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WO2019029849A1 - Dimmbare lichtquelle - Google Patents

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WO2019029849A1
WO2019029849A1 PCT/EP2018/053416 EP2018053416W WO2019029849A1 WO 2019029849 A1 WO2019029849 A1 WO 2019029849A1 EP 2018053416 W EP2018053416 W EP 2018053416W WO 2019029849 A1 WO2019029849 A1 WO 2019029849A1
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WO
WIPO (PCT)
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light source
radiation
current
phosphor
formula
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/053416
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik BAUMANN
Stefan Lange
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority claimed from DE102016121692.5A external-priority patent/DE102016121692A1/de
Priority claimed from PCT/EP2017/070343 external-priority patent/WO2018029304A1/de
Priority claimed from PCT/EP2017/078913 external-priority patent/WO2018087304A1/de
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority to DE112018004067.4T priority Critical patent/DE112018004067A5/de
Priority to US16/637,282 priority patent/US11230664B2/en
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
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    • H10H20/8512—Wavelength conversion materials
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to a dimmable light source.
  • LEDs light emitting diodes
  • the object of the present invention is to specify a dimmable light source comprising a light-emitting diode.
  • the light source includes a
  • Light emitting diode with a semiconductor layer sequence which is adapted to the operation of the light source, an electromagnetic primary radiation in the UV range of
  • the light-emitting diode comprises a conversion element comprising a converter material which is adapted to
  • correlated color temperature correlated color temperature
  • the light emitting diode changes, in particular, the brightness or light output and the correlated color temperature decrease with decreasing current.
  • this is in particular connected to a power source having a current with
  • the light source comprises a dimmer, which is set up in operation
  • Light source to vary a current or an average current of a current for operation of the light emitting diode.
  • the power supply of the light emitting diode can be changed by the dimmer.
  • the dimmer can be designed, for example, as an ohmic load, as a phase gating dimmer (inductive load) or phase dimmer (capacitive load). Dimmers are known to those skilled in particular in terms of structure, function and structure and will not be explained in detail here.
  • a reduction in the current intensity in particular has a reduced overall intensity or reduced
  • Converter material absorbed and as secondary radiation with an at least partially from the primary radiation
  • the dimmable light source emits a
  • Total radiation which is composed of the primary radiation and the secondary radiation. It is therefore possible that the dimmable light source from a mixed radiation
  • Primary radiation and secondary radiation emitted.
  • the proportion of primary radiation in the total radiation is less than 10 percent, for example between 5 and 10 percent.
  • That the converter material is the electromagnetic
  • Electromagnetic primary radiation is absorbed completely or almost completely by the converter material and is emitted in the form of electromagnetic secondary radiation. It is also possible in particular that a part of the absorbed electromagnetic primary radiation is emitted as heat. This can also be called full conversion. The emitted total radiation of the light source thus corresponds completely or almost completely to the electromagnetic secondary radiation. Under almost
  • the electromagnetic primary radiation contributes not or only slightly to the total radiation of the light source. That the
  • Primary radiation to the total radiation is very low, and preferably below 5 percent, more preferably below 3
  • the first emission band has one
  • Emission maximum which is in the range of 400 nm to 500 nm and the second emission band has a second
  • the emission spectrum of the converter material shows a first emission band with a first emission maximum in the range from 400 nm to 500 nm and a second emission band with a second emission maximum in the range between 510 nm and 700 nm.
  • the emission spectrum can also only the first and the second Have emission band and the first and the second emission maximum.
  • the first emission band and the second emission band have an intensity, wherein the relative intensity of the first emission band decreases with decreasing current intensity and the relative intensity of the second emission band with
  • An emission spectrum of the converter material has a maximum total intensity for each current strength Secondary radiation whose value decreases with decreasing current. As the current decreases, the maximum total intensity of the secondary radiation decreases. While the
  • the relative intensity of the first emission band decreases with decreasing current intensity and the relative intensity of the second emission band increases with decreasing current intensity, in particular the overall intensity
  • emission band is understood here and below to mean an emission peak in an emission spectrum which has at least one spectral width at half the height of the maximum of the emission peak (FWHM, "full-width at half maximum”) of 20 nm.
  • emission maximum refers to the wavelength in the emission spectrum at which the maximum intensity of an emission band lies in the emission spectrum.
  • the first is
  • the relative intensity of the first decreases
  • Emission band with the first emission maximum in the range between 400 nm to 500 nm and the relative intensity of the second emission band with the second emission maximum in the range between 510 nm to 700 nm increases with decreasing Amperage.
  • the proportion of secondary radiation from the first emission band and the proportion decreases
  • the first emission band and the second emission band with decreasing current intensity for operation of the light emitting diode possible to provide a dimmable light source. According to at least one embodiment, the
  • Converter material during operation of the light source at a temperature.
  • the temperature of the converter material increases
  • Converter material due to energy losses by the energy difference from absorbed and emitted photons (Stokes shift) on the one hand and by further loss paths in the conversion process.
  • loss paths are known to those skilled in the art and include, for example, radiationless relaxation from the excited state to the ground state
  • Converter material with the current or current density of the current with which the light-emitting diode is operated According to at least one embodiment, the
  • semiconductor layer sequence in this context is more than one layer comprehensive
  • the semiconductor layer sequence can be in the form of an epitaxial layer sequence or a radiation-emitting semiconductor chip with an epitaxial layer sequence, ie epitaxially grown
  • the semiconductor layer sequence can be embodied, for example, on the basis of InGaAlN.
  • InGaAlN-based semiconductor chips and semiconductor layer sequences are in particular those in which the epitaxially produced semiconductor layer sequence has a layer sequence of different individual layers
  • Semiconductor layer sequences comprising at least one InGaAlN-based active layer can emit primary electromagnetic radiation in an ultraviolet wavelength range.
  • the ultraviolet wavelength range here and below, a wavelength range between including 300 nm and including 420 nm, for example 400 nm understood.
  • the semiconductor layer sequence may comprise, in addition to the active layer, further functional layers and functional regions, for example p-doped or n-doped ones
  • Charge carrier transport layers ie electron or
  • Barrier layers planarization layers, buffer layers, protective layers and / or electrodes and combinations thereof. Furthermore, for example, on a the
  • Semiconductor layer sequence may be applied one or more mirror layers.
  • the structures described here, the active layer or the further functional layers and regions are the person skilled in particular
  • the one layer or the one element is arranged indirectly on or above the other layer or the other element. It can then further layers and / or elements may be arranged between the one or the other layer or between the one or the other element.
  • the radiation exit surface is a main surface of the semiconductor layer sequence. The radiation exit surface extends in particular parallel to a
  • Semiconductor layer sequence For example, at least 75% or 90% of the primary radiation leaving the semiconductor layer sequence emerges from the semiconductor layer sequence via the radiation exit surface.
  • the conversion element has a direct mechanical contact with the conversion element
  • the conversion element is
  • the conversion element comprises a matrix material.
  • the converter material may be in the
  • Distributed matrix material for example, it is homogeneously distributed in the matrix material.
  • the matrix material is both transparent to the
  • Primary radiation as well as for the secondary radiation is for example, selected from a group of materials consisting of: glasses, silicones, epoxy resins, polysilazanes, polymethacrylates and polycarbonates and combinations thereof.
  • Transparent means that the matrix material is at least partially permeable to the electromagnetic primary radiation as well as to the secondary radiation.
  • Converter material a phosphor of the formula
  • TA is selected from a group of monovalent metals comprising Li, Na, Cu, Ag and combinations thereof,
  • TD is selected from a group of tetravalent metals comprising Si, Ge, Sn, Mn, Ti, Zr, Hf, Ce and combinations thereof,
  • XB is selected from a group of elements comprising O, S and combinations thereof and
  • Impurities taken together should preferably have at most one part by weight of the phosphor of at most 1 part per thousand or 100 ppm (parts per million) or 10 ppm.
  • the converter material can according to at least one
  • a white total radiation of the light source can thus be generated only with this phosphor as the converter material.
  • Converter material a phosphor of the formula
  • the emission spectrum of the phosphor and thus the secondary radiation shows a first emission band having a first emission maximum in the range of 400 nm to 500 nm and a second emission band having a second emission maximum in the range between 510 nm to 700 nm, whereby a white Total radiation of
  • Light source results.
  • the inventors have found that, surprisingly, the relative intensity of the first emission band decreases with decreasing temperature
  • Converter material decreases and the relative intensity of the second emission band increases with the second emission maximum in the range between 510 nm to 700 nm, however, with decreasing temperature of the converter material.
  • the temperature of the converter material correlates with the current intensity or the average current intensity with which the light-emitting diode is operated. Increasing the current increases the temperature of the converter material and at
  • Phosphor (MA) S1 2 O 2 2 : Eu shows a first emission band with a first emission maximum in the range from 400 nm to 500 nm and the emission spectrum of the second phosphor or the secondary radiation of the second phosphor
  • CaLu 2 Mg 2 Si 3 0i 2 Ce has a second emission band with a second emission maximum in the range between 510 nm and 700 nm, resulting in a total white radiation of the light source
  • Phosphorus of the formula (Sr x Ba x) S1 2 O 2 N 2 : Eu with 0 -S x -S 1, preferably 0 ⁇ x ⁇ 0.5, particularly preferably x 0.25. According to at least one embodiment, the
  • TA is selected from a group of monovalent metals comprising Li, Na, Cu, Ag and combinations thereof
  • TD is selected from a group of tetravalent metals comprising Si, Ge, Sn, Mn, Ti, Zr, Hf, Ce and combinations thereof
  • XB is selected from a group of elements comprising 0, S and combinations thereof and
  • the inventors have found that the phosphors (MA) S1 2 O 2 2 : Eu and CaLu 2 Mg 2 Si 3 0i 2 : Ce on the one hand and
  • Total radiation a distance to the Planck curve below 20 SDMC, preferably below 15 SDMC, more preferably below 10 SDMC on.
  • these color locations in the entire dimming range of the light source can be achieved and thus from maximum to
  • a color location of the total radiation has a color rendering index Ra above 70,
  • a color location of the total radiation has a color rendering index Ra above 70, preferably above 75, particularly preferably above 80 in the entire dimming range and thus from maximum to minimum current intensity or maximum
  • the light source comprises two or more light-emitting diodes.
  • the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light emitting diodes are the same light emitting diodes. That the two or more light
  • light-emitting diodes are equal, means that they are constructed identically within the manufacturing tolerance and thus based on the same materials and
  • the light source according to the invention that only the same light-emitting diodes are used and the light source is nevertheless dimmable. This is due to the opposite behavior of the relative intensities of the first and second emission bands.
  • Light-emitting diodes can be controlled together.
  • a dimmer within the light box is therefore also an advantage sufficient. It can be dispensed with complicated electronics, which would be necessary for separate control of light-emitting diodes.
  • the dimmable light source can be designed as a retrofit lamp.
  • Figures 1 and 12 show a light source integrated in a circuit
  • Figures 2, 4 and 6 show emission spectra
  • FIGS 3, 5 and 7 show color locations at different
  • Figure 8 shows the dependence of the color rendering index Ra on the temperature
  • FIG. 10 shows the distance of color locations to the Planck curve at different temperatures.
  • FIG. 11 shows the dependence of the luminous efficacy on the temperature.
  • 1 shows a light source 1 integrated in a circuit according to the invention.
  • the light source 1 comprises a plurality of light-emitting diodes 2 and a dimmer 3.
  • the light source 1 is connected to a current source 4, which supplies the current required for the operation of the light source 1. From the power source 4, a current with a constant occurs
  • the dimmer 3 is to
  • the change in amperage can be changed by a user via a manual control 5 and the
  • the light-emitting diodes 2 are the same structure and
  • the semiconductor layers based on the same semiconductor material and the conversion element, the same converter material or the same converter material and the same matrix material, in particular in the same amount. That is why the
  • light-emitting diodes 2 are advantageously operated with the same power, a separate control is not necessary.
  • Other identical light emitting diodes 2 can be connected in series or in parallel (not
  • the structure of the light-emitting diodes 2 which is not shown in FIG. 1 for reasons of clarity is described below.
  • the light-emitting diodes 2 comprise a semiconductor layer sequence based on InGaAlN and emit a light source 1 during operation electromagnetic primary radiation in the UV range of the
  • Electromagnetic spectrum for example at 400 nm.
  • a conversion element comprising a converter material
  • the temperature of the converter material changes and thereby the color location of the total radiation changes towards lower correlated color temperatures.
  • the color location of the total radiation at different temperatures and thus different current intensities is at or near the Planck curve, so that the total radiation always appears to be white.
  • the light emitting diodes 2 only one
  • Converter material has a first emission band with a first emission maximum in the range of 400 nm to 500 nm and a second emission band with a second emission maximum in the range of 510 nm to 700 nm.
  • the emission spectrum of the converter material shows a first emission band having a first emission maximum in the range of 400 nm to 500 nm and a second emission band having a second emission maximum in the range of 510 nm to 700 nm.
  • the relative intensity of the first emission band decreases with decreasing current intensity and the relative intensity of the second emission band increases with decreasing current of the current with which the light emitting diodes are operated.
  • there is a decreasing relative intensity there is a decreasing relative light output power and an increasing relative light output is associated with an increasing relative intensity, so that the fraction of the secondary radiation of the first emission band at the total radiation decreases with decreasing current, while the portion of the secondary radiation decreases
  • Emission band and the second emission band are due to the surprisingly different thermal quenching behavior of the emission bands.
  • the different thermal quench behavior As the temperature of the converter material increases with increasing current, the different thermal quench behavior
  • FIG. 12 shows an integrated circuit
  • Light source 1 of the prior art The light source 1 includes two types of light emitting diodes 2a and 2b, which are connected in parallel and driven separately. Accordingly, the light source 1 contains two dimmers 3. To control the dimmer 3, a microcontroller 6 is required, which is not necessary in the light source 1 according to the invention, since it contains only one dimmer 3. To control the functionality of the microcontroller 6 contains the
  • Light source 1 a sensor 7.
  • the light emitting diodes 2a emit white secondary radiation and the
  • the light emitting diodes 2b red secondary radiation.
  • the red and white secondary radiation are mixed by means of a diffuser 8 and yield the total white radiation emitted by the light source 1 to the outside.
  • the current intensity is changed separately by means of the dimmers 3 for the light emitting diodes 2a and 2b, so that they are operated with current of different current intensities and thus the relative proportion of the secondary radiations of the light emitting diodes 2a and 2b at the
  • a dimmer 3 is necessary and other electronic components, such as a
  • the light source 1 according to the invention is both less expensive and with less effort
  • the changes Color location of the total radiation at a constant current over the period of operation of the light source 1 advantageously not.
  • Figure 2 shows the emission spectrum of the phosphor
  • KLi 3 Si0 4 Eu (ABl) at 25 ° C, 100 ° C, 150 ° C and 200 ° C.
  • the wavelength ⁇ in nanometers is on the x-axis and the relative intensity rl in percent on the y-axis
  • the phosphor KLi3Si0 4 : Eu was applied to a thermally conductive substrate, brought to the appropriate temperature and excited with an electromagnetic primary radiation in the UV range (400 nm).
  • the emission spectrum of KLisSiC ⁇ iEu at the respective temperature shows in each case a first
  • Emission band El having a first emission maximum that is in the range of about 440 nm to 470 nm and a second emission band E2 having a second emission maximum that is in the range of about 570 to 630 nm.
  • Emission band El extends in each case from approximately 430 nm to 500 nm and the second emission band E2 in each case from approximately 500 nm to 730 nm. In the figure, for reasons of
  • Luminous impression As can be seen, the relative intensity of the first emission band El decreases as the temperature decreases, while the relative intensity of the second emission band E2 increases as the temperature decreases. With decreasing relative Intensity of an emission band decreases
  • FIG. 3 shows the CIE standard table (1931), wherein the CIE-x component of the primary color red and the y-axis the CIE-y component of the primary color green are plotted on the x-axis.
  • the color coordinates of the secondary radiation of KLi 3 Si0 4 : Eu (ABl) are excited by a
  • a light source comprising a
  • Light-emitting diode with a conversion element containing the phosphor KLisSiC iEu can thus change the color location towards lower correlated color temperatures by lowering the current through a dimmer.
  • Figure 4 shows the emission spectrum of a combination of the phosphors Sr 0 , 2sBa 0 , 75Si 2 0 2 N 2 : Eu and (CaLu 2 ) Mg 2 Si 3 0i 2 : Ce (AB 2 ) at 25 ° C, 125 ° C, 175 ° C and 225 ° C.
  • the wavelength ⁇ is plotted in nanometers on the x-axis and the relative intensity rl in percent on the y-axis.
  • the phosphors are applied to a thermally conductive substrate, brought to the appropriate temperature and with a
  • the relative intensity of the first emission band El decreases as the temperature decreases, while the relative intensity of the second emission band E2 increases as the temperature decreases. With decreasing temperature, the proportion of secondary radiation thus decreases in the wavelength range of the first
  • Ce containing conversion element is operated, also decreases, a light source containing such a light emitting diode can surprisingly change the color location and thus dimmed by varying the current through a dimmer, the total radiation in both dimmed as also appears white when not dimmed.
  • FIG. 5 shows the CIE standard table (1931), wherein the CIE-x component of the primary color red and the y-axis the CIE-y component of the primary color green are plotted on the x-axis.
  • the color coordinates of the secondary radiation are a combination of the phosphors Sro, 2 sBao, 75 S12O2 2: Eu and (CaLu 2 ) Mg 2 Si30i 2 : Ce (AB2) when excited with a
  • the color loci move with decreasing temperature on or along the Planck curve P to higher CIE-x values and thus to a higher red content of secondary radiation and lower correlated color temperatures.
  • At 225 ° C is the
  • a light source comprising a light emitting diode having a
  • Phosphors Sr 0 , 2sBao, 75S12O2N2: Eu and (CaLu 2 ) Mg 2 Si30i 2 : Ce containing conversion element can thus change the color location towards lower correlated color temperatures by lowering the current intensity by means of a dimmer.
  • Figure 6 shows the emission spectrum of a combination of the phosphors Rb 0 , 2sNa 0 , 7 5Li 3 Si0 4 : Eu and (CaLu 2 ) Mg 2 Si 3 0i 2 : Ce (AB3) at 25 ° C, 125 ° C, 175 ° C. and 225 ° C.
  • Rb 0 , 2sNa 0 , 7 5Li 3 Si0 4 : Eu and (CaLu 2 ) Mg 2 Si 3 0i 2 : Ce (AB3) at 25 ° C, 125 ° C, 175 ° C. and 225 ° C.
  • Axis represents the wavelength ⁇ in nanometers and the y-axis plots the relative intensity rl in percent. To measure the emission spectra were the phosphors
  • the phosphors are applied to a thermally conductive substrate, brought to the appropriate temperature and with a
  • Emission maximum in the range of about 560 nm to 630 nm.
  • the emitted secondary radiation of the measured emission spectra at the different temperatures awakens at a Viewer a white light impression.
  • the relative intensity of the first emission band El decreases as the temperature decreases
  • the relative intensity of the second emission band E2 increases as the temperature decreases.
  • the proportion of secondary radiation of the first emission band decreases and the fraction of secondary radiation of the second emission band decreases.
  • the long-wavelength, predominantly red fraction of the secondary radiation increases during the short-wave
  • Temperature of the phosphors with decreasing current of a current with which a light emitting diode is operated with a conversion element containing the phosphors Rbo, 2sNao, 75Li 3 Si0 4 : Eu and (CaLu2) Mg 2 Si30i2: Ce, may also be a light source comprising a such
  • FIG. 7 shows the CIE standard table (1931), wherein the CIE-x component of the primary color red and the y-axis the CIE-y component of the primary color green are plotted on the x-axis.
  • the CIE standard panel are the color locations of the secondary radiation of a combination of the phosphors Rbo, 2sNao, 7sLi3Si0 4 : Eu and (CaLu 2 ) Mg 2 Si30i 2 : Ce (AB3) when excited with a
  • the color loci move with decreasing temperature on or along the Planck curve P to higher CIE-x values and thus to a higher proportion of red in the secondary radiation and lower correlated color temperatures.
  • At 225 ° C is the correlated color temperature of the secondary radiation at about 4200 K and at 25 ° C at about 3300 K. As can be seen, the color loci of the secondary radiation are on or close to the
  • Planck curve and the secondary radiation thus appears white. It can be observed that the distance of the color locus from the Planck curve increases with increasing temperature.
  • Light source comprising a light-emitting diode with the phosphors Rbo, 2sNao, 75Li 3 Si0 4 : Eu and (CaLu2) Mg 2 Si30i2: Ce containing conversion element can thus change by lowering the amperage by means of a dimmer the color point towards lower correlated color temperatures.
  • Figure 8 shows the dependence of the color rendering index Ra of the secondary radiation of the phosphor KLisSiC iEu (ABl), a combination of the phosphors S ro, 2sBao, 75 S12O2 2: Eu and
  • Color rendering index Ra is a measure of the quality of the
  • Playback on colors of a radiation can be up to 100.
  • ABl shows a Ra over 80 over the entire temperature range. Radiation with an Ra of 80 or more is for the
  • Total radiation is useful, for example, when good color reproduction is required, such as when viewing or creating works of art, while the requirements for the color rendering index of the total radiation of the light source in the dimmed state are lower.
  • Ra decreases with increasing temperature.
  • Light sources comprising a light emitting diode with a combination of the phosphors Rbo, 2 sNao, 7 sLi 3 Si0 4 : Eu and
  • Ce-containing conversion element (CaLu 2 ) Mg 2 Si 3 0i 2 : Ce-containing conversion element are thus suitable mainly for applications in which a
  • Light source is mainly operated in the dimmed state and thus at a comparatively low amperage.
  • the correlated color temperature is a measure of whether white radiation is perceived as warm white or cold white. Usually, warm white radiation has a correlated one
  • Phosphors Rb 0 , 2sNa 0 , 7 5Li 3 Si0 4 : Eu and (CaLu 2 ) Mg 2 Si 3 0i 2 : Ce (AB3) are thus suitable for a dimmable light source comprising a light-emitting diode with a conversion element containing KLisSiC ⁇ iEu (OJ ), a combination of
  • Such light sources can advantageously change the color location towards lower correlated color temperatures by lowering the current intensity by means of a dimmer.
  • FIG. 10 shows the distance of the color locations of the secondary radiation of the phosphor KLi3Si0 4 : Eu (ABl), a combination of the
  • Threshold units at different temperatures. All color loci are at or near the Planck curve and produce a white luminous impression. The color locations of
  • the luminous efficiency LER is in lm / W

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Abstract

Es wird eine dimmbare Lichtquelle zur Emission einer weißen Gesamtstrahlung angegeben. Die Lichtquelle umfasst - einen Dimmer, der dazu eingerichtet ist im Betrieb der Lichtquelle eine Stromstärke eines Stroms zum Betrieb einer lichtemittierenden Diode zu variieren und - eine lichtemittierende Diode mit einer Halbleiterschichtenfolge, die dazu eingerichtet ist im Betrieb der Lichtquelle eine elektromagnetische Primärstrahlung im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren und ein Konversionselement umfassend ein Konvertermaterial, das dazu eingerichtet ist die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise oder vollständig in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren, wobei die Sekundärstrahlung eine erste Emissionsbande mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von 400 nm bis 500 nm und eine zweite Emissionsbande mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich von 510 nm bis 700 nm aufweist und eine relative Intensität der ersten Emissionsbande mit abnehmender Stromstärke des Stroms zum Betrieb der Lichtquelle sinkt und eine relative Intensität der zweiten Emissionsbande mit abnehmender Stromstärke des Stroms zum Betrieb der lichtemittierenden Diode steigt.

Description

Beschreibung
DIMMBARE LICHTQUELLE Die Erfindung betrifft eine dimmbare Lichtquelle.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der PCT
Patentanmeldungen PCT/EP2017/078913, PCT/EP2017/070343 und PCT/EP2017/070329, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Heutzutage werden anstelle von konventionellen Glühbirnen vermehrt Lichtquellen auf der Basis von lichtemittierenden Dioden (LEDs, „light emitting diodes") in der
Allgemeinbeleuchtung, wie beispielsweise der Beleuchtung von Wohnräumen eingesetzt. Lichtquellen auf der Basis von
lichtemittierenden Dioden weisen eine deutlich höhere
Effizienz auf als konventionelle Glühbirnen. Eine für
Verbraucher wünschenswerte Eigenschaft von Glühbirnen liegt darin, dass die korrelierte Farbtemperatur der weißen
Gesamtstrahlung einer Glühbirne durch Änderung der
Stromzufuhr und der damit verbundenen Änderung der Temperatur des Glühdrahts herabgesetzt werden kann, was auch als „Dimmen" bezeichnet wird. Eine Herabsetzung der korrelierten Farbtemperatur hat bei Glühbirnen eine Verschiebung des
Farborts der Gesamtstrahlung auf der Planck-Kurve zur Folge, wodurch die weiße Gesamtstrahlung für den Betrachter als „wärmer" empfunden wird. Auch das natürliche Tageslicht zeigt im Verlauf eines Tages einen ähnlichen Verlauf. Am frühen Morgen und am späten Abend (Sonnenaufgang bzw.
Sonnenuntergang) weist das Tageslicht eine niedrige
Intensität und gleichzeitig eine niedrige Farbtemperatur, beispielsweise etwa 3000 K, auf. Zur Mittagszeit ist dagegen die Intensität des Tageslichts maximal und gleichzeitig weist das Tageslicht eine viel höhere Farbtemperatur auf,
typischerweise zwischen 5000 K und 8000 K. Die Nachfrage nach dimmbaren Lichtquellen auf der Basis von lichtemittierenden Dioden ist daher durch den Rückgang von Glühbirnen groß.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine dimmbare Lichtquelle umfassend eine lichtemittierende Diode anzugeben .
Die Aufgabe wird durch eine dimmbare Lichtquelle gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird eine dimmbare Lichtquelle zur Emission einer weißen Gesamtstrahlung angeben. Die Lichtquelle umfasst eine
lichtemittierende Diode mit einer Halbleiterschichtenfolge, die dazu eingerichtet ist im Betrieb der Lichtquelle eine elektromagnetische Primärstrahlung im UV-Bereich des
elektromagnetischen Spektrums zu emittieren. Weiter umfasst die lichtemittierende Diode ein Konversionselement umfassend ein Konvertermaterial, das dazu eingerichtet ist die
elektromagnetische Primärstrahlung vollständig oder teilweise in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren. Bevorzugt wird die elektromagnetische Primärstrahlung
vollständig in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert . Unter „dimmbar" wird hier und im Folgenden verstanden, dass sich die Helligkeit oder Lichtausgangsleistung sowie die korrelierte Farbtemperatur („correlated color temperature" , CCT) im Betrieb der Lichtquelle mit Änderung der Stromstärke des Stroms zum Betrieb der Lichtquelle bzw. der
lichtemittierenden Diode ändert, insbesondere nehmen die Helligkeit oder Lichtausgangsleistung sowie die korrelierte Farbtemperatur mit abnehmender Stromstärke ab.
Zum Betrieb der dimmbaren Lichtquelle ist diese insbesondere mit einer Stromquelle verbunden, die einen Strom mit
konstanter Stromstärke liefert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Lichtquelle einen Dimmer, der dazu eingerichtet ist im Betrieb der
Lichtquelle eine Stromstärke oder eine mittlere Stromstärke eines Stroms zum Betrieb der lichtemittierenden Diode zu variieren. Mit anderen Worten kann die Stromzufuhr der lichtemittierenden Diode durch den Dimmer geändert werden. Hierzu ist der Dimmer der lichtemittierenden Diode
insbesondere vorgeschaltet. Der Dimmer kann beispielsweise als Ohmsche Last, als Phasenanschnittdimmer (induktive Last) oder Phasenabschnittdimmer (kapazitive Last) ausgeführt sein. Dimmer sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Eine Verringerung der Stromstärke hat dabei insbesondere eine verringerte Gesamtintensität oder verringerte
Lichtausgangsleistung (gemessen in Watt) der
elektromagnetischen Primärstrahlung zur Folge. Damit
verbunden sinkt auch die Gesamtintensität oder
Lichtausgangsleistung sowie der Lichtstrom („Helligkeit", gemessen in Lumen) der Sekundärstrahlung und der
Gesamtstrahlung der Lichtquelle. Dass das Konvertermaterial die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise in eine elektromagnetische
Sekundärstrahlung konvertiert, bedeutet, dass die
elektromagnetische Primärstrahlung teilweise von dem
Konvertermaterial absorbiert und als Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der Primärstrahlung
verschiedenen, insbesondere längeren Wellenlängenbereich emittiert wird. Bei dieser sogenannten Teilkonversion
emittiert die dimmbare Lichtquelle insbesondere eine
Gesamtstrahlung, die sich aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung zusammensetzt. Es ist also möglich, dass die dimmbare Lichtquelle eine Mischstrahlung aus
Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert. Insbesondere liegt der Anteil an Primärstrahlung an der Gesamtstrahlung unter 10 Prozent, beispielweise zwischen 5 und 10 Prozent.
Dass das Konvertermaterial die elektromagnetische
Primärstrahlung vollständig in eine elektromagnetische
Sekundärstrahlung konvertiert, bedeutet, dass die
elektromagnetische Primärstrahlung vollständig oder nahezu vollständig durch das Konvertermaterial absorbiert wird und in Form einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung abgegeben wird. Möglich ist insbesondere auch, dass ein Teil der absorbierten elektromagnetischen Primärstrahlung als Wärme abgegeben wird. Dies kann auch als Vollkonversion bezeichnet werden. Die emittierte Gesamtstrahlung der Lichtquelle entspricht somit vollständig oder nahezu vollständig der elektromagnetischen Sekundärstrahlung. Unter nahezu
vollständiger Konversion ist eine Konversion über 90 %, insbesondere über 95 %, zu verstehen. Bevorzugt trägt die elektromagnetische Primärstrahlung nicht oder nur geringfügig zu der Gesamtstrahlung der Lichtquelle bei. Dass die
emittierte Gesamtstrahlung der Lichtquelle vollständig oder nahezu vollständig der elektromagnetischen Sekundärstrahlung entspricht, bedeutet insbesondere, dass der Anteil an
Primärstrahlung an der Gesamtstrahlung sehr gering ist und bevorzugt unter 5 Prozent, besonders bevorzugt unter 3
Prozent und ganz besonders bevorzugt bei 0 Prozent liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Sekundärstrahlung eine erste Emissionsbande und eine zweite Emissionsbande auf. Die erste Emissionsbande weist ein
Emissionsmaximum auf, das im Bereich von 400 nm bis 500 nm liegt und die zweite Emissionsbande weist ein zweites
Emissionsmaximum auf, das im Bereich von 510 nm bis 700 nm liegt. Mit anderen Worten zeigt das Emissionsspektrum des Konvertermaterials eine erste Emissionsbande mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von 400 nm bis 500 nm und eine zweite Emissionsbande mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich zwischen 510 nm bis 700 nm. Das Emissionsspektrum kann auch nur die erste und die zweite Emissionsbande und das erste und das zweite Emissionsmaximum aufweisen. Insbesondere weisen die erste Emissionsbande und die zweite Emissionsbande eine Intensität auf, wobei die relative Intensität der ersten Emissionsbande mit abnehmender Stromstärke sinkt und die relative Intensität der zweiten Emissionsbande mit
abnehmender Stromstärke steigt. Insbesondere sinkt mit abnehmender relativer Intensität der ersten Emissionsbande der Anteil an Sekundärstrahlung aus der ersten Emissionsbande an der Gesamtstrahlung und mit zunehmender relativer
Intensität der zweiten Emissionsbande steigt der Anteil an Sekundärstrahlung aus der zweiten Emissionsbande an der
Gesamtstrahlung.
Ein Emissionsspektrum des Konvertermaterials weist für jede Stromstärke eine maximale Gesamtintensität der Sekundärstrahlung auf, deren Wert mit abnehmender Stromstärke sinkt. Bei abnehmender Stromstärke sinkt somit die maximale Gesamtintensität der Sekundärstrahlung. Während die
Gesamtintensität der Sekundärstrahlung insgesamt sinkt, kann die Intensität einer Emissionsbande relativ zur
Gesamtintensität steigen oder sinken, was hier und im
Folgenden als relative Intensität bezeichnet wird.
Erfindungsgemäß sinkt die relative Intensität der ersten Emissionsbande mit abnehmender Stromstärke und die relative Intensität der zweiten Emissionsbande steigt mit abnehmender Stromstärke, wobei insbesondere die Gesamtintensität
resultierend aus erster und zweiter Emissionsbande mit abnehmender Stromstärke sinkt. Unter einer „Emissionsbande" wird hier und im Folgenden ein Emissionspeak in einem Emissionsspektrum verstanden, der mindestens eine spektrale Breite auf halber Höhe des Maximums des Emissionspeaks (FWHM, „Full-width at half maximum") von 20 nm aufweist.
Als "Emissionsmaximum" wird vorliegend die Wellenlänge im Emissionsspektrum bezeichnet, bei der die maximale Intensität einer Emissionsbande im Emissionsspektrum liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das erste
Emissionsmaximum im Bereich von 450 nm bis 490 nm und das zweite Emissionsmaximum im Bereich von 550 bis 650 nm.
Mit Vorteil sinkt die relative Intensität der ersten
Emissionsbande mit dem ersten Emissionsmaximum im Bereich zwischen 400 nm bis 500 nm und die relative Intensität der zweiten Emissionsbande mit dem zweiten Emissionsmaximum im Bereich zwischen 510 nm bis 700 nm steigt mit abnehmender Stromstärke. Dadurch sinkt der Anteil an Sekundärstrahlung aus der ersten Emissionsbande und der Anteil an
Sekundärstrahlung aus der zweiten Emissionsbande an der weißen Gesamtstrahlung steigt. Dies resultiert in einer weißen Gesamtstrahlung mit abnehmender korrelierter
Farbtemperatur. Je niedriger die korrelierte Farbtemperatur desto warmweißer erscheint einem Betrachter die weiße
Gesamtstrahlung. Mit Vorteil ist es somit durch das
gegenläufige Verhalten der relativen Intensitäten der
Sekundärstrahlung der ersten Emissionsbande und der zweiten Emissionsbande bei abnehmender Stromstärke des Stroms zum Betrieb der lichtemittierenden Diode möglich eine dimmbare Lichtquelle bereitzustellen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konvertermaterial im Betrieb der Lichtquelle eine Temperatur auf. Die Temperatur des Konvertermaterials nimmt mit
abnehmender Stromstärke des Stroms, mit welcher die
lichtemittierende Diode betrieben wird, ab. Bei hoher
Stromstärke bzw. hoher Stromdichte erwärmt sich das
Konvertermaterial aufgrund von Energieverlusten durch die Energiedifferenz aus absorbierten und emittierten Photonen (Stokes-Shift) einerseits und durch weitere Verlustpfade im Konversionsprozess . Derartige Verlustpfade sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise strahlungslose Relaxation aus dem angeregten Zustand in den Grundzustand
(Quanteneffizienz kleiner als 1), Streuung, insbesondere Rückstreuung, von Anregungsphotonen oder Sekundärphotonen am Konvertermaterial und anschließende Absorption durch die Halbleiterschichtenfolge oder Gehäusebestandteile. Mit
Vorteil korreliert somit die Temperatur des
Konvertermaterials mit der Stromstärke bzw. Stromdichte des Stroms mit der die lichtemittierende Diode betrieben wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht auf, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Lichtquelle eine
elektromagnetische Primärstrahlung im UV-Bereich zu
emittieren .
Unter "Halbleiterschichtenfolge" ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende
Halbleiterschichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n-dotierten
Halbleiterschicht, wobei die Schichten übereinander
angeordnet sind und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die elektromagnetische Primärstrahlung
emittiert.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene
Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten
aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGai-x-yN mit O ^ x ^ l, O ^ y ^ l und x + y < 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können elektromagnetische Primärstrahlung in einem ultravioletten Wellenlängenbereich emittieren. Als ultravioletter Wellenlängenbereich wird hier und im Folgenden ein Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 420 nm, beispielweise 400 nm verstanden.
Die Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte
Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder
Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement- , Cladding- oder Wellenleiterschichten,
Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem
Aufwachssubstrat abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht sein. Die hier beschriebenen Strukturen, die aktive Schicht oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere
hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge eine Strahlungsaustrittsfläche auf, über der das Konversionselement angeordnet ist. Dass eine Schicht oder ein Element "auf" oder "über" einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist.
Weiter kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen oder der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen oder dem anderen Element angeordnet sein. Die Strahlungsaustrittsfläche ist dabei eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge. Die Strahlungsaustrittsfläche erstreckt sich insbesondere parallel zu einer
Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der
Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise tritt mindestens 75 % oder 90 % der die Halbleiterschichtenfolge verlassenden Primärstrahlung über die Strahlungsaustrittsfläche aus der Halbleiterschichtenfolge heraus.
In einer Ausführungsform weist das Konversionselement einen direkten mechanischen Kontakt zu der
Halbleiterschichtenfolge, insbesondere zu der
Strahlungsaustrittfläche der Halbleiterschichtenfolge, auf. Es ist auch eine beabstandete Anordnung des
Konversionselements über der Halbleiterschichtenfolge möglich.
In einer Ausführungsform ist das Konversionselement
vollflächig über der Halbleiterschichtenfolge, insbesondere der Strahlungsaustrittfläche der Halbleiterschichtenfolge, angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement ein Matrixmaterial. Das Konvertermaterial kann in dem
Matrixmaterial verteilt sein, beispielsweise ist es in dem Matrixmaterial homogen verteilt.
Das Matrixmaterial ist sowohl transparent für die
Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung und ist beispielsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus: Gläser, Silikone, Epoxidharze, Polysilazane, Polymethacrylate und Polycarbonate sowie Kombinationen davon. Unter transparent wird verstanden, dass das Matrixmaterial zumindest teilweise durchlässig für die elektromagnetische Primärstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konvertermaterial einen Leuchtstoff der Formel
(NarKi_r ) i (TA) 3 (TD) 1 (XB) 4 : E mit 0 < r < 0,05, bevorzugt r = 0 auf, wobei
- TA aus einer Gruppe von monovalenten Metallen ausgewählt ist, die Li, Na, Cu, Ag und Kombinationen daraus umfasst,
- TD aus einer Gruppe von tetravalenten Metallen ausgewählt ist, die Si, Ge, Sn, Mn, Ti, Zr, Hf, Ce und Kombinationen daraus umfasst,
- XB aus einer Gruppe von Elementen ausgewählt ist, die O, S und Kombinationen daraus umfasst und
-E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu oder Eu und Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu .
Hier und im Folgenden werden Leuchtstoffe anhand von
Summenformeln beschrieben. Es ist bei den angegebenen
Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente etwa in Form von Verunreinigungen aufweist, wobei diese
Verunreinigungen zusammengenommen bevorzugt höchstens einen Gewichtsanteil an dem Leuchtstoff von höchstens 1 Promille oder 100 ppm (parts per million) oder 10 ppm aufweisen sollten .
Das Konvertermaterial kann gemäß zumindest einer
Ausführungsform auch aus dem Leuchtstoff
(NarKi_r ) 1 (TA) 3 (TD) (XB) 4:E bestehen. Überraschenderweise weist die Sekundärstrahlung des
Leuchtstoffs (NarKi_r) i (TA) 3 (TD) 1 (XB) 4 : E eine erste
Emissionsbande mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von 400 nm bis 500 nm und eine zweite Emissionsbande mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich von 510 nm bis 700 nm auf. Mit Vorteil kann somit nur mit diesem Leuchtstoff als Konvertermaterial eine weiße Gesamtstrahlung der Lichtquelle erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konvertermaterial einen Leuchtstoff der Formel
(NarKi_r) Li3Si04 : Eu mit 0 ^ r < 0,05, bevorzugt r = 0 auf oder besteht aus einem Leuchtstoff der Formel (NarKi_r) LisSiC^ : Eu mit 0 ^ r < 0,05, bevorzugt r = 0. Das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs und somit die Sekundärstrahlung, zeigt eine erste Emissionsbande mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von 400 nm bis 500 nm und eine zweite Emissionsbande mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich zwischen 510 nm bis 700 nm, wodurch eine weiße Gesamtstrahlung der
Lichtquelle resultiert. Die Erfinder haben herausgefunden, dass überraschenderweise die relative Intensität der ersten Emissionsbande bei abnehmender Temperatur des
Konvertermaterials sinkt und die relative Intensität der zweiten Emissionsbande mit dem zweiten Emissionsmaximum im Bereich zwischen 510 nm bis 700 nm dagegen bei abnehmender Temperatur des Konvertermaterials steigt. Die Temperatur des Konvertermaterials korreliert mit der Stromstärke bzw. der mittleren Stromstärke, mit welcher die die lichtemittierende Diode betrieben wird. Bei Erhöhung der Stromstärke erhöht sich die Temperatur des Konvertermaterials und bei
Erniedrigung der Stromstärke erniedrigt sich die Temperatur des Konvertermaterials. Dadurch kann mit Vorteil mit (NarKi_r) Li3Si04 : Eu als einzigem Leuchtstoff in der Lichtquelle die korrelierte Farbtemperatur der weißen Gesamtstrahlung durch Variation der Stromstärke durch den Dimmer geändert werden und eine dimmbare Lichtquelle bereitgestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konvertermaterial einen ersten Leuchtstoff der Formel
(MA) S12O2 2 : Eu mit MA = Sr, Ca und/oder Ba und einen zweiten Leuchtstoff der Formel CaLu2Mg2Si30i2 : Ce auf oder besteht aus diesen Leuchtstoffen. Das Emissionsspektrum des ersten
Leuchtstoffs bzw. die Sekundärstrahlung des ersten
Leuchtstoffs (MA) S12O2 2 : Eu zeigt eine erste Emissionsbande mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von 400 nm bis 500 nm und das Emissionsspektrum des zweiten Leuchtstoffs bzw. die Sekundärstrahlung des zweiten Leuchtstoffs
CaLu2Mg2Si30i2 : Ce eine zweite Emissionsbande mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich zwischen 510 nm bis 700 nm, wodurch eine weiße Gesamtstrahlung der Lichtquelle
resultiert .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste
Leuchtstoff die Formel ( SrxBai-x) S12O2N2 : Eu mit 0 -S x -S 1, bevorzugt 0 ^ x ^ 0,5, besonders bevorzugt x = 0,25 auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konvertermaterial einen ersten Leuchtstoff der Formel
(Rbr*Nai-r*)i (TA)3 (TD)i (XB)4:E mit 0 < r* < 0,4, bevorzugt 0,1 < r* < 0,35, besonders bevorzugt 0,2 < r* < 0,3, ganz besonders bevorzugt r* = 0,25 und einen zweiten Leuchtstoff der Formel CaLu2Mg2Si30i2 : Ce auf oder besteht aus diesen Leuchtstoffen, wobei
- TA aus einer Gruppe von monovalenten Metallen ausgewählt ist, die Li, Na, Cu, Ag und Kombinationen daraus umfasst, - TD aus einer Gruppe von tetravalenten Metallen ausgewählt ist, die Si, Ge, Sn, Mn, Ti, Zr, Hf, Ce und Kombinationen daraus umfasst,
- XB aus einer Gruppe von Elementen ausgewählt ist, die 0, S und Kombinationen daraus umfasst und
-E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu oder Eu und Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konvertermaterial einen ersten Leuchtstoff der Formel
(Rbr*Nai-r*) Li3Si04 mit 0 < r* < 0,4, bevorzugt 0,1 < r* < 0,35, besonders bevorzugt 0,2 < r* < 0,3, ganz besonders bevorzugt r* = 0,25 und einen zweiten Leuchtstoff der Formel CaLu2Mg2Si30i2 : Ce auf oder besteht aus diesen Leuchtstoffen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Leuchtstoffe (MA) S12O2 2 : Eu und CaLu2Mg2Si30i2 : Ce einerseits und
(Rbr*Nai-r*) 1 (TA) 3 (TD) 1 (XB) 4 :E, insbesondere (Rbr*Nai_r*) Li3Si04, und CaLu2Mg2Si30i2 : Ce anderseits überraschenderweise ein gegenläufiges Verhalten der relativen Intensitäten der ersten Emissionsbande und der zweiten Emissionsbande bei Änderung der Temperatur des Konvertermaterials im Betrieb der
lichtemittierenden Diode aufweisen. Die Temperatur des
Konvertermaterials korreliert in der Anwendung mit der
Stromstärke bzw. der mittleren Stromstärke, mit welcher die lichtemittierende Diode betrieben wird, bei Erhöhung der Stromstärke erhöht sich die Temperatur des Konvertermaterials und bei Erniedrigung der Stromstärke erniedrigt sich die Temperatur des Konvertermaterials . Überraschenderweise sinkt die relative Intensität der ersten Emissionsbande des ersten Leuchtstoffs (MA) Si202N2 : Eu bzw . (Rbr*Nai-r*) 1 (TA) 3 (TD) 1 (XB) 4 : E mit abnehmender Temperatur des Konvertermaterials bzw. mit abnehmender Stromstärke und die relative Intensität der zweiten Emissionsbande des zweiten Leuchtstoffs
CaLu2Mg2Si30i2 : Ce steigt mit abnehmender Temperatur des
Konvertermaterials bzw. mit abnehmender Stromstärke. Dadurch kann mit Vorteil durch die erfindungsgemäße Kombination des ersten und des zweiten Leuchtstoffs in der Lichtquelle die korrelierte Farbtemperatur der weißen Gesamtstrahlung durch Variation der Stromstärke durch den Dimmer geändert werden und eine dimmbare Lichtquelle bereitgestellt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Farbort der
Gesamtstrahlung einen Abstand zur Planck-Kurve unter 20 SDMC, bevorzugt unter 15 SDMC, besonders bevorzugt unter 10 SDMC auf. Mit Vorteil sind diese Farborte im gesamten Dimmbereich der Lichtquelle erzielbar und somit von maximaler bis
minimaler Stromstärke bzw. von maximaler Temperatur des
Konvertermaterials bis minimaler Temperatur des
Konvertermaterials. Die minimale Temperatur kann
beispielweise bei 20 °C oder 25 °C und die maximale
Temperatur bei 225 °C liegen. Mit Vorteil erweckt die
Gesamtstrahlung bei einem Betrachter damit im gesamten
Dimmbereich einen weißen Leuchteindruck.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Farbort der Gesamtstrahlung einen Farbwiedergabeindex Ra über 70,
bevorzugt über 75, besonders bevorzugt über 80 auf.
Insbesondere weist ein Farbort der Gesamtstrahlung einen Farbwiedergabeindex Ra über 70, bevorzugt über 75, besonders bevorzugt über 80 im gesamten Dimmbereich auf und damit von maximaler bis minimaler Stromstärke bzw. von maximaler
Temperatur des Konvertermaterials bis minimaler Temperatur des Konvertermaterials. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Lichtquelle zwei oder mehrere lichtemittierende Dioden. Bei den zwei oder mehreren lichtemittierenden Dioden handelt es sich um die gleichen lichtemittierenden Dioden. Dass die
lichtemittierenden Dioden gleich sind, bedeutet, dass diese im Rahmen der Herstellungstoleranz identisch aufgebaut sind und somit auf den gleichen Materialien basieren und
insbesondere die gleiche Sekundärstrahlung mit dem gleichen Farbort emittieren. Die zweite oder weiteren
lichtemittierenden Dioden sind somit wie die (erste)
lichtemittierende Diode ausgebildet.
Mit Vorteil ist es bei der erfindungsgemäßen Lichtquelle möglich, dass nur gleiche lichtemittierende Dioden eingesetzt werden und die Lichtquelle dennoch dimmbar ist. Dies ist auf das gegenläufige Verhalten der relativen Intensitäten der ersten und der zweiten Emissionsbande zurückzuführen.
Üblicherweise eingesetzte weiße lichtemittierende Dioden zeigen keine oder nahezu keine Änderungen des Farborts der Gesamtstrahlung bei Änderungen der Stromstärke/Temperatur des Konvertermaterials. Vielmehr wird versucht etwaige
Schwankungen des Farborts bei Änderungen der Stromstärke /Temperatur aktiv zu verhindern. Deshalb sind bisher bekannte Lichtquellen, die nur einen Typ von lichtemittierenden Dioden bzw. nur die gleichen weißen lichtemittierenden Dioden enthalten im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lichtquelle nicht dazu geeignet gedimmt zu werden und somit das
„Dimmverhalten" einer konventionellen Glühbirne zu imitieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
lichtemittierenden Dioden gemeinsam ansteuerbar Mit Vorteil ist somit auch ein Dimmer innerhalb der Lichtqu lle ausreichend. Es kann auf komplizierte Elektronik verzichtet werden, die bei separater Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden notwendig wäre.
Die dimmbare Lichtquelle kann als Retrofitlampe ausgebildet sein .
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Figuren 1 und 12 zeigen eine in einem Stromkreis integrierte Lichtquelle ;
Figuren 2, 4 und 6 zeigen Emissionsspektren bei
unterschiedlichen Temperaturen;
Figuren 3, 5 und 7 zeigen Farborte bei verschiedenen
Temperaturen in der CIE-Normtafel (1931);
Figur 8 zeigt die Abhängigkeit des Farbwiedergabeindex Ra von der Temperatur;
Figur 9 zeigt die Abhängigkeit der korrelierten
Farbtemperatur von der Temperatur;
Figur 10 zeigt den Abstand von Farborten zu der Planck-Kurve bei unterschiedlichen Temperaturen.
Figur 11 zeigt die Abhängigkeit der Lichtausbeute von der Temperatur . Figur 1 zeigt eine in einen Stromkreis integrierte erfindungsgemäße Lichtquelle 1. Die Lichtquelle 1 umfasst mehrere lichtemittierende Dioden 2 und einen Dimmer 3. Die Lichtquelle 1 ist mit einer Stromquelle 4 verbunden, die den zum Betrieb der Lichtquelle 1 erforderlichen Strom liefert. Aus der Stromquelle 4 tritt ein Strom mit konstanter
Stromstärke bzw. Stromdichte. Der Dimmer 3 ist dazu
eingerichtet die Stromstärke bzw. Stromdichte des Stroms zu variieren, so dass die lichtemittierenden Dioden 2 mit Strom unterschiedlicher Stromstärke versorgt werden können. Die Änderung der Stromstärke kann von einem Benutzer über ein manuelles Steuerelement 5 geändert werden und die
Gesamtstrahlung der Lichtquelle 1 somit „gedimmt" werden. Die lichtemittierenden Dioden 2 sind gleich aufgebaut und
emittieren somit die gleiche oder nahezu gleiche
Sekundärstrahlung. Unter gleichen lichtemittierenden Dioden ist insbesondere zu verstehen, dass im Rahmen der
Herstellungstoleranz die Halbleiterschichten auf dem gleichen Halbleitermaterial basieren und das Konversionselement das gleiche Konvertermaterial oder das gleiche Konvertermaterial und das gleiche Matrixmaterial, insbesondere auch in der gleichen Menge, enthalten. Deshalb können die
lichtemittierenden Dioden 2 mit Vorteil mit dem gleichen Strom betrieben werden, eine separate Ansteuerung ist nicht notwendig. Weitere gleiche lichtemittierende Dioden 2 können in Reihe oder auch parallel geschaltet werden (nicht
gezeigt) .
Nachfolgend wird der Aufbau der lichtemittierenden Dioden 2 beschrieben, der in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist: Die lichtemittierenden Dioden 2 umfassen eine Halbleiterschichtenfolge basierend auf InGaAlN und emittieren im Betrieb der Lichtquelle 1 eine elektromagnetische Primärstrahlung im UV Bereich des
elektromagnetischen Spektrums, beispielweise bei 400 nm. Im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung ist ein Konversionselement umfassend ein Konvertermaterial
angeordnet, wobei das Konvertermaterial aus einem Leuchtstoff KLi3Si04:Eu (ABl), einem ersten Leuchtstoff
Sro, 25Bao, 75S12O2 2 : Eu und einem zweiten Leuchtstoff
(CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) oder einem ersten Leuchtstoff
Rbo, 25Nao, 75Li3Si04 : Eu und einem zweiten Leuchtstoff
(CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) besteht. Die elektromagnetische
Primärstrahlung wird von dem Konvertermaterial absorbiert und vollständig oder nahezu vollständig in eine Sekundärstrahlung konvertiert, die von der Lichtquelle 1 als weiße
Gesamtstrahlung nach außen abgestrahlt wird.
Wird die Stromstärke des Stroms mittels des Dimmers 3
ausgehend von einer maximaler Stromstärke verringert, ändert sich die Temperatur des Konvertermaterials und dadurch ändert sich der Farbort der Gesamtstrahlung hin zu niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen. Mit Vorteil liegt der Farbort der Gesamtstrahlung bei unterschiedlichen Temperaturen und damit unterschiedlichen Stromstärken auf oder nah der Planck- Kurve, so dass die Gesamtstrahlung immer als weiß erscheint. Mit Vorteil ist es somit möglich eine dimmbare Lichtquelle 1 bereitzustellen, die nur einen Typ einer lichtemittierenden Diode 2 bzw. nur gleiche lichtemittierende Dioden 2 enthält. Zudem ist für die lichtemittierenden Dioden 2 nur ein
Leuchtstoff oder eine Kombination von zwei Leuchtstoffen als Konvertermaterial notwendig. Die Sekundärstrahlung des
Konvertermaterials weist eine erste Emissionsbande mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von 400 nm bis 500 nm und eine zweite Emissionsbande mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich von 510 nm bis 700 nm auf. Mit anderen Worten zeigt das Emissionsspektrum des Konvertermaterials eine erste Emissionsbande mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von 400 nm bis 500 nm und eine zweite Emissionsbande mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich von 510 nm bis 700 nm. Die relative Intensität der ersten Emissionsbande sinkt mit abnehmender Stromstärke und die relative Intensität der zweiten Emissionsbande steigt mit abnehmender Stromstärke des Stroms mit der die lichtemittierenden Dioden betrieben werden. Mit einer abnehmenden relativen Intensität ist insbesondere eine abnehmende relative Lichtausgangsleistung und mit einer zunehmenden relativen Intensität ist eine zunehmende relative Lichtausgangsleistung verbunden, so dass der Anteil der Sekundärstrahlung der ersten Emissionsbande an der Gesamtstrahlung mit abnehmender Stromstärke sinkt, während der Anteil der Sekundärstrahlung der zweiten
Emissionsbande an der Gesamtstrahlung steigt. Die
unterschiedlichen relativen Intensitäten der ersten
Emissionsbande und der zweiten Emissionsbande sind auf das überrascherweise unterschiedliche thermische Quenchverhalten der Emissionsbanden zurückzuführen. Da die Temperatur des Konvertermaterials mit zunehmender Stromstärke steigt, kann das unterschiedliche thermische Quenchverhalten
erfindungsgemäß ausgenutzt werden, um eine dimmbare
Lichtquelle bereitzustellen und somit eine konventionelle Glühbirne nachzuahmen.
Figur 12 zeigt eine in einen Stromkreis integrierte
Lichtquelle 1 aus dem Stand der Technik. Die Lichtquelle 1 enthält zwei Typen von lichtemittierenden Dioden 2a und 2b, die parallel geschaltet sind und separat angesteuert werden. Dementsprechend enthält die Lichtquelle 1 zwei Dimmer 3. Zur Steuerung der Dimmer 3 wird ein MikroController 6 benötigt, der in der erfindungsgemäßen Lichtquelle 1 nicht notwendig ist, da diese nur einen Dimmer 3 enthält. Zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit des MikroControllers 6 enthält die
Lichtquelle 1 einen Sensor 7. Die lichtemittierenden Dioden 2a emittieren weiße Sekundärstrahlung und die
lichtemittierenden Dioden 2b rote Sekundärstrahlung. Die rote und weiße Sekundärstrahlung werden mittels eines Diffusors 8 gemischt und ergeben die weiße Gesamtstrahlung, die von der Lichtquelle 1 nach außen abgestrahlt wird. Um den Farbort zu ändern, wird die Stromstärke mittels der Dimmer 3 für die lichtemittierenden Dioden 2a und 2b separat geändert, so dass diese mit Strom unterschiedlicher Stromstärken betrieben werden und somit der relative Anteil der Sekundärstrahlungen der lichtemittierenden Dioden 2a und 2b an der
Gesamtstrahlung geändert wird. Ein höherer Anteil an roter
Sekundärstrahlung an der Gesamtstrahlung resultiert dabei in warmweißerer Gesamtstrahlung, also einer niedrigeren
korrelierten Farbtemperatur. Mit Vorteil ist gegenüber der bekannten dimmbaren Lichtquelle
1 in der erfindungsgemäßen dimmbaren Lichtquelle 1 nur ein Typ von lichtemittierenden Dioden 2 notwendig, um den Farbort der Gesamtstrahlung zu ändern und die Lichtquelle 1 damit „dimmbar" zu gestalten. Hinzu kommt, dass in der
erfindungsgemäßen Lichtquelle nur ein Dimmer 3 notwendig ist und auf weitere elektronische Bauteile, wie ein
Mikrokontroller 6 und einen Sensor 7, als auch auf einen Diffusor 8 zur Mischung der Sekundärstrahlungen verzichtet werden kann. Damit ist die erfindungsgemäße Lichtquelle 1 sowohl kostengünstiger als auch mit weniger Aufwand
herstellbar als die dimmbare Lichtquelle 1 des Stands der Technik. Durch den Einsatz gleicher lichtemittierender Dioden
2 in der erfindungsgemäßen Lichtquelle 1, ändert sich der Farbort der Gesamtstrahlung bei einer konstanten Stromstärke über die Betriebsdauer der Lichtquelle 1 vorteilhafterweise nicht. Dies tritt jedoch bei bekannten Lichtquellen 1 mit unterschiedlichen lichtemittierenden Dioden Typen 2a und 2b aufgrund unterschiedlicher Alterungsstabilität der
unterschiedlichen lichtemittierenden Dioden 2a und 2b auf.
Figur 2 zeigt das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs
KLi3Si04:Eu (ABl) bei 25 °C, 100 °C, 150 °C und 200 °C. Dabei ist auf der x-Achse die Wellenlänge λ in Nanometern und auf der y-Achse die relative Intensität rl in Prozent
aufgetragen. Zur Messung der Emissionsspektren wurde der Leuchtstoff KLi3Si04:Eu auf ein wärmeleitendes Substrat aufgebracht, auf die entsprechende Temperatur gebracht und mit einer elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich (400 nm) angeregt. Das Emissionsspektrum von KLisSiC^iEu bei der jeweiligen Temperatur zeigt jeweils eine erste
Emissionsbande El mit einem ersten Emissionsmaximum, das im Bereich von etwa 440 nm bis 470 nm liegt und eine zweite Emissionsbande E2 mit einem zweiten Emissionsmaximum, das im Bereich von etwa 570 bis 630 nm liegt. Die erste
Emissionsbande El erstreckt sich jeweils von etwa von 430 nm bis 500 nm und die zweite Emissionsbande E2 jeweils von etwa 500 nm bis 730 nm. In der Figur sind aus Gründen der
Übersichtlichkeit die erste Emissionsbande El und die zweite Emissionsbande E2 nur für das Emissionsspektrum bei 25 °C gekennzeichnet. Die emittierte Sekundärstrahlung der
gemessenen Emissionsspektren bei den unterschiedlichen
Temperaturen erweckt bei einem Betrachter einen weißen
Leuchteindruck. Wie ersichtlich nimmt die relative Intensität der ersten Emissionsbande El bei abnehmender Temperatur ab, während die relative Intensität der zweiten Emissionsbande E2 bei abnehmender Temperatur steigt. Mit abnehmender relativer Intensität einer Emissionsbande nimmt die
Lichtausgangsleistung aus dieser Emissionsbande ab und mit zunehmender relativer Intensität einer Emissionsbande nimmt die Lichtausgangsleistung aus dieser Emissionsbande zu. Mit sinkender Temperatur nimmt somit der Anteil an
Sekundärstrahlung in dem Wellenlängenbereich zwischen 430 nm und 500 nm ab und der Anteil an Sekundärstrahlung in dem Wellenlängenbereich zwischen 500 nm und 730 nm zu. Mit anderen Worten nimmt der langwellige, vorwiegend rote Anteil an der Sekundärstrahlung zu während der kurzwellige,
vorwiegend blaue Anteil abnimmt, was eine Änderung des
Farborts der Sekundärstrahlung zur Folge hat. Da die
Temperatur des Leuchtstoffs mit abnehmender Stromstärke eines Stroms, mit welcher eine lichtemittierende Diode mit einem den Leuchtstoff KLisSiC iEu enthaltenden Konversionselement betrieben wird, ebenso abnimmt, kann eine Lichtquelle
enthaltend eine solche lichtemittierende Diode
überraschenderweise durch Variation der Stromstärke mittels eines Dimmers den Farbort ändern und somit gedimmt werden, wobei die Gesamtstrahlung sowohl im gedimmten als auch im nicht gedimmten Zustand weiß erscheint.
In Figur 3 ist die CIE-Normtafel (1931) gezeigt, wobei auf der x-Achse der CIE-x-Anteil der Grundfarbe Rot und auf der y-Achse der CIE-y-Anteil der Grundfarbe Grün aufgetragen ist. In die CIE-Normtafel sind die Farborte der Sekundärstrahlung von KLi3Si04:Eu (ABl) bei einer Anregung mit einer
elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich (400 nm) bei unterschiedlichen Temperaturen gezeigt. Die Farborte bewegen sich mit abnehmender Temperatur auf oder entlang der Planck-Kurve P hin zu höheren CIE-x Werten und damit zu einem höheren Rotanteil an der Sekundärstrahlung und niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen. Bei 225 °C liegt die korrelierte Farbtemperatur der Sekundärstrahlung etwa bei 5400 K (kaltweiß) und bei 25 °C bei etwa 2860 K (warmweiß) . Wie ersichtlich liegen die Farborte der Sekundärstrahlung auf oder nah an der Planck-Kurve und die Sekundärstrahlung erscheint somit weiß. Eine Lichtquelle umfassend eine
lichtemittierende Diode mit einem den Leuchtstoff KLisSiC iEu enthaltenden Konversionselement kann somit durch Erniedrigung der Stromstärke mittels eines Dimmers den Farbort hin zu niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen ändern.
Figur 4 zeigt das Emissionsspektrum einer Kombination der Leuchtstoffe Sr0, 2sBa0, 75Si202N2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) bei 25 °C, 125 °C, 175 °C und 225 °C. Dabei ist auf der x- Achse die Wellenlänge λ in Nanometern und auf der y-Achse die relative Intensität rl in Prozent aufgetragen. Zur Messung der Emissionsspektren wurden die Leuchtstoffe
Sr0, 25Bao, 75S12O2 2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce in einem Verhältnis gemischt, um einen Farbort der Sekundärstrahlung der
Leuchtstoffe auf oder nah der Planck-Kurve zu erzielen, so dass ein weißer Leuchteindruck erweckt wird. Die Leuchtstoffe werden auf ein wärmeleitendes Substrat aufgebracht, auf die entsprechende Temperatur gebracht und mit einer
elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich angeregt. Das Emissionsspektrum der Kombination der Leuchtstoffe
Sr0, 25Bao, 75S12O2 2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce bei der jeweiligen Temperatur zeigt jeweils eine erste Emissionsbande El mit einem ersten Emissionsmaximum im Bereich von etwa 460 nm bis 490 nm und eine zweite Emissionsbande E2 mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich von etwa 560 nm bis 630 nm. In der Figur sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die erste Emissionsbande El und die zweite Emissionsbande E2 nur für das Emissionsspektrum bei 25 °C gekennzeichnet. Die
emittierte Sekundärstrahlung der gemessenen Emissionsspektren bei den unterschiedlichen Temperaturen erweckt bei einem Betrachter einen weißen Leuchteindruck. Wie ersichtlich nimmt die relative Intensität der ersten Emissionsbande El bei abnehmender Temperatur ab, während die relative Intensität der zweiten Emissionsbande E2 bei abnehmender Temperatur steigt. Mit sinkender Temperatur nimmt somit der Anteil an Sekundärstrahlung in dem Wellenlängenbereich der ersten
Emissionsbande El ab und der Anteil an Sekundärstrahlung der zweiten Emissionsbande E2 zu. Mit anderen Worten nimmt der langwellige, vorwiegend rote Anteil an der Sekundärstrahlung zu während der kurzwellige, vorwiegend blaue Anteil abnimmt, was eine Änderung des Farborts der Sekundärstrahlung zur Folge hat. Da die Temperatur der Leuchtstoffe mit abnehmender Stromstärke eines Stroms, mit welcher eine lichtemittierende Diode mit einem die Leuchtstoffe S ro , 2sBao, 75S12O2 2 : Eu und
(CaLu2) Mg2 S i 30i2 : Ce enthaltenden Konversionselement betrieben wird, ebenso abnimmt, kann eine Lichtquelle enthaltend eine solche lichtemittierende Diode überraschenderweise durch Variation der Stromstärke mittels eines Dimmers den Farbort ändern und somit gedimmt werden, wobei die Gesamtstrahlung sowohl im gedimmten als auch im nicht gedimmten Zustand weiß erscheint .
In Figur 5 ist die CIE-Normtafel (1931) gezeigt, wobei auf der x-Achse der CIE-x-Anteil der Grundfarbe Rot und auf der y-Achse der CIE-y-Anteil der Grundfarbe Grün aufgetragen ist. In die CIE-Normtafel sind die Farborte der Sekundärstrahlung einer Kombination der Leuchtstoffe Sro, 2sBao, 75S12O2 2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) bei einer Anregung mit einer
elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich bei
unterschiedlichen Temperaturen gezeigt. Die Farborte bewegen sich mit abnehmender Temperatur auf oder entlang der Planck- Kurve P hin zu höheren CIE-x Werten und damit zu einem höheren Rotanteil an der Sekundärstrahlung und niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen. Bei 225 °C liegt die
korrelierte Farbtemperatur der Sekundärstrahlung etwa bei 4800 K und bei 25 °C bei etwa 3750 K. Wie ersichtlich liegen die Farborte der Sekundärstrahlung auf oder nah an der
Planck-Kurve und erscheint somit weiß. Eine Lichtquelle umfassend eine lichtemittierende Diode mit einem die
Leuchtstoffe Sr0, 2sBao , 75S12O2N2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce enthaltenden Konversionselement kann somit durch Erniedrigung der Stromstärke mittels eines Dimmers den Farbort hin zu niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen ändern.
Figur 6 zeigt das Emissionsspektrum einer Kombination der Leuchtstoffe Rb0, 2sNa0 , 75Li3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) bei 25 °C, 125 °C, 175 °C und 225 °C. Dabei ist auf der x-
Achse die Wellenlänge λ in Nanometern und auf der y-Achse die relative Intensität rl in Prozent aufgetragen. Zur Messung der Emissionsspektren wurden die Leuchtstoffe
Rbo, 25Nao, 75Li3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce in einem Verhältnis gemischt um einen Farbort der Sekundärstrahlung der
Leuchtstoffe auf oder nah der Planck-Kurve zu erzielen, so dass ein weißer Leuchteindruck erweckt wird. Die Leuchtstoffe werden auf ein wärmeleitendes Substrat aufgebracht, auf die entsprechende Temperatur gebracht und mit einer
elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich angeregt.
Das Emissionsspektrum der Kombination der Rbo, 2sNao , 7sLi3Si04 : Eu und ( CaLu2 ) Mg2Si30i2 : Ce bei der jeweiligen Temperatur zeigt jeweils eine erste Emissionsbande El mit einem ersten
Emissionsmaximum im Bereich von etwa 460 nm bis 490 nm und eine zweite Emissionsbande E2 mit einem zweiten
Emissionsmaximum im Bereich von etwa 560 nm bis 630 nm. Die emittierte Sekundärstrahlung der gemessenen Emissionsspektren bei den unterschiedlichen Temperaturen erweckt bei einem Betrachter einen weißen Leuchteindruck. Wie ersichtlich nimmt die relative Intensität der ersten Emissionsbande El bei abnehmender Temperatur ab, während die relative Intensität der zweiten Emissionsbande E2 bei abnehmender Temperatur steigt. Mit sinkender Temperatur nehmen somit der Anteil an Sekundärstrahlung der ersten Emissionsbande ab und der Anteil an Sekundärstrahlung der zweiten Emissionsbande zu. Mit anderen Worten nimmt der langwellige, vorwiegend rote Anteil an der Sekundärstrahlung zu während der kurzwellige,
vorwiegend blaue Anteil abnimmt, was eine Änderung des
Farborts der Sekundärstrahlung zur Folge hat. Da die
Temperatur der Leuchtstoffe mit abnehmender Stromstärke eines Stroms, mit welcher eine lichtemittierende Diode mit einem die Leuchtstoffe Rbo, 2sNao, 75Li3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce enthaltenden Konversionselement betrieben wird, ebenso abnimmt, kann eine Lichtquelle enthaltend eine solche
lichtemittierende Diode überraschenderweise durch Variation der Stromstärke mittels eines Dimmers den Farbort ändern und somit gedimmt werden, wobei die Gesamtstrahlung sowohl im gedimmten als auch im nicht gedimmten Zustand weiß erscheint.
In Figur 7 ist die CIE-Normtafel (1931) gezeigt, wobei auf der x-Achse der CIE-x-Anteil der Grundfarbe Rot und auf der y-Achse der CIE-y-Anteil der Grundfarbe Grün aufgetragen ist. In die CIE-Normtafel sind die Farborte der Sekundärstrahlung einer Kombination der Leuchtstoffe Rbo, 2sNao, 7sLi3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) bei einer Anregung mit einer
elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich bei
unterschiedlichen Temperaturen gezeigt. Die Farborte bewegen sich mit abnehmender Temperatur auf oder entlang der Planck- Kurve P hin zu höheren CIE-x Werten und damit zu einem höheren Rotanteil an der Sekundärstrahlung und niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen. Bei 225 °C liegt die korrelierte Farbtemperatur der Sekundärstrahlung etwa bei 4200 K und bei 25 °C bei etwa 3300 K. Wie ersichtlich liegen die Farborte der Sekundärstrahlung auf oder nah an der
Planck-Kurve und die Sekundärstrahlung erscheint somit weiß. Es ist zu beobachten, dass der Abstand des Farborts von der Planck-Kurve mit zunehmender Temperatur steigt. Eine
Lichtquelle umfassend eine lichtemittierende Diode mit den Leuchtstoffen Rbo, 2sNao , 75Li3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce enthaltenden Konversionselement kann somit durch Erniedrigung der Stromstärke mittels eines Dimmers den Farbort hin zu niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen ändern.
Figur 8 zeigt die Abhängigkeit des Farbwiedergabeindex Ra der Sekundärstrahlung des Leuchtstoffs KLisSiC iEu (ABl), einer Kombination der Leuchtstoffe S ro , 2sBao , 75S12O2 2 : Eu und
(CaLu2) Mg2 S i 30i2 : Ce (AB2) und einer Kombination der
Leuchtstoffe Rb0, 2sNa0 , 75Li3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) von der Temperatur bei einer Anregung mit einer
elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich. Der
Farbwiedergabeindex Ra ist ein Maß für die Qualität der
Wiedergabe an Farben einer Strahlung und kann maximal bei 100 liegen .
ABl zeigt über den gesamten Temperaturbereich einen Ra über 80. Eine Strahlung mit einem Ra von 80 und mehr ist für die
Allgemeinbeleuchtung wünschenswert. Mit Vorteil steigt Ra mit steigender Temperatur. Mit steigender Temperatur, steigt die Lichtausgangsleistung der Lichtquelle, da dies eine höhere Emission der elektromagnetischen Primärstrahlung zur Folge hat, die zur Konversion in die Sekundärstrahlung
bereitgestellt wird. Eine hohe Farbwiedergabe bei
gleichzeitig hoher Lichtausgangsleistung ist insbesondere bei kaltweißer Gesamtstrahlung einer Lichtquelle, also bei hohen korrelierten Farbtemperaturen, wünschenswert. Diese
Gesamtstrahlung eignet sich beispielweise wenn eine gute Farbwiedergabe, wie bei dem Betrachten oder Kreieren von Kunstwerken, benötigt wird, während die Anforderungen an den Farbwiedergabeindex der Gesamtstrahlung der Lichtquelle im gedimmten Zustand geringer sind.
Bei AB2 und AB3 sinkt Ra mit steigender Temperatur.
Lichtquellen umfassend eine lichtemittierende Diode mit einer Kombination der Leuchtstoffe Rbo, 2sNao, 7sLi3Si04 : Eu und
(CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce oder Sr0, 2sBao, 75S12O2N2 : Eu und
(CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce enthaltenden Konversionselement eignen sich damit vorwiegend für Anwendungen, bei denen eine
warmweiße Gesamtstrahlung gewünscht wird und somit die
Lichtquelle überwiegend im gedimmten Zustand und somit bei vergleichsweise geringer Stromstärke betrieben wird.
Figur 9 zeigt die Abhängigkeit der korrelierten
Farbtemperatur CCT in K der Sekundärstrahlung des
Leuchtstoffs KLisSiC iEu (ABl), einer Kombination der
Leuchtstoffe Sr0, 2sBa0, 75S12O2N2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) und einer Kombination der Leuchtstoffe Rbo, 2sNao, 7sLi3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) von der Temperatur bei einer Anregung mit einer elektromagnetischen Primärstrahlung im UV- Bereich. Die korrelierte Farbtemperatur ist ein Maß, ob eine weiße Strahlung als warmweiß oder kaltweiß empfunden wird. Üblicherweise hat warmweiße Strahlung eine korrelierte
Farbtemperatur unter 3500 K und kaltweiße Strahlung eine korrelierte Farbtemperatur über 3500 K. Die korrelierte
Farbtemperatur steigt bei ABl, AB2 und AB3 mit zunehmender Temperatur. Übertragen auf eine Lichtquelle steigt die korrelierte Farbtemperatur mit zunehmender Stromstärke des Stroms mit dem die Lichtquelle betrieben wird. KLi3Si04:Eu (ABl), eine Kombination der Leuchtstoffe Sro, 2sBao, 75S12O2 2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) und eine Kombination der
Leuchtstoffe Rb0, 2sNa0 , 75Li3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) eignen sich somit für eine dimmbare Lichtquelle umfassend eine lichtemittierende Diode mit einem Konversionselement enthaltend KLisSiC^iEu (ABl), eine Kombination der
Leuchtstoffe Sr0, 2sBa0, 75S12O2N2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) oder eine Kombination der Leuchtstoffe Rbo, 2sNao, 7sLi3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) . Solche Lichtquellen können vorteilhafterweise durch Erniedrigung der Stromstärke mittels eines Dimmers den Farbort hin zu niedrigeren korrelierten Farbtemperaturen ändern.
Figur 10 zeigt den Abstand der Farborte der Sekundärstrahlung des Leuchtstoffs KLi3Si04:Eu (ABl), einer Kombination der
Leuchtstoffe Sr0, 2sBa0, 75S12O2N2 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) und einer Kombination der Leuchtstoffe Rbo, 2sNao , 7sLi3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) von der Planck-Kurve bei
Anregung mit einer elektromagnetischen Primärstrahlung im UV- Bereich in SDCM Einheiten („Standard deviation of color matching" bzw. „MacAdam ellipse Steps" oder
Schwellwerteinheiten) bei unterschiedlichen Temperaturen. Alle Farborte liegen auf oder nah der Planck-Kurve und erzeugen einen weißen Leuchteindruck. Die Farborte der
Sekundärstrahlung von ABl zeigen insbesondere im Bereich zwischen 75 und 175 °C einen sehr geringen Abstand zur
Planck-Kurve mit einem minimalen Abstand bei etwa 125 °C.
In Figur 11 ist die Lichtausbeute LER in lm/W der
Sekundärstrahlung des Leuchtstoffs KLi3Si04:Eu (ABl), einer Kombination der Leuchtstoffe Sro, 2sBao, 75S12O2 2 : Eu und
(CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB2) und einer Kombination der
Leuchtstoffe Rb0, 2sNa0 , 75Li3Si04 : Eu und (CaLu2) Mg2Si30i2 : Ce (AB3) bei Anregung mit einer elektromagnetischen Primärstrahlung im UV-Bereich in Abhängigkeit von der Temperatur angegeben. Wie ersichtlich wird für ABl über den gesamten Temperaturbereich eine Lichtausbeute über 280 lm/W erreicht, wobei mit 304 lm/W die höchste Lichtausbeute bei etwa 125 °C erreicht wird. Bei 125°C wird für die Sekundärstrahlung von ABl auch der
geringste Abstand des Farborts von der Planck-Kurve erzielt (siehe Figur 10) und somit das „reinste" weiß. Die
Sekundärstrahlung von AB2 und AB3 zeigen einen Abfall der Lichtausbeute mit steigender Temperatur. Eine Anwendung einer Lichtquelle mit AB2 und AB3 eignet sich somit eher für eine Verwendung im gedimmten Zustand, und somit bei Betrieb mit einem Strom mit erniedrigter Stromstärke. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der
Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste λ Wellenlänge
AB Ausführungsbeispiel
P Planck-Kurve
rl relative Intensität
Im Lumen
W Watt
LER Lichtausbeute
LED lichtemittierende Diode
CCT korrelierte Farbtemperatur
Ra Farbwiedergabeindex
K Kelvin
nm Nanometer
T Temperatur
°C Grad Celsius
El erste Emissionsbande
E2 zweite Emissionsbande
1 Dimmbare Lichtquelle
2 lichtemittierende Diode
3 Dimmer
4 Stromquelle
5 manuelles Steuerelement
6 MikroController
7 Sensor
8 Diffusor

Claims

Patentansprüche
1. Dimmbare Lichtquelle (1) zur Emission einer weißen
Gesamtstrahlung umfassend einen Dimmer (3) und eine
lichtemittierende Diode (2), wobei
- der Dimmer (3) dazu eingerichtet ist im Betrieb der Lichtquelle (1) eine Stromstärke eines Stroms zum
Betrieb der lichtemittierenden Diode (2) zu variieren und
- die lichtemittierende Diode (2) eine
Halbleiterschichtenfolge, die dazu eingerichtet ist im Betrieb der Lichtquelle eine elektromagnetische
Primärstrahlung im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren und ein Konversionselement umfasst, wobei das Konversionselement ein
Konvertermaterial umfasst, das dazu eingerichtet ist die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise oder vollständig in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren, wobei die Sekundärstrahlung eine erste Emissionsbande (El) mit einem ersten Emissionsmaximum im
Bereich von 400 nm bis 500 nm und eine zweite
Emissionsbande (E2) mit einem zweiten Emissionsmaximum im Bereich von 510 nm bis 700 nm aufweist und eine relative Intensität der ersten Emissionsbande (El) mit abnehmender Stromstärke des Stroms zum Betrieb der lichtemittierenden Diode (2) sinkt und eine relative Intensität der zweiten Emissionsbande (E2) mit
abnehmender Stromstärke des Stroms zum Betrieb der lichtemittierenden Diode (2) steigt.
2. Dimmbare Lichtquelle (1) nach Anspruch 1, wobei das
Konvertermaterial dazu eingerichtet ist die
elektromagnetische Primärstrahlung vollständig in die elektromagnetische Sekundärstrahlung zu konvertieren und die weiße Gesamtstrahlung vollständig oder nahezu vollständig der Sekundärstrahlung entspricht.
3. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Temperatur des Konvertermaterials mit abnehmender Stromstärke des Stroms zum Betrieb der
lichtemittierenden Diode (2) sinkt.
4. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamtstrahlung eine korrelierte
Farbtemperatur aufweist, die mit abnehmender Stromstärke des Stroms zum Betrieb der lichtemittierenden Diode (2) sinkt.
5. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die elektromagnetische Primärstrahlung eine Wellenlänge zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 420 nm aufweist.
6. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das Konvertermaterial einen Leuchtstoff der Formel (NarKi_r) i (TA) 3 (TD) 1 (XB) 4 : E mit 0 < r < 0,05 aufweist und
- TA aus einer Gruppe von monovalenten Metallen ausgewählt ist, die Li, Na, Cu, Ag und Kombinationen daraus umfasst,
- TD aus einer Gruppe von tetravalenten Metallen ausgewählt ist, die Si, Ge, Sn, Mn, Ti, Zr, Hf, Ce und Kombinationen daraus umfasst,
- XB aus einer Gruppe von Elementen ausgewählt ist, die 0, S und Kombinationen daraus umfasst und
-E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn .
7. Dimmbare Lichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Konvertermaterial aus dem Leuchtstoff der Formel (NarKi_r) i (TA) 3 (TD) (XB) 4:E besteht.
8. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Leuchtstoff die Formel (NarKi_r) LisSiC^ : Eu mit 0 -S r < 0,05 aufweist.
9. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Konvertermaterial einen ersten
Leuchtstoff der Formel (MA) Si202N2 : Eu mit MA = Sr, Ca und/oder Ba und einen zweiten Leuchtstoff der Formel CaLu2Mg2Si30i2 : Ce aufweist .
10. Dimmbare Lichtquelle (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch, wobei das Konvertermaterial aus dem ersten
Leuchtstoff der Formel (MA) S12O2 2 : Eu und dem zweiten
Leuchtstoff der Formel CaLu2Mg2Si30i2 : Ce besteht.
11. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 9 oder
10, wobei der erste Leuchtstoff die Formel ( SrxBai-x) S12O2N2 : Eu mit 0 -S x -S 1, bevorzugt 0 ^ x ^ 0,5, besonders bevorzugt x = 0,25 aufweist .
12. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Konvertermaterial einen ersten Leuchtstoff der Formel (Rbr*Nai-r*) 1 (TA) 3 (TD) 1 (XB) 4 : E und einen zweiten Leuchtstoff der Formel CaLu2Mg2Si30i2 : Ce aufweist, wobei 0 < r* < 0,4 und
- TA aus einer Gruppe von monovalenten Metallen ausgewählt ist, die Li, Na, Cu, Ag und Kombinationen daraus umfasst, - TD aus einer Gruppe von tetravalenten Metallen ausgewählt ist, die Si, Ge, Sn, Mn, Ti, Zr, Hf, Ce und Kombinationen daraus umfasst,
- XB aus einer Gruppe von Elementen ausgewählt ist, die 0, S und Kombinationen daraus umfasst und
-E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn .
13. Dimmbare Lichtquelle (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch, wobei das Konvertermaterial aus dem ersten
Leuchtstoff der Formel (Rbr*Nai-r*) i (TA) 3 (TD) 1 (XB) 4 : E und dem zweiten Leuchtstoff der Formel CaLu2Mg2Si30i2 : Ce besteht.
14. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der zweite Leuchtstoff die Formel (Rbr*Nai-r*) LisSiC^ mit 0 < r* < 0,4 aufweist.
15. Dimmbare Lichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (1) zwei oder mehrere gleiche lichtemittierende Dioden (2) umfasst.
16. Dimmbare Lichtquelle (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch, wobei die lichtemittierende Dioden (2) gemeinsam ansteuerbar sind.
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