CN101405368B - 电致发光器件 - Google Patents

Abstract

一种转换元件(3)，包括具有许多孔(32)的陶瓷材料(31)，被提供用于至少部分地吸收至少一个初级辐射(52)和用于将该初级辐射(52)转变为至少一个次级辐射(53)，其中，该转换元件(3)具有的密度大于或者等于该陶瓷材料(31)理论固态密度的97％，并且该转换元件(3)中的孔(32)具有的直径基本在200nm和5000nm之间。

Description

电致发光器件

技术领域

本发明涉及具有与余弦辐射图案相似的辐射图案、包括用于转换光的转换元件的高效率电致发光器件，并且涉及制造转换元件的方法。

背景技术

具有电致发光光源(LED)和光转换磷光体(phosphor)层(通常为磷光体粉层或者多晶磷光体层)的磷光体转换的电致发光器件(pcLED)是已知的。用这样的pcLED，LED发射的初级辐射的至少一部分被布置在LED上的磷光体层(转换元件)所吸收、并且被重新发射为更长波长的次级辐射。这个过程也被称为颜色或者光转换。根据应用，初级辐射被完全转换为次级辐射，或者，在部分转换的情况下，通过混合初级辐射和次级辐射可以产生不同颜色的光(例如，白光)。为了在光束的所有方向上获得相同的混合颜色，必需保证在初级辐射和次级辐射的辐射图案相互之间的差别尽可能地小。通常在活性材料中无方向性地产生次级辐射。因此，基本上由随后的光学路径确定辐射图案。

在强散射粉末层的情况下，所述光被以具有与观察角度余弦相关的强度分布(余弦或者朗伯辐射图案)来辐射。然而，粉末层的高散射功率具有这样的结果：由于无辐射的吸收过程大部分初级辐射和次级辐射被损失掉。在透明转换元件(这里，“透明度”是指转换元件关于次级辐射的透射率)的情况下，因为全反射，非方向性产生的次级辐射的相当大部分不是由基本平行于电致发光光源表面的主发光表面发射，而是由转换元件的侧表面发射，该侧表面与主发光表面成很大的角度。因此，从转换元件的主发光表面(平行于电致发光光源的表面)发出的光的亮度被减小，在一些实施例中甚至可能低于从侧表面发出的光的亮度。在图1a中对于这样的具有透明转换元件(虚线)的pcLED的辐射图案(依赖于观察角度α的强度分布I[a.u.])基本上由在侧表面处次级辐射的发射所确定，并且严重地偏离余弦分布(连续线)。主发光表面的亮度的减少是不希望有的。作为比较，图1b示出具有磷光体粉层的pcLED的辐射图案(虚线)，其很好地符合余弦分布(连续线)。和粉末层相对照，透明磷光体层的特征在于效率更高。在图1a和1b中测量和计算的强度每个都在1被标准化。

DE10349038公开了一种具有LED和转换元件的光源，该转换元件用于将LED的初级辐射变换为次级辐射。该转换元件是多晶陶瓷体，该多晶陶瓷体由各个微晶(也称为颗粒)烧结在一起。该微晶包括选择的基材料，这里掺杂剂扩散在选择的基材料中，用于变换初级辐射。例如，可以使用掺杂铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)作为材料。转换元件的陶瓷材料具有相对于纯单晶的理论密度高于90％的密度。从这种陶瓷密度开始，该陶瓷体的特征在于关于次级辐射的足够高的半透明性(显示通过)。在陶瓷材料中的微晶(颗粒)的粒度优选为10μm到50μm。在陶瓷材料中微晶之间可以存在空洞，该空洞没有被填充陶瓷材料，该空间被称为孔。微晶之间的所述孔起到用于初级和次级辐射的散射中心的作用。文献DE10349038将孔的数量以及孔的尺寸和转换元件的密度联系起来。密度越低，起到散射中心的作用的孔的数量越大。根据文献DE10349038，利用陶瓷转换元件93％和98％之间的理论密度，盘状转换元件在相对大的表面上获得均匀的颜色印象(homogeneouscolor impression)。然而，用于为观察者产生均匀的颜色印象的这种陶瓷材料的有利的散射特性可能导致在不利的孔尺寸的情况下低的发光效率。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种半透明的陶瓷转换元件，其适用于辐射具有朗伯辐射图案的光，并且当其在磷光体转换的电致发光器件中使用时将改善的亮度和改善的发光效率结合起来。

通过一种转换元件实现该目的，该转换元件包括具有许多孔的陶瓷材料，被提供用于至少部分地吸收至少一个初级辐射和用于将初级辐射转换为至少一个次级辐射，其中，该转换元件具有大于或者等于该陶瓷材料的理论固态密度的97％的密度，并且在该转换元件中的孔基本上具有在250nm和2900nm之间的直径。因为高密度，该转换元件具有高的半透明性。这里，陶瓷材料的理论固态密度表示单晶形式的相关材料的密度。由在陶瓷材料中的孔来确定用于产生初级和次级辐射的混合光的朗伯辐射图案的散射特性。具有在250nm和2900nm之间的孔直径的转换元件适用于在电致发光器件中实现80％和更多的发光效率。这里，在具有转换元件的电致发光器件的发射的光子数和没有转换元件的电致发光器件的发射的光子数之间的比率被表示为“发光效率”。小于250nm或者大于2900nm的孔直径明显导致更低的发光效率，例如对于6000nm范围内的孔直径，发光效率为65％，或者对于100nm的孔直径，发光效率为60％。术语“基本”在下文中被理解为意思是直径超出指定范围的孔的数目是如此小以至于它们对发光效率的影响小于1个百分点。术语孔直径被理解为意思是具有和对应的孔相同的体积的球的直径。陶瓷材料中的孔不必具有球形。

在一个实施例中，陶瓷材料被提供用于至少部分地转换蓝色或者紫外初级辐射。通过蓝色或者紫外初级辐射的转变可以产生任何在可见光谱之内的次级辐射，和如果必要的话产生甚至波长更长的光谱。

在另一个实施例中，所述孔具有小于或者等于该转换元件的2％的比例体积。为了光散射，对于转换元件的总体积的孔的比例体积和陶瓷材料的比例体积之间的比率是关键的，特别是如果例如因为该材料中第二相(phase)的存在，陶瓷材料的各个微晶(颗粒)具有小于理论固体密度的100％的密度。太大的孔的比例体积将导致光散射增加。太强的散射扩展了辐射在转换元件中的平均光学路径，并且增加了辐射逆着辐射方向离开转换元件的部分，这导致更高的无辐射吸收损失并且因此减少了发光效率。

在另一实施例中，孔的直径基本在300nm和1700nm之间。具有这个范围内的孔直径的转换元件基本适用于用其来实现85％和更高的发光效率的电致发光器件。和250nm到2900nm的直径范围相比较，利用这些孔直径，发光效率又高至少5个百分点。

在另一个实施例中，所述孔具有基本可以用宽度小于100nm的所谓对数正态分布(log-normal distribution)描述的孔直径分布。利用孔直径的小变化，发光效率的改善可以更进一步增加。这里，如果孔直径a在平均孔直径a₀附近的孔的相对数目n(a)为下式时，可以将分布表示为对数正态分布：

$n\left(a\right)=\frac{N}{\mathrm{as}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{{\ln }^2(a/a_0)}{2s^2}]$

这里，s表示具有平均孔直径a_D的不同的孔直径a的分布n(α)的宽度。N为孔的总数目。

此外，本发明涉及一种电致发光器件，该电致发光器件包括用于沿着辐射方向发射至少一个初级辐射的电致发光光源和至少一个如权利要求1中所述的转换元件，该转换元件光学地耦合到电致发光光源，用于产生初级辐射和次级辐射的混合光。使用根据本发明的如在权利要求1中所限定的转换元件，可以产生具有改善的发光效率、同时存在朗伯辐射图案和在混合光的辐射方向上的高亮度的电致发光器件。和具有磷光体粉层的电致发光器件相比，发光效率可以增加高达30％，和具有不利的孔尺寸的多晶陶瓷体的转换元件的电致发光器件相比，根据孔直径该增加可以高达20％或者更多。有机LED(OLED)和无机LED(LED)两者都可以用作电致发光光源。该光源可以是单个LED或者OLED、LED或者OLED阵列、或者大表面OLED。特别是对于平面光源(LED或者OLED阵列和/或大表面OLED)，几个相同或者不同材料的转换元件也可以用于产生相同或者不同颜色的次级辐射和/或用于吸收相同和不同颜色的初级辐射。术语“颜色”指的是辐射的波长并且包括在非可见光谱区域的波长。光学耦合被理解为意思是在电致发光光源和转换元件之间的光学路径上避免光学过渡到折射率小于1.1的介质中。为了该目的，可以直接将转换元件布置在电致发光光源上，或者可以在转换元件和电致发光光源之间布置具有合适的折射率的一个或者多个透明层。

在一个实施例中，借助于折射率高于1.3的透明层将转换元件光学地耦合到电致发光光源。这样的层例如是折射率为1.5的硅树脂层。

在一个电致发光器件的实施例中，转换元件具有在初级辐射的辐射方向上在30μm和3000μm之间的厚度。在30μm以上的厚度保证对于任意波长的朗伯辐射图案并且实现(enable)对于初级辐射的透射率，这使实现混合光的任何期望的颜色点(color point)成为可能。更大的厚度被用于期望将初级辐射完全地转变为次级辐射的电致发光器件。

在另一实施例中，电致发光器件还包括封住电致发光光源和转换元件的透镜。通过该透镜可以影响电致发光器件的辐射性质，例如用于聚焦、散焦、或者偏转该混合光。

此外，本发明涉及一种制造如在权利要求1中限定的转换元件的方法，包括下列步骤：

-以合适的数量比例和合适数量的助熔剂将具有合适的平均粒度的源材料进行混合；

-制造微观均质块，该微观均质块包括混合的源材料用于进一步处理成坯体；

-形成具有陶瓷材料的理论密度的至少50％的坯体密度的坯体；

-通过在还原或者惰性气氛中、在合适的压力范围内、以适配于所述坯体的特性的、1500℃和1900℃之间的温度并以适配于所述坯体的体积的持续时间烧结所述坯体来制造所述转换元件(3)。

孔尺寸的基本参数是特定源材料中微晶的平均粒度。这些不仅确定通常的烧结和反应行为，而且确定在根据本发明的陶瓷材料中可以获得的最小孔尺寸。例如通过研磨可以调节源材料的粒度分布。如果制造条件相同，源材料的更大的平均粒度对应于更大的孔直径。这里，源材料的平均粒度一般应该小于期望的平均孔直径。措辞“助熔剂数量的合适数量”被理解为意思是在陶瓷材料中没有剩下任何不想要的第二相(secondary phase)的数量，不想要的第二相不仅导致另外的散射而且导致发光退化。例如，500至2000ppm重量的SiO₂是对于YAG中助熔剂的通常的合适数量。太小数量的助熔剂对第二相的出现没有负面影响。用混合的源材料，制造微观均质块(微观均质块是具有微米范围内的均匀组成(composition)的块)用于随后处理成坯体(陶瓷材料在烧结之前的预备阶段)。为了产生随后的陶瓷材料的指定密度，应该在指定的压力范围内压缩坯体。例如，可以使用2000巴和7000巴之间的等静压(isostatic pressing)来均匀地压缩坯体，以便实现期望的烧结行为和均匀的孔分布。在相同的烧结条件下，坯体的更高的密度也意味着随后的陶瓷材料的更高的密度。因此，利用更高密度的坯体以更短的烧结时间或者更低的烧结温度可以获得陶瓷材料中相同的密度。此外，可以如下地影响孔尺寸和孔浓度(concentration)：

a)烧结温度：更高的烧结温度导致产生更高密度的陶瓷材料和更小的孔，更低的烧结温度具有相反的效果；

b)烧结时间：更长的烧结时间导致产生更高的密度和更小的孔，更短的时间具有相应的相反效果；

c)助熔剂：在相同的烧结条件下添加诸如例如SiO₂之类的助熔剂到源材料导致更高的密度和更大的孔，因为颗粒生长得以加强；

d)烧结过程期间气氛的压力范围：孔体积中气体的压力代表烧结时对材料的收缩过程的反力(counter force)。高压力导致更少的收缩过程，并且因此倾向更大的孔，低压力导致相反的结果。典型的压力在10^-9和10²巴(bar)之间的范围内。

在一个实施例中，在烧结过程之后，在含氧的气氛中、以1250℃和1400℃之间的温度、在适配于转换元件的体积的持续时间加热转换元件，以便去除氧缺陷。在以这样的方式处理的陶瓷材料中，初级辐射的大于90％的吸收量在转换元件中被转换为次级辐射(高产出量(quantum yield))。

在另一实施例中，用于转换元件(31)的源材料为粉末状的Y₂O₃、Al₂O₃、Gd₂O₃和CeO₂，并且在转换元件中存在在0.597原子(atom)％和0.601原子％之间的数量比例的(Y+Gd+Ce)/Al。以在指示的范围内的数量比例(以原子％为单位)，在陶瓷材料中仅获得小部分的第二相，并且因此获得具有高产出量的材料。煅烧损失，例如水和/或CO2的煅烧损失，在用源材料的组成中原始的被称(weighed-in)数量制造转换元件中要被考虑。

根据下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面是显而易见的，并且将参考在下文中描述的实施例阐述本发明的这些和其他方面，尽管本发明不应该被认为限制于这些方面。

附图说明

在图中：

图1a示出具有透明转换元件的pcLED的辐射图案，其中示出作为观察角度α的函数的次级辐射的强度I(a.u.)；

图1b示出具有作为转换元件的磷光体粉层的pcLED的辐射图案，其中示出作为观察角度α的函数的次级辐射的强度I(a.u.)；

图2为根据本发明的电致发光器件的示意性侧视图，具有根据本发明的转换元件；

图3示出根据本发明的转换元件的切削平面的微观照片；

图4示出了与所计算的用于确定孔直径的光分布相比，对于来自图3的根据本发明的转换元件，作为透射角度Θ的函数的垂直入射光(波长660nm)的透射T；

图5示出了针对150μm厚的转换元件(99％密度)计算的作为透射角度Θ的函数的透射T，所述150μm厚的转换元件的孔对于不同宽度的孔分布具有400nm的平均孔直径；

图6示出了针对150μm厚的转换元件(99％密度)计算的作为透射角度Θ的函数的透射T，所述150μm厚的转换元件的孔对于不同宽度的孔分布具有800nm的平均孔直径；

图7示出另一个转换元件的切削平面的微观照片；

图8示出对于图7的转换元件作为透射角度Θ的函数的垂直入射光(波长660nm)的透射T；

图9示出作为转换元件的陶瓷材料的孔直径PD的函数的电致发光器件的发光效率L；以及

图10示出了与由磷光体粉层组成的转换元件相比，对于根据本发明的两个转换元件作为观察角度α的函数的强度I。

具体实施方式

图2示意性地示出根据本发明的发光器件的实施例，该发光器件具有衬底1和应用在衬底1上用于发射初级辐射52的电致发光光源2，以及布置在电致发光光源2上的转换元件3，该转换元件3用于至少部分地吸收初级辐射52以及发射次级辐射53。电致发光光源2包括应用在衬底1上的电致发光层结构，该结构具有至少一个有机或者无机电致发光层，该层布置在两个电极之间。这里，通过在远离衬底侧上的透明电极(顶部发射体)发射初级辐射，而被朝向衬底1的电极和/或衬底1(例如铝)反射。在这里，发光器件也可以包括几个电致发光光源，例如LED和/或OLED的平面布置，用于发射相同的和/或不同的初级辐射。在其它实施例中使用的电致发光光源2可以替代地由经由光电路元件和/或光分布元件耦合到转换元件的一个或者几个激光二极管形成。

转换元件3光学地耦合到电致发光光源2，以便避免沿着电致发光光源2的光学路径过渡(transition)到折射率小于1.1的介质中，直到初级辐射52进入到转换元件3中。这样的过渡将导致初级辐射由于全反射效应在合适的边界表面处被反射回来的部分增加，这将导致随后的光损失。可以通过直接将转换元件3布置在电致发光光源2上(参见图2)或者通过一个或者几个附加的透明层(例如折射率为1.5的硅树脂)实现该光学耦合，所述透明层布置在电致发光光源2和转换元件3之间。例如，在一个具有无机电致发光光源2(该光源2具有折射率为2.2的发光的氮化镓铟层)和Gd-YAG:Ce转换元件3(根据本发明，转换元件3的折射率为1.8)的实施例中，这样的用于光学耦合的层导致了从电致发光光源到硅树脂层的光学过渡，该光学过渡和到空气的过渡的1.3的折射率差异相比具有减少的0.7的折射率差异，并且因此初级辐射由于全反射而被反射回来的部分更小。

也可以使用具有对于初级辐射52高达3.0的折射率的柔韧的或者硬的材料的附着层来将转换元件3光学耦合到电致发光光源2，例如可交联的两组分硅树脂橡胶、交联铂(platinum-crosslinked)、或者替代的玻璃材料，它们在高温时被连接到电致发光光源2和转换元件3。

此外，如果使转换元件3和电致发光光源2紧密接触是特别有利的。

转换元件3包括具有大量孔的陶瓷材料。由陶瓷材料中的孔确定转换元件3的散射特性。假如转换元件3的散射效果足够强，对于混合的光5获得朗伯辐射图案，该混合的光5通过将初级辐射和次级辐射叠加而产生。该混合的光5具有依赖于初级和次级辐射的颜色。转换元件3的材料的选择确定次级辐射53的光谱。从合适的初级和次级辐射可以产生各种颜色的混合光5，例如从蓝色初级辐射52和黄色次级辐射53产生具有依赖于初级辐射与次级辐射的比率的色温的白色混合光5。在其它应用中，也可以实现初级辐射和次级辐射的不同的组合。不同于初级辐射的部分的转变，在其它实施例中该辐射可以被完全转换为次级辐射，例如，紫外初级辐射52可以被合适的转换材料转换为不同的次级辐射53，例如蓝色、黄色、绿色、和/或红色次级辐射，用于产生白色或者不同颜色的混合光5。蓝色或者不同颜色的初级辐射可以被完全或部分地转换为甚至更长波长的辐射。转换元件3这里可以包括不同材料的混合用于产生不同的次级辐射，或者几个不同的转换元件3可以被布置在电致发光器件中的一个或者多个电致发光光源2上。

对于给定的材料组成，转换元件3的厚度可以被适配于在初级辐射52和次级辐射53之间的期望的比率。30μm以上的厚度保证对于任意波长的朗伯辐射图案，并且产生对于初级辐射52可能的透射率，该透射率使通过合适地选择陶瓷材料来产生任何期望颜色的混合光5成为可能。更大的厚度被用于电致发光器件，通过其期望将初级辐射52完全转变为次级辐射53。通过这里指定的制造方法能够制造具有达3000μm厚度的转换元件。在其它实施例中，转换元件3的形状可以偏离在图2中示出的形状。例如，转换元件3可以象杯子一样包住电致发光光源2。对于其他的应用，转换元件3的形状也可以被不同地实现。

在又一个实施例中，电致发光器件还包括包住电致发光光源2和转换元件3的透镜6。透镜6起到影响电致发光器件的辐射图案的作用，例如用于聚焦、散焦、或者偏转混合光5。图2作为例子示出具有球面透镜6和具有在转换元件3和电致发光光源2之间没有被透镜6填满(fill out)的体积4的实施例。例如可以用空气或者硅树脂橡胶填充体积4。在其它实施例中，可选地，透镜6可以被实施使得透镜6直接包住转换元件3和电致发光光源2而没有形成体积4。

根据本发明的转换元件3包括具有大量孔32的陶瓷材料31和具有大于或等于陶瓷材料31的理论固态密度的97％的密度，而在转换元件3中的孔32基本上具有在250nm和2900nm之间的直径。制造根据本发明的这种转换元件3的方法包括步骤：

(a)以合适的数量比例和合适数量的助熔剂将具有合适的平均粒度的源材料进行混合，

(b)制造微观均质块，该均质块包括混合的源材料用于进一步处理为坯体，

(c)形成具有陶瓷材料理论密度的至少50％的坯体密度的坯体，以及

(d)通过在还原或者惰性气氛中、在合适的压力范围内、在适配于所述坯体的特性的、1500℃和1900℃之间的温度(下并在适配于所述坯体的体积的持续时间烧结所述坯体来制造所述转换元件(3)。

图3作为例子示出根据本发明的转换元件3的切削平面的微观照片，转换元件3由具有密度为陶瓷材料31理论固态密度的98.73％的材料Y_2,685Gd_0,3Ce_0,015Al₅O₁₂(Gd-YAG：Ce)制成。在图3的截面图片中，许多颗粒(或微晶)是可见的，由这些颗粒，陶瓷材料被烧结在一起。这些颗粒的颗粒边界因为细黑边缘是可见的。在图3中一些颗粒作为例子用附图标记31所表示，该附图标记也同样被用于陶瓷材料。50μm的长度在图像边(border)被指示为刻度尺度(scale yardstick)。在图3的截面表示中这些颗粒之间存在的孔32作为黑色的点是可辨别的。这里，由100克Al₂O₃(平均粒度0.35μm，纯度99.99％)、120.984克Y₂O₃(平均粒度0.70μm，纯度>99.99％)、21.835克Gd₂O₃(平均粒度0.40μm)和1.0197克CeO₂(平均粒度0.40μm，纯度>99.0％)的混合物制造陶瓷材料，该陶瓷材料用850ml异丙醇和5.0Kg氧化铝研磨球(grinding ball)(直径2mm)在辊台(roller bench)上磨一个小时。该指示的数量规格(quantity specification)说明粉末关于水和CO₂的煅烧损失，并且因此比随后的陶瓷材料中的值高。通过在空气中以1200℃煅烧直到获得恒定的重量来确定该煅烧损失。随后用聚乙烯醇粘合剂(binder)将该变干的粉末混合物处理成颗粒状的材料，并且使其在110℃干燥。然后该颗粒状材料被单轴地压制成为坯体，并且然后在3.2千巴(kbar)的压力下在冷的等静压(cold isostatic press)中被重新压制。在空气中以600℃烘烤(baking out)粘结料(binder)的步骤之后，在CO气氛中以1750℃将该坯体烧结2小时。在这个烧结步骤之后，获得具有4.66g/cm³密度的陶瓷材料31，其对应于98.73％的相对密度。通过研磨、抛光和切割完成陶瓷材料之后，各个转换面板在空气中以1350℃重新退火(re-annealed)4小时。为了至少部分地将420nm到480nm波长的初级辐射转换为波长更长的次级辐射，作为陶瓷Gd-YAG：Ce材料的替代，在其它实施例中通过合适的方法也可以制造下列材料：

Lu_3-x-yY_xAl₅O₁₂:Ce_y 0≤x≤1，0.001≤y≤0.1和515-540nm次级辐射；

Y_3-x-yTb_xAl₅O₁₂:Ce_y 0≤x≤1，0.001≤y≤0.1和550-590nm次级辐射；

或者，Lu_3-x-y-zY_xAl_5-aSi_aO_12-aN_a:Ce_yPr_z 0≤x≤1，0.001≤y≤0.1，0.0005≤z≤001，0.01≤a≤0.8和540-630nm次级辐射。

通过下面的方法也可以制造其他的氧化物材料，诸如(Sr_1-x-yCa_xBa_y)_2-zSiO₄:Eu_z，其中0≤x≤0.4，0≤y≤0.8，0.001≤z≤0.01，以及520-600Nm次级辐射：

-在还原气氛中以1100℃将SrCO₃、CaCO₃和任选的BaCO₃与Eu₂O₃和SiO₂混合并煅烧；

-研磨生的磷光体粉；

-在真空或者惰性气氛或者还原气氛中在20-100Mpa的压力下以1300℃-1400℃热压该生磷光体粉。

立体材料(cubic material)，例如YAG，或者非立体材料可以被用作陶瓷材料，例如诸如(Sr_1-x-yCa_xBa_y)_2-zSiO₄:Eu_z之类的正硅酸盐.非立体材料对于空间中的不同方向具有不同的折射率，因为它们的晶体结构对于不同的取向是不同的。在这种情况下被称作不同的晶轴。因此，虽然它确实具有相同的组成，但是由于在陶瓷材料中不同区域(微晶或者颗粒)的空间排列(alignment)，折射率可以在转换元件中沿着光学路径变化。为了通过孔的特性确定光散射，在非立体材料中沿着不同的晶轴，折射率的差别应该小于0.2。

为了确定包括在陶瓷材料31中的孔32的尺寸，进行光散射的测量。这里，用垂直于切削平面的660nm波长的激光照亮具有150μm厚度的转换元件3的盘，并且经过该陶瓷材料(透射T)之后，在针对相对层上的法线的-80度到80度的角度范围Θ确定光分布。测量的结果由图4中的虚曲线7来表示，结合针对使用的陶瓷材料中折射率为n＝1(填充有空气的孔)的颗粒处的Mie散射对三种不同的孔直径所计算的光分布(连续曲线71、72、73)。Mie散射被理解为意思是在球形物体处电磁波的散射。这里，曲线71代表700nm孔直径的光分布，曲线73表示900nm孔直径的光分布，并且曲线72表示800nm孔直径的光分布。曲线72显著地对应于所测量的光分布，从该光分布得到陶瓷材料的800nm的平均孔直径。

用均匀的800nm的孔直径执行图4中的计算。对所测量的值的好的符合不仅支持(back)800nm的平均孔直径，而且支持转换元件中孔直径的小于100nm的非常小的变化。通过好的近似，陶瓷材料中的孔直径对应于所谓的对数正态分布，其表明具有在平均孔直径a₀附近的孔直径a的孔的相对数目n(a)：

$n\left(a\right)=\frac{N}{\mathrm{as}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{{\ln }^2(a/a_0)}{2s^2}]$

这里，s表示平均孔直径α₀附近的孔直径a的分布n(α)的宽度。N为孔的总数目。图5和图6示出经过计算的透射光强(transmittedintensity)T，其作为经过密度为理论固体密度的99％的转换元件的波长660nm的辐射的透射角度的函数，图5涉及400nm的平均孔直径而图6涉及800nm的平均孔直径。4条曲线分别是对孔直径的分布n(α)的不同宽度s而计算的，在图5中由S41表示s＝0nm，由S42表示s＝300nm，由S43表示s＝600nm，由S44表示s＝900nm。在图6中，由S81表示s＝0nm，由S82表示s＝300nm，由S83表示s＝600nm，由S84表示s＝900nm。从图5和图6显而易见，对于具有不同的孔直径分布但是相同的孔直径的曲线，强度分布明显地不同。在测量的数据和计算的数据之间的比较使得我们能够确定转换元件的孔直径和孔直径分布，并且因此能够经由如在下文中将描述的制造参数的适应来调整它们到期望的值。

可以选择源材料的合适的粒度来调节孔尺寸、孔浓度和孔体积。假如工艺条件(process condition)相同，孔尺寸随着源材料的微晶尺寸而生长。通常，小的微晶尺寸另外导致更窄的孔直径分布。此外，可以通过下列参数影响孔尺寸和孔浓度：

e)烧结温度：更高的烧结温度导致陶瓷材料的更高的密度和更小的孔；

f)烧结时间：更长的烧结时间导致更高的密度和更小的孔；

g)助熔剂：在相同的烧结条件下添加诸如例如SiO₂之类的助熔剂到源材料导致更高的密度和更大的孔，因为颗粒生长增加；

h)在烧结步骤期间气氛的压力范围：在孔体积中的气体的压力代表在烧结过程中对材料的收缩过程的反力(counter force)。高压力导致更少的收缩，并且因此倾向于更大的孔，低压力导致相反的结果。通常的压力在10^-9和10²巴(bar)之间的范围内。

此外，通过在含氧气氛中以1250℃和1400℃之间的温度去除氧缺陷的温度处理也可以影响孔直径，该处理在烧结之后在还原气氛中执行。

图7作为例子示出转换元件3的切削平面的微观照片，转换元件3由具有密度为陶瓷材料31理论固态密度的99.5％的材料Y_2,685Gd_0,3Ce_0,015Al₅O₁₂(Gd-YAG：Ce)制成，其中这种转换元件在4000nm的平均孔直径位于根据本发明的250nm到2900nm的范围之外。由具有更大的Y₂O₃和Gd₂O₃的粒度的源材料的混合物制造陶瓷材料31，这导致和先前的实施例(参见图3)相比较具有减小的理论固体密度的更大的孔直径。在图7中示出的用于陶瓷材料的源材料为100克Al₂O₃(平均粒度0.35μm，纯度99.99％)、120.984克Y₂O₃(平均粒度1.10μm，纯度>99.99％)、21.835克Gd₂O₃(平均粒度2.56μm)和1.0197克CeO₂(平均粒度0.40μm，纯度>99.0％)。在图8中，垂直的入射光(660nm波长)的测量的透射T(方块(square))被代表为对于图7的转换元件(厚度100μn)的透射角度Θ的函数，其和通过Mie散射计算的透射辐射(透射T，虚线)的强度相比较，目的为了确定孔直径分布的宽度和孔直径。对于具有4000nm的平均孔直径α₀和900nm的分布宽度s的作为基础的对数正态分布，对于强度获得了在测量值和计算值之间的显著一致性。该孔直径明显在图3和图4的根据本发明的转换元件的800nm的孔直径以上，尽管图7的转换元件99.5％的密度大于根据本发明的转换元件98.73％的密度。同样应用于孔直径分布的宽度。这种比较清楚地表明平均孔直径和孔直径分布不能从陶瓷材料的密度推断出。

图9示出作为转换元件3的孔直径的函数的发光效率，该转换元件3具有陶瓷材料的理论固体密度的99％的密度，并在初级辐射的光束的方向上具有80μm的厚度。根据本发明的合适的转换元件3(具有孔直径为800nm的孔32)代表发光效率最大为88％的实施例。利用根据本发明的具有孔32(孔32的直径在范围8a内、在250nm和2900nm之间)的对应转换元件3，获得80％以及更高的发光效率。在范围8b内、在300nm和1700nm之间的孔直径实际导致产生85％和更高的发光效率。这里，在具有转换元件的电致发光器件的发射的光子数目和没有转换元件的电致发光器件的发射的光子数目之间的比率被理解为发光效率。通过对照，对于小于250nm的孔直径，发光效率明显减小。对于在2900nm以上的孔直径，对于大孔直径发光效率的下降并不象小孔直径那样陡。根据图7和图8，不根据本发明的转换元件对于相同密度的陶瓷材料提供仅75％的发光效率。这里，和具有窄的分布宽度的根据本发明的转换元件相比，孔直径分布的900nm的大宽度具有另外的不利的效果，因为孔直径分布是非对称的，大的分布宽度意味着大的孔直径占(account for)分布的很大比例。

图10示出对于根据本发明的两个电致发光器件的作为观察角度α的函数的白色混合光5的强度分布，以及具有作为转换元件的磷光体粉层的电致发光参考器件的相应强度分布(曲线10)，所述电致发光器件具有根据本发明的转换元件3，所述转换元件3由在黄色光谱区域发光并且具有密度为理论固体密度的98.73％的Y_2,685Gd_0,3Ce_0,015Al₅O₁₂材料制成，其在初级辐射52的光束的方向上具有55μm的厚度(曲线92)和83μm的厚度(曲线91)。这里，在观察方向与转换元件上的层法线之间的角度被看作观察角度。为了检查期望的朗伯辐射图案的质量，具有基本理想的朗伯辐射图案的特别强的散射层(例如，磷光体粉层)是合适的，即使这些层具有比根据本发明的转换元件相当小的发光效率。根据本发明的转换元件3被切割为1300μm×1160μm的尺寸，并且通过硅树脂被安装到LED2上，该LED2发射蓝色初级辐射、具有1mm²的表面，并且用在图2中示出的透镜6所覆盖。体积4(参见图2)被填满硅树脂。从图10显而易见，曲线91和92两者都非常好地符合参考曲线10，从而很好地符合朗伯辐射图案。

通过附图和说明书解释说明的实施例仅仅代表根据本发明的转换元件的例子，并且不应当被认为将本专利的权利要求限制于这些例子。对于本领域的技术人员来说替代的实施例也是可能的，这些实施例同样被本发明权利要求的保护范围所覆盖。从属权利要求的编号不应当暗示权利要求的其他组合不代表本发明的有利的实施例。

Claims (12)

1.一种转换元件(3)，包括具有许多孔(32)的陶瓷材料(31)，被提供用于至少部分地吸收至少一个初级辐射(52)和用于将所述初级辐射(52)转换为至少一个次级辐射(53)，其中，所述转换元件(3)具有大于或者等于所述陶瓷材料(31)的理论固态密度的97％的密度，并且在所述转换元件(3)中的孔(32)具有基本在200nm和5000nm之间的直径。

2.如权利要求1所述的转换元件(3)，其特征在于，所述陶瓷材料(31)被提供用于至少部分地转换蓝色或者紫外初级辐射(52)。

3.如权利要求1或2所述的转换元件(3)，其特征在于，所述孔(32)具有小于或者等于所述转换元件(3)的2％的比例体积。

4.如权利要求3所述的转换元件(3)，其特征在于，所述孔(32)具有孔直径分布，该孔直径分布能够基本上通过宽度小于100nm的对数正态分布来描述。

5.如权利要求4所述的转换元件(3)，其特征在于，所述孔(32)的直径基本上在300nm和1700nm之间。

6.一种电致发光器件，包括用于在辐射方向上发射至少一个初级辐射(52)的电致发光光源(2)和至少一个如在权利要求1中所述的转换元件(3)，所述转换元件(3)光学地耦合到所述电致发光光源(2)用于从所述初级辐射(52)和所述次级辐射(53)产生混合光(5)。

7.如权利要求6所述的电致发光器件，其特征在于，所述转换元件(3)借助于具有高于1.3的折射率的透明层被光学地耦合到所述电致发光光源(2)。

8.如权利要求6或7所述的电致发光器件，其特征在于，所述转换元件(3)在初级辐射(52)的辐射方向上具有在30μm和3000μm之间的厚度。

9.如权利要求8所述的电致发光器件，还包括封住所述电致发光光源(2)和所述转换元件(3)的透镜(6)。

10.一种制造如在权利要求1中所述的转换元件(3)的方法，包 括下列步骤：

-以一定数量比例和一定数量的助熔剂将平均粒度小于期望的平均孔直径的源材料进行混合，使得在陶瓷材料中没有剩下第二相，第二相导致另外的散射并导致发光退化；

-制造包括所述混合的源材料的微观均质块用于进一步处理成坯体；

-形成坯体密度至少为所述陶瓷材料的理论密度的50％的坯体；以及

-通过在还原或者惰性气氛中、在10^-9和10²巴之间的压力范围内、在1500℃和1900℃之间的温度持续烧结所述坯体一段时间，使得所述转换元件具有大于或者等于所述理论固态密度的97％的密度，并且在该转换元件(3)中的孔(32)基本上具有在200nm和5000nm之间的直径，来制造所述转换元件(3)。

11.一种如权利要求10中所述的制造转换元件(3)的方法，其特征在于，在所述烧结步骤之后，在含氧的气氛中、在1250℃和1400℃之间的温度持续加热转换元件(3)一段时间，以便去除氧缺陷，使得初级辐射的大于90％的吸收量在转换元件(3)中被以高产出量转换为次级辐射。

12.如权利要求10或11所述的制造转换元件(3)的方法，其特征在于，用于所述转换元件(3)的源材料为粉末状的Y₂O₃、Al₂O₃、Gd₂O₃和CeO₂，并且在所述转换元件(3)中存在数量比例在0.597原子％和0.601原子％之间的(Y+Gd+Ce)/Al。 

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