CN103534823A - 转换件与具有这种转换件的发光二极管装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种转换件（1），其用于将第一波长范围（10）的电磁射束波长转换至第二波长范围（10a，10b，10c）的电磁射束，且第二波长范围包括比第一波长范围更大的波长，该转换件具有基体材料（3），其光学折射率是取决于温度的，该转换件还具有至少两个不同类型的发光材料颗粒（2a，2b，2c），其中，每一类型的发光材料颗粒（2a，2b，2c）都大量分布在基体材料（3）中，不同类型的发光材料颗粒（2a，2b，2c）由于平均颗粒尺寸和/或材料而彼此不同，转换件（1）在受到第一波长范围（10）的电磁射束激励时发出具有由第一波长范围（10）以及第二波长范围（10a，10b，10c）组成的电磁射束的混合射束（11），当基体材料（3）的温度在最低25℃与最高150℃之间时，混合射束（11）的相关色温和/或色度坐标基本上保持恒定。

Description

转换件与具有这种转换件的发光二极管装置
技术领域
本发明提出一种转换件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种更加有效率的转换件。另外本发明的目的在于提出一种这样的转换件，利用该转换件能够产生具有更好的温度稳定性的色度坐标的光。
根据转换件的至少一个实施方式，该转换件适用于，将第一波长范围的电磁射束转换成第二波长范围的电磁射束，该第二波长范围包括比第一波长范围更大的波长。这意味着，转换件设计用于所谓的电磁射束“下变频”。举例来说，转换件至少将一次射束的一部分，例如蓝色光，转换成二次射束，例如红色，绿色和/或黄色光。总体上转换件可以发射由第一以及第二波长范围组成的电磁射束的混合射束。
转换件可以设计为例如方形的板件，设计为柔性的薄膜，或者设计为浇铸材料。此转换件适用于，布置在发射射束的元器件、特别是发光二极管芯片的下游。转换件将由发射射束的元器件在运行时产生的电磁射束至少部分地由第一波长范围转换成第二波长范围的电磁射束。
根据转换件的至少一个实施方式，该转换件包括基体材料。这种基体材料对于由第一波长范围组成的电磁射束以及由第二波长范围组成的电磁射束来说是可穿透的，例如，该基体材料可以为这两个波长范围的电磁射束设计成透明的。该基体材料具有光学折射率，该光学折射率是取决于温度的。特别是在大约20℃到大约200℃的温度范围中该折射率是取决于温度的。例如，在这个温度范围中随着温度上升折射率下降。基体材料可以是硅树脂或环氧树脂。还可能的是，基体材料由硅树脂和环氧树脂的混合物构成。
根据转换件的至少一个实施方式，转换件具有至少两种不同类型的发光材料颗粒，其中，每一类型的发光材料颗粒都大量分布在基体材料中。基体材料例如形状配合地包围分布于其中的发光材料颗粒。也就是说，发光材料颗粒可以被嵌入基体材料中。在此也可能的是，不同类型的发光材料颗粒随机并且尽量均匀地分布在基体材料中。此外也可能的是，在基体材料特定的位置处出现发光材料颗粒的聚集，该聚集例如通过在基体材料中发光材料颗粒的减少而实现。
根据转换件的至少一个实施方式，不同类型的发光材料颗粒至少通过下列特性中的一个而区别开来：平均颗粒尺寸和/或材料。在此也可能的是，不同类型的发光材料颗粒通过这两个特性彼此区别开来。也就是说，不同类型的发光材料颗粒是由不同的发光转换材料构成的，和/或具有不同的平均颗粒尺寸。所以不同类型的发光材料颗粒例如具有彼此不同的发射波长和/或不同的散射特性。
根据转换件的至少一个实施方式，此转换件在受到第一波长范围的电磁射束激励时发射具有由第一和第二波长范围的组成的电磁射束的混合射束。这意味着，第一波长范围的、进入转换件的电磁射束的至少一部分没有被转换，而是没有转换地离开该转换件，使得转换件最终发射的是被转换的以及未被转换的电磁射束的混合射束。这种混合射束例如可以是白光，或者是有颜色的光。
根据转换件的至少一个实施方式，当基体材料的温度在20℃和200℃之间时，特别是在25℃和150℃之间时，混合射束的相关色温和/或色度坐标基本上保持恒定。“基本上恒定”在此意味着，例如当混合射束处于所述的温度范围时，普通观察者利用肉眼是无法确定相关色温和/或色度坐标的变化的。对于观察者来说，发射的混合射束在温度波动时在色温和/或色度坐标方面是恒定的。
根据转换件的至少一个实施方式，转换件包括基体材料，其光学折射率随时取决于温度的，并且具有至少两种不同类型的发光材料颗粒，每一类型的发光材料颗粒都大量分布于基体材料中，不同类型的发光材料颗粒通过不同的平均颗粒尺寸和/或材料而彼此区分开，转换件在受到第一波长范围的电磁射束激励时发射具有由第一和第二波长范围组成的电磁射束的混合射束，并且混合射束的相关色温和/或色度坐标在基体材料的温度处于25℃和150℃之间时，基本上保持恒定。
这里所描述的转换件还建立于以下考量的基础上：
当光电子的元器件运行时，转换件布置在该光电子的元器件的下游，转换件的温度基于光电子元器件产生的废热和/或转换损失由于转换件的加热而变化。转换件温度的变化通常导致由转换件发射的混合光的色度坐标的变化以及相关色温的变化。这例如在一般照明时在使用转换件时是不期望的，因为根据环境温度以及根据光电子元器件的运行时间而定，产生的光的颜色印象会发生变化，这给观察者感知带来不适。
色度坐标发生偏移的原因是由多种物理过程共同作用而引起的，例如：
-光电子元器件产生的、第一波长范围的电磁射束取决于温度地发生偏移，
-发光材料转换的量子效率的温度相关性，
-发光材料吸收的温度相关性，
-发光材料发射光谱的温度相关性，
-基于转换件的基体材料的折射率的温度相关性，在转换件中的光散射的温度相关性。
特别是在转换件中基体材料的随着温度的折射率变化是很重要的，该转换件在基体材料中包括发光材料的颗粒。例如，随着基体材料的温度上升，折射率下降，由此通常在嵌入基体材料中的发光材料颗粒处的光散射变强，这是因为发光材料颗粒和基体材料的折射率差变大。散射变强导致在转换件中第一波长范围的电磁射束的平均行程变长以及由此导致第一波长范围的电磁射束的吸收变强。通过这种方式，转换件的发光材料颗粒的转换概率增大，这导致转换方向上的色度坐标偏移。
由于以上所述的前三种过程一般来说会引起第一波长范围的电磁射束方向上的色度坐标偏移，折射率的改变引起这种色度坐标偏移的部分的补偿。至于补偿的效果则取决于所使用的发光材料颗粒的特性，特别是取决于其折射率、颗粒尺寸分布以及所使用的基体材料。然而，至今为止确定的是一般来说补偿太小，以至于第一波长范围的电磁射束方向上的偏移、即例如蓝色方向上不能明显地变化。
这一问题的解决办法在于，在基体材料中添加一种不可转换的散射颗粒，该散射颗粒由这样的材料构成，即该材料的折射率不论是在室温下还是在典型的运行温度下都尽可能地接近基体材料的折射率。那么在充分利用基体材料的取决于温度的折射率变化的情况下，取决于温度地这些散射颗粒确保了附加的或减弱的散射，并且这些散射颗粒可以通过这种方式稳定发射的混合射束的色度坐标。然而由于散射颗粒附加的散射损失也会造成效率的降低，至少在基体材料的温度时，在该温度时散射颗粒和基体材料的折射率是不相同的。
在当前的情况下因而提出，在转换件中使用不同发光材料类型的混合物，该发光材料类型的混合物有目的地这样优化，即，当温度在一个较大范围内变化时，能够保持色温和/或色度坐标的稳定。然而在此需要注意的是，发光材料颗粒的折射率不是可以随意选择的，因为其由于发光材料颗粒的材料而给出，而材料的选择由发光材料颗粒的理想的发射波长来确定。
这里所述的转换件基于以下想法，至少两种不同类型的发光材料这样混合，即当温度在一个较大温度范围内变化时，色度坐标近乎保持恒定，或者说相关色温在一个大的温度范围内不会改变。这可以通过使用至少两个不同类型的发光材料来实现，其中，在所述的发光材料的一种中朝向第一波长范围的电磁射束方向上的偏移的补偿太小而失效，而在第二种类型的发光材料中则出现补偿过度，这意味着，对于发光材料的颗粒来说混合射束会在第二波长范围的电磁射束方向上偏移。
根据转换件的至少一个实施方式，当基体材料的温度在25℃和150℃之间时，混合射束的相关色温最大变化60K。这意味着，相关色温在基体材料的此温度范围内进一步地保持稳定。
根据转换件的至少一个实施方式，当基体材料的温度在25℃和150℃之间时，混合射束的色度坐标处于三步McAdam椭圆（Drei-Step-McAdam-Ellipse）之内。特别可能的是，混合射束的色度坐标在所谓的温度范围中处于三步McAdam椭圆之内。在此所谓的色度坐标偏移靠人的肉眼几乎无法或者根本不能察觉。
根据转换件的至少一个实施方式，25℃和150℃之间的温度范围中，随着基体材料的温度的上升基体材料的折射率下降。所述情况符合例如由硅树脂形成或者由硅树脂组成的基体材料。
根据转换件的至少一个实施方式，基体材料基本上没有散射材料的颗粒。在这里散射材料指的是没有转换自身波长的特性的材料。“基本上没有”意味着，散射材料颗粒的浓度最多是转换件总重量的0.1%，该颗粒例如可以作为制造发光材料时的废料存在于基体材料中。换句话说，散射材料不是有意添加到转换件的基体材料中的。
根据转换件的至少一个实施方式，转换件包括三个类型的发光材料颗粒，其中，两个类型的发光材料颗粒具有相同的或者近似的第一发射波长范围。这意味着，两个类型的发光材料颗粒具有发射波长范围，在该发射波长范围中发射波长范围的最大值彼此之间的差值少于60nm，特别是少于50nm。这两个类型的发光材料颗粒那么特别是再发射相同颜色的光。在观测主波长时，两个类型的发光材料颗粒的发射最大值优选地最大为30nm，特别地最大为20nm。不同类型的发光材料颗粒也可能是由相同的材料构成，因而具有相同的发射波长范围。
根据这个实施方式，转换件可以包括第三类型的发光材料颗粒，其具有其它的发射波长范围，该其它的发射波长范围的最大值与第一发射波长范围的最大值偏差至少100nm，特别是偏差至少150nm。
换句话说第三类型的发光材料颗粒与第一类型以及第二类型的发光材料颗粒相比发出其它颜色的光。
根据转换件的至少一个实施方式，不同类型中至少两个类型的发光材料颗粒由不同的材料组成并且具有近似的发射波长范围。
转换件例如可以包括三个类型的发光材料颗粒，该发光材料颗粒由以下材料构成：LuAGaG：Ce作为发光材料颗粒，其再发射绿光，（Sr，Ca，Ba）2Si5N8作为发光材料颗粒，其发射红光以及CaAlSiN同样地作为发光材料颗粒，其发射红光。对于最后所述的发光材料来说会得到前面所描述的补偿过度，而第二个所述的发光材料颗粒由于散射的改变而不能实现色度坐标偏移的足够的补偿。在共同的基体材料中的三个所述类型的发光材料颗粒的混合物中，当温度在前述的区间中时，色温近乎是恒定不变的，该共同的基体材料例如由硅树脂构成。
根据转换件的至少一个实施方式，不同类型中至少两种发光材料颗粒由相同的材料构成并且在其平均颗粒尺寸方面不同。在这种情况下，在不同温度时散射效果由不同的颗粒尺寸来确定。通过将具有不同平均颗粒尺寸的发光材料颗粒混合，可以有目的性地调整第一波长范围的电磁射束的散射特性，该电磁射束进入转换件中。
除此之外还给出一种发光二极管装置。在这种二极管装置中使用这里描述的转换件。也就是说，二极管也具有转换件的所有特征。
根据发光二极管装置的至少一个实施方式，发光二极管装置包括至少一个发光二极管芯片，其在运行时发射第一波长范围的电磁射束。在此例如可以发出蓝光。此外发光二极管装置还包括本文所描述的转换件，该转换件布置在发光二极管芯片的下游，以使得至少一部分第一波长范围的电磁射束进入转换件并且被转换成第二波长范围的电磁射束。两种波长范围的电磁射束那么混合成混合射束，该混合射束例如是白光。在此转换件可以作为薄层被安装在发光二极管芯片的射束出口面上。也可能的是，预制的转换件，例如以小薄板或薄膜的形式安装在发光二极管芯片的射束出口面上。此外也可能的是，转换件将发光二极管芯片形状配合地包封。在这种情况下，转换件以浇铸材料的形式通过喷射注塑或者压铸安装在发光二极管芯片上。
附图说明
下面结合实施例以及相关附图来详细地阐述本文所述的转换件以及发光二极管芯片。
图1通过示意性的截面图示出本文所述的转换件的实施例。
图2通过示意性的截面图示出本文所述的发光二极管装置的实施例。
图3和4通过图形的描绘图示出所述的转换件以及发光二极管装置的特性。
相同的，类似的以及功能相同的元件在附图中设有相同的参考标号。附图中示出的元件的形状以及大小比例并非按比例地被观察。为了更清楚地展示和/或更容易理解个别元件被放大地示出。
具体实施方式
在图1的示意性的截面图中示意性地示出本文所述的转换件1。转换件1包括例如由硅树脂构成的基体材料3。在从例如最低25℃至最高150℃的温度范围中，随着温度上升基体材料3的光学的折射率下降。
在基体材料3中嵌入大量的发光材料颗粒。在此在图3的实施例中，三种不同类型的发光材料颗粒嵌入基体材料3中。转换件1例如包括以下类型的发光材料颗粒：由LuAGaG：Ce构成的第一类型发光材料颗粒2a，由（Sr，Ca，Ba）2Si5N8构成的第二类型发光材料颗粒2b，以及由CaAlSiN构成的第三类型发光材料颗粒2c。
第一波长范围的电磁射束10，进入转换件1后，部分地被发光材料颗粒转换了波长，其中，产生了第二波长范围的电磁射束10a，10b，10c。其与第一波长范围的电磁射束10混合成混合射束11，该混合射束例如可以是白光。第一类型发光材料颗粒2a主要发射绿光10a，第二类型发光材料颗粒发射红光10b，并且第三类型发光材料颗粒2c同样发射红光10c。第二类型以及第三类型发光材料颗粒当前由不同的材料构成，但是却具有近似的发射波长，这意味着这两种类型的发光材料颗粒的发射波长的最大值差值少于50nm。
结合图3在基体材料的不同温度时绘制出不同转换件的色度坐标。
起始点选择在25℃并且在图3的描绘性的图形中通过曲线22，23，24加粗的图标示出。贾德直线（Judd’sche Gerade）21通过虚线来表示。
曲线22涉及第一发光材料混合物，其具有以下发光材料：（Sr，Ca，Ba）2Si5N8，LuAGaG：Ce。曲线23涉及第二发光材料混合物，其具有以下发光材料：LuAGaG：Ce，CaAlSiN。曲线24涉及第三发光材料混合物，其具有以下发光材料：LuAGaG：Ce，CaAlSiN，（Sr，Ca，Ba）2Si5N8，即第一和第二发光材料混合物的发光材料。两种红光发光材料例如以比例1：1嵌入最后一种所述的发光材料混合物中。
曲线22，23和24的单个测量点在这里分别彼此相差25℃。在此各个发光材料颗粒的浓度这样设定，即当温度大约在125℃时，所有发光材料混合物都大约达到相同的色度坐标中。曲线21示出3000K的贾德直线，其示出具有相同的最近似的色温的色度坐标。这条直线同时也是McAdam椭圆的主轴线。沿着这条直线发生的色度坐标变化肉眼是无法察觉的。如果使用三种所述类型发光材料颗粒的混合物，即曲线24，其中，发射红光的发光材料按照1：1的比例混合，那么在25℃和150℃温度范围中，混合光的色度坐标11将沿着贾德直线21移动。
图4示出图形的描绘图，其中对于发光材料混合物而言根据基体材料的温度绘制色温。由此示图可以看到，当温度在25℃和150℃之间时，曲线24的色温变化是小于50K的。
在图2的示意性的截面图中，示出具有文本所述转换件1的发光二极管装置。发光二极管装置包括载体4，该载体例如可以是接口载体，例如导线框架或者是电路板，在该发光二极管装置上安装有发射蓝光的发光二极管芯片5。发光二极管芯片5形状配合地由转换件1包封，例如通过浇铸。
本发明不仅仅局限于所述的实施例的描述。本发明包括每一新的特征以及每一特征的组合，这特别是包括权利要求书中所述的特征的每个组合，即使该特征或者组合本身并没有在权利要求或者实施方式中明确地给出。

Claims (11)

1.一种用于将第一波长范围（10）的电磁射束波长转换至第二波长范围（10a，10b，10c）的电磁射束的转换件（1），所述第二波长范围包括比所述第一波长范围更大的波长，所述转换件具有：
-基体材料（3），所述基体材料的光学折射率是取决于温度的；和
-至少两种不同类型的发光材料颗粒（2a，2b，2c）；
-其中，每一所述类型的所述发光材料颗粒（2a，2b，2c）都大量分布在所述基体材料（3）中，
-所述不同类型的所述发光材料颗粒（2a，2b，2c）通过平均颗粒尺寸和/或材料而彼此区分开，
-所述转换件（1）在受到所述第一波长范围（10）的电磁射束激励时发出具有由所述第一波长范围（10）和所述第二波长范围（10a，10b，10c）组成的电磁射束的混合射束（11），并且
-当所述基体材料（3）的温度在最低25℃和最高150℃之间时，所述混合射束（11）的相关色温和/或色度坐标基本上保持恒定。
2.根据前述权利要求所述的转换件（1），其中，当所述基体材料（3）的温度在最低25℃与最高150℃之间时，所述混合射束的所述相关色温最大变化为60K。
3.根据前述权利要求中任一项所述的转换件（1），其中，当所述基体材料（3）的温度在最低25℃与最高150℃之间时，所述混合射束（11）的所述色度坐标处于三步McAdam椭圆之内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的转换件（1），其中，在最低25℃和最高150℃的温度范围中，随着温度的上升所述基体材料（3）的所述折射率下降。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转换件（1），其中，所述基体材料（3）基本上没有散射材料的颗粒。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转换件（1），具有三种类型的所述发光材料颗粒（2a，2b，2c），其中，两种类型的所述发光材料颗粒具有相同的或近似的第一发射波长范围，以及第三类型的所述发光材料颗粒具有其它的发射波长范围，所述其它的发射波长范围的最大值与所述第一发射波长范围的最大值偏差至少100nm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转换件（1），其中，所述不同类型中的至少两个类型的所述发光材料颗粒（2a，2b，2c）由不同的材料组成并且具有近似的发射波长范围。
8.根据权利要求6或者7中所述的转换件（1），具有由LuAGAG：Ce构成的所述发光材料颗粒（2a，2b，2c），由（Sr，Ca，Ba）2Si5N8构成的发光材料颗粒以及由CaAlSiN构成的发光材料颗粒。
9.根据权利要求1到6中任一项中所述的转换件（1），其中，所述不同类型中的至少两个类型的所述发光材料颗粒（2a，2b，2c）由相同的材料构成并且具有不同的平均颗粒尺寸。
10.一种发光二极管装置，具有：
-发光二极管芯片（5），所述发光二极管芯片在运行时发射所述第一波长范围（10）的电磁射束；以及
-根据前述权利要求中任一项所述的转换件（1）；其中
-所述转换件（1）布置在所述发光二极管芯片（4）的下游，以使得至少一部分所述第一波长范围的所述电磁射束进入所述转换件（1）并且被转换成所述第二波长范围（10a，10b，10c）的电磁射束。
11.根据前述权利要求中所述的发光二极管装置，其中，所述转换件（1）将所述发光二极管芯片（4）形状配合地包封。
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