DE102009040329A1

DE102009040329A1 - Leuchtmittel auf Basis nanoskaliger Strukturen

Info

Publication number: DE102009040329A1
Application number: DE102009040329A
Authority: DE
Inventors: Thomas Asperger; Jörg KINDERMANN; Thomas Emde; Werner Pfeifer
Original assignee: EMDE PROJECTS GmbH
Current assignee: Emdeligent De GmbH
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-10
Also published as: WO2011026967A1; EP2475925A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel (10) aufweisend nanoskalige, sichtbares Licht emittierende Strukturen (16), bei dem an oder in einem als formstabile Rotationsfläche ausgebildeten Träger (18) aus einer Schicht oder einer Schichtanordnung zumindest bereichsweise mindestens eine über nanoskalige, lumineszente Strukturen Licht emittierende Einrichtung entlang der Rotationsfläche flächig erstreckt angeordnet ist. Vorzugsweise sind die nanoskaligen Strukturen mindestens teilweise als Quanten-Dots in Form von Atomclustern ausgebildet. Zweck der vorliegenden Erfindung angesichts des Standes der Technik ist es, ein Leuchtmittel bereitzustellen, bei dem ohne Filter eine bessere, spektrale Emissionscharakteristik erzielt wird und gleichzeitig die Lichtausbeute gegenüber bekannten Leuchtmitteln besser ausfällt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel, welches nanoskalige, sichtbares Licht emittierende Strukturen aufweist.
Nanoskalige, sichtbares Licht emittierende Strukturen sind solche, bei denen die im Bereich von wenigen bis maximal mehreren hundert Nanometern liegende Größe eine lokal begrenzte, deformierte Bandstruktur mit diskreten, quantisierten Energiezuständen bedingt. Von den Eigenschaften her ist diese Bandstruktur im Übergangsbereich zwischen Atomeigenschaften und Materialeigenschaften anzusiedeln und zeigt unübliche und unerwartete Eigenschaften der quantisierten Energiezustände. Vorliegend sind jene Strukturen betroffen, bei denen die besagten Energiezustände Lumineszenzprozesse ermöglichen.
Lumineszenzprozesse sind dadurch charakterisiert, dass nach einer Anregung mit einem Energiequant im nachfolgenden Prozess ein Exciton relaxiert und rekombiniert und überschüssige Energie anteilig als Photon in Form von sichtbarem Licht freigesetzt wird. Abhängig von der Art der Anregung spricht man von Radiolumineszenz (Anregung durch radioaktive Strahlung), Thermolumineszenz (Anregung durch Temperaturerhöhung), Photolumineszenz (Anregung durch Lichtquanten) oder auch Elektrolumineszenz (Anregung durch Elektronen per Strom/Spannung); 'Lumineszenz' kann dabei auch sukzessive, kombinierte Arten der Anregung mit umfassen.
Nanoskalige, Lumineszenzprozesse ermöglichende Strukturen sind beispielsweise aus der DE 601 32 258 oder auch als Atomcluster in Form von Quanten-Dots bekannt. Kennzeichnend für die vorbeschriebenen Strukturen ist eine lorentzverbreiterte Spektrallinie, welche durch einen Lumineszenzprozess bedingt wird, der als gedämpfte Schwingung beschrieben werden kann. Dieser thermisch quenchbare Lumineszenzprozess führt mithin zu einer per se breiteren Spektrallinie, als es Beispielsweise von üblichen Gasanregungsprozessen von Quecksilberdampflampen bekannt ist. Ein weiteres typisches Merkmal derartiger Quanten-Dots ist, dass die Position der Spektrallinie mit der Größe der nanoskaligen Struktur korelliert; je größer die nanoskalige Struktur ist, desto größer ist auch die Wellenlänge des abgestrahlten Photons. Man kann dies auch als größenabhängige Rotverschiebung beschreiben.
Leuchtmittel der vorgenannten Art sind beispielsweise aus der KR 100658304 B1 bekannt; hier werden Quantendots als nanoskalige Strukturen als oberflächliche Strukturierungen eines Substrats innerhalb einer LED-Schichtenfolge angeordnet und mithin zur simultanen Elektrolumineszenz verwendet.
Angesichts des intensiv beforschten Bereichs der kostengünstigen und stromsparenden Leuchtmittel finden sich in der Literatur viele Dokumente, in denen das Ersetzen oder Ergänzen von 3-Farb-Lichtquellen auf LED-Basis mit ähnlichen, nanoskaligen Strukturen beschrieben ist.
Gängiges Ziel der vorbenannten Dokumente ist es, den Verlust an Licht zu minimieren und die Ausbeute in Bezug auf die eingesetzte Energie zu maximieren. Nachteilig führen dabei die üblicher Weise mit drei beabstandeten Wellenlängen zu einem weißen Licht kombinierten Emissionswellenlängen zu qualitativ minderwertigem Weißlicht, mit dem eine angenehme Ausleuchtung, besonders eine tageslichtechte Beleuchtung von Farbmustern und Designs, nur mit weiteren Farb- und Effektfiltern erzielt werden kann. Weiterhin problematisch ist bei den gattungsgemäßen Leuchtmitteln wie sie aus der WO 2009/011922 A1 bekannt sind, dass die nanoskaligen Strukturen ob ihrer geringen Größe bei flächiger Bestrahlung mit energiereicher Anregungsstrahlung äußerst geringe Energieausbeuten zeigen; zudem sind diese Strukturen chemisch als Nanopartikel hoch reaktiv und altern bei regelmäßiger Belastung mit Sonnenlicht erheblich schneller als übliche Leuchtmittel. Gerade für ein qualitativ hochwertiges Tagesleuchtmittel ergibt sich so die widersprüchliche Anforderung, Tageslicht so gut wie möglich nachzubilden und gleichzeitig ein Altern der Lumineszenzstoffe durch Wärme und Außenlicht zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesichts des Standes der Technik ist es, ein Leuchtmittel bereitzustellen, bei dem ohne Filter eine bessere, spektrale Emissionscharakteristik erzielt wird und gleichzeitig die Lichtausbeute gegenüber bekannten Leuchtmitteln besser ausfällt.
Weiterhin ist es ein Anliegen der vorliegenden Erfindung, ein Leuchtmittel zu Verfügung zu stellen, welches nach seiner äußeren Anmutung und seiner grundsätzlichen Bauform bekannten herkömmlichen Leuchtmitteln ähnlich ist oder sogar mit diesen kompatibel ist, so dass es als Ersatz für beispielsweise eine herkömmliche Glühlampe oder Leuchtstofflampe in Betracht kommt, wobei aber die Erzeugung des emittierten Lichts anders als bei herkömmlichen Leuchtmitteln erfolgt.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Leuchtmittel der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und -beispielen. Es versteht sich, dass die Ausführungsbeispiele nicht beschränkend zu sehen sind; im Rahmen der unabhängigen Ansprüche kann ein Fachmann auch unter Heranziehen einzelner Merkmale der nachfolgend beschriebenen Merkmalskombinationen zu einem Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung gelangen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals ein Leuchtmittel beansprucht, bei dem an oder in einem als formstabile Rotationsfläche ausgebildeten Träger zumindest bereichsweise mindestens eine über nanoskalige, lumineszente, diskrete Strukturen Licht emittierende Einrichtung angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung kann sich die nanoskalige Licht emittierende Einrichtung entlang der Rotationsfläche des Trägers erstrecken, auf dessen Innenseite und/oder auf dessen Außenseite oder aber die nanoskalige Licht emittierende Einrichtung befindet sich in dem Träger.
Unter Rotationsfläche wird dabei die Oberfläche eines Rotationskörpers im Sinne der mathematischen Definition verstanden, der durch Rotation einer erzeugenden Linie um eine Rotationsachse entsteht. Beispiele für derartige Rotationskörper sind Kugel, Zylinder, Torus, Ellipsoid, davon abgeleitete Rotationskörper sowie solche mit komplexeren Formen. Die Licht emittierenden Strukturen sind dabei der Form dieses Rotationskörpers folgend angeordnet und das Licht wird nach außen hin abgestrahlt.
Die Rotationsfläche ist formstabil und ist mithin in ihrer Form in der Funktion als Träger des Leuchtmittels ausgebildet. Man kann erfindungsgemäß einen für die lichttechnische Funktion neutralen Träger verwenden, den man beispielsweise mit einer oder mehreren funktionalen Schichten beschichtet. Man kann aber auch dem Träger selbst eine weitere für das Leuchtmittel wesentliche Funktion zuweisen. Beispielsweise kann der Träger selbst optische Eigenschaften übernehmen (Lichtstreuung, Lichtbrechung, Reflexion etc.) oder stromleitend sein und somit beispielsweise als Elektrode fungieren. Der Träger kann auch mehrschichtig sein und einen komplexeren Schichtaufbau mit mehreren Funktionen aufweisen. Man kann entweder nach der Herstellung des Trägers diesen mit den funktionalen Schichten versehen, man kann aber auch beispielsweise einen Träger herstellen, welches bereits bei der Herstellung die nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen einschließt.
'Diskret' bezeichnet nanoskalige Strukturen, die isoliert und ohne gleich zusammengesetztes Basismaterial als isolierte Lumineszenzquellen flächig in einem Raum verteilt angeordnet sind. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass Lichtquanten des emittierten Lichts im sichtbaren Bereich an den nanoskaligen Strukturen allenfalls noch gestreut und nicht mehr verlustreich absorbiert werden. Auf diese Weise wird erstmals ein Leuchtmittel beansprucht, bei dem die Lumineszenzausbeute durch feinteilige Luminophore – wie sie beispielsweise aus Neonröhren bekannt sind – nicht mehr durch Absorptionsprozesse und innere, totlaufende Reflektion im Pulver verringert wird.
Bei Bedarf kann man optional die nanoskaligen Strukturen durch eine zumindest außenseitig zu den Strukturen angeordnete, optisch transparente, energiereichere Strahlung reflektierende Schicht vor den energiereichen Anteilen von Außen- sowie Sonnenlicht abschirmen. Diese konstruktive Maßnahme erzielt mehrere Vorteile gleichzeitig: Zum einen wird eine Absorption von außenseitig einstrahlenden UV-Quanten – beispielsweise des Sonnenlichts -vermieden; bei den nanoskaligen Strukturen ist somit eine das Emissionsspektrum verfälschende, zusätzliche Anregung durch Außenstrahlung ausgeschlossen. Weiterhin wird eine Absorption und Umwandlung in Wärme vermieden, wodurch die Alterungsprozesse im Leuchtmittel verlangsamt werden. Schließlich wird Anregungsstrahlung, die in Abhängigkeit der diskreten Anregungswellenlänge der Strukturen innenseitig eingestrahlt wird, mindestens einmal an dieser Schicht reflektiert und steht bei dem erneuten Durchqueren der in einer Schicht angeordneten Strukturen für Anregungsprozesse zur Verfügung, wodurch die Lichtausbeute zusätzlich erhöht wird. Letzteres wird bevorzugt mit zwischen reflektierender Innen- und Außenschicht eingestrahlter Anregungsstrahlung, besonders bevorzugt in Kombination mit innenseitig angeordneter Licht reflektierender Schlussschicht, ausgebildet: Mehrfach durch photolumineszente Strukturen durchgeleitete Anregungsstrahlung in Kombination mit einer Licht reflektierenden Basis erzielen eine extrem hohe Energieausbeute bei nahezu vollständiger Abstrahlung nach außen hin.
Vorteilhaft weist das Leuchtmittel mindestens eine Struktur mit einem gleichmäßig ausgestalteten Emissionsbereich auf. Der Emissionsbereich weist dabei die Form eines kontinuierlichen, über mindestens 30 nm erstreckten Emissionsbandes im optisch sichtbaren Bereich ohne Intensitäts-Schwankungen in Form von überlagerten Peaks auf. Überlagerte Peaks, wie sie für Luminophore aus der Neonröhren-Technik typisch sind, sind dabei allenfalls mit 10% höherer Intensität bezogen auf das Emissionsniveau vorhanden, da sonst eine Ausleuchtung von Strukturen mit Kontrastübergängen im betroffenen Wellenlängenbereich zu fehlerhafter, optischer Abbildung der Helligkeitsverhältnisse führt.
Im Unterschied zur üblichen Herangehensweise, bei der drei Grundfarben additiv abgemischt werden, erlauben die nanoskaligen Strukturen durch Variation ihrer Größenverteilung auf einfache und effektive Art eine vorteilhafte Modellierung des Emissionsspektrums; besonders im Bereich der automatisierten Raumformerfassung über Kontrastvariationen kann mit einem homogen einfarbigen Emissionsband die Geschwindigkeit und Qualität der Raumformerfassung erheblich verbessert werden.
Vorzugsweise umfassen die nanoskaligen Strukturen mindestens teilweise Quanten-Dots, das heißt es handelt sich bei der Licht emittierenden Einrichtung mindestens teilweise um Quanten-Dot-LEDs (QD-LEDs). Diese enthalten in der Regel Atomcluster, die durch symmetrische Raumformen mit quasikristalliner Morphologie gekennzeichnet. Diese klar begrenzte Raumform bietet den Vorteil von überraschend scharf definierten, einzelnen Energiequantisierungen; eine Anregung kann hier äußerst verlustarm über monochromatische Diodenstrahlung und/oder präzise angelegte Anregungsspannung erfolgen, wodurch die Abwärme und der Verschleiß des Leuchtmittels zusätzlich verringert werden. Zudem sind mit solchen Quanten-Dot-LEDs auch gering beabstandete Anregungsenergien getrennt anregbar, wodurch ein Emissionsspektrum beispielsweise über zwei verschiedene, monochromatische Anregungs-LEDs gezielt modelliert werden kann, ohne dass dabei störende Emissionspeaks auftreten können.
Vorzugsweise umfassen die nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen nanoskopische Halbleiter. In Betracht kommen für die nanoskalige Licht emittierende Einrichtung beispielsweise Nano-Strukturen, die mindestens teilweise anorganische, kovalente Bindungen aufweisen und bevorzugt enthalten diese mindestens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Bi, C, Cd, Si, Ge, Ga, In, N, P, As, Sb, O, Pb, S, Se, Te und Zn, beispielsweise ZnSe, InAs, GaAs, PbSe, CdSe, ZnO, GaSb, GaInP, InP, um nur einige beispielhaft zu nennen, ohne die Erfindung auf die genannten Verbindungen zu beschränken.
Solche Strukturen sind deutlich temperaturbeständiger und erlauben bereits bei der Synthese eine breitere Streuung um eine mittlere Strukturgröße, wodurch gleichmäßigere Emissionsbänder über größere Wellenlängenbereiche erzielt werden können. Durch Dotierung benachbarter Schichten werden Fehlstellen erzeugt, welche die Leitfähigkeit erhöhen und eine zusätzliche, elektrische Anregung in Diodenschichten ermöglichen können. Besonders bevorzugt werden dotierte Transportschichten als Bestandteil von Funktionsschichten in eine Diodenschicht eingebracht, wie zum Beispiel als Teil einer Elektrodenschicht zur elektrischen Kontaktierung einer schichtweise aufgebauten Diode.
Vorzugsweise ist mindestens eine der lumineszenten, nanoskaligen Strukturen in ihrer Größenverteilung mit einem Maximum im Bereich um 500 nm ausgebildet. Ein im Türkis/Grün-Bereich angesiedeltes Emissionsmaximum wird nutzerseitig als weiches, angenehmes Licht empfunden und physiologisch am deutlichsten wahrgenommen; besonders bevorzugt in Kombination mit einem kontinuierlichen, gleichmäßigen Ausbilden des Maximums lässt sich so mit vergleichsweise geringerem Energieaufwand eine gute Ausleuchtung bereitstellen, wie sie beispielsweise in nur kurzfristig frequentierten Bereichen von Veranstaltungsgebäuden vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Leuchtmittel sichtbares Licht mit einem Farbwiedergabeindex (CRI-Wert) der wellenlängenabhängigen Intensitätsverteilung zu der des Sonnenlichts von mindestens 80, bevorzugt mindestens 90, besonders bevorzugt mindestens 95 abstrahlt.
Beispielsweise mit mindestens einer nanoskaligen Struktur, deren Emissionsband eine Halbwertsbreite von 40 bis 200, bevorzugt 50 bis 150, besonders bevorzugt 60 nm, aufweist, kann ein Emissionsspektrum sichergestellt werden, welches eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung ähnlich dem Sonnenlicht bereitstellt. Kombinationen von verschiedenen, überlappenden Emissionsbändern erzielen ab 4 nanoskaligen Strukturen eine Emissionscharakteristik, die bereits das hinreichend tageslichtechte Ausleuchten von komplexen Farbverläufen ermöglicht.
Besonders bevorzugt in Kombination mit den weiteren, vorbeschriebenen Maßnahmen zu Gleichmäßigkeit und Ebenmäßigkeit des Emissionsspektrums kann über die vorbeschriebenen Strukturen ein Leuchtmittel bereitgestellt werden, welches kontinuierlich über den gesamten, sichtbaren Bereich das Emissionsspektrum der Sonne nachvollzieht; hier wäre die Anzahl der Emissionsbänder mithin als unendlich anzugeben, da keine erkennbaren Minima oder Maxima von ±5% über die mittlere Intensität eines 5 nm-Bereiches mehr abgebildet werden.
Sowohl die nanoskaligen Strukturen selbst als auch die dotierten benachbarten Schichten können anorganischer oder organischer Natur oder auch Hybridstrukturen sein. Bevorzugt ist für die elektrische Anregung mindestens eine nanoskalige, lumineszente Struktur in einer Anregungs-Schichtenfolge für die elektrisch angeregte Lichtemission angeordnet, bei der an eine p-dotierte Lochleitungsschicht HTL eine Elektronenleitung blockierende Schicht EBL angrenzt, gefolgt von einer Emissionsschicht umfassend die nanoskalige, lumineszente Struktur, einer Lochleitung blockierenden Schicht HBL und einer abschließenden n-dotierten Elektronenleitungsschicht ETL. Diese Schichtenfolge erhöht die Konzentration der für die Erzeugung eines Excitons benötigten Löcher und Elektronen, was zur Folge hat, dass die Menge an elektrisch erzeugten Lichtquanten um mindestens eine Größenordnung ansteigt.
Die nanoskaligen Strukturen können beispielsweise auf und/oder in mindestens einer der Schichten durch Tauchen, Drucken, Sprühen, Schleudern, Fluten, Bedampfen, Sublimation, Chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Abscheidung aus einem Aerosol, Sprühpyrolyse, reaktives Abscheiden flächig aufgebracht und/oder durch Extrudierung, Polymerisation, Härtung, Trocknung, elektrostatische Injektion flächig als und/oder in einer Schicht – gegebenenfalls mit trägerformabhängig geregelt Variierter Konzentration – erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Leuchtmittel kann beispielsweise weiterhin mindestens eine nanoskalige, lumineszente Struktur als Element einer Diodenschicht aufweisen, bevorzugt als Zwischenschicht einer p-i-n-Schichtstruktur, mit mindestens einem Kontaktmittel für eine elektrische Kontaktierung mit leitendem Kontakt zu einer Anodenschicht und/oder einer Kathodenschicht auf, an oder in dem Träger.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel ist beispielsweise mindestens eine nanoskalige, lumineszente Struktur in mindestens einer Anregungs-Schichtenfolge für die elektrisch angeregte Lichtemission angeordnet, beginnend mit einer p-dotierten Lochleitungsschicht HTL, gefolgt von einer Elektronenleitung blockierenden Schicht EBL, gefolgt von einer Emissionsschicht umfassend die nanoskalige, lumineszente Struktur, gefolgt von einer Lochleitung blockierenden Schicht HBL, abschließend gefolgt von einer n-dotierten Elektronenleitungsschicht ETL.
Die nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen können erfindungsgemäß als Schicht oder Schichtenfolge auf den Träger aufgebracht sein, sie können aber beispielsweise auch in den Träger eingearbeitet sein, zum Beispiel bei dessen Herstellung und befinden sich damit in dem Trägermaterial. Es kann dann (bei elektrischer Anregung) beispielsweise eine stromführende Schicht und gegebenenfalls eine weitere stromleitende Schicht mit den nanoskaligen Strukturen als Schichtenfolge entweder außen oder auf die Innenseite des als Rotationskörper ausgebildeten Trägers aufgebracht werden. Eine der Schichten kann beispielsweise auch reflektierend ausgebildet sein. Dabei kann auch eine stromführende Schicht selbst als Reflexionsschicht dienen. Es kann aber auch eine zusätzliche Reflexionsschicht vorgesehen sein.
Erfolgt eine Anregung der nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen über energiereiche Strahlung, insbesondere UV-Licht, kann diese Strahlung in den Träger derart eingespeist werden, dass dieser quasi als Lichtwellenleiter fungiert, insbesondere kann stirnseitig in den Träger eingespeist werden. Es kann aber beispielsweise auch eine Strahlungsquelle in den Hohlraum des Rotationskörpers eingebracht werden, so dass die Anregung aus dem Innenraum des Rotationskörpers erfolgt.
Vorteilhaft weist das erfindungsgemäße Leuchtmittel mindestens zwei, bevorzugt 3–5, besonders bevorzugt 4 in Serie aufeinander abfolgende Anregungs-Schichtenfolgen für die elektrisch angeregte Lichtemission auf. Die Schichtenfolge ist durchgehend ausgebildet und mit einer Anodenschicht, vorzugsweise einer optisch transparenten ITO-Anodenschicht aus Indiumoxid und Zinnoxid, beginnend und mit einer Kathodenschicht abschließend kontaktiert.
Bei einer in Serie geschalteten Schichtenfolge addieren sich die Anregungsenergien, wodurch eine größere Gesamtspannung über Anode und Kathode anzulegen ist, um sämtliche Emissionsschichten anzuregen. Dies bietet den Vorteil, dass eine insgesamt deutlich größere Spannung zum Betrieb verwendet werden kann, welche einfacher und effektiver erzeugt werden kann; Spannungen von bis zu 50 Volt können ohne nennenswerte Gefahr für Leib und Leben des wartenden Techniker im Rahmen von üblichen Leuchtmittel-Größen zur Anwendung kommen. Dabei fallen die einzelnen Spannungen gemäß den jeweiligen Schichtenfolgen ab und stellen so konstruktiv gesteuert bei deutlich einfacher regelbarer Gesamtspannung sehr exakt Einzelspannungen mit hoher Ausbeute und geringem Verlust zur Verfügung. Bei 4 Anregungsschichtenfolgen kann mit der üblichen und industriell umfassend mit genormten Bauteilen passend belieferbaren Grundspannung von 12 Volt garbeitet werden; besonders bevorzugt wird dabei die Anregungsschicht als Hybridschicht ausgeführt, in der nanoskalige, lumineszente Strukturen sich in einer als Träger dienenden Matrix einer üblichen Diode befinden.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel können beispielsweise sichtbares Licht emittierende Strukturen in einer Schicht und/oder Schichtenfolge mit in vertikaler Richtung zur Schicht zumindest abschnittsweise abnehmender Anregungsenergie angeordnet sein.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise mindestens eine der lumineszenten, nanoskaligen Strukturen in ihrer Größenverteilung mit einem Maximum im Bereich um 500 nm ausgebildet sein.
Bevorzugt sind bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel in einem Emissionsbereich von 380 bis 680 nm mindestens 5, bevorzugt 7 bis 40, besonders bevorzugt 10 bis 30, mittlere Emissionswellenlängen der sichtbares Licht emittierenden, nanoskaligen Strukturen gleichmäßig verteilt.
Als Träger dient bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel vorzugsweise ein weitgehend und/oder vollständig geschlossener Hohlkörper, der beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Keramik, Metall, Kombinationen dieser Materialien oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Das Trägermaterial kann teilweise lichtdurchlässig sein, was aber nicht unbedingt notwendig ist. Beispielsweise kann der Träger auch aus einem lichtundurchlässigen Metall oder Keramik bestehen, wobei dann mindestens eine weitere Schicht, in der sich die Licht emittierenden Strukturen befinden beispielsweise außen auf den Träger aufgebracht werden kann, die dann mindestens teilweise transparent oder transluzent ist. In diesem Fall hat der Träger somit eine reine Trägerfunktion. Der Träger kann aber auch bereits die Licht emittierenden nanoskaligen Strukturen enthalten. Der Träger kann zum Beispiel auch eine Prismenfolie sein oder umfassen und somit optische Eigenschaften übernehmen. Eine solche Prismenfolie kann beispielsweise auch auf einen optisch nicht transparenten Träger aufgebracht werden. Ein Material aus Kunststoff wie beispielsweise eine Kunststofffolie kann bereits die nanoskaligen Strukturen enthalten. Der Träger kann auch aus einem elektrisch leitenden Material bestehen und somit beispielswiese die Funktion einer der Elektroden übernehmen.
Der Träger kann beispielsweise auch ein einseitig oder sogar beidseitig offener Rotationskörper sein, beispielsweise ein Rohr, ein offener Kegel, Kegelstumpf (leuchtender Lampenschirm) eine Teilkugel oder dergleichen. Ein solcher zunächst einseitig oder beidseitig offener Rotationskörper kann beispielsweise in einem späteren Schritt des Herstellungsverfahrens verschlossen werden, wenn es die Funktion erfordert, um beispielsweise die nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen gegen äußere Einflüsse wie Oxidation, Feuchtigkeit etc. zu schützen. Der rotationssymmetrische Körper kann auch ein oder mehrere offene Stellen, Perforationen oder Gitterstrukturen, gegebenenfalls nur in Teilbereichen aufweisen.
Dieser Träger für ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel umfasst beispielsweise mindestens eine optisch transparente, durchgehende Schicht auf Metalloxidbasis, bevorzugt eine Metalloxidschicht enthaltend mindestens eine oxidische Verbindung eines Metalls ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Ti, Zr, Hf, Y, In, welche insbesondere in amorpher, glasartiger Struktur vorliegen kann und als Zusatz beispielsweise mindestens ein weiteres Oxid oder Halogenid aus dem Bereich optischer Gläser enthält und beispielsweise in einer Schichtdicke von 20 bis 500, bevorzugt 30 bis 300, besonders bevorzugt 40 bis 80 Nanometern vorliegt.
Das erfindungsgemäße Leuchtmittel kann beispielsweise außenseitig zu den Licht emittierenden Schichten eine im Wellenlängenbereich bis zu 450 nm reflektierende Schicht aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise der Träger eine tragende Schicht aus einem thermoplastischen oder auch duroplastischen Kunststoff aufweisen, beispielsweise aus mindestens einem durch Blasformen oder Tiefziehen verarbeitbaren Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamid (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC) oder dergleichen. Der Träger kann auch aus Glas bestehen, insbesondere einem Glas mit hoher UV-Transparenz, damit das Anregungslicht problemlos in dem Träger propagieren kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise das Innere des Rotations-Hohlkörpers luftdicht verschlossen und/oder beispielsweise mit einem Schutzmedium, besonders bevorzugt einem nicht-oxidierenden Gas, befüllt sein.
Die Schichtenanordnung des Leuchtmittels kann beispielsweise zumindest bereichsweise eine flächig abgeschiedene, bevorzugt per gepulster Laser-Abscheidung abgeschiedene, Aluminium-Elektrode umfassen.
Bei dem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise mindestens eine Licht emittierende Struktur flächig mit relativ zum Abstrahlwinkel variierender Konzentration vorgesehen sein. Der Träger kann beispielsweise aktive und/oder passive Kühleinrichtungen aufweisen. Das Leuchtmittel kann auch beispielsweise eine nach außen hin Träger und Schichtenanordnung einschließende, Wärmestrahlung reflektierende Schicht aufweisen. Innenseitig kann beispielsweise eine Wärme ableitende Einrichtung, bevorzugt in Form einer mittig angeordneten, Wärmestrahlung ableitenden Metallelektrode, besonders bevorzugt in Form eines Peltier-Elements und/oder einer heat-pipe vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist es, dass durch derartige Maßnahmen erreicht werden kann, dass das Leuchtmittel auch bei direkter Sonneneinstrahlung eine Temperatur von beispielsweise etwa 50°C hält. Dabei ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise auf dem Leuchtmittel nach außen hin abschließend eine nahes Infrarotlicht (bis 2 μm) reflektierende Schutzschicht angeordnet ist. Für mittleres und fernes Infrarot (2–15 μm) sollte die Schutzschicht dagegen eine hohe Absorption aufweisen, um die im Betriebszustand unvermeidbare Wärmeentwicklung neben Konvektion durch Strahlung problemlos abgeben zu können. Diese passive Maßnahme verringert ein unnötiges Aufheizen der Licht erzeugenden Strukturen durch Fremdeinstrahlung wie beispielsweise Sonnenlicht. Die mittlere Lebensdauer eines Leuchtmittels, welches regelmäßig Sonnenlicht und/oder Wärmestrahlung ausgesetzt ist, kann mit dieser Maßnahme erheblich gesteigert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel erfolgt die Anregung der nanoskaligen, Licht emittierenden Strukturen bevorzugt elektrisch oder optisch, insbesondere mittels UV-Strahlung. Im letztgenannten Fall kann beispielsweise innenseitig zum Trägerkörper mindestens eine Strahlungsquelle für energiereiche Strahlung im Bereich 200 bis 405 nm, bevorzugt für UV-Strahlung im Bereich 300 bis 400 nm, besonders bevorzugt für harte Violett-Strahlung im Bereich 330 bis 380 nm, angeordnet sein, wobei abstrahlungsseitig zu dieser Strahlungsquelle mindestens eine absorbierende, photolumineszente, nanoskalige Struktur angeordnet ist. Alternativ kann die Anregung durch blaues oder violettes Licht (405–500 nm) erfolgen, wobei das gewünschte Spektrum durch additive Farbmischung der blauen Anregungsstrahlung und der Sekundärstrahlung aus den nanoskaligen Strukturen zustande kommt.
Als Strahlungsquelle kann beispielsweise mindestens eine Diode, besonders bevorzugt mehrere Dioden mit verschiedenen, 30 nm, bevorzugt bis zu 20 nm, besonders bevorzugt 5 bis 10 nm, abweichenden Strahlungswellenlängen dienen, welche so angeordnet ist, dass sie seitlich in die Strahlungsleiterschicht direkt einspeist.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise eine innenseitig reflektierende Strahlungsleiterschicht für energiereiche Strahlung oder UV-Strahlung vorgesehen sein, wobei auf einer außenseitigen Strahlungsaustrittsseite Strahlung auskoppelnde, insbesondere streuend ausgebildete Strukturen vorgesehen sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel sind bevorzugt auskoppelungsseitig zu der mindestens einen Strahlungsleiterschicht photolumineszente Strukturen angeordnet, welche beispielsweise auch mit abhängig von der Strahlungsverteilung variierender Dichte verteilt angeordnet sein können.
Bei dem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise die Strahlungsleiterschicht als außenseitige Abschlussschicht auf dem Träger ausgebildet sein. Im Prinzip kann aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung die als Strahlungsleiter oder Lichtwellenleiter dienende Schicht auch irgendwo in der Schichtenfolge angeordnet sein. Zudem kann es ausreichend sein, wenn diese Strahlungsleiterschicht oder Lichtwellenleiterschicht nur bereichsweise in, auf oder an dem Träger angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel umfasst somit bevorzugt die nachfolgend genannten Komponenten: einen als formstabile Rotationsfläche ausgebildeten Träger, nanoskalige Licht emittierende Strukturen, wenigstens eine Strahlungsleiterschicht zur Anregung der Licht emittierenden Strukturen und wenigstens bereichsweise angeordnete sichtbares Licht zu einer Lichtauskopplungsseite des Trägers hin auskoppelnde Strukturen. Die nanoskaligen Strukturen können sich in, an oder auf dem Träger befinden. Die Strahlung zur Anregung der nanoskaligen Strukturen kann beispielsweise stirnseitig in die Strahlungsleiterschicht eingespeist werden. Durch diese Strahlung, beispielsweise UV-Strahlung werden die nanoskaligen Strukturen zur Emission von sichtbarem Licht angeregt und das so erzeugte sichtbare Licht wird dann durch die Licht auskoppelnden Strukturen aus dem Träger ausgekoppelt und abgestrahlt, beispielsweise etwa in Richtung der Flächennormalen zur gekrümmten Fläche des Trägers. Das heißt in der Regel erfolgt die Abstrahlung des ausgekoppelten Lichts bei einem Leuchtmittel mit als Rotationskörper ausgebildetem Träger nach außen hin.
Die nanoskaligen, lumineszenten Strukturen können beispielsweise innenseitig auf die als Träger dienende Rotationsfläche aufgebracht sein.
Die Licht auskoppelnde Struktur kann beispielsweise eine optisch auskoppelnde Folie sein. Diese kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe von Folien bestehend aus Streufolie, Prismenfolie, horizontale Lenticularfolie, vertikale Lenticularfolie, Fresnell-Linsenfolie, Prismenrasterfolie.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die optisch auskoppelnden Strukturen zumindest innenseitig Strahlung im Bereich 200 bis 405 nm, bevorzugt UV-Strahlung im Bereich 300 bis 400 nm, besonders bevorzugt harte Violett-Strahlung im Bereich 330 bis 380 nm reflektieren. Die Folie oder Folienfolge kann beispielsweise in Abhängigkeit der Betrachterposition und/oder des Betrachterwinkels ausgewählt sein.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise mindestens eine der Schichten mindestens eine optisch nachleuchtende Verbindung enthalten. Eine solche optisch nachleuchtende Verbindung kann beispielsweise eine für sich optisch wahrnehmbare Leuchtstärke im Bereich von mindestens 30 Sekunden, bevorzugt 5 bis 180 Minuten, besonders bevorzugt 10 bis 120 Minuten, aufweisen und beispielsweise mindestens eine Emissionswellenlänge die kleiner als mindestens eine Anregungswellenlänge einer photolumineszenten Struktur ausgebildet ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel können beispielsweise auch an oder im Träger Lichtquellen auf Basis organischer Leuchtdioden (OLED) vorgesehen sein, die eine Licht emittierende Schicht bilden, welche zum Beispiel auf die Innenseite der als Träger dienenden formstabilen Rotationsfläche aufgebracht sein kann.
Für die elektrische Anregung der nanoskaligen und gegebenenfalls weiterer organischer Licht emittierenden Strukturen kann eine Niederspannung verwendet werden, wobei als Spannungsquelle beispielsweise eine von 5 bis 50 Volt regelbare Spannungsquelle dient.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise die Innenfläche eines mindestens abschnittsweise kugelförmigen, zylindrischen, ellipsoiden, kolbenförmigen oder kerzenförmigen Rotationskörpers mit einer Diodenschicht beschichtet sein und dieser Rotationskörper weiter mit mindestens einer Elektrodenschicht beschichtet sein oder der Träger selbst umfasst mindestens eine Elektrodenschicht.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise die Innenfläche des als Substrat dienenden starren Trägers unmittelbar mit mindestens einer der für die Funktion einer Diodenschicht wesentlichen Schichten versehen sein, vorzugsweise mit einer der Elektrodenschichten bedampft, besprüht, bedruckt ist oder eine durch Spin-coating, Sputtern, Sublimation oder ein Beschichtungsverfahren mit Schleudern, Rotieren oder Schütteln des Rotationskörpers aufgebrachte funktionswesentliche Schicht, insbesondere Elektrodenschicht aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise im wesentlichen die gesamte verfügbare Innenfläche oder nur eine definierte Teilfläche des als Hohlkörper ausgebildeten Trägers mit einer ein- oder mehrschichtigen Anordnung der für die Funktion der organischen Leuchtdiode wesentlichen Schichten bedeckt sein.
Ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel kann beispielsweise die Form einer üblichen Lampe, insbesondere einer Glühlampe, Leuchtstoffröhre, Kolbenlampe, Kugellampe oder Kerzenlampe aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise mit Abstand von der Innenfläche des Hohlkörpers in dem Hohlraum separat von mindestens einer Schichtanordnung wenigstens eine zweite, indirekt kontaktierende und/oder Anregungsstrahlung bereitstellende Elektrode angeordnet sein.
Ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel kann beispielsweise einen einer mehrschichtigen Dioden-Schicht folgenden Schichtaufbau aufweisen: eine unmittelbar auf die Innenseite des Trägers aufgebrachte erste transparente Elektrodenschicht (Anode oder Kathode), wenigstens eine auf diese Elektrodenschicht aufgebrachte Emitterschicht, wenigstens eine auf die Emitterschicht aufgebrachte zweite Elektrodenschicht. Die zweite Elektrodenschicht kann beispielsweise die innerste Schicht der Schichtanordnung sein.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise der Hohlkörper mit wenigstens einem Lampensockel, bevorzugt mit einer Metallfassung, besonders bevorzugt mit einer gasdichten Metallfassung, versehen sein.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise wenigstens eine zweite Elektrode eine annähernd punktförmige Elektrode sein, welche vorzugsweise etwa im Mittelpunkt des Hohlkörpers angeordnet ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel kann beispielsweise der Hohlkörper die Form einer Kugel oder eine von der Kugelform abgeleitete Form mit Kugelabschnitt und angeformtem Halsbereich (insbesondere Kolbenform, Birnenform) aufweisen und wenigstens eine zweite Elektrode kann etwa im Mittelpunkt der Kugel oder des Kugelabschnitts angeordnet sein.
Alternativ kann bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel beispielsweise der Hohlkörper etwa die Form eines Zylinders aufweisen und an einem Ende ein Lampensockel oder an beiden Enden in den stirnseitigen Bereichen jeweils ein Lampensockel mit Kontaktmitteln für die elektrische Kontaktierung vorgesehen sein, wobei eine gegebenenfalls vorhandene zweite stabförmige, drahtförmige oder ringförmige Elektrode etwa im Bereich der Mittelachse des Hohlkörpers angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn man beispielsweise die nanoskaligen Strukturen in einem optisch im wesentlichen transparenten Medium anordnet, welches beispielsweise bis zu 90% Transparenz aufweisen kann, gegebenfalls auch beispielsweise bis zu 99% Transparenz, und welches als Träger für die nanoskaligen Strukturen dient.
Optisch transparente Strukturen umfassen häufig auch opaleszierende und Abstrahlung vereinheitlichende Streumittel, wodurch leider die Ausbeute an Licht zu Gunsten der Gleichmäßigkeit herabgesetzt wird. Durch die Trägerung in einem Medium werden die ansonsten sehr schwierig zu handhabenden, nanoskaligen Partikel deutlich einfacher verarbeitbar; insbesondere das Aufbringen von energiereicher Strahlung reflektierenden Schichten kann dann einfach und gezielt auf die Fläche des Trägermediums begrenzt gezielt durchgeführt werden. Trägerstrukturen wie trockenbare Lösungen, stabile Emulsionen, flexible Folien bis hin zu schütt- und rieselfähigen Granulaten, welche sphärisch Partikular zwischen Schichten angeordnet oder in der Schichtenfolge des Leuchtmittels mit aufgeschmolzen werden, seien hier exemplarisch genannt.
Mit beispielsweise etwa 90% optischer Transparenz kann ein Medium – trotz einer gewissen Verlustrate – bereits als Träger für Leuchtmittel in Betracht kommen, bei denen Helligkeit und Effizienz das wesentliche Ziel darstellen.
Mit beispielsweise 99% Transparenz werden Beleuchtungssysteme zugänglich, bei denen eine vorgegebene Lichtmischung und -intensität sehr exakt abgestrahlt wird, was besonders bei variierter, tageslichtechter Ausleuchtung empfehlenswert ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtmittels der vorgenannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Dieses umfasst beispielsweise die Schritte, dass zunächst ein Hohlkörper aus Glas, Kunststoff, Keramik oder einem anderen lichtdurchlässigen Material hergestellt wird, der bis auf eine oder mehrere im Verhältnis zur Oberfläche des Hohlkörpers verhältnismäßig kleine Öffnungen geschlossen ist, dass im nächsten Arbeitsschritt die als Träger dienende Innenseite des Hohlkörpers mit einer Emitterschicht-Anordnung umfassend Licht-Emitter in Form lumineszenter, nanoskaliger Strukturen in einer oder mehreren Schichten versehen wird und dass schließlich die verbleibende(n) Öffnung(en) des Hohlkörpers – vorzugsweise unter Schutzmedium, bevorzugt unter nicht oxidierender Gasatmosphäre, und/oder unter abgesenktem Druck – luftdicht verschlossen wird.
Bevorzugt wird erfindungsgemäß weiterhin wenigstens eine weitere Schicht innen- und/oder außenseitig auf den Träger aufgebracht, die lichtstreuende, lichtlenkende, reflektierende oder die Lichtfarbe verändernde Eigenschaften hat und zumindest mit einer Teilfläche der zuvor beschichteten inneren Oberfläche des Hohlkörpers Überlappung zeigt.
Wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eine optisch auskoppelnde Folie vorgesehen ist, kann diese Folienschicht beispielsweise zunächst als Lack, flüssige Pre-Polymermischung oder elastische Folie – vorzugsweise mit einer haftvermittelnden Unterschicht-Komponente mit optisch gleichen Eigenschaften – aufgebracht, durch mindestens eine der Maßnahmen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Trocknung, thermische Polymerisation, photochemische Polymerisation, thermische Aushärtung mit dem Untergrund verbunden und abschließend an der frei liegenden Oberfläche zu einer der vorbeschriebenen Folientypen ausgeformt werden.
Eine derartige Folie kann zum Beispiel zumindest bereichsweise mit bestimmte Wellenlängenbereiche reflektierende oder die Wellenlänge umwandelnden Strukturen versehen sein oder werden.
Weiterhin kann gemäß der Erfindung beispielsweise wenigstens eine weitere Schicht mindestens bereichsweise auf die Oberfläche des Hohlkörpers vor einer äußeren Elektrodenschicht aufgebracht werden, die opak, Licht reflektierend, Licht lenkend, die Lichtfarbe verändernd oder Licht streuend ausgebildet ist, oder die äußere Elektrodenschicht kann wenigstens bereichsweise opak, Licht reflektierend oder Licht streuend ausgebildet sein, oder in dem Hohlraum können zusätzliche Licht lenkende, Licht streuende, Licht reflektierende oder die Lichtfarbe verändernde Elemente angeordnet sein.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise mindestens eine Schicht und/oder die nanoskaligen, lumineszenten Strukturen ausgebildet werden durch Thermolyse gasgeträgerter Vorläuferverbindungen in einem Schleppgasstrom an einer aufgeheizten Kontaktfläche und nachfolgendes Überleiten des die Thermolyseprodukte enthaltenden Gases über die gekühlte – bevorzugt bereits auf gleiche Weise mit vorbereitenden Schichten versehene – Trägeroberfläche.
Gemäß einer möglichen Variante des Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel können beispielsweise nanoskalige, lumineszente Strukturen erzeugt werden in einer Gasphasenreaktion bei erhöhter Temperatur und gesenktem Druck per Agglomeration, bevorzugt plasmagestützter Agglomeration, -vorzugsweise zusätzlich klassiert und von makroskaligen Agglomeraten befreit – werden und direkt auf und/oder in der Trägeroberfläche – bevorzugt bereits auf gleichsinnige Weise mit vorbereitenden Schichten versehenen Trägeroberfläche – abgeschieden werden.
Beispielsweise kann auch zur Abscheidung mindestens einer Schicht in dem ausgebildeten Körper bei gesenktem Druck ein Plasma erzeugt werden. Beispielsweise kann in einem Kunststoffkörper plasmaunterstützt zumindest eine SiO₂-Schicht und/oder eine ITO-Kontaktschicht abgeschieden werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematisch vereinfachte Schnittansicht durch ein Leuchtmittel gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematisch vereinfachte Schnittansicht durch ein Leuchtmittel gemäß einer beispielhaften zweiten alternativen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen und anhand dieser wird eine erste beispielhafte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung erläutert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Leuchtmittel, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, um einen rotationssymmetrischen Hohlkörper 12, der etwa eine Kolben- oder Birnenform aufweist und somit von der äußeren Form her einer herkömmlichen Glühlampe ähnelt. Neben dem leuchtenden Hohlkörper 12 weist das Leuchtmittel 10 einen etwa zylindrischen Lampensockel 11 auf, der beispielsweise mit einem Gewinde versehen sein kann, so dass das Leuchtmittel mit dem Lampensockel in eine Lampenfassung hinein geschraubt werden kann. Dadurch ergibt sich eine Kompatibilität mit einer herkömmlichen Lampe und der Benutzer kann dieses in eine bestehende Leuchte mit genormter Lampenfassung hinein schrauben. Der Lampensockel 11 kann auch gleichzeitig für die elektrische Kontaktierung des Leuchtmittels dienen und dazu die üblichen Kontakte aufweisen.
Der Bereich des Lampensockels unterscheidet sich jedoch von einem herkömmlichen Leuchtmittel in soweit, als im Innenraum etwa im Bereich des Lampensockels beispielsweise etwa mittig eine LED 13 eingesetzt ist, die UV-Strahlung in das Innere 14 des Hohlkörpers 12 hinein abgibt, gegebenenfalls bei ausreichender Schichtdicke der lumineszierenden Schicht auch stirnseitig in diese hinein, wobei diese Schicht dann als Lichtleiter fungiert. Die UV-Strahlung beaufschlagt in beiden Fällen die Schicht 15, in der sich die nanoskaligen Licht abgebenden Strukturen 16 beispielswiese in Form von Quantendot-LEDs (QD-LEDs) befinden. Diese werden durch die UV-Strahlung angeregt und emittieren dadurch Licht. Außenseitig zu dieser Licht emittierenden Schicht 15 weist der Hohlkörper 12 eine Licht auskoppelnde Schicht 17 auf, bei der es sich zum Beispiel um eine Prismenfolie handeln kann, die die Aufgabe hat, dass in der Licht emittierenden Schicht durch die QD-LEDs 16 erzeugte Licht auszukoppeln, so dass es in etwa senkrecht zur Oberfläche des Hohlkörpers 12 von diesem nach außen hin abgestrahlt wird. Da der Hohlkörper ein Rotationskörper in Kolbenform ist, der abschnittsweise einer Kugel ähnelt, wird somit von dem Leuchtmittel im wesentlichen in alle Raumrichtungen hinein Licht abgestrahlt.
2 zeigt eine in der äußeren Form ähnliche Variante eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels 10, welches jedoch anders als bei der zuvor beschriebenen Variante von 1 nicht eine Anregung der Licht abgebenden nanoskaligen Strukturen durch UV-Licht, sondern eine elektrische Anregung vorsieht. Bei dieser Variante besteht der rotationssymmetrische Hohlkörper 12 in Kolbenform (Form etwa einer Glühlampe) aus einer Trägerschicht 18, in die Quantendot-LEDs 16 eingebettet sind. Die Trägerschicht 18 ist in diesem Fall wenigstens teilweise lichtdurchlässig und besteht beispielswiese aus Glas, Acrylglas oder einem anderen geeigneten Kunststoff. Man kann alternativ auch beispielsweise einen Träger aus Metall wie Aluminium oder dergleichen verwenden und darauf eine weitere transparente Schicht aufbringen, die die Quantendots enthält. Auf die Trägerschicht ist in dem Ausführungsbeispiel innenseitig eine erste Elektrodenschicht 20, beispielsweise die Anodenschicht aufgebracht. Außenseitig ist auf die Trägerschicht wenigstens eine weitere Elektrodenschicht 21, beispielsweise eine Kathodenschicht aufgebracht. Über die Anodenschicht 20 und die Kathodenschicht 21 können die QD-LEDs kontaktiert und zur Lichtabstrahlung angeregt werden.
Die vorgenannten Beispiele beschreiben erfindungsgemäße Leuchtmittel mit vergleichsweise einfachem Aufbau. Der Schichtaufbau des Rotationskörpers kann selbstverständlich in beiden Ausführungsbeispielen wesentlich komplexer sein. Beispielsweise können zusätzlich zu den genannten Schichten p-dotierte Lochleitungsschichten (HTL), n-dotierte Elektronenleitungsschichten (ETL), energiereiche Strahlung reflektierende Schichten zum Schutz der Licht emittierenden Schicht gegen UV-Strahlung oder Schichten mit anderen optischen Funktionen, insbesondere lichtstreuende, lichtlenkende, reflektierende Schichten oder Schichten mit die Lichtfarbe verändernden Eigenschaften vorgesehen sein. Weiterhin können auch mehrere Schichten mit lumineszierenden nanoskaligen Strukturen vorhanden sein, die sich über die Fläche des Rotationskörpers oder auch nur bereichsweise überlappen.
Bezugszeichenliste

10: Leuchtmittel
11: Lampensockel
12: Hohlkörper
13: LED
14: Inneres des Hohlkörpers
15: Licht emittierende Schicht
16: QD-LEDs
17: Licht auskoppelnde Schicht
18: Trägerschicht
20: Anodenschicht
21: Kathodenschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 60132258 [0004]
KR 100658304 B1 [0005]
WO 2009/011922 A1 [0007]

Claims

Leuchtmittel aufweisend nanoskalige, sichtbares Licht emittierende Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in einem als formstabile Rotationsfläche ausgebildeten Träger zumindest bereichsweise mindestens eine über nanoskalige, lumineszente, diskrete Strukturen Licht emittierende Einrichtung angeordnet ist.
Leuchtmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Strukturen der Licht emittierenden Einrichtung mindestens teilweise als Quanten-Dots ausgebildet sind.
Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Strukturen mindestens teilweise als anorganische, Bindungen aufweisende Strukturen ausgebildet sind, bevorzugt enthaltend mindestens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Bi, C, Cd, Si, Ge, Ga, In, N, P, As, Sb, O, Pb, S, Se, Te und Zn.
Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses sichtbares Licht mit einem Farbwiedergabeindex (CRI-Wert) der wellenlängenabhängigen Intensitätsverteilung zu der des Sonnenlichts von mindestens 80, bevorzugt mindestens 90, besonders bevorzugt mindestens 95 abstrahlt.
Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Emissionsbereich von 380 bis 680 nm mindestens 5, bevorzugt 7 bis 40, besonders bevorzugt 10 bis 30, mittlere Emissionswellenlängen der sichtbares Licht emittierenden, nanoskaligen Strukturen gleichmäßig verteilt sind.
Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger ein weitgehend und/oder vollständig geschlossener Hohlkörper aus Glas, Kunststoff, Keramik, Metall, oder einer Kombination dieser Materialien dient.
Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der nanoskaligen, Licht emittierenden Strukturen elektrisch oder optisch, insbesondere mittels UV-Strahlung vorgesehen ist.
Leuchtmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens eine Strahlungsquelle für UV-Strahlung oder andere energiereiche Strahlung umfasst, welche in wenigstens eine Schicht einstrahlt, in der nanoskalige photolumineszente Strukturen angeordnet sind.
Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses außenseitig zu mindestens einer die nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen enthaltenden Schicht mindestens eine Licht auskoppelnde Schicht oder Struktur aufweist.
Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses außenseitig der die nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen enthaltenden Schicht wenigstens eine reflektierende Schicht für energiereiche Strahlung, insbesondere UV-Strahlung aufweist.
Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens eine die nanoskaligen Licht emittierenden Strukturen enthaltende Schicht, wenigstens eine erste Elektrodenschicht und wenigstens eine zweite Elektrodenschicht umfasst.
Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses umfasst einen als formstabile Rotationsfläche ausgebildeten Träger, nanoskalige Licht emittierende Strukturen, wenigstens eine Strahlungsquelle für energiereiche Strahlung oder wenigstens eine Elektrode zur Anregung der Licht emittierenden Strukturen und wenigstens bereichsweise angeordnete sichtbares Licht zu einer Lichtauskopplungsseite des Trägers hin auskoppelnde Strukturen.
Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Licht auskoppelnde Struktur mindestens eine optisch auskoppelnde Folie vorgesehen ist, welche insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe von Folien bestehend aus Streufolie, Prismenfolie, horizontale Lenticularfolie, vertikale Lenticularfolie, Fresnell-Linsenfolie, Prismenrasterfolie.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtmittels, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte, dass zunächst ein Hohlkörper aus Glas, Kunststoff, Keramik, Metall, einer Kombination dieser Materialien oder einem anderen geeigneten Material hergestellt wird, der bis auf eine oder mehrere im Verhältnis zur Oberfläche des Hohlkörpers verhältnismäßig kleine Öffnungen geschlossen ist, dass im nächsten Arbeitsschritt die als Träger dienende Innenseite des Hohlkörpers mit einer Emitterschicht-Anordnung umfassend Licht-Emitter in Form lumineszenter, nanoskaliger Strukturen in einer oder mehreren Schichten versehen wird und dass schließlich die verbleibende(n) Öffnung(en) des Hohlkörpers – vorzugsweise unter Schutzmedium, bevorzugt unter nicht oxidierender Gasatmosphäre, und/oder unter abgesenktem Druck – luftdicht verschlossen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Schicht innen- und/oder außenseitig aufgebracht wird, die Licht auskoppelnde, lichtstreuende, lichtlenkende, reflektierende oder die Lichtfarbe verändernde Eigenschaften hat und zumindest mit einer Teilfläche der zuvor beschichteten inneren Oberfläche des Hohlkörpers Überlappung zeigt.