierte Roadmap wird aber nur dann eintreten, falls
bis zum Jahre 2010 die Technologie der pcLEDs bedeutende Fortschritte
erlangt:
Heutzutage hat eine weiße 1 W power pcLED eine wall-plug-Effizienz
von 15%, d.h. 15% der aus der Steckdose kommenden elektrischen Energie
wird in sichtbares Licht umgewandelt, der Rest geht als Wärme verloren.
Im Gegensatz zur Glühbirne,
deren Prinzip vor über
100 Jahre von Edison erfunden worden ist und sich seitdem nicht
geändert
hat, stellt dies eine eindeutige Verbesserung dar: Lediglich 5%
der in die Glühbirne
eintretende Energie wird zu sichtbarem Licht umgewandelt; der Rest
geht als Wärme verloren
und heizt die Umgebung auf.
-
Derzeit
entspricht die Lumeneffizienz einer kommerziell erhältlichen
weißen.
1 W power pcLED ca. 45 Im/W (Lumen/Watt), während die Lumeneffizienz einer
Glühbirne
bei unter 20 Im/W liegt. Die Verlustfaktoren der pcLED liegen hauptsächlich bei
dem Leuchtstoff (engl. phosphor), der bei weißen pcLEDs zur Abgabe des weißen Lichtes
und bei Color-on-demand LED-Anwendungen
zur Erzeugung eines bestimmten Farbpunktes benötigt wird, sowie bei dem Halbleiterchip
der LED selbst und dem strukturellen Aufbau der LED (packaging).
-
Unter
dem Color-on-demand Konzept versteht man die Realisierung von Licht
eines bestimmten Farbpunktes mit einer pcLED unter Einsatz eines oder
mehrer Leuchtstoffe. Dieses Konzept wird z.B. verwendet, um bestimmte
Corporate Designs z.B. für beleuchtete
Firmenlogos, Marken etc. zu erzeugen.
-
Als
Leuchtstoffe werden derzeit für
die weiße pcLED,
die einen blau emittierenden Chip als Primärstrahlung enthalten, hauptsächlich YAG:Ce3+ oder Abwandlungen davon, oder ortho-Silikate:Eu2+ verwendet.
-
Die
Leuchtstoffe werden durch Festkörper-Diffusionsverfahren
(„mixing
and firing") hergestellt,
indem oxidische Edukte als Pulver gemischt, zermahlen und danach
in einem Ofen bei Temperaturen bis zu 1700°C über bis zu mehreren Tagen in
einer ggf. reduzierenden Atmosphäre
geglüht
werden. Als Resultat entstehen Leuchtstoffpulver, die Inhomogenitäten aufweisen
in Bezug auf die Morphologie, die Partikelgrößenverteilung und die Verteilung der
lumineszenten Aktivatorionen in dem Volumen der Matrix. Des weiteren
sind die Morphologie, die Partikelgrößenverteilungen und weitere
Eigenschaften dieser nach dem traditionellen Verfahren hergestellten
Leuchtstoffe nur schlecht einstellbar und schwer reproduzierbar.
Daher besitzen diese Partikel mehrere Nachteile, wie insbesondere
eine inhomogene Beschichtung der LED-Chips mit diesen Leuchtstoffen
mit nicht optimaler und inhomogener Morphologie sowie Partikelgrößenverteilung,
die zu hohen Verlustprozessen durch Streuung führen. Weitere Verluste entstehen
in der Produktion dieser LEDs dadurch, dass die Leuchtstoffbeschichtung
der LED Chips nicht nur inhomogen, sondern auch von LED zu LED nicht
reproduzierbar ist. Dies führt
dazu, dass es zu Variationen der Farbpunkte des emittierten Lichtes
der pcLEDs auch innerhalb einer Charge kommt. Dadurch ist ein aufwendiger
Sortierprozess der LEDs (sog. Binning) erforderlich. Das Aufbringen der
Leuchtstoffpartikel auf die LED erfolgt durch einen aufwendigen
Prozess. Dazu werden die Leuchtstoffpartikel in einem Bindemittel,
meist Silikonen oder Epoxiden, dispergiert und ein oder mehrere Tropfen
dieser Dispersion auf den Chip gebracht. Während das Bindemittel aushärtet, kommt
es bei den Leuchtstoffpartikeln durch unterschiedliche Morphologie
und Größe zu uneinheitlichem
Sedimentationsverhalten, woraus eine inhomogene Beschichtung innerhalb
einer LED und von LED zu LED resultiert. Deswegen müssen aufwändige Klassifizierungsprozesse
durchgeführt
werden (sog. Binning), wobei die LEDs nach Erfüllung oder Nichterfüllung von
optischen Zielgrößen, wie
der Verteilung von optischen Parametern innerhalb des Lichtkegels
bezüglich
Verteilung der Farbtemperatur, Chromatizitäten (x,y-Werte innerhalb des
CIE Chromatizitätsdiagramms),
sowie der optischen Leistung, insbesondere des in Lumen ausgedrückten Lichtstromes
und der Lumeneffizienz (Im/W), sortiert werden. Diese Sortierung
führt zu
einer Verringerung der Zeitausbeute von LED-units pro Maschinentag,
weil zumeist >> 30% der LEDs als Ausschuß anfallen.
Diese Situation führt
zu den hohen Stückkosten
insbesondere von power LEDs (d.h. LEDs mit einem Leistungsbedarf von über 0.5
W), die selbst im Bereich von Abnahmemengen von über 10.000 Stück bei Preisen
von mehreren US-$ pro Stück
liegen können.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, Leuchtstoffe, vorzugsweise
Konversionsleuchtstoffe für
weiße
LEDs oder für
Color-on-demand-Anwendungen,
zur Verfügung
zu stellen, die eines oder mehrere der oben genannten Nachteile nicht
aufweisen. Dabei sollten der Leuchtstoffkörper plättchenförmig sein und einen Durchmesser
von über
20 μm besitzen.
-
Überraschenderweise
kann die vorliegende Aufgabe dadurch gelöst werden, dass der Leuchtstoffkörper mittels
einem strukturierten Substrat (z.B. eine Polyethylenterephthalat-Folie)
nasschemisch auch in Form von dünnen
Plättchen
herstellbar ist.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung dieser Leuchtstoffe und des Einsatzes dieser Leuchtstoffe
in LEDs kommt es zu einer Verringerung der Herstellkosten von weißen LEDs und/oder
LEDs für
Color-on-demand-Anwendungen, weil die durch den Leuchtstoff verursachte
Inhomogenität
und geringe batch-to-batch Reproduzierbarkeit der Lichteigenschaften
von LEDs eliminiert werden und die Leuchtstoffaufbringung auf den
LED Chip vereinfacht und beschleunigt wird. Des weiteren lässt sich
die Lichtausbeute von weißen
LEDs und/oder Color-on-demand-Anwendungen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
steigern. In der Summe werden die Kosten des LED-Lichtes geringer,
weil:
- • die
Kosten pro LED geringer werden (Investionskosten für den Kunden)
- • mehr
Licht aus einer LED erhalten wird (günstigeres Lumen/EUR-Verhältnis)
- • insgesamt
die sog. „total-cost-of-ownership", welche die Lichtkosten
in Abhängigkeit
der Investkosten, der Wartungskosten und Betriebs- und Austauschkosten
beschreibt, günstiger
wird.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist somit ein Leuchtstoffkörper bestehend
aus einem mit Leuchtstoff-beschichteten Substrat enthaltend Glimmer-,
Glas- ZrO2-, TiO2-,
SiO2- oder Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben.
-
Besonders
bevorzugt ist ein Leuchtstoffkörper
erhältlich
durch
- • Herstellen
einer Leuchtstoffprecursor-Suspension durch Mischen von mindestens
zwei Edukten und mindestens einem Dotierstoff nach nasschemischen
Methoden,
- • Herstellen
einer wässrigen
Suspension aus Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-, SiO2- oder Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben,
- • Aufbringung
der wässrigen
Suspension auf ein strukturiertes Trägermedium unter Bildung eines Substratfilmes,
- • Verfestigung
des Substratfilmes durch Trocknung und Trennung des getrockneten
Substratfilmes vom Trägermedium,
- • Zugabe
der Leuchtstoffprecursor-Suspension sowie anschließende Zugabe
eines Fällungsreagenzes
unter Bildung einer Leuchtstoffkörper-Vorstufe,
- • Thermische
Nachbehandlung der Leuchtstoffkörper-Vorstufe.
-
Weiterhin
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
durch einen Leuchtstoffkörper
erhältlich
durch
- • Herstellen
einer Leuchtstoffprecursor-Suspension durch Mischen von mindestens
zwei Edukten und mindestens einem Dotierstoff nach nasschemischen
Methoden,
- • Herstellen
einer wässrigen
Suspension aus Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-, SiO2- oder Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben,
- • Vereinigung
der beiden oben hergestellten Suspensionen zum Substrat,
- • Aufbringung
des Substrates auf ein strukturiertes Trägermedium unter Bildung eines
Substratfilmes,
- • Verfestigung
des Substratfilmes durch Trocknung und Trennung des getrockneten
Substratfilmes vom Trägermedium
unter Bildung einer Leuchtstoffkörper-Vorstufe
- • Thermische
Nachbehandlung er Leuchtstoffkörper-Vorstufe
zum erhaltenen Leuchtstoffkörper.
-
Desweiteren
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
durch einen Leuchtstoffkörper
erhältlich
durch
- • Herstellen
einer Leuchtstoffprecursor-Suspension durch Mischen von mindestens
zwei Edukten und mindestens einem Dotierstoff nach nasschemischen
Methoden,
- • Aufbringung
der Leuchtstoffprecursor-Suspension auf ein strukturiertes Trägermedium
unter Bildung eines Substratfilmes,
- • Verfestigung
des Substratfilmes durch Trocknung und Trennung des getrockneten
Substratfilmes vom Trägermedium
unter Bildung einer Leuchtstoffkörper-Vorstufe,
- • Thermische
Nachbehandlung der Leuchtstoffkörper-Vorstufe
zum erhaltenen Leuchtstoffkörper.
-
In
der zuletzt genannten Ausführungsform besteht
der erfindungsgemäße Leuchtstoffkörper somit
lediglich aus einem oder mehreren Leuchtstoffmaterialien, d.h. er
enthält
kein Substrat aus Glimmer-, Glas-, ZrO2-,
TiO2-, SiO2- oder
Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben.
-
Der
Leuchtstoffkörper
bzw. die Leuchtstoffplättchen
mit Durchmessern von über
20 μm können hergestellt
werden, indem ein natürlicher
oder synthetisch hergestellter hoch stabiler Träger bzw. ein Substrat aus Glimmer-,
SiO2-, Al2O3-, ZrO2-, Glas- oder
TiO2-Plättchen,
welches ein sehr großes
Aspektverhältnis
aufweist, eine atomar glatte Oberfläche und eine einstellbare Dicke
besitzt, durch Fällungsreaktion
in wässriger
Suspension oder Dispersion mit einer Leuchtstoffschicht beschichtet
werden kann. Neben Glimmer, ZrO2, SiO2, Al2O3,
Glas oder TiO2 oder Gemischen derselben
können
die Plättchen
auch aus dem Leuchtstoffmaterial selbst aufgebaut sein. Falls das
Plättchen
selbst lediglich als Träger
für die
Leuchtstoffbeschichtung dient, muss diese aus einem Material bestehen,
welches transparent für
die Primärstrahlung
der LED ist, oder die Primärstrahlung
absorbiert und diese Energie auf die Leuchtstoffschicht überträgt.
-
Durch
den Einsatz der plättchenförmigen Leuchtstoffe
wird der LED Lichtkegel homogener (Farbpunkt und Helligkeit) und
die Reproduzierbarkeit von LED zu LED nimmt zu, wodurch das Binning reduziert
oder sogar eliminiert wird.
-
Des
weiteren sind die Streueigenschaften dieser Leuchtstoffschicht günstiger
als von unregelmäßigen Leuchtstoffpulvern,
weil das von dem LED-Chip ausgestrahlte Licht von der Oberfläche des
Flakes weniger zurückgestreut
wird, als von der Oberfläche
von in Harz dispergierten uneinheitlichen Pulvern. Somit kann vom
Leuchtstoff mehr Licht absorbiert und konvertiert werden. Als Resultat
wird die Lichteffizienz der weißen
LEDs gesteigert.
-
Die
erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper können aber
auch direkt über
einer fertigen, blauen oder UV-LED bzw. in einem Abstand zum Chip
(sog. „Remote
Phosphor Konzept")
aufgebracht werden. Dadurch ist es möglich, durch einfachen Austausch des
Leuchtstoffplättchens
die Lichttemperatur und den Farbton des Lichtes zu beeinflussen.
Dies kann in der einfachsten Weise dadurch geschehen, dass die chemisch
identische Leuchtstoffsubstanz in Form unterschiedlich dicker Plättchen ausgetauscht
wird.
-
Insbesondere
können
als Material für
die erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper folgende
Verbindungen gewählt
werden, wobei in der folgenden Notation links vom Doppelpunkt das
Wirtsgitter und rechts vom Doppelpunkt ein oder mehrere Dotierelemente
aufgeführt
sind. Wenn chemische Elemente durch Kommata voneinander getrennt
und eingeklammert sind, können
sie wahlweise verwendet werden. Je nach gewünschter Lumineszenzeigenschaft der
Leuchtstoffkörper
können
eine oder auch mehrere der zur Auswahl gestellten Verbindungen herangezogen
werden:
BaAl2O4:Eu2+, BaAl2S4:Eu2+, BaB8O1-3:Eu2+,
BaF2, BaFBr:Eu2+,
BaFCl:Eu2+, BaFCl:Eu2+,
Pb2+, BaGa2S4:Ce3+, BaGa2S4:Eu2+,
Ba2Li2Si2O7:Eu2+, Ba2Li2Si2O7:Sn2+, Ba2Li2Si2O7:Sn2+, Mn2+, BaMgAl,0O17:Ce3+, BaMgAl10O17:Eu2+,
BaMgAl10O17:Eu2+, Mn2+, Ba2Mg3F10:Eu2+, BaMg3F8:Eu2+, Mn2+, Ba2MgSi2O7:Eu2+,
BaMg2Si2O7:Eu2+, Ba5(PO4)3Cl:Eu2+, Ba5(PO4)3Cl:U, Ba3(PO4)2:Eu2+, BaS:Au, K, BaSO4:Ce3+, BaSO4:Eu2+, Ba2SiO4:Ce3+, Li+, Mn2+, Ba5SiO4Cl6:Eu2+, BaSi2O5:Eu2+, Ba2SiO4:Eu2+,
BaSi2O5:Pb2+, BaxSri1-xF2:Eu2+, BaSrMgSi2O7:Eu2+,
BaTiP2O7, (Ba, Ti)2P2O7:Ti, Ba3WO6:U, BaY2F8Er3+,
Yb+, Be2SiO4:Mn2+, Bi4Ge3O12,
CaAl2O4:Ce3+, CaLa4O7:Ce3+, CaAl2O4:Eu2+,
CaAl2O4:Mn2+, CaAl4O7:Pb2+, Mn2+, CaAl2O4:Tb3+, Ca3Al2Si3O12:Ce3+, Ca3Al2Si3Oi2:Ce3+, Ca3Al2Si3O,2:Eu2+, Ca2B5O9Br:Eu2+, Ca2B5O9Cl:Eu2+, Ca2B5O9Cl:Pb2+, CaB2O4:Mn2+, Ca2B2O5:Mn2+, CaB2O4:Pb2+, CaB2P2O9:Eu2+, Ca5B2SiO10:Eu3+, Ca0-5Ba0.5Al12O19:Ce3+,
Mn2+, Ca2Ba3(PO4)3Cl:Eu2+, CaBr2:Eu2+ in SiO2, CaCl2:Eu2+ in SiO2, CaCl2:Eu2+, Mn2+ in SiO2, CaF2:Ce3+, CaF2:Ce3+, Mn2+, CaF2:Ce3+, Tb3+, CaF2:Eu2+, CaF2:Mn2+, CaF2:U, CaGa2O4:Mn2+, CaGa4O7:Mn2+,
CaGa2S4:Ce3+, CaGa2S4:Eu2+, CaGa2S4:Mn2+,
CaGa2S4:Pb2+, CaGeO3:Mn2+, CaI2:Eu2+ in SiO2, CaI2:Eu2+, Mn2+ in SiO2, CaLaBO4:Eu3+, CaLaB3O7:Ce3+,
Mn2+, Ca2La2BO6-5:Pb2+, Ca2MgSi2O7, Ca2MgSi2O7:Ce3+, CaMgSi2O6:Eu2+,
Ca3MgSi2O8:Eu2+, Ca2MgSi2O7:Eu2+, CaMgSi2O6:Eu2+, Mn2+, Ca2MgSi2O7:Eu2+,
Mn2+, CaMoO4, CaMoO4:Eu3+, CaO:Bi3+, CaO:Cd2+, CaO:Cu+, CaO:Eu3+, CaO:Eu3+, Na+, CaO:Mn2+, CaO:Pb2+, CaO:Sb3+, CaO:Sm3+, CaO:Tb3+, CaO:Tl, CaO.Zn2+,
Ca2P2O7:Ce3+, α-Ca3(PO4)2:Ce3+, β-Ca3(PO4)2:Ce3+, Ca5(PO4)3Cl:Eu2+,
Ca5(PO4)3Cl:Mn2+, Ca5(PO4)3Cl:Sb3+, Ca5(PO4)3Cl:Sn2+, β-Ca3(PO4)2:Eu2+, Mn2+, Ca5(PO4)3F:Mn2+, Cas(PO4)3F:Sb3+, Cas(PO4)3F:Sn2+, α-Ca3(PO4)2:Eu2+, β-Ca3(PO4)2:Eu2+, Ca2P2O7:Eu2+, Ca2P2O7:Eu2+, Mn2+, CaP2O6:Mn2+, α-Ca3(PO4)2:Pb2+, α-Ca3(PO4)2:Sn2+, β-Ca3(PO4)2:Sn2+, β-Ca2P2O7:Sn, Mn, α-Ca3(PO4)2:Tr,
CaS:Bi3+, CaS:Bi3+,
Na, CaS:Ce3+, CaS:Eu2+,
CaS:Cu+, Na+, CaS:La3+ CaS:Mn2+, CaSO4:Bi, CaSO4:Ce3+, CaSO4:Ce3+, Mn2+, CaSO4:Eu2+, CaSO4:Eu2+, Mn2+, CaSO4:Pb2+, CaS:Pb2+, CaS:Pb2+, Cl, CaS:Pb2+,
Mn2+, CaS:Pr3+, Pb2+, Cl, CaS:Sb3+,
CaS:Sb3+, Na, CaS:Sm3+, CaS:Sn2+, CaS:Sn2+, F,
CaS:Tb3+, CaS:Tb3+,
Cl, CaS:Y3+, CaS:Yb2+,
CaS:Yb2+, Cl, CaSiO3:Ce3+, Ca3SiO4Cl2:Eu2+,
Ca3SiO4Cl2:Pb2+, CaSiO3:Eu2+, CaSiO3:Mn2+, Pb, CaSiO3:Pb2+, CaSiO3:Pb2+, Mn2+, CaSiO3:Ti4+, CaSr2(PO4)2:Bi3+, β-(Ca, Sr)3(PO4)2:Sn2+Mn2+, CaTi0-9Al0-1O3:Bi3+, CaTiO3:Eu3+, CaTiO3:Pr3+, Ca5(VO4)3Cl,
CaWO4, CaWO4:Pb2+, CaWO4:W, Ca3WO6:U, CaYAlO4:Eu3+, CaYBO4:Bi3+, CaYBO4:Eu3+, CaYB0-8O3-7:Eu3+, CaY2ZrO6:Eu3+, (Ca, Zn,
Mg)3(PO4)2:Sn, CeF3, (Ce,
Mg)BaAl11O18:Ce,
(Ce, Mg)SrAl11O18:Ce,
CeMgAl11O19:Ce:Tb, Cd2B6O11:Mn2+, CdS:Ag+, Cr,
CdS:In, CdS:In, CdS:In, Te, CdS:Te, CdWO4,
CsF, CsI, CsI:Na+, CsI:Tl, (ErCl3)0.25(BaCl2)0-75, GaN:Zn, Gd3Ga5O12:Cr3+, Gd3Ga5O12:Cr, Ce, GdNbO4:Bi3+, Gd2O2S:Eu3+, Gd2O2Pr3+,
Gd2O2S:Pr, Ce, F,
Gd2O2S:Tb3+, Gd2SiO5:Ce3+, KAl11O17:Tl+,
KGa11O17:Mn2+ , K2La2Ti3O10:Eu,
KMgF3:Eu2+, KMgF3:Mn2+, K2SiF6:Mn4+,
LaAl3B4O12:Eu3+, LaAlB2O6:Eu3+, LaAlO3:Eu3+, LaAlO3:Sm3+, LaAsO4:Eu3+, LaBr3:Ce3+, LaBO3:Eu3+, (La, Ce,
Tb)PO4:Ce:Tb, LaCl3:Ce3+, La2O3:Bi3+, LaOBr:Tb3+, LaOBr:Tm3+, LaOCl:Bi3+, LaOCl:Eu3+ LaOF:Eu3+, La2O3:Eu3+,
La2O3:Pr3+, La2O2S:Tb3+, LaPO4:Ce3+, LaPO4:Eu3+, LaSiO3Cl:Ce3+, LaSiO3Cl:Ce3+, Tb3+, LaVO4:Eu3+, La2W3O12:Eu3+, LiAlF4:Mn2+, LiAl5O8:Fe3+, LiAlO2:Fe3+, LiAlO2:Mn2+, LiAl5O8:Mn2+,
Li2CaP2O7:Ce3+, Mn2+, LiCeBa4Si4O14:Mn2+,
LiCeSrBa3Si4O14:Mn2+, LiInO2:Eu3+, LiInO2:Sm3+, LiLaO2:Eu3+, LuAlO3:Ce3+, (Lu, Gd)2SiO5:Ce3+,
Lu2SiO5:Ce3+, Lu2Si2O7:Ce3+, LuTaO4:Nb5+, Lu1-xYxAlO3:Ce3+, MgAl2O4:Mn2+, MgSrAl10O17:Ce, MgB2O4:Mn2+,
MgBa2(PO4)2:Sn2+, MgBa2(PO4)2:U,
MgBaP2O7:Eu2+, MgBaP2O7:Eu2+, Mn2+, MgBa3Si2O8:Eu2+,
MgBa(SO4)2:Eu2+, Mg3Ca3(PO4)4:Eu2+, MgCaP2O7:Mn2+, Mg2Ca(SO4)3:Eu2+, Mg2Ca(SO4)3:Eu2+,
Mn2, MgCeAlnO19:Tb3+, Mg4(F)GeO6:Mn2+, Mg4(F)(Ge, Sn)O6:Mn2+, MgF2:Mn2+, MgGa2O4:Mn2+, Mg8Ge2O11F2:Mn4+, MgS:Eu2+, MgSiO3:Mn2+, Mg2SiO4:Mn2+, Mg3SiO3F4:Ti4+,
MgSO4:Eu2+, MgSO4:Pb2+, MgSrBa2Si2O7:Eu2+, MgSrP2O7:Eu2+, MgSr5(PO4)4:Sn2+, MgSr3Si2O8:Eu2+,
Mn2+, Mg2Sr(SO4)3:Eu2+,
Mg2TiO4:Mn4+, MgWO4, MgYBO4:Eu3+, Na3Ce(PO4)2:Tb3+, NaI:Tl, Na1-23K0-42Eu0-12TiSi4O11:Eu3+, Na1.23K0.42Eu0.12TiSi5O13·xH2O:Eu3+, Na1.29K0.46Er0.08TiSi4O11:Eu3+, Na2Mg3Al2Si2O10:Tb, Na(Mg2-xMnx)LiSi4O10F2:Mn,
NaYF4:Er3+, Yb3+, NaYO2:Eu3+, P46(70%) + P47(30%), SrAl12O19:Ce3+, Mn2+, SrAl2O4:Eu2+, SrAl4O7:Eu3+,
SrAl12O19:Eu2+, SrAl2S4:Eu2+, Sr2B5O9Cl:Eu2+, SrB4O7:Eu2+(F, Cl, Br), SrB4O7:Pb2+,
SrB4O7:Pb2+, Mn2+, SrB8O13:Sm2+, SrxBayClzAl2O4-z/2:Mn2+, Ce3+, SrBaSiO4:Eu2+, Sr(Cl, Br,I)2:Eu2+ in SiO2, SrCl2:Eu2+ in SiO2, SrSCl(PO4)3:Eu, SrwFxB4O6.5:Eu2+, SrwFxByOz:Eu2+, Sm2+, SrF2:Eu2+, SrGa12O19:Mn2+, SrGa2S4:Ce3+,
SrGa2S4:Eu2+, SrGa2S4:Pb2+, SrIn2O4:Pr3+,
Al3+, (Sr, Mg)3(PO4)2:Sn, SrMgSi2O6:Eu2+,
Sr2MgSi2O7:Eu2+, Sr3MgSi2O8:Eu2+, SrMoO4:U, SrO·3B2O3:Eu2+,Cl, β-SrO·3B2O3:Pb2+, β-SrO·3B2O3:Pb2+,
Mn2+, α-SrO·3B2O3:Sm2+, Sr6P5BO20:Eu,
Sr5(PO4)3Cl:Eu2+, Sr5(PO4)3Cl:Eu2+, PT3+, Sr5(PO4)3Cl:Mn2+, Sr5(PO4)3Cl:Sb3+, Sr2P2O7:Eu2+, β-Sr3(PO4)2:Eu2+, Sr5(PO4)3F:Mn2+, Sr5(PO4)3F:Sb3+, Sr5(PO4)3F:Sb3+,
Mn2+, Sr5(PO4)3F:Sn2+,
ST2P2O7:Sn2+, (β-Sr3(PO4)2:Sn2+, β-Sr3(PO4)2:Sn2+, Mn2+(Al), SrS:Ce3+, SrS:Eu2+, SrS:Mn2+, SrS:Cu+, Na,
SrSO4:Bi, SrSO4:Ce3+, SrSO4:Eu2+, SrSO4:Eu2+, Mn2+, Sr5Si4O10Cl6:Eu2+, Sr2SiO4:Eu2+,
SrTiO3:Pr3+, SrTiO3:Pr3+, Al3+, Sr3WO6:U, SrY2O3:Eu3+, ThO2:Eu3+, ThO2:Pr3+, ThO2:Tb3+, YAl3B4O12:Bi3+, YAl3B4O12:Ce3+, YAl3B4O12:Ce3+, Mn, YAl3B4O12:Ce3+,
Tb3+, YAl3B4O12:Eu3+,
YAl3B4O12:Eu3+, Cr3+, YAl364O12:Th4+, Ce3+, Mn2+, YAlO3:Ce3+, Y3Al5O12:Ce3+, (Y, Gd,
Lu, Tb)3(Al, Ga)5O12:(Ce, Pr, Sm), Y3Al5O12:Cr3+, YAlO3:Eu3+, Y3Al5O12:Eu3r, Y4Al2O9:Eu3+, Y3Al5O12:Mn4+, YAlO3:Sm3+, YAlO3:Tb3+, Y3Al5O12:Tb3+, YAsO4:Eu3+, YBO3:Ce3+, YBO3:Eu3+, YF3:Er3+, Yb3+, YF3:Mn2+, YF3:Mn2+, Th4+, YF3:Tm3+, Yb3+, (Y, Gd)BO3:Eu,
(Y, Gd)BO3:Tb, (Y, Gd)2O3:Eu3+, Y1.34Gd0.60O3(Eu, PT), Y2O3:Bi3+, YOBr:Eu3+, Y2O3:Ce, Y2O3:Er3+,
Y2O3:Eu3+(YOE),
Y2O3:Ce3+,
Tb3+, YOCl:Ce3+,
YOCl:Eu3+, YOF:Eu3+,
YOF:Tb3+, Y2O3:Ho3+, Y2O2S:Eu3+,
Y2O2S:Pr3+, Y2O2S:Tb3+, Y2O3:Tb3+, YPO4:Ce3+, YPO4:Ce3+, Tb3+, YPO4:Eu3+, YPO4:Mn2+, Th4+, YPO4:V5+, Y(P, V)O4:Eu,
Y2SiO5:Ce3+, YTaO4, YTaO4:Nb5+, YVO4:Dy3+, YVO4:Eu3+, ZnAl2O4:Mn2+, ZnB2O4:Mn2+,
ZnBa2S3:Mn2+, (Zn, Be)2SiO4:Mn2+, Zn0.4Cd0.6S:Ag, Zn0.6Cd0.4S:Ag, (Zn,
Cd)S:Ag, Cl, (Zn, Cd)S:Cu, ZnF2:Mn2+, ZnGa2O4, ZnGa2O4:Mn2+, ZnGa2S4:Mn2+,
Zn2GeO4:Mn2+, (Zn, Mg)F2:Mn2+, ZnMg2(PO4)2:Mn2+,
(Zn, Mg)3(PO4)2:Mn2+, ZnO:Al3+, Ga3+, ZnO:Bi3+, ZnO:Ga3+, ZnO:Ga,
ZnO-CdO:Ga, ZnO:S, ZnO:Se, ZnO:Zn, ZnS:Ag+,Cl-, ZnS:Ag, Cu, Cl, ZnS:Ag, Ni, ZnS:Au, In,
ZnS-CdS(25-75), ZnS-CdS(50-50), ZnS-CdS(75-25), ZnS-CdS:Ag, Br, Ni,
ZnS-CdS:Ag+, Cl, ZnS-CdS:Cu, Br, ZnS-CdS:Cu, I,
ZnS:Cl-, ZnS:Eu2+,
ZnS:Cu, ZnS:Cu+, Al3+,
ZnS:Cu+, Cl-, ZnS:Cu,
Sn, ZnS:Eu2+, ZnS:Mn2+,
ZnS:Mn, Cu, ZnS:Mn2+, Te2+,
ZnS:P, ZnS:P3-,Cl-,
ZnS:Pb2+, ZnS:Pb2+,
Cl-, ZnS:Pb, Cu, Zn3(PO4)2:Mn2+, Zn2SiO4:Mn2+,
Zn2SiO4:Mn2+, As5+, Zn2SiO4:Mn, Sb2O2, Zn2SiO4:Mn2+, P, Zn2SiO4:Ti4 +, ZnS:Sn2 +, ZnS:Sn, Ag, ZnS:Sn2 +, Li+, ZnS:Te, Mn,
ZnS-ZnTe:Mn2 +, ZnSe:Cu+,Cl, ZnWO4
-
Vorzugsweise
besteht der Leuchtstoffkörper aus
mindestens einem der folgenden Leuchtstoffmaterialien:
(Y,
Gd, Lu, Se, Sm, Tb)3(Al, Ga)5O12:Ce (mit oder ohne Pr), (Ca, Sr, Ba)2SiO4:Eu, YSiO2N:Ce, Y2Si3O3N4:Ce,
Gd2Si3O3N4:Ce, (Y, Gd, Tb, Lu)3Al5-x SixO12-xNx:Ce, BaMgAl10O17:Eu, SrAl2O4:Eu, Sr4Al14O25:Eu, (Ca, Sr,
Ba)Si2N2O2:Eu, SrSiAl2O3N2:Eu, (Ca, Sr,
Ba)2Si5N8:Eu, CaAlSiN3:Eu, Molybdate,
Wolframate, Vanadate, Gruppe-III Nitride, Oxide, jeweils einzeln
oder Gemischen derselben mit einem oder mehreren Aktivatorionen
wie Ce, Eu, Mn, Cr und/oder Bi.
-
Der
Leuchtstoffkörper
kann als Plättchen
in Dicken von 10 μm
bis zu 5 mm, vorzugsweise zwischen 20 μm bis 100 μm, grosstechnisch hergestellt werden.
Die Plättchenausdehnung
in den beiden anderen Dimensionen (Länge × Breite) ist bei Anbringung
direkt auf dem Chip von 100 μm × 100 μm bis zu
8 mm × 8
mm, vorzugsweise 120 μm × 120 μm bis zu
3 mm × 3
mm.
-
Werden
die Leuchtstoffplättchen über einer fertigen
LED und/oder in einem Abstand vom LED-Chip angebracht, worunter
die Remote-phoshor Anordnung fallen kann, so ist der austretende
Lichtkegel vollständig
von den Plättchen
zu erfassen.
-
Der
plättchenförmige Leuchtstoffkörper besitzt
in der Regel ein Aspektverhältnis
(Verhältnis
des Durchmessers zur Teilchendicke) von 2: 1 bis 400:1, und insbesondere
1,5:1 bis 100:1.
-
Vorzugsweise
besteht das, im Leuchtstoffkörper
eingesetzte, Substrat aus SiO2 und/oder Al2O3.
-
Die
Seitenflächen
des erfindungemäßen Leuchtstoffkörpers können mit
einem Leicht- oder Edelmetall, vorzugsweise Aluminium oder Silber
verspiegelt werden. Die Verspiegelung bewirkt, dass im erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper durch
Wellenleitung kein Licht lateral aus dem Leuchtstoffkörper austritt.
Lateral austretendes Licht kann den aus der LED auszukoppelnden
Lichtstrom verringern. Die Verspiegelung des Leuchtstoffkörpers kann
in einem Prozessschritt nach der Herstellung der Leuchtstoffkörper erfolgen.
Die Seitenflächen
werden hierzu z.B. mit einer Lösung
aus Silbernitrat und Glucose benetzt und anschließend bei
erhöhter
Temperatur einer Ammoniak-Atmosphäre ausgesetzt. Hierbei bildet
sich z.B. ein silberner Belag auf den Seitenflächen aus.
-
Alternativ
bieten sich auch stromlose Metallisierungsverfahren an, siehe beispielsweise
Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Walter de Gruyter
Verlag oder Ullmanns Enzyklopädie
der chemischen Technologie.
-
Des
weiteren kann die dem LED Chip zugewandte Oberfläche des erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörpers mit
einer Beschichtung versehen werden, welche entspiegelnd in Bezug
auf die von dem LED Chip emittierte Primärstrahlung wirkt. Dies führt ebenfalls
zu einer Verringerung der Rückstreuung der
Primärstrahlung,
wodurch diese besser in den erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper eingekoppelt werden
kann. Hierfür
eignen sich beispielsweise brechzahlangepasste Beschichtungen, die
eine folgende Dicke d aufweisen müssen: d = [Wellenlänge der
Primärstrahlung
des LED Chips/4·Brechzahl
der Leuchtstoffkeramik)], s. beispielsweise Gerthsen, Physik, Springer
Verlag, 18. Auflage, 1995. Diese Beschichtung kann auch aus photonischen
Kristallen bestehen, wobei hierunter auch eine Strukturierung der
Oberfläche
des plättchenförmigen Leuchtstoffkörpers fällt, um
bestimmte Funktionalitäten
zu erreichen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besitzt der plättchenförmige Leuchtstoffkörper auf
der, einem LED Chip entgegengesetzten Seite eine strukturierte (z.B.
pyramidale) Oberfläche
(siehe 5). Somit kann möglichst viel Licht aus dem Leuchtstoffkörper ausgekoppelt
werden. Ansonsten erfährt
Licht, welches unter einem bestimmten Winkel, dem Grenzwinkel, und
darüber
hinaus auf die Grenzfläche
plättchenförmiger Leuchtstoffkörper-Umgebung
trifft, Totalreflektion, wodurch es einer unerwünschten Wellenleitung des Lichtes
innerhalb der Leuchtstoffkörpers
kommt.
-
Die
strukturierte Oberfläche
auf dem Leuchtstoffkörper
wird durch nachträgliches
Beschichten mit einem geeigneten Material, welches bereits strukturiert
ist, oder in einem nachfolgenden Schritt durch (photo-) lithografische
Verfahren, Ätzverfahren
oder durch Schreibverfahren mit Energie- oder Materiestrahlen oder
Einwirkung von mechanischen Kräften hergestellt.
-
Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die Oberfläche
des erfindungsgemäßen Leuchtstoffes
selbst strukturiert wird durch Einsatz der oben genannten Verfahren.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besitzt der erfindungsgemäße Leuchtstoffkörper auf
der, einem LED Chip entgegengesetzten Seite eine raue Oberfläche (siehe 5),
die Nanopartikel aus SiO2, TiO2,
Al2O3 , ZnO2 , ZrO2 und/oder
Y2O3 oder Kombinationen
aus diesen Materialien oder aus Partikeln mit der Leuchtstoffzusammensetzung
trägt. Dabei
hat eine raue Oberfläche
eine Rauhigkeit von bis zu einigen 100 nm. Die beschichtete Oberfläche hat
den Vorteil, dass Totalreflektion verringert oder verhindert werden
kann und das Licht besser aus dem erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper ausgekoppelt
werden kann.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besitzt der erfindungsgemäße Leuchtstoffkörper auf
der, dem Chip abgewandten Oberfläche
eine Brechzahl angepasste Schicht, welche die Auskopplung der Primärstrahlung
und oder der vom Leuchtstoffkörper
emittierten Strahlung erleichtert.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besitzt der Leuchtstoffkörper
auf der, einem LED Chip zugewandten Seite eine polierte Oberfläche gemäß DIN EN
ISO 4287 (Rugotest; polierte Oberfläche haben die Rauheitsklasse
N3-N1). Dies hat den Vorteil, dass die Oberfläche verringert wird, wodurch weniger
Licht zurück
gestreut wird.
-
Zusätzlich kann
diese polierte Oberfläche auch
noch mit einer Beschichtung versehen werden, die für die Primärstrahlung
transparent ist, aber die Sekundärstrahlung
reflektiert. Dann kann die Sekundärstrahlung nur nach oben emittiert
werden. Bevorzugt ist auch, wenn die einem LED Chip zugewandte Seite
des Leuchtstoffkörpers
eine für
die von der LED emittierten Strahlung mit Anti-Reflex-Eigenschaften ausgestattete
Oberfläche
besitzt.
-
Die
Edukte zur Herstellung des Leuchtstoffkörpers bestehen aus dem Basismaterial
(z.B. Salzlösungen
des Yttrium, Aluminiums, Gadoliniums etc.) sowie mindestens einem
Dotierstoff (z.B. Cer). Als Edukte kommen anorganische und/oder
organische Stoffe wie Nitrate, Halogenide, Carbonate, Hydrogencarbonate,
Phosphate, Carboxylate, Alkoholate, Acetate, Oxalate, Sulfate, metallorganische
Verbindungen, Hydroxide und/oder Oxide der Metalle, Halbmetalle, Übergangsmetalle
und/oder Seltenerden in Frage, welche in anorganischen und/oder
organischen Flüssigkeiten
gelöst
und/oder suspendiert sind. Vorzugsweise werden Mischnitratlösungen, Chlorid-
oder Hydroxidlösungen
eingesetzt, welche die entsprechenden Elemente im erforderlichen
stöchiometrischen
Verhältnis
enthalten.
-
Weiterhin
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffkörpers mit
folgenden Verfahrensschritten:
- a) Herstellen
einer Leuchtstoffprecursor-Suspension durch Mischen von mindestens
zwei Edukten und mindestens einem Dotierstoff nach nasschemischen
Methoden,
- b) Herstellen einer wässrigen
Suspension aus Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-, SiO2- oder Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben,
- c) Aufbringung der unter Schritt b hergestellten wässrigen
Suspension auf ein strukturiertes Trägermedium unter Bildung eines
Substratfilmes,
- d) Verfestigung des Substratfilmes durch Trocknung und Trennung
des getrockneten Substratfilmes vom Trägermedium,
- e) Zugabe der, unter Schritt a hergestellten, Leuchtstoffprecursor-Suspension sowie
anschließende
Zugabe eines Fällungsreagenzes
unter Bildung einer Leuchtstoffkörper-Vorstufe
- f) Thermische Nachbehandlung der Leuchtstoffkörper-Vorstufe
zum erhaltenen Leuchtstoffkörper.
-
Durch
Einsatz von strukturierten Trägermedien,
vorzugsweise aus organischen Materialien (z.B. Polyethylenterephthalat-Folien)
oder auch keramischen Materialien (z.B. Korund), können plättchenförmige Leuchtstoffkörper mit
einem Durchmesser zwischen 20 μm
und bis zu 5 mm hergestellt werden.
-
Das
strukturierte Trägermedium
besteht aus Näpfen
(vorzugsweise quadratisch), in welche die Substanzen gefüllt werden,
aus denen die Plättchen hergestellt
werden. Die Größe der Plättchen wird durch
die Abmessungen der Näpfe
(Länge × Breite × Tiefe)
vorgegeben (siehe 1 bis 3). Nach dem
Befüllen
der Näpfe
wird der Inhalt der Näpfe
bei erhöhten
Temperaturen verfestigt. Hierbei kann das Erhitzen bis zu einer
Temperatur (vorzugsweise von 180 bis 800°C) erfolgen, bei der das strukturierte
Trägermedium
bzw. die Näpfe,
falls diese aus Polymeren bestehen, weg gebrannt werden, wodurch
die Plättchen
isolierbar sind bzw. entfernt werden können. Alternativ können die
Näpfe auch
dadurch entfernt werden, indem das flexible Trägermedium in Form eines endlosen
Bandes über
eine Umkehrrolle geführt
wird, wobei sich die verfestigten Plättchen vom Trägermedium
lösen.
-
Die
Plättchen
bestehen dabei vorzugsweise aus einem anorganischen Substrat: bzw.
Bindermaterial wie Glimmer-, Glas-, ZrO2-,
TiO2-, SiO2- oder Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben, die mit Leuchtstoffpartikeln (wie z.B. YAG:
Ce oder ortho-Silikate) beschichtet sind. Bevorzugt werden dabei
Silica oder Korund-Plättchen
eingesetzt.
-
Die
Herstellung der synthetischen Plättchen geschieht
nach herkömmlichen
Verfahren über
einen Bandprozess aus den entsprechenden Alkalisalzen (z.B für Silica
aus einer Kalium- oder Natronwasserglas-Lösung). Das Herstellverfahren
ist ausführlich
in
EP 763573 ,
EP 608388 und
DE 19618564 beschrieben.
-
Die
Plättchen
werden dann als wässrige Suspension
mit einem definierten Feststoffgehalt an Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-, SiO2- oder Al2O3 vorgelegt und dann nach, dem Fachmann bekannten
Verfahren über
ein vorher beschriebenes strukturiertes Trägermedium mit Leuchtstoffprecursoren
beschichtet. Hierzu werden Salze der gewünschten Komponenten des Leuchtstoffprecursors
(z.B. YAG: Ce) auf der Oberfläche
der Substratplättchen
ausgefällt.
Bei exakt definierten Bedingungen (wie z.B. dem pH-Wert, der Temperatur
und der Anwesenheit von Additiven fällt der vorgebildete Leuchtstoffprecursor in
der Suspension aus und die enstehenden Partikel scheiden sich auf
dem Substrat als Schicht ab. Nach mehreren Reinigungsschritten wird
das mit Leuchtstoffbeschichtete Substrat mehrere Stunden bei Temperaturen
zwischen 700 und 1800°C,
vorzugsweise zwischen 900 und 1700°C geglüht. Dabei wird der Leuchtstoffprecursor
bzw. die Leuchtstoffkörper-Vorstufe
(vorzugsweise in Form eines Leuchtstoffhydroxids) in den eigentlichen
plättchenförmigen Leuchtstoffkörper (vorzugsweise
in Oxidform) überführt. Bevorzugt
ist es, die Glühung
zumindest teilweise unter reduzierenden Bedingungen (z.B. mit Kohlenmonoxid,
Formiergas, reinen Wasserstoff oder zumindest Vakuum oder Sauerstoffmangel-Atmosphäre) durchzuführen.
-
Vorzugsweise
handelt es sich dabei um eine ein- oder mehrstufige thermische Nachbehandlung im
oben genannten Temperaturbereich. Besonders bevorzugt besteht diese
thermische Nachbehandlung aus einem zweistufigen Prozess, wobei
der erste Prozess ein Schockerhitzen sein kann, welches bei der
Temperatur T1 durchgeführt wird und der zweite Prozess
einen Temperprozess bei der Temperatur T2 darstellt.
Das Schockerhitzen kann beispielsweise dadurch ausgelöst werden,
indem die zu erhitzende Probe in den bereits auf T1 geheizten
Ofen eingebracht wird. T1 beträgt dabei
700 bis 1800°C,
vorzugsweise 900 bis 1600°C
und für
T2 gelten Werte zwischen 1000 und 1800°C, vorzugsweise
1200 bis 1700°C.
Der erste Prozess verläuft über einen
Zeitraum von 1-2 h. Danach kann das Material auf Raumtemperatur
abgekühlt
und fein zermahlen werden. Der Temperprozess bei T2 erfolgt über einen
Zeitraum von z.B. 2 bis 8 Stunden. Der Temperprozess kann in reduzierender
Atmosphäre
erfolgen. Diese zweistufige thermische Nachbehandlung hat den Vorteil,
dass das teilkristalline oder amorphe feinteilige, oberflächenreaktive
Leuchtstoffpulver, im ersten Schritt bei der Temperatur T1 einer teilweisen Versinterung unterzogen
wird und in einem nachgeschalteten thermischen Schritt bei T2 eine Aggregatbildung zwischen mehreren
plättchenförmigen Partikeln
weitestgehend unterbunden wird, aber die vollständige Kristallisierung und/oder
Phasenumwandlung erfolgt bzw. Kristallfehler thermisch ausgeheilt
werden.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung
eines Leuchtstoffkörpers
mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Herstellen
einer Leuchtstoffprecursor-Suspension durch Mischen von mindestens
zwei Edukten und mindestens einem Dotierstoff nach nasschemischen
Methoden,
- b) Herstellen einer wässrigen
Suspension aus Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-, SiO2- oder Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben,
- c) Vereinigung der unter Schritt a und b hergestellten Suspensionen
zum Substrat,
- d) Aufbringung des Substrates auf ein strukturiertes Trägermedium
und Entstehung eines Substratfilmes,
- e) Verfestigung des Substratfilmes durch Trocknung und Trennung
des getrockneten Substratfilmes vom Trägermedium unter Bildung einer Leuchtstoffkörper-Vorstufe,
- f) Thermische Nachbehandlung der Leuchtstoffkörper-Vorstufe
zu m erhaltenen Leuchtstoffkörper.
-
Bei
der zweiten, erfindungsgemäßen Verfahrensvariante
wird das anorganische Substrat aus Glimmer-, Glas-, ZrO2-,
TiO2-, SiO2- oder
Al2O3-Plättchen oder
Gemischen derselben mit der Leuchtstoffprecursor-Suspension gemischt und daraus ein Substratfilm über ein
strukturiertes Trägermedium
mittels Bandprozess hergestellt. Es findet somit keine Beschichtung
des anorganischen Substrates mit Leuchtstoffpartikeln statt (wie
beim ersten erfindungsgemäßen Verfahren),
sondern die Leuchtstoffpartikel werden in das anorganische Substrat
eingebettet (siehe 4).
-
Eine
weitere Verfahrensvariante betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Leuchtstoffkörpern
mit folgenden Verfahrensvarianten:
- a) Herstellen
einer Leuchtstoffprecursor-Suspension durch Mischen von mindestens
zwei Edukten und mindestens einem Dotierstoff nach nasschemischen
Methoden,
- b) Aufbringung der Leuchtstoffprecursor-Suspension auf ein strukturiertes
Trägermedium
und Entstehung eines Substratfilmes,
- c) Verfestigung des Substratfilmes durch Trocknung und Trennung
des getrockneten Substratfilmes vom Trägermedium unter Bildung einer Leuchtstoffkörper-Vorstufe,
- d) Thermische Nachbehandlung des Leuchtstoffkörper-Vorstufe
zum erhaltenen Leuchtstoffkörper.
-
Bei
dieser dritten Varfahrensvariante wird kein anorganisches Substrat
aus Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-,
SiO2- oder Al2O3-Plättchen
oder Gemischen derselben, zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörpers eingesetzt.
Die so hergestellten Leuchtstoffkörper sind besonders dann bevorzugt,
wenn es darum geht, dass eine möglichst hohe
Leuchtstoffkonzentration als Konversionsmaterial erforderlich ist.
-
Die
nasschemische Herstellung besitzt generell den Vorteil, dass die
resultierenden erfindungsgemäßen Materialien
eine höhere
Einheitlichkeit in Bezug auf die stöchiometrische Zusammensetzung, die
Partikelgröße und die
Morphologie der Partikel aufweisen, aus denen der erfindungsgemäße Leuchtstoffkörper hergestellt
wird. Die nasschemische Herstellung des Leuchtstoffkörpers geschieht vorzugsweise
nach dem Präzipitations-
und/oder Sol-Gel-Verfahren.
-
Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper besteht
darin, dass sie lagerungsfähig sind
und ohne Harzdispersion direkt auf dem LED-Chip aufgebracht werden
können,
falls dieser im Flip-Chip-Design ausgeführt ist. Herkömmliche LED
Chips mit Anschlussdrähten
auf der Oberfläche können nicht
direkt mit den erfindungsgemäßen Leuchtstoffplättchen ausgestattet
werden. Hier muss die optische Ankopplung des Leuchtstoffkörpers an den
Chip beispielsweise mit einem transparenten Harz erfolgen.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungseinheit
mit mindestens einer Primärlichtquelle,
deren Emissionsmaximum im Bereich 240 bis 510 nm liegt, wobei die
primäre
Strahlung teilweise oder vollständig
in längenwellige
Strahlung konvertiert wird durch den erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper. Vorzugsweise
ist diese Beleuchtungseinheit weiß emittierend oder emittiert
Licht mit einem bestimmten Farbpunkt (Color-on-demand-Prinzip).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit
handelt es sich bei der Lichtquelle um ein lumineszentes IndiumAluminiumGalliumNitrid,
insbesondere der Formel IniGajAlkN, wobei 0 ≤ i, 0 ≤ j, 0 ≤ k, und i + j + k = 1 ist.
-
Dem
Fachmann sind mögliche
Formen von derartigen Lichtquellen bekannt. Es kann sich hierbei um
lichtemittierende LED-Chips unterschiedlichen Aufbaus handeln.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit handelt
es sich bei der Lichtquelle um eine lumineszente auf ZnO, TCO (Transparent
conducting Oxide), ZnSe oder SiC basierende Anordnung oder auch
um eine auf einer organischen licht-emittierenden Schicht basierende Anordnung.
-
Der
plättchenförmige Leuchtstoffkörper kann entweder
direkt auf der Primärlichtquelle
angeordnet werden oder aber von dieser, je nach Anwendung, entfernt
angeordnet sein (letztere Anordnung schliesst auch die „Remote
phosphor Technologie" mit
ein). Die Vorteile der „Remote phosphor
Technologie" sind
dem Fachmann bekannt und z.B. der folgenden Publikation zu entnehmen: Japanese
Journ. of Appl. Phys. Vol 44, No. 21 (2005). L649-L651.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist es bevorzugt, wenn die optische Ankopplung der Beleuchtungseinheit
zwischen dem Leuchtstoffkörper
und der Primärlichtquelle
durch eine lichtleitende Anordnung realisiert wird. Dadurch ist
es möglich,
dass an einem zentralen Ort die Primärlichtquelle installiert wird
und diese mittels lichtleitender Vorrichtungen, wie beispielsweise
lichtleidenden Fasern, an den Leuchtstoff optisch angekoppelt ist.
Auf diese Weise lassen sich den Beleuchtungswünschen angepasste Leuchten
lediglich bestehend aus einem oder unterschiedlichen Leuchtstoffkörpern, die
zu einem Leuchtschirm angeordnet sein können, und einem Lichtleiter,
der an die Primärlichtquelle
angekoppelt ist, realisieren. Auf diese Weise ist es möglich, eine starke
Primärlichtquelle
an einen für
die elektrische Installation günstigen
Ort zu platzieren und ohne weitere elektrische Verkabelung, sondern
nur durch Verlegen von Lichtleitern an beliebigen Orten Leuchten aus
Leuchtstoffkörpern,
welche an die Lichtleiter gekoppelt sind, zu installieren.
-
Weiterhin
kann es bevorzugt sein, dass die Beleuchtungseinheit aus einem oder
mehreren Leuchtstoffkörpern
besteht, die gleich oder unterschiedlich aufgebaut sind.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
des erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörpers zur
Konversion der blauen oder im nahen UV-liegenden Emission in sichtbare weiße Strahlung.
Weiterhin ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörpers zur
Konversion der Primärstrahlung
in einen bestimmten Farbpunkt nach dem „Color-on-demand"-Konzept bevorzugt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Leuchtstoffkörper
als Konversionsleuchtstoff für sichtbare
Primärstrahlung
zur Erzeugung von Weißlicht
eingesetzt werden. In diesem Fall ist es für eine hohe Lichtleistung besonders
vorteilhaft, wenn der Leuchtstoffkörper einen bestimmten Anteil
der sichtbaren Primärstrahlung
absorbiert (im Falle von nicht sichtbarer Primärstrahlung soll diese gesamt
absorbiert werden) und der restliche Anteil der Primärstrahlung
transmittiert wird in Richtung der Oberfläche, welche der Primärlichtquelle
gegenüber
liegt. Des weiteren ist es für
eine hohe Lichtleistung vorteilhaft, wenn der Leuchtstoffkörper für die von
ihm emittierte Strahlung möglichst
transparent ist bzgl. der Auskopplung über die dem die Primärstrahlung
emittierenden Material gegenüberliegende
Oberfläche.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann der Leuchtstoffkörper
als Konversionsleuchtstoff für
UV-Primärstrahlung
zur Erzeugung von Weißlicht
eingesetzt werden. In diesem Fall ist es für eine hohe Lichtleistung vorteilhaft,
wenn der Leuchtstoffkörper
die gesamte Primärstrahlung
absorbiert und wenn der Leuchtstoffkörper für die von ihm emittierte Strahlung
möglichst
transparent ist.
-
Die
folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung verdeutlichen.
Sie sind jedoch keinesfalls als limitierend zu betrachten. Alle
Verbindungen oder Komponenten, die in den Zubereitungen verwendet
werden können,
sind entweder bekannt und käuflich
erhältlich
oder können
nach bekannten Methoden synthetisiert werden. Die in den Beispielen angegebenen
Temperaturen gelten immer in °C.
Es versteht sich weiterhin von selbst, dass sich sowohl in der Beschreibung
als auch in den Beispielen die zugegebenen Mengen der Komponenten
in den Zusammensetzungen immer zu insgesamt 100% addieren. Gegebene
Prozentangaben sind immer im gegebenen Zusammenhang zu sehen. Sie
beziehen sich üblicherweise
aber immer auf die Masse der angegebenen Teil- oder Gesamtmenge.
-
Beispiele
-
Beispiel 1: Herstellung von Silica-Plättchen (Silica-Flakes)
mit Abmessungen von 2 mm × 2
mm × 100 μm
-
Eine
kommerziell erhältliche
Natronwasserglaslösung
wird zunächst
mit VE-Wasser im Verhältnis
1:2,5 verdünnt
und mit 1 wt % Additiv (Disperse Ayd W22) versetzt. Nach homogenisieren
der Lösung
durch Rühren
wird diese auf eine Polyethylenterephthalat-Folie(PET-Folie), die
eine periodische Struktur mit der bevorzugten Dimension, bestehend aus
quadratischen Näpfen
einer Grundfläche
von 2 mm × 2
mm und einer Höhe
von 100 μm
aufweist (siehe 1 und 2), aufgetragen.
Der aufgetragene Film wird bei 100°C getrocknet und anschließend beim
Führen über eine
Umkehrrolle abgelöst (siehe 3).
Die erhaltenen Silica-Rohflakes werden in einer wässrigen
Lösung
mit verdünnter
Salzsäure
bei pH = 5 konditioniert.
-
Beispiel 2: Beschichtung der Flakes aus
Bsp. 1 mit YAG:Ce-Leuchtstoff, ausgehend von Nitrat-Vorstufen
-
(Fällungsreaktion
bei pH 7-9)
-
-
2.94Y3+ + 0.06Ce3+ +
5Al3+ 24OH- → 3(Y0.98Ce0.02)(OH)3 ↓ +
5Al(OH)3 ↓
-
Thermische Umwandlung bei 1000°C:
-
-
3(Y0.98Ce0.02)(OH)3 + 5Al(OH)3 → (Y0.98Ce0.02)3Al5O12 + +
12H2O ↑
-
Silica
Flakes aus Beispiel 1 werden als wässrige Suspension mit einem
Feststoffgehalt von 50 g/l in einem Belegungs-Gefäß vorgelegt.
-
Die
Suspension wird anschließend
auf 75°C erhitzt
und intensiv mit 1000 UpM gerührt.
-
Nun
wird eine wässrige
Lösung,
die die Vorstufe des eigentlichen Leuchtstoffes enthält, folgendermaßen hergestellt:
157,10
g Al(NO3)3 × 9H2O wird unter Rühren auf der Magnetrührplatte
in 600 ml VE H2O (BG) gelöst. Wenn
das Salz vollständig
gelöst
ist, wird 5 min nachgerührt.
Dann werden Y(NO3)3 × 6H2O (94,331g) zugegeben und ebenfalls gelöst, 5 min
nachgerührt. 2,183g
Ce(NO3)3 × 6H2O vervollständigen die Zusammensetzung
der Nitrat- Lösung.
-
Diese
Lösung
wird mittels eines Glas-Einleitrohrs zu der gerührten Suspension, die das Substrat aus
Silica beinhaltet, dosiert.
-
Mittels
eines zweiten Einleitrohrs wird gleichzeitig Natronlauge zu der
genannten Suspension dosiert. Damit wird der pH-Wert der Suspension
während
der Fällungs-Reaktion
konstant auf 8,0 gehalten.
-
Bei
beschriebenem pH-Wert fällt
nun der vorgebildete YAG:Ce-Leuchtstoff in der Suspension aus und
die entstehenden Leuchtstoff-Nano-Partikel scheiden sich auf dem
Silica bzw. Al2O3-Substrat
ab, d.h. die Plättchen
werden mit den Leuchtstoff-Partikeln beschichtet.
-
Nach
ca. 30 h ist der Beschichtungsprozess beendet. Die Suspension wird
dann noch 2 h gerührt und
das Material wie beschrieben abgesaugt, nachgewaschen und bei 1000°C ca. 6 h
lang geglüht.
Bei der Glühung
wird der Leuchtstoffprecursor (Leuchtstoffhydroxid) in den eigentlichen
Leuchtstoff in der Oxidform überführt. Danach
wird eine zweite Glühung
unter reduzierenden Bedingungen (CO oder Formiergas) bei Temperaturen
bis zu 1200°C
durchgeführt.
-
Beispiel 3: Herstellung von YAG:Ce Leuchtstoff
auf Silica-Flakes,
ausgehend von Chlorid Vorstufen
-
(Fällungsreaktion
bei pH 7-9)
-
-
2.94Y3+ + 0.06Ce3+ +
5Al3+ 24OH- → 3(Y0.98Ce0.02)(OH)3 ↓ +
5Al(OH)3 ↓
-
Thermische Umwandlung bei 1000°C:
-
-
3(Y0.98Ce0.02)(OH)3 + 5Al(OH)3 → (Y0.98Ce0.02)3Al5O12 + +
12H2O ↑
-
Silica
Flakes bzw. Al
2O
3-Flakes
(Herstellung siehe
DE 4134600 sowie
EP 763 573 ) werden als wässrige Suspension
mit einem Feststoffgehalt von 50 g/l in einem Belegungs-Gefäß vorgelegt.
-
Die
Suspension wird anschließend
auf 75°C erhitzt
und intensiv mit 1000 UpM gerührt.
-
Nun
wird eine wässrige
Lösung,
die die Vorstufe des eigentlichen Leuchtstoffes enthält, folgendermaßen hergestellt:
101,42
g AlCl3 × 6H2O
wird unter Rühren
auf der Magnetrührplatte
in 600 ml VE H2O (BG) gelöst. Wenn das
Salz vollständig
gelöst
ist, wird 5 min nachgerührt.
Dann werden YCl3 × 6H2O
(74,95g) zugegeben und ebenfalls gelöst, 5 min nachgerührt. 1,787g CeCl3 × 6H2O vervollständigen die Zusammensetzung
der Chlorid- Lösung.
-
Diese
Lösung
wird mittels eines Glas-Einleitrohrs zu der gerührten Suspension, die das Substrat aus
Silica- und/oder Al2O3 beinhaltet,
dosiert. Mittels eines zweiten Einleitrohrs wird gleichzeitig Natronlauge
zu der genannten Suspension dosiert. Damit wird der pH-Wert der
Suspension während
der Fällungs-Reaktion
konstant auf 7,5 gehalten.
-
Bei
beschriebenem pH-Wert fällt
nun der vorgebildete YAG:Ce-Leuchtstoff in der Suspension aus und
die entstehenden Leuchtstoff-Nano-Partikel scheiden sich auf dem
Silica-Substrat ab, d.h. die Plättchen
werden mit den Leuchtstoff-Partikeln beschichtet.
-
Nach
ca. 30 h ist der Beschichtungsprozess beendet. Die Suspension wird
dann noch 2 h gerührt und
das Material wie beschrieben abgesaugt, nachgewaschen und bei 1000°C ca. 6 h
lang geglüht.
Bei der Glühung
wird der Leuchtstoffprecursor (Leuchtstoffhydroxid) in den eigentlichen
Leuchtstoff (die Oxidform) überführt. Die
Glühung
erfolgt dabei unter reduzierenden Bedingungen (z.B. CO-Atmosphäre).
-
Beispiel 4: Einbau von YAG:Ce-Leuchtstoffpartikeln in
Silica-Flakes
-
Eine
kommerziell erhältliche
Natronwasserglaslösung
wird zunächst
mit VE-Wasser im Verhältnis
1:2,5 verdünnt
und mit 1 wt % Additiv (Disperse AYT-W22, Fa. Poro-Additive GmbH)
versetzt. Nach Homogenisieren der Mischung wird anschließend 30 wt
% YAG-Leuchtstoff (Herstellung analog zu den Beispielen 2 oder 3)
bezogen auf den SiO2-Gehalt unter Rühren dazugegeben.
Die Dispersion wird anschließend
mit einem geeigneten Rührorgan
(Propeller-Rührer,
Ultra-Turax o.a.) 1 h intensiv gemischt. Nach Homogenisieren der
Lösung
durch Rühren
wird diese auf ein Trägermedium
bestehend aus einer Polyethylenterephthalat-Folie, die eine rechteckige Struktur
mit der bevorzugten Dimension aufweist, aufgetragen. Der aufgetragene
Film wird bei 100°C getrocknet
und anschließend
abgelöst.
Die erhaltenen Silica-Rohflakes werden in einer wässrigen
Lösung
mit verdünnter
Salzsäure
bei pH = 5 konditioniert und anschließend bei 800°C kalziniert.
-
Beispiel 5: Herstellung von YAG:Ce-Leuchtstoffplättchen
-
(Fällungsreaktion
bei pH 7-9)
-
-
2.94Y3+ + 0.06Ce3+ +
5Al3+ 24OH- → 3(Y0.98Ce0.02)(OH)3 ↓ +
5Al(OH)3 ↓
-
Thermische Umwandlung bei 1000°C:
-
-
3(Y0.98Ce0.02)(OH)3 + 5Al(OH)3 → (Y0.98Ce0.02)3Al5O12 + +
12H2O ↑
-
101,42
g AlCl3 × 6H2O
wird unter Rühren
auf der Magnetrührplatte
in 600 ml VE H2O (BG) gelöst. Wenn
das Salz vollständig
gelöst
ist, wird 5 min nachgerührt.
Dann werden YCl3 × 6H2O
(74,95g) zugegeben und ebenfalls gelöst, 5 min nachgerührt. 1,787g CeCl3×6H2O vervollständigen die Zusammensetzung der
Chlorid- Lösung.
-
Diese
Lösung
wird mittels eines Glas-Einleitrohrs in die Näpfe eines strukturierten Trägermediums
bzw. Bandes dosiert.
-
Mittels
eines zweiten Einleitrohrs wird gleichzeitig Natronlauge zu der
genannten Suspension dosiert. Damit wird der pH-Wert der Suspension
während
der Fällungs-Reaktion
konstant auf 7,5 gehalten.
-
Bei
beschriebenem pH-Wert fällt
nun der vorgebildete YAG:Ce-Leuchtstoff in der Suspension aus. Danach
wird die Suspension getrocknet und verfestigt. Die verfestigten
Plättchen
werden von dem strukturierten Trägermedium
getrennt und thermisch nachbehandelt.
-
Die
thermische Nachbehandlung erfolgt in einem zweistufigen Prozess:
Bei 1000°C
wird das Material an der Luft über
4 h lang geglüht,
danach wird das Material bei 1700°C
in einer reduzierenden Atmosphäre
(Formiergas) über
einen Zeitraum von 6 h geglüht.
-
Abbildungen
-
Im
folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Es
zeigen:
-
1:
Seitenansicht der strukturierten Folie bestehend aus Näpfen mit
einer bestimmten Tiefe. Die Näpfe
stellen die Schablone für
die Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-,
SiO2- oder Al2O3-Plättchen
dar. (1 = PET-Folie, Sollbruchstelle für die Glimmer-, Glas-, ZrO2-, TiO2-, SiO2- oder Al2O3-Plättchen)
-
2:
Aufsicht der Folienstruktur, welche aus nebeneinander angeordneten
rechteckigen Näpfen
besteht.
-
3:
Die Näpfe
werden mit den flüssigen oder
gelösten
Vorläufersubstanzen
für die
Plättchen befüllt-grau-(z.B.
Natron-wasserglas),
die Vorläufersubstanzen
werden getrocknet und erhitzt-grau-. Hierbei kann das Erhitzen bis
zu einer Temperatur erfolgen, bei der das strukturierte Trägermedium
(z.B. PET-Folie) weg gebrannt wird, wodurch die (grau-dargestellten)
Plättchen
isolierbar sind. Die Abmessungen der Plättchen entsprechen derjenigen der
Näpfe.
(1 = strukturierte PET-Folie, Sollbruchstelle für das Silica; 2 =
getrocknetes Natron-Wasserglas)
-
4:
Silica-Flakes, in die Leuchtstoffpulver eingebettet sind, bestehend
aus YAG:Ce (1 = Leuchtstoffpartikel z.B. YAG:Ce; 2 =
Silica-Flake-Matrix)
-
5:
durch erfindungsgemäße Behandlung
des plättchenförmigen Leuchtstoffkörpers können pyramidale
Strukturen 2 auf der einen Oberfläche des Plättchens erzeugt werden (oben).
Ebenso können
erfindungsgemäß auf eine
Oberfläche
(raue Seite 3) des plättchenförmigen Leuchtstoffkörpers Nanopartikel
aus SiO2, TiO2,
ZnO2, ZrO2, Al2O3, Y2O3 etc. oder Gemischen derselben oder Partikel
aus der Leuchtstoffzusammensetzung bestehend aufgebracht werden.