CN107251244B - 具有相对于温度稳定的通量输出的白色磷光体转换led - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种照明设备（1），该照明设备包括固态光源（10）和陶瓷主体（100），其中固态光源（10）配置成向陶瓷主体（100）提供蓝色光源光（11），其中陶瓷主体（100）包括陶瓷材料（120），该陶瓷材料配置成将蓝色光源光（11）的部分波长转换成黄色转换器光（101），以提供包括所述蓝色光源光（11）和所述黄色转换器光（101）的白色照明设备光（2），所述白色照明设备光（2）具有选自0.18≤u'≤0.25且0.42≤v'≤0.54的范围的色点，并且其中陶瓷材料（120）包括(Y(1‑y‑q‑z),Gdy,Luq,Cez)3(Al(1‑x),Gax)5O12陶瓷材料，0≤x≤0.6、0≤y≤0.5、0≤q<1且0.001≤z≤0.06。

Description

具有相对于温度稳定的通量输出的白色磷光体转换LED
技术领域
本发明涉及诸如用于在汽车应用中使用的照明设备。本发明还涉及制造用于在这样的照明设备中使用的包括铈的石榴石的过程，以及利用这种过程可获得的包括铈的石榴石。
背景技术
发光陶瓷材料是本领域中已知的。例如，US2004145308描述了一种光源，其具有用于发射初级辐射的至少一个LED和具有用于将初级辐射转换为次级辐射的至少一种发光材料的至少一个发光转换主体。发光转换主体是多晶陶瓷主体。LED基于GaInN并发射蓝色初级辐射。陶瓷主体包括例如基于掺杂铈的钇铝石榴石的发光材料。该发光材料发射黄色次级辐射。蓝色初级辐射和黄色次级辐射穿透发光转换主体并被观察者感知为白光。为了制造发光转换主体，进行提供与掺杂剂的溶体混合的多晶陶瓷主体。借助于热处理，掺杂剂（活化剂）扩散到陶瓷主体中，形成发光材料。
发明内容
对于一些照明应用，诸如至少汽车照明应用，照明设备的质量和可靠性至关重要。另外，在汽车中，甚至在前照灯中，LED变得越来越普遍。然而，看起来有些光源不适合于在例如汽车中应用，因为温度特性有缺陷。
因此，本发明的一方面提供了一种替代的照明设备，其优选地还至少部分地消除上述缺点中的一个或多个。另外，本发明的一方面提供了一种用于制造针对这种照明设备的波长转换器的替代过程，其优选地还至少部分地消除上述缺点中的一个或多个。
在第一方面中，本发明提供一种照明设备（“设备”），其包括固态光源和陶瓷主体，其中固态光源配置成向陶瓷主体提供蓝色光源光），其中陶瓷主体包括陶瓷材料，该陶瓷材料配置成将蓝色光源光的部分波长转换（即转换）为黄色转换器光，以提供包括所述蓝色光源光和所述黄色转换器光的白色照明设备光，所述白色照明设备光特别地具有选自0.18≤u'≤0.25且0.42≤v'≤0.54的范围的色点（针对CIE1976颜色坐标u'和v'（CIELUV）），甚至更特别地0.2≤u'≤0.21且0.45≤v'≤0.51，以及其中陶瓷材料特别地包括A3B5O12:Ce3+型陶瓷材料（“陶瓷石榴石”），其中A可以包括钇（Y）、钆（Gd）和镥（Lu）中的一种或多种，并且其中B可以包括铝（Al）和/或镓（Ga），特别地其中陶瓷材料包括(Y(1-y-q-z),Gdy,Luq,Cez)3(Al(1-x),Gax)5O12陶瓷材料，0≤x≤0.6、0≤y≤0.5（特别地0≤y≤0.4）、0≤q<1（特别地0≤q≤0.8）并且0.001≤z≤0.06，甚至更特别地，在一实施例中x>0，诸如0<x≤0.5，并且在又一另外的实施例中0.05≤y≤0.2并且0.0015≤z≤0.03。此外，在再一实施例中，q=0。在另一实施例中，q在0.4-0.6的范围中。
意外地看起来，虽然在较高温度下固态光源在强度方面降低，但是在约100℃的温度以下，总光通量基本保持相同。对于高要求的应用（诸如汽车或投影仪应用），这是极好的。尤其是对于汽车而言，可能期望光通量在低温应用（诸如接通照明设备后不久）下和在高温应用（诸如在一些操作时间后，比如至少15分钟）下相同。此外，光通量基本上独立于环境温度可能也是重要的。因此，本发明据此在此还提供了将这样的照明设备用于提供白色照明设备光，该白色照明设备光在恒定光源功率下具有白色照明设备光的温度独立的光通量，其中当光源在至少100℃的温度以下时，光通量在20℃下的光通量的90-110%的范围中。特别地，照明设备可以用于机动车辆的前照灯中，该前照灯在选自10-100℃的范围的不同温度下具有稳定通量。
掺杂有Ce3+（三价铈）的发光陶瓷石榴石能够用于将蓝光转换为具有较长波长（例如在绿色至红色波长区内）的光，诸如在约500-750nm的范围中，有时甚至在蓝色区内。如下面进一步指出的，A还可以指其它稀土元素，并且B可以仅包括Al，但可选地还可以包括镓。式A3B5O12:Ce3+尤其表示化学式，即不同类型的元素A、B和O的化学计量（3:5:12）。然而，如本领域中已知的，由这种式表示的化合物可选地还可以包括相对于化学计量的小偏差。陶瓷材料包括石榴石材料。因此，主体尤其包括发光陶瓷。
石榴石材料，尤其是陶瓷石榴石材料，在本文中也表示为“发光材料”。发光材料包括A3B5O12:Ce3+（石榴石材料），其中A特别地选自由Sc、Y、Tb、Gd和Lu组成的组，其中B特别地选自由Al和Ga组成的组。更特别地，A包括钇（Y）、钆（Gd）和镥（Lu）中的一种或多种，并且B包括铝（Al）。这样的石榴石可以利用铈（Ce），并且可选地利用诸如镨（Pr）的其它发光物质来掺杂。
在一特定实施例中，B由约40％或更多的Al和60％或更少的Ga组成。特别地，B包括铝（Al），然而B也可以部分地包括镓（Ga）和/或钪（Sc）和/或铟（In），特别地至多约20％的Al，更特别地至多约10％的Al可被取代（即，B离子基本上由90或更多摩尔百分比（mole %）的Al和10或更少摩尔百分比的Ga、Sc和In中的一种或多种组成）；B可以特别地包括至多约10％的镓。在另一变形中，B和O可以至少部分地被Si和N取代。
如上面指出的，元素A可以特别地选自由钇（Y）、钆（Gd）、铽（Tb）和镥（Lu）组成的组，甚至更特别地基本上只选自由Y和Gd组成的组，又甚至更特别地选自Y和Gd两者，但Y和Gd的摩尔比大于1。因此，在一实施例中，A3B5O12:Ce3+包括(Y,Gd)3Al5O12:Ce3+，尤其是具有Y和Gd两者。
如下面指出的，特别地，通过烧结过程和/或热压过程，接着是还原气氛中的退火，可获得陶瓷材料。因此，在具体实施例中，通过下述可获得陶瓷主体：一种包括起始材料在升高温度下的烧结过程和等静压制过程（另见下文）的方法（该起始材料可能已在升高温度下预烧结），用于提供陶瓷主体；接着是一种包括在至少1000℃的温度下、在还原气氛中的退火过程的方法。然而甚至更特别地，通过下述可获得陶瓷主体：一种包括起始材料在升高温度下、在中性或氧化气氛中的烧结过程和等静压制过程的方法，用于提供陶瓷主体；接着是所述包括（在至少1000℃的温度下、在还原气氛中的）所述退火过程的方法。因此，特别地，本文描述的制造陶瓷主体的方法包含包括在升高温度下处理起始材料的方法，其特别地在中性或氧化气氛中执行。起始材料可以包括起始粉末的混合物（其尤其可以已在升高温度下预烧结）。然而，起始材料还可以包括粉末压块或生坯主体（被成型的起始粉末，例如通过干压可获得）。氧化气氛尤其可以包括N2、CO2、Ar、He、Kr等中的一种或多种以及（一些）O2。在一实施例中，陶瓷主体是细长陶瓷主体，另见下文。
已经以这种方式处理的陶瓷主体远远优于未处理的陶瓷主体（（在高光源功率下）在光集中方面更高效）。光学属性和/或效率接近于单晶的光学属性和/或效率（另见上文）。然而，如上面指出的，陶瓷主体可以比单晶更快且更容易地制造，并且出于这个原因，以比单晶显著更低的成本制造。
术语“陶瓷”尤其涉及一种无机材料，其除了其它方法之外通过下述可获得：在减小的压力、大气压力或高压下（诸如在10-8至500MPa的范围内，诸如尤其是至少0.5MPa，比如尤其是至少1MPa，比如1至约500MPa，诸如至少5MPa或至少10MPa），尤其是在单轴或等静压力下，尤其是在等静压力下，在至少500℃（尤其是至少800℃，诸如至少1000℃，比如至少1400℃）的温度下加热（多晶）粉末。获得陶瓷的特定方法是热等静压（HIP），然而HIP过程可以是比如在如上面指出的温度和压力条件下的烧结后HIP、胶囊HIP或组合烧结HIP过程。通过这种方法可获得的陶瓷可以就这样使用，或者可以进一步处理（比如抛光）。陶瓷特别地具有这样的密度，其是理论密度（即单晶的密度）的至少90％（或更高，见下文），诸如至少95％，比如在97-100％的范围内。陶瓷可以仍然是多晶的，但是晶粒（压制的颗粒或压制的凝聚颗粒）之间的体积减小的或强烈减小。升高压力下的加热（诸如HIP）例如可在惰性气体（诸如包括N2和氩（Ar）中的一种或多种）中执行。特别地，升高压力下的加热之前是在选自1400-1900℃（诸如1500-1800℃）的范围的温度下的烧结过程。这样的烧结可以在减小的压力下（诸如在10-2Pa或更低的压力下）执行。这样的烧结可能已经导致这样的密度：其处于理论密度的至少95％（甚至更特别地至少99％）的量级。在（特别地在升高压力下的）预烧结和加热（诸如HIP）两者之后，陶瓷主体的密度能够接近于单晶的密度。然而，差异在于，在陶瓷主体中可得到晶界，因为陶瓷主体是多晶的。这样的晶界能够例如通过光学显微镜或SEM检测到。因此，本文中，陶瓷主体尤其是指具有与（相同材料的）单晶基本相同的密度的烧结的多晶。这样的主体因此可以对可见光高度透明（除了被诸如尤其是Ce3+的光吸收物质吸收）。
上面描述的过程特别地提供了烧结的石榴石主体，其特别经受了升高温度下的高压过程，诸如HIP（见上文）。因此，特别地，包括在升高温度下处理起始材料的方法包括下述方法：其包括烧结过程和等静压制过程，甚至更特别地升高压力下的预烧结，接着是升高温度下的所述高压过程。
在获得陶瓷主体后，可抛光该主体。在抛光之前或之后，尤其是在抛光之前，可以执行（氧化气氛中的）退火过程。在另一特定实施例中，所述退火过程持续至少2小时，诸如在至少1200℃下至少2小时。此外，特别地，还原气氛包括例如H2。
陶瓷主体可以具有光导或波导属性。因此，陶瓷主体在本文中也被表示为波导或光导。由于陶瓷主体可以用作光集中器，陶瓷主体在本文中还被表示为光集中器。陶瓷主体一般将在垂直于陶瓷主体长度的方向上具有对可见光的（一些）透射。在没有诸如三价铈的活化剂的情况下，可见的透射可能接近100％。
因此，在一特定实施例中，陶瓷主体通过这样的过程可获得，该过程包括：烧结阶段，该烧结阶段包括在第一气氛中、在处于1500-2000℃的范围中的温度下烧结起始材料的混合物（形式为“生坯主体”，可选地包含SiO2）以提供烧结的主体；接着是退火阶段，该退火阶段包括在第二气氛中、在处于1000-1600℃的范围中的温度下的退火以提供所述陶瓷主体，其中第一气氛与第二气氛不同，并且其中在第一气氛已经更氧化的情况下，第二气氛包括还原气氛。通常，烧结和退火在具有不同的氧化/还原强度的气氛中进行。
特别地，这些温度和阶段的这种顺序可以提供合适的陶瓷主体。在不期望被理论束缚的情况下，看起来氧化烧结和还原退火的交替引入晶格缺陷，这可能对令人意外的光学行为负责。在退火过程之前和之后改变的热发光属性明显表示陶瓷主体中改变的晶格缺陷结构。
因此，在另一实施例中，本发明还提供了尤其用于提供本文所述的陶瓷主体的这种过程，诸如用于制造陶瓷主体的过程，其包括：烧结阶段，该烧结阶段包括在第一气氛中、在处于1500-2000℃的范围中的温度下烧结可选地含有SiO2的起始材料的混合物以提供烧结的主体；接着是退火阶段，该退火阶段包括在第二气氛中、在1000-1600℃下的退火，以提供所述陶瓷主体，其中第一气氛与所述第二气氛不同，并且其中第二气氛包括还原气氛。因此，第一气氛-在烧结阶段的至少部分的期间的气氛-可以是还原性的（诸如包括H2）或中性的（诸如在如N2或He等的惰性气主体中）。因此，在一实施例中，烧结阶段应用于中性或氧化性第一气氛中。如上面指出的，特别地，起始材料含有SiO2。看来当SiO2作为助熔剂而被添加时，这可能对熔剂的稳定性产生有益效果。此外，如本领域中已知的，起始材料可以包括相关阳离子（诸如Y、Gd和Al）的碳酸盐、氧化物等中的一种或多种。此外，如上面指出的，特别地，烧结阶段包括热压。以这种方式可以获得高质量陶瓷主体。
此外，当限制Gd的量时和/或当铈的量也相对低时，看来获得了最好的材料。
在特定实施例中，0.05≤x≤0.5。
在另一实施例中，0.05≤y≤0.2并且0.0015≤z≤0.003。在所有制成的陶瓷主体中，符合这些条件的陶瓷主体特别地显示出期望的光学行为。此外，在一实施例中，0≤q<1，特别地0≤q≤0.8，或q=0。此外，在一实施例中，x=0。当q和x两者都基本为零时，可以应用针对汽车应用的良好发光材料。
陶瓷主体，或者尤其是石榴石发光材料，配置成转换光源光的至少部分。换言之，可以说光源被辐射地耦合到光转换器，尤其是发光材料。术语“辐射地耦合”尤其意指光源和发光材料（这里是陶瓷主体）彼此相关联使得由光源发射的辐射的至少部分被发光材料接收（并且至少部分地转换为发光）。陶瓷主体可以在距光源非零的距离处配置，或者可以配置成物理接触。前面的实施例有时还被表示为附近或远程，前者更靠近而后者更远离光源。在本文中，在一实施例中，光源包括发光表面，其在距陶瓷主体等于或小于1mm的距离（d）处配置。因此，特别地，距离相对小，或者甚至是零。因此，在又一另外的实施例中，光源包括与陶瓷主体物理接触的发光表面。在这些实施例中，另外，当光源变得更热时陶瓷主体将升温，并且另外，在陶瓷主体中通过下转换过程（吸收来自光源的短波长光并发射更长波长的光）产生的热量穿过光源被传导。经物理连接的设备内的所有温度由所涉及的物理部件的热导性参数确定。在LED的情况下，也可以例如使用插座温度，因为在给定操作电流下，该温度与发光表面的温度成比例。当陶瓷主体作为发光表面耦合到温度时，本发明特别地提供其优点。
在特定实施例中，照明设备包括多个所述固态光源，其中陶瓷主体是具有第一面和第二面的细长陶瓷主体，该第一面和第二面限定该细长陶瓷主体的长度（L），该细长陶瓷主体包括一个或多个辐射输入面和辐射出射窗，其中第二面包括所述辐射出射窗，其中多个固态光源配置成向该一个或多个辐射输入面提供蓝色光源光。以这种方式，可以产生高亮度源。在另一实施例中，照明设备还可以包括光学反射器，其配置在第一面的下游并配置成将光反射回细长陶瓷主体中，其中辐射出射窗配置成垂直于该一个或多个辐射输入面。这可以进一步增强光的耦出。在又一实施例中，细长陶瓷主体可以包括至少为2的几何集中因数，几何集中因数被定义为辐射输入面的面积与辐射出射窗的面积之比。大于1（尤其是2或更大，或甚至大得多）的因数可以提供高亮度源，其尤其还可以应用于投影仪目的或其他目的。然而，在另一实施例中，照明设备还可以包括准直器，其配置在辐射出射窗的下游并配置成准直转换器光。
如上面指出的，应用中的一个可以在汽车中，诸如在汽车、卡车、公共汽车、机动车、火车，地铁等等的前照灯中。因此，在一实施例中，本发明还提供了一种包括如本文中定义的照明设备的汽车灯。
在本文中，术语“可见光”尤其涉及具有选自380-780nm的范围的波长的光。透射可以通过在垂直辐射下向陶瓷主体提供具有第一强度的特定波长下的光，并将在透射通过材料后测量到的该波长下的光的强度与在该特定波长下向材料提供的光的第一强度联系起来而确定（另见CRC化学和物理手册（CRC Handbook of Chemistry and Physics）第69版的E-208和E-406，1088-1989）。
陶瓷主体可以具有任何形状，诸如梁状或杆状。然而，陶瓷主体还可以是盘状等。本发明不限于形状的特定实施例，本发明也不限于具有单个出射窗或耦出面的实施例。下文中更详细地描述了一些特定实施例。若陶瓷主体具有圆形截面，那么宽度和高度可以相等（并可被限定为直径）。
在特定实施例中，陶瓷主体可以特别地具有大于1的纵横比，即长度大于宽度。通常，陶瓷主体是杆或棒（梁），不过陶瓷主体不一定具有正方形、矩形或圆形截面。通常，光源配置成辐照在本文中表示为辐射输入面的较长面中的一个（侧边缘），并且辐射从在本文中表示为辐射出射窗的、位于前面的面（前边缘）逸出。特别地，在实施例中，固态光源或其他光源不与陶瓷主体物理接触。物理接触可导致不期望的耦出，并因此导致集中器效率的降低。此外，通常陶瓷主体包括两个基本平行的面：辐射输入面和与其相对的相对面。这两个面在本文中限定了陶瓷主体的宽度。通常，这些面的长度限定了陶瓷主体的长度。然而，如上面并且还有下面指出的，陶瓷主体可以具有任何形状，并且还可以包括形状的组合。特别地，辐射输入面具有辐射输入面面积（A），其中辐射出射窗具有辐射出射窗面积（E），并且其中辐射输入面面积（A）是辐射出射窗面积（E）的至少1.5倍，甚至更特别地至少两倍，特别地至少5倍，诸如在2-50000，特别是5-5000倍的范围内。因此，特别地，细长陶瓷主体包括至少1.5（诸如至少2，比如至少5，或大得多）的几何集中因数，几何集中因数被定义为辐射输入面的面积与辐射出射窗的面积之比（见上文）。这允许例如多个固态光源的使用（另见下文）。对于如在汽车或数字投影仪中的典型应用，期望小而高强度发射表面。这不能够利用单个LED获得，但是能够利用本照明设备获得。特别地，辐射出射窗具有选自1-100 mm2的范围的辐射出射窗面积（E）。利用这种尺寸，发射表面能够是小的，然而仍然可实现高强度。如上面指出的，陶瓷主体通常具有（长/宽的）纵横比。这允许小的辐射出射表面，但是例如以多个固态光源辐照的大的辐射输入表面。在特定实施例中，陶瓷主体具有选自0.5-100 mm的范围的宽度（W）。陶瓷主体因此特别是具有本文指出的面的完整主体。
总体上杆形或棒形的陶瓷主体能够具有任何截面形状，但是在实施例中具有正方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、五边形或六边形形状的截面。通常，陶瓷主体是长方体，但是可以被提供有与长方体不同的形状，光输入表面一定程度上具有梯形的形状。通过这样做，可以甚至增强光通量，这对于一些应用可能是有利的。因此，在某些情况下（另见上文），术语“宽度”也可以指直径，诸如在陶瓷主体具有圆形截面的情况下。因此，在实施例中，细长陶瓷主体还具有宽度（W）和高度（H），特别地L>W且L>H。特别地，第一面和第二面限定长度，即这些面之间的距离是细长陶瓷主体的长度。这些面尤其可以平行布置。
陶瓷主体还可以是圆柱形的杆。在实施例中，圆柱形的杆具有一个沿着杆的轴方向扁平的表面，并且光源可被定位在该表面处以将由光源发射的光高效地耦入陶瓷主体中。扁平的表面还可用于放置散热器。圆柱陶瓷主体还可以具有两个扁平的表面，其例如彼此相对地安置，或彼此垂直地定位。在实施例中，扁平的表面沿着圆柱杆的轴方向的部分延伸。
如下文记载的在根据本发明的实施例中的陶瓷主体还可以在长度方向上被折叠、弯曲和/或成形，使得陶瓷主体不是直的、线形的棒或杆，而是可以包括例如形式为90度或180度弯曲的圆角、U形、圆形或椭圆形、环或具有多个环的3维螺旋形。这提供了紧凑的陶瓷主体，其总长度（光一般沿着该总长度被引导）相对较大（这导致相对高的流明输出），但其可以同时布置到相对小的空间中。例如，陶瓷主体的发光部分可以是刚性的，而陶瓷主体的透明部分是柔性的以提供陶瓷主体沿其长度方向的成形。光源可以放置在沿着被折叠、弯曲和/或成形的陶瓷主体的长度的任何地方。
没有被用作光耦入区域或光出射窗的陶瓷主体的部分可以设有反射器。因此，在一实施例中，照明设备还包括配置成将发光材料光反射回陶瓷主体中的反射器。因此，照明设备还可以包括一个或多个反射器，该反射器特别地配置成将从一个或多个除辐射出射窗之外的表面逸出的辐射反射回陶瓷主体中。特别地，与辐射出射窗相对的面可以包括这样的反射器，不过在实施例中该面不与该反射器物理接触。因此，反射器尤其可以不与陶瓷主体物理接触。因此，在一实施例中，照明设备还包括（至少）配置在第一面的下游并配置成将光反射回细长陶瓷主体中的光学反射器。替代地或另外地，光学反射器还可以布置在没有被用于将光源光耦入或发光光耦出的其他面和/或面的部分处。特别地，这种光学反射器可不与陶瓷主体物理接触。此外，（多个）这样的光学反射器可以配置成将发光和光源光中的一种或多种反射回陶瓷主体中。因此，可以保留基本上所有的光源光用于被发光材料（即，诸如特别是Ce3+的（多种）活化剂元素）转换，并且可以保留发光的大部分用于从辐射出射窗耦出。术语“反射器”还可指多个反射器。
特别对于汽车应用，光源可以包括发光表面，该发光表面包括发光表面面积（AL），其中陶瓷主体包括辐射输入表面和辐射出射窗，该辐射输入表面包括陶瓷主体表面面积（A），该辐射出射窗包括辐射射出窗面积（E），其中0.8≤A/AL≤1.2，并且其中0.8≤E/AL≤1.5，特别地1≤E/AL≤1.5。
术语“耦入”及类似术语，和“耦出”及类似术语表示光从介质变化（分别从陶瓷主体外部进入陶瓷主体中，和反之亦然）。通常，光出射窗将是面（或面的部分），其配置成（基本）垂直于波导的一个或多个其它面。通常，陶瓷主体将包括一个或多个主体轴（诸如长度轴、宽度轴或高度轴），出射窗配置成（基本）垂直于这样的轴。因此，通常，（多个）光输入面将配置成（基本）垂直于光出射窗。因此，辐射出射窗特别配置成垂直于一个或多个辐射输入面。因此，特别地，包括光出射窗的面不包括光输入面。
可选地滤光器可配置在辐射出射窗下游。
在又一实施例中，照明设备还包括准直器，其配置在辐射出射窗下游并配置成准直转换器光。这样的准直器，比如例如CPC（复合抛物形集中器）可以用于准直从辐射出射窗逸出的光并提供经准直的光束。
此外，照明设备可以包括散热器，其配置成促进固态光源和/或发光集中器的冷却。散热器可以包括下述或由下述组成：铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、铝碳化硅、氧化铍、硅-碳化硅、铝碳化硅、铜钨合金、铜碳化钼、碳、金刚石、石墨及它们中的两种或更多种的组合。照明设备还可以包括配置成冷却陶瓷主体的一个或多个冷却元件。
特别地，光源是在操作期间发射（光源光）至少选自200-490nm的范围的波长的光的光源，特别是在操作期间发射至少选自400-490nm的范围，甚至更特别地在440-490nm的范围中的波长的光的光源。该光可以部分地由发光材料使用。因此，在特定实施例中，光源配置成产生蓝光。在特定实施例中，蓝色光源光具有选自430-450nm的范围的主波长。
在特定实施例中，光源包括固态LED光源（诸如LED或激光二极管）。术语“光源”也可以涉及多个光源，诸如例如2-20个（固态）LED光源，不过可以应用多得多的光源。因此，术语LED还可以指多个LED。因此，如本文中指出的，术语“固态光源”还可以指多个固态光源。在一实施例中（另见下文），这些是基本上相同的固态光源，即提供固态光源辐射的基本上相同的光谱分布。在实施例中，固态光源可配置成辐照陶瓷主体的不同面。
照明设备包括多个光源。特别地，多个（m个）光源的光源光具有光谱重叠，甚至更特别地，它们具有相同的类型并且提供基本上相同的光（因此具有基本上相同的光谱分布）。因此，诸如在10nm的带宽内，光源可以基本上具有相同的发射最大值。
光源特别地配置成向陶瓷主体（即向（多个）辐射输入面）提供至少0.2 Watt/mm2的蓝色光学功率（Wopt）。蓝色光学功率被定义为处于被定义为光谱的蓝色部分的能量范围内的能量（另见下文）。特别地，光子通量平均是至少4.5*1017光子/(s.mm2)，诸如至少6.0*1017光子/(s.mm2)。此外，在特定实施例中，长度（L）是至少20mm。在又一特定实施例中，铈浓度在A的0.1-3.0％的范围内。
照明设备可以是下述的部分或可以应用于下述中：例如办公室照明系统、家庭应用系统、商店照明系统、家居照明系统、重点照明系统、点照明系统、剧院照明系统、光纤应用系统、投影系统、自发光显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、警示标志系统、医疗照明应用系统、指示标志系统、装饰性照明系统、便携式系统、汽车应用、温室照明系统、园艺照明或LCD背光等。
术语“上游”和“下游”涉及物品或特征相对于来自光生成装置（此处特别是第一光源）的光的传播的布置，其中相对于来自光生成装置的光束内的第一位置，光束中更接近于光生成装置的第二位置是“上游”，并且光束内更远离光生成装置的第三位置是“下游”。
本文中的术语白光对于本领域技术人员是已知的。它特别地涉及这样的光：其具有介于约2000与20000K（尤其是2700-20000K）之间的相关色温（CCT），对于一般照明特别地在约2700K和6500K的范围内，并且对于背光目的特别地在约7000K和20000K的范围内，并且特别地在离BBL(黑体轨迹)约15 SDCM(配色的标准偏差)内，特别地在离BBL约10 SDCM内，甚至更特别地在离BBL约5 SDCM内。
在实施例中，光源也可提供具有介于约5000K和20000K之间的相关色温(CCT)的光源光，例如，直接磷光体转换的LED(具有用于例如获得10000K的磷光体薄层的蓝色发光二极管)。因此，在特定实施例中，光源配置成提供具有在5000-20000K的范围内，甚至更特别地在6000-20000K（诸如8000-20000K）的范围内的相关色温的光源光。相对高色温的优点可以是，在光源光内可能存在相对高的蓝色分量。
术语“紫光”或“紫发射”特别涉及具有介于约380-440nm的范围内的波长的光。术语“蓝光”或“蓝发射”特别涉及具有在约440-490nm(包括一些紫色调和青色调)的范围内的波长的光 。术语“绿光”或“绿发射”特别涉及具有在约490-560nm的范围内的波长的光。术语“黄光”或“黄发射”特别涉及具有在约560-570nm的范围内的波长的光。术语“橙光”或“橙发射”特别涉及具有在约570-600的范围内的波长的光。术语“红光”或“红发射”特别涉及具有在约600-780nm的范围内的波长的光。术语“粉光”或“粉发射”是指具有蓝色和红色分量的光。术语“可见”、“可见光”或“可见发射”指的是具有在约380-780nm的范围内的波长的光。
附图说明
现在将仅通过示例的方式，参考所附的示意图来描述本发明的实施例，在图中，对应的附图标记表示对应的部件，并且在图中：
图1示出了磷光体转换蓝色LED的发射光谱。色点为：u'=0.204，v'=0.478（CIE1976）。蓝色峰波长为439 nm；
图2示出了作为插座温度的函数的典型白色LED的归一化发射通量（相对强度（RI）），该白色LED在1A下操作、由蓝色LED与黄色发射YAG磷光体组合构成。实线显示当前技术水平的白色LED的通量的温度依赖性；虚线显示根据本发明的照明设备的通量的温度依赖性；
图3a-3c分别示意性地示出磷光体转换白色LED设备（pcLED）和汽车灯的实施例；
图4a-4c示意性地描绘了本发明的另一些方面；
图5示意性地描绘了陶瓷主体的处理和可选的其他阶段的实施例的一些方面；以及
图6a-6b示出一些热发光数据。
示意图不一定是成比例的。
具体实施方式
对于一些白色LED应用，例如汽车的向前照明，需要不同温度下的稳定通量输出。蓝色InGaN LED随着升高的温度而降低输出功率。本发明描述蓝色LED与黄色发射磷光体的组合，其通过使用（（在高蓝色功率输入下）作为温度的函数而增加QE的）Lumiramic转换器而具有在变化的LED和磷光体温度下稳定的白色通量输出。
在汽车向前照明中使用白色LED，该白色LED由与利用Ce活化的黄色发射石榴石磷光体(Y,Gd)3Al5O12组合的蓝色发射InGaN LED（430-460nm峰发射）制成。图1示出了典型的白色发射光谱。此处，石榴石磷光体由具有0.24％的Ce浓度和13％的Gd浓度（即(Y0.8676Gd0.13Ce0.0024)3Al5O12的Lumiramic转换器组成。图1示出磷光体转换蓝色LED的发射光谱。色点为：u'=0.204，v'=0.478（CIE 1976）。蓝色峰波长为439nm。
尽管蓝色发射AlInGaN LED具有作为温度的函数的优异的外部效率，但是对于当前LED设备，恒定电流下的蓝色功率随着升高的温度而降低。对于白色LED，输出功率的降低转变为所发射的白色通量的降低。对于YAG磷光体的应用，根据磷光体组分，该效果被所谓的磷光体的热淬灭（其描述了量子效率随着温度的增加而降低）放大。
本发明尤其提供了一种白色磷光体转换LED，其色点特别是0.2<u’<0.21且0.45<v’<0.5（对照CIE1976颜色坐标u'和v'）。这可以通过将蓝色InGaN LED与组分为(Y(1-y-q-z),Gdy,Luq,Cez)3(Al(1-x),Gax)5O12的石榴石磷光体组合而实现，0≤x≤0.6、0≤y≤0.5、0≤q<1并且0.001≤z≤0.06，甚至更特别地，在一实施例中，x>0，诸如0<x≤0.5，并且在又一实施例内0.05≤y≤0.2且0.0015≤z≤0.03。为了实现所期望的功能，材料在1750℃下在氧气中烧结8小时，并且在室温下冷却后，该材料（取决于温度）在1100℃<1450℃下在还原气氛中（例如形成气体（N2/H2））退火更长的时间段。作为使用上述组分的材料的这种制备过程的结果，形成了含有大量氧空位的材料。如果在环境温度下用uv光（λ<370nm）照射这种材料，则意外地，当磷光体温度上升到室温之上时，将观察到明亮的热发光。
陶瓷已通过氧化钇（Y2O3）、氧化钆（Gd2O3）、氧化铈（CeO2）和氧化铝（Al2O3）以及含有SiO2的助熔剂的混合物的反应烧结而被制备。生坯主体制备可以通过单轴压制、注浆成型、注射制模、挤出、流延成型或其他陶瓷生坯主体形成技术进行。根据基础组分（Gd浓度、Al过量或“短缺”）和含SiO2的烧结助剂的浓度，生坯主体在空气或氧气中在介于1400℃和1700℃之间的温度下烧结。样品在还原气氛（H2、各种H2浓度的N2/H2）中退火以创建晶格缺陷。
图2示出了作为插座温度的函数的典型白色LED的归一化发射通量，该白色LED在1A下操作、由蓝色LED与形式为陶瓷主体的黄色发射YAG磷光体的组合构成。实线显示当前技术水平的白色LED的通量的温度依赖性；虚线显示根据本发明的照明设备的通量的温度依赖性。测量针对每个温度利用操作的短脉冲（20ms）来完成。清楚的是，根据本发明的设备具有优越的热稳定性。
图3a-3c分别示意性地示出了磷光体转换白色LED设备pcLED和汽车灯的实施例。
图3a示意性地描绘了包括固态光源10和陶瓷主体100的照明设备1的实施例，其中固态光源10配置成向陶瓷主体100提供蓝色光源光11。陶瓷主体100包括陶瓷材料120，其配置成将蓝色光源光11的部分波长转换为黄色转换器光101，以提供包括所述蓝色光源光11和所述黄色转换器光101的白色照明设备光2。特别地，所述白色照明设备光2具有选自范围0.18≤u'≤0.25且0.42≤v'≤0.54的色点。此外，陶瓷材料120包括(Y(1-y-q-z),Gdy,Luq,Cez)3(Al(1-x),Gax)5O12陶瓷材料，0≤x≤0.6、0≤y≤0.5、0≤q<1且0.001≤z≤0.06。特别地，在一实施例中，x>0，诸如0<x≤0.5，比如x是至少0.05。在又一实施例中，0.05≤y≤0.2且0.0015≤z≤0.03。光源包括具有表面面积AL的发光表面12（此处为LED管芯），其在距陶瓷主体100等于或小于1 mm的距离d处配置。在本文中示意描绘的实施例中，光源10包括与陶瓷主体100物理接触的所述发光表面12，即d=0 mm。附图标记111表示辐射输入面。此外，陶瓷主体100包括辐射出射窗112，其位于前者的下游。辐射输入表面111具有表面面积A，并且辐射出射窗112具有表面面积E，尤其对于汽车应用而言，其中0.8≤A/AL≤1.2并且其中1≤E/AL≤1.5。
因此，本文中描述的陶瓷主体100特别地应用于透射配置中。
图3b示意性地描绘了用于成像系统的应用或其他应用的磷光体转换LED的典型配置的实施例。蓝色发射管芯被黄色发射磷光体覆盖。为了保持发光面积小，磷光体层具有紧密配合蓝色LED面积的尺寸，并且LED和磷光体的侧面（磷光体在这种情况下为Lumiramic转换器）被白色侧面涂层（反射体201）覆盖，该涂层通常由悬置在硅树脂中的白色粉末组成，其有效地反射蓝色和黄色光。附图标记202表示封装或PCB。
图3c示意性地描绘诸如前照灯的汽车灯300，其包括如本文所述的照明设备1，在照明设备下游具有准直器24。
根据本发明的发光设备可以用于包括但不限于下述的应用中：灯、光模块、照明器、聚光灯、闪光灯、投影仪、（数字）投影设备、汽车照明（诸如例如机动车辆的前照灯或尾灯）、舞台照明、剧院照明和建筑照明。
是根据本发明的实施例的部分的光源，如下所述，可适配成在操作中发射具有第一光谱分布的光。该光随后耦入光导或波导（这里是陶瓷主体）中。光导或波导可以将第一光谱分布的光转换为另一光谱分布，并将光引导至出射表面。
图4a中示意性地描绘了如本文中定义的照明设备的实施例。图4a示意性地描绘了照明设备1，其包括多个固态光源10和细长陶瓷主体100，该细长陶瓷主体具有限定该细长陶瓷主体100的长度L的第一面141和第二面142。细长陶瓷主体100包括一个或多个辐射输入面111，此处以示例的方式是用附图标记143和144表示的两个相对布置的面，它们限定例如宽度W。此外，陶瓷主体100包括辐射出射窗112，其中第二面142包括所述辐射出射窗112。整个第二面142可以被用作或配置为辐射出射窗。多个固态光源10配置成向一个或多个辐射输入面111提供（蓝色）光源光11。如上面指出的，它们尤其配置成向辐射输入面111中的至少一个提供（特别地，但不排他地为）平均至少0.067Watt/mm2的蓝色功率Wopt。
细长陶瓷主体100包括陶瓷材料120，其配置成将（蓝色）光源光11的至少部分波长转换为转换器光101，诸如绿色和红色转换器光101中的至少一种或多种。如上面指出的，陶瓷材料120包括A3B5O12:Ce3+陶瓷材料，（然而）特别如上面定义的，其中A包括例如钇（Y）、钆（Gd）和镥（Lu）中的一种或多种，并且其中B包括例如铝（Al）。附图标记20和21分别表示滤光器和反射器。前者可以例如当期望绿光时减少非绿光，或者可以当期望红光时减少非红光。后者可以用于将光反射回陶瓷主体或波导中，从而改进效率。注意，可以使用比示意描绘的反射器更多的反射器。
光源原则上可以是任何类型的点光源，但在实施例中是固态光源，诸如发光二极管（LED）、激光二极管或有机发光二极管（OLED），多个LED或激光二极管或OLED，或LED或激光二极管或OLED的阵列，或这些中的任何的组合。LED原则上可以是任何颜色的LED或这些的组合，但在实施例中是制造在UV和/或蓝色范围中的光源光的蓝光源，蓝色范围定义为介于380 nm与490 nm之间的波长范围。在另一实施例中，光源是UV或紫光源（即在低于420 nm的波长范围中发射）。在多个LED或激光二极管或OLED，或者LED或激光二极管或OLED的阵列的情况下，LED或激光二极管或OLED原则上可以是两种或更多种不同颜色（诸如但不限于，UV、蓝色、绿色、黄色或红色）的LED或激光二极管或OLED。
图4a-4b示意性地描绘了照明设备的类似实施例。此外，照明设备可以包括另外的光学元件，其从波导分离和/或集成在波导中，比如例如光集中元件，诸如复合抛物形光集中元件（CPC）。图4b中的照明设备1还包括诸如CPC的准直器24。
图4c示意性地描绘了作为波导或发光集中器可能的陶瓷主体的一些实施例。面用附图标记141-146表示。第一变形（板状或梁状陶瓷主体）具有面141-146。光源（其未示出）可布置在面143-146中的一个或多个处。第二变形是管状杆，其具有第一面141和第二面142以及环绕面143。光源（未示出）可布置在陶瓷主体周围的一个或多个位置处。这样的陶瓷主体将具有（基本上）圆形或圆的截面。第三变形基本上是前两种变形的组合，其具有两个弯曲的和两个平的侧面。图4c所示的变形并不是限制性的。更多的形状是可能的；即例如参考通过引用并入本文的WO2006/054203。用作光导的陶瓷主体通常可以是包括在相互垂直的方向上延伸的高度H、宽度W和长度L的杆形或棒形光导，并且陶瓷主体在实施例中是透明的，或是透明且发光的。光通常在长度L方向上被引导。高度H在实施例中<10 mm，在其它实施例中<5 mm，在另外的实施例中<2 mm。宽度W在实施例中 <10 mm，在其他实施例中<5 mm，在另外的其他的实施例中<2 mm。长度L在实施例中大于宽度W和高度H，在其它实施例中至少为宽度W的2倍或高度H的2倍，在另外的其他的实施例中至少为宽度W的3倍或高度H的3倍。因此，（长/宽的）纵横比特别地大于1，诸如等于或大于2。除非另有说明，术语“纵横比”是指长度/宽度之比。
高度H:宽度W的纵横比（对于例如一般的光源应用而言）典型为1:1，或者（对于例如诸如前照灯的特殊光源应用而言）为1:2、1:3或1:4，或者（对于例如显示应用而言）为4:3、16:10、16:9或256:135。光导通常包括没有布置在平行平面中的光输入表面和光出射表面，并且在实施例中，光输入表面垂直于光出射表面。为了实现高亮度的、集中的光输出，光出射表面的面积可以小于光输入表面的面积。光出射表面能够具有任何形状，但在一实施例中被成形为正方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、五边形或六边形。
图5示意性地描绘陶瓷主体的处理和可选的另外的阶段的实施例的一些方面。阶段I表示提供起始材料和生坯主体形成物的组合。阶段II表示烧结阶段。阶段III表示退火阶段，以及阶段IV表示随后的处理阶段，如抛光、研磨、切割和构建设备。注意，可选地在所表示的阶段之间，可以包括其他动作或阶段，诸如介于烧结阶段与退火阶段之间的冷却阶段等等。
图6a示出了形成气体中的标准烧结的Y,GdAG材料在退火之前（较低曲线）和之后（较高曲线）的辉光曲线（也见下文）。通过利用激励光（这里是360nm波长）照射材料产生辉光曲线。在照射阶段之后，断开灯，并且当样品温度以线性温度斜坡连续增加时检测到所发射的光。此处，温度升高速率为〜84K/min。虽然“烧结”辉光曲线几乎不显示任何热发光，但退火的样品展现出高强度TL，两个峰位于不同温度，其表示在材料中存在至少两种不同的陷阱态。图6b示出了退火后的不同的石榴石材料的辉光曲线的比较。下面给出样品的化学计量：
Gd (%，不包括Ce) Lu (%，不包括Ce) Ce (%) SiO<sub>2</sub> (ppm)
(Y,Gd)AG 12.6 0 0.22 1000
YAG 0 0 0.25 1500
(Lu,Y)AG 0 50 0.25 2000
在给定的加热速率和给定的UV曝光下，利用退火之前和之后的相同设置，在25-240℃之间测量集成的热发光光，其可与材料中的缺陷密度直接成比例。发现退火后的热发光与退火前的热发光之比在>10的范围内，诸如至少是12。
本文中的术语“基本”，诸如“基本所有光”中或“基本由其组成”中的“基本”，将被本领域技术人员理解。术语“基本”还可以包括具有“整个地”、“完全地”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中，形容词“基本”还可以被移除。在适用的场合，术语“基本”还可以涉及90%或更高，诸如95%或更高，特别是99%或更高，甚至更特别是99.5%或更高，包括100%。术语“包括”还含有术语“包括”表示“由其组成”的实施例。术语“和/或”特别涉及在“和/或”前面和后面提到的项目中的一个或多个。例如，短语“项目1和/或项目2”和相似短语可以涉及项目1和项目2中的一个或多个。术语“包括”可以在一实施例中指“由其组成”，但是还可以在另一实施例中指“包含至少所定义的种类并且可选地一个或多个其它种类”。
另外，描述中和权利要求中的术语第一、第二、第三以及类似术语用于区分相似的元件并且不一定用于描述序列顺序或时间顺序。将理解，这样使用的术语在合适的场合下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以除本文中描述或说明的顺序之外的顺序操作。
本文的设备尤其在操作期间被描述。如本领域技术人员将清楚的，本发明不限于操作中的设备或操作方法。
应注意，上面提到的实施例说明而非限制本发明，并且在不背离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多备选实施例。在权利要求中，任何置于括号之间的附图标记将不解释为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除存在除了在权利要求中列出的那些之外的元件或步骤。元件之前的冠词“一（a或an）”不排除存在多个这样的元件。本发明能够借助于包括若干不同元件的硬件，以及借助于合适编程的计算机来实现。在列举若干构件的设备权利要求中，这些构件中的若干构件可以通过同一项的硬件来实现。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
本发明还适用于包括在描述中得到描述的和/或附图中示出的突出特征中的一个或多个的设备。本发明还涉及包括在描述中得到描述的和/或附图中示出的突出特征中的一个或多个的方法或过程。
此专利中讨论的各种方面可以被组合以便提供附加的优点。而且，特征中的一些可以形成一个或多个分案申请的基础。

Claims (12)

1.一种照明设备（1），包括固态光源（10）和陶瓷主体（100），其中所述固态光源（10）配置成向所述陶瓷主体（100）提供蓝色光源光（11），其中所述陶瓷主体（100）包括陶瓷材料（120），所述陶瓷材料配置成将所述蓝色光源光（11）的部分波长转换为黄色转换器光（101），以提供包括所述蓝色光源光（11）和所述黄色转换器光（101）的白色照明设备光（2），所述白色照明设备光（2）具有选自0.18≤u'≤0.25且0.42≤v'≤0.54的范围的色点， 并且其中所述陶瓷材料（120）包括(Y(1-y-q-z),Gdy,Luq,Cez)3(Al(1-x),Gax)5O12陶瓷材料，0≤x≤0.6、0≤y≤0.5、0≤q<1且0.001≤z≤0.06，
其中所述陶瓷主体（100）通过一过程可获得，所述过程包括：烧结阶段，所述烧结阶段包括在第一气氛中、在处于1500-2000℃的范围中的温度下烧结起始材料的混合物以提供经烧结主体（100a）；接着是退火阶段，所述退火阶段包括在第二气氛中、在处于1000-1600℃的范围中的温度下的退火以提供所述陶瓷主体（100），其中所述第一气氛与所述第二气氛不同，并且其中所述第一气氛包括中性或氧化气氛，并且所述第二气氛包括还原气氛。
2.根据权利要求1所述的照明设备（1），其中0.0≤x≤0.5、0.05≤y≤0.2并且0.0015≤z≤0.03，并且其中所述蓝色光源光（11）具有选自430-450 nm的范围的主波长。
3.根据权利要求1或2所述的照明设备（1），其中所述光源包括发光表面（12），所述发光表面配置在距所述陶瓷主体（100）等于或小于1mm的距离（d）处。
4.根据权利要求3所述的照明设备（1），其中所述光源包括与所述陶瓷主体（100）物理接触的发光表面（12）。
5.根据权利要求1或2所述的照明设备（1），包括多个所述固态光源（10），其中所述陶瓷主体（100）是细长陶瓷主体（100），所述细长陶瓷主体具有限定所述细长陶瓷主体（100）的长度（L）的第一面（141）和第二面（142），所述细长陶瓷主体（100）包括一个或多个辐射输入面（111）和辐射出射窗（112），其中所述第二面（142）包括所述辐射出射窗（112），其中所述多个固态光源（10）配置成向所述一个或多个辐射输入面（111）提供蓝色光源光（11）。
6.根据权利要求5所述的照明设备（1），还包括光学反射器（21），所述光学反射器配置在所述第一面（141）的下游，并且配置成将光反射回所述细长陶瓷主体（100）中，其中所述辐射出射窗（112）配置成垂直于所述一个或多个辐射输入面（111）。
7.根据权利要求5所述的照明设备（1），其中所述细长陶瓷主体（100）包括至少为2的几何集中因数，所述几何集中因数被定义为所述辐射输入面（111）的面积与所述辐射出射窗（112）的面积之比，并且其中所述照明设备（1）还包括准直器（24），所述准直器配置在所述辐射出射窗（112）的下游，并且配置成准直所述转换器光（101）。
8.根据权利要求1或2所述的照明设备（1），其中所述光源包括发光表面（12），所述发光表面包括发光表面面积（AL），其中所述陶瓷主体（100）包括辐射输入表面（111）和辐射出射窗（112），所述辐射输入表面包括陶瓷主体表面面积（A），所述辐射出射窗包括辐射出射窗面积（E），其中0.8≤A/AL≤1.2并且其中1≤E/AL≤1.5。
9.根据权利要求1所述的照明设备（1），其中所述起始材料包含SiO2。
10.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的照明设备（1）的汽车灯（300）。
11.一种用于陶瓷主体（100）的制造的过程，其中所述陶瓷主体（100）包括(Y(1-y-q-z),Gdy,Luq,Cez)3(Al(1-x),Gax)5O12陶瓷材料（120），0≤x≤0.6、0≤y≤0.5、0≤q<1且0.001≤z≤0.06，所述过程包括：烧结阶段，所述烧结阶段包括在第一气氛中、在处于1500-2000℃的范围中的温度下烧结起始材料的混合物以提供经烧结主体（100a）；接着是退火阶段，所述退火阶段包括在第二气氛中、在1000-1600℃下的退火以提供所述陶瓷主体（100），其中所述第一气氛与所述第二气氛不同，并且其中所述第一气氛包括中性或氧化气氛，并且所述第二气氛包括还原气氛。
12.根据权利要求11所述的过程，其中所述起始材料还含有SiO2，并且其中所述烧结阶段包括热压。
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