DE102005020695A1

DE102005020695A1 - Vorrichtung zur Emission von Strahlung mit einstellbarer Spektraleigenschaft

Info

Publication number: DE102005020695A1
Application number: DE102005020695A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.rer.nat. Rotsch
Original assignee: OPTOTRANSMITTER UMWELTSCHUTZ T; OPTOTRANSMITTER-UMWELTSCHUTZ-TECHNOLOGIE EV
Current assignee: OPTOTRANSMITTER UMWELTSCHUTZ T; OPTOTRANSMITTER-UMWELTSCHUTZ-TECHNOLOGIE EV
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2025-04-29
Also published as: DE102005020695B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Emission von Strahlung mit einstellbarer Spektraleigenschaft. DOLLAR A Hierzu sind mindestens zwei Leuchtdioden oder Leuchtdiodensysteme (10, 12), welche voneinander abweichende Emissionsspektra aufweisen und abhängig voneinander ansteuerbar sind, vorgesehen, und mindestens ein gemeinsames Konversionselement, welches mindestens zwei Lumineszenzfarbstoffe oder Lumineszenzfarbstoffsysteme (14, 16) mit voneinander abweichenden Absorptions- und Emissionsspektra enthält, wobei je ein Lumineszenzfarbstoff oder Lumineszenzfarbstoffsystem (14, 16) vorwiegend durch je eine Leuchtdiode oder ein Leuchtdiodensystem (10, 12) zum Emittieren von Strahlung angeregt wird und wobei das von der Vorrichtung emittierte Licht durch additive Überlagerung der von den mindestens zwei Leuchtdioden oder Leuchtdiodensystemen (10, 12) und den mindestens zwei Lumineszenzfarbstoffen oder Lumineszenzfarbstoffsystemen (14, 16) abgegebenen Teilstrahlungen entsteht. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Emission von Strahlung mit einstellbarer Spektraleigenschaft mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen, sowie verschiedene Verwendungen der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 10.
Durch die Entwicklung blauer Leuchtdioden wurde es möglich, Konversionslicht emittierende Leuchtdioden zur Generierung weißen Lichtes herzustellen. Weiße Leuchtdioden werden heutzutage vielfach verwendet, zum Beispiel in Fahrzeugen oder bei Hintergrundbeleuchtungen. Sie zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer sowie durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Das Grundprinzip solcher weißen Leuchtdioden besteht darin, dass blau oder auch UV emittierende Leuchtdioden mit Lumineszenzfarbstoffen kombiniert werden. Das kurzwellige blaue Licht regt dabei den Lumineszenzfarbstoff zum Leuchten an, wodurch langwelligeres, gelbes Licht erzeugt wird. Durch die additive Mischung der beiden Spektralfarben entsteht dann das weiße Licht. Der Farbton beziehungsweise die Farbtemperatur des abgestrahlten weißen Lichtes wird durch die Wahl und die Dosierung des Lumineszenzfarbstoffes bestimmt.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl verschiedener geometrischer Anordnungen und die Verwendung verschiedener Materialien als Lumineszenzfarbstoff bekannt.

Die DE 196 25 622 offenbart eine Leuchtdiode, bei welcher die den Halbleiterkörper bildende Halbleiterschichtenfolge elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ < 520 nm aussendet und bei welcher ein Lumineszenzkonversionselement einen Teilbereich dieser Strahlung in Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches umwandelt, so dass die additive Mischung der beiden Teilstrahlungen das gewünschte weiße Licht ergibt. Als Schichtenmaterialien werden verschiedene Halbleiter wie Ga_xIn_1-xN oder Ga_xAl_1-xN angegeben. Für die Anordnung des Konversionselementes werden verschiedene Ausführungen vorgeschlagen, so zum Beispiel einzelne Schichten in oder auf der Vergussmasse oder Kugelschalensegmente.

Die DE 199 19 381 offenbart eine Konversionslicht emittierende Leuchtdiode, bei welcher die den Lumineszenzfarbstoff enthaltende Schicht durch ein transparentes Trennelement separiert ist. Dadurch soll eine gleichmäßigere Abstrahlcharakteristik des Mischlichtes erreicht werden.

Die Auswahl eines geeigneten Lumineszenzfarbstoffes entscheidet über den Farbton (Farbort in der CIE-Farbtafel), also die Farbtemperatur des emittierten Mischlichtes. Es bieten sich besonders anorganische Leuchtstoffe, insbesondere die mit seltenen Erden dotierten Granate, an, welche sich durch eine hohe Stabilität und Widerstands fähigkeit gegenüber der energiereichen Strahlung der Leuchtdioden auszeichnen. Die WO 02/054502 offenbart einen Lumineszenzfarbstoff aus der Gruppe der Erdalkaliorthosilikate, mit welchem sich die gewünschte Farbtemperatur sehr gut einstellen lässt.

Um die Farbtemperatur des weißen Lichtes zu regulieren wird in der DE 197 56 360 eine Licht emittierende Vorrichtung offenbart, in welcher drei Lumineszenzfarbstoffsysteme in dem Konversionselement eingebracht sind, welche jeweils verschiedene Emissionscharakteristika aufweisen. Dadurch, dass die erreichte Farbtemperatur nur von der Zusammensetzung der drei Farbstoffsysteme, aber nicht vom Verhältnis von konvertiertem zu nicht konvertiertem Licht abhängt, ist die Farbtemperatur des Systems bei der Herstellung einfach zu kontrollieren. Es werden außerdem verschiedene Materialen offenbart, welche die Funktion von blau-, grün- oder rotemittierenden Phosphoren übernehmen können.

Aus dem Stand der Technik sind weiterhin mehrere Erfindungen bekannt, welche sich zur Aufgabe nehmen, den Farbeindruck der weißen Leuchtdioden zu verbessern. Problematisch ist nämlich, dass ein gewisser Abstand zwischen der Emissionslinie des blauen Halbleiterelementes und dem breiten Emissionsspektrums des Farbstoffsystems besteht. Daraus folgt, dass direkt benachbart zur vom Lumineszenzfarbstoffsystem absorbierten Wellenlänge kein Licht emittiert wird. Die in der DE 199 52 932 offenbarte Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass im Leuchtdiodenchip mindestens zwei Licht emittierende Zonen vorgesehen sind, welche derart geformt sind, dass die Maxima ihrer Emissionsspektren energetisch gegeneinander verstimmt sind und oberhalb des Emissionsspektrums des Lumineszenzfarbstoffsystems liegen. Nur eine der beiden relevanten Wellenlängen regt den Lumineszenzfarbstoff dazu an, gelbes Licht zu emittieren. Licht der anderen Wellenlänge dient dagegen dazu, die Lücke im Gesamtspektrum zu schließen, um einen gleichmäßigeren Farbeindruck zu erzeugen. Bemerkbar ist dabei, dass die zweite Wellenlänge keinen Einfluss auf die Emission des gelben Lichtes hat.

Ein Nachteil beim oben beschriebenen Stand der Technik ist, dass die Farbtemperatur der weißen Leuchtdioden im laufenden Betrieb nicht variierbar ist. Die Farbeigenschaften sind vielmehr durch die Wahl der Materialien und deren Dosierung festgelegt.

Einstellbare Farbeigenschaften lassen sich im Prinzip durch die Mischung der Farben rot, grün und blau von drei verschiedenen Leuchtdiodenchips verwirklichen. Diese so genannten Multichip-Leuchtdioden weisen in einem Gehäuse angeordnete Licht emittierende Halbleiterchips auf. Bei diesen Systemen ist ein weiter Bereich im Farbraum einstellbar, jedoch weisen sie gravierende Nachteile auf. Die Farbwiedergabeeigenschaften sind für Beleuchtungsaufgaben, bei denen weißes Licht gefordert wird, nicht hinreichend. Dafür wären nämlich mindestens 5 LED-Chips erforderlich. Weiterhin weisen die Chips auf Grund der unterschiedlichen Materialsysteme (InGaN für den Wellenlängenbereich 400...530 nm und AlGaInP für den Wellenlängenbereich 550...660 nm) und Bandabstände unterschiedliche Temperaturkoeffizienten sowohl ihrer elektrischen als auch ihrer optischen Eigenschaften auf. Dies bedeutet, dass die Einstellung konstanter Farbeigenschaften an ein aufwendiges in situ-Monitoring und entsprechende Regelkreise gebunden ist, wie diese in der DE 203 09 033 offenbart sind.

Die Regelung der Farbtemperatur als eine wichtige Anwendung der Farbmischung ist auch über die Verwendung zweier diskreter Leuchtdioden unterschiedlicher Farbtemperatur denkbar, wobei im Rahmen der Normung DIN 5033 die Bereiche 6000 K...3000 K beziehungsweise 5000 K...9000 K abdeckbar sind. Dies erfordert zur Einstellung eines homogenen Farbeindrucks einen beträchtlichen Mindestabstand des Betrachters (mindestens 1000 × der Chipabstand) oder aufwendige optische Vorrichtungen. Auf Lösungen, bei denen die Leuchtdioden von der Konversionsschicht getrennt sind, wie in der DE 200 13 605 U1 offenbart, ist diese Lösung nicht anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leuchtdiode mit elektrisch einstellbaren Farbeigenschaften, vorzugsweise variierbaren Farbtemperaturen weißen Lichtes, anzugeben. Diese soll Anwendungen im Besonderen bei der Beleuchtung mit Anforderungen an tagesablaufgerechte Lichteigenschaften ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Emission von Strahlung mit einstellbarer Spektraleigenschaft umfasst min destens zwei Leuchtdioden oder Leuchtdiodensysteme, welche voneinander abweichende Emissionsspektra aufweisen und unabhängig voneinander ansteuerbar sind, und mindestens ein gemeinsames Konversionselement, welches mindestens zwei Lumineszenzfarbstoffe oder Lumineszenzfarbstoffsysteme mit voneinander abweichenden Absorptions- und Emissionsspektra enthält, wobei je ein Lumineszenzfarbstoff oder Lumineszenzfarbstoffsystem vorwiegend durch je eine Leuchtdiode oder ein Leuchtdiodensystem zum Emittieren von Strahlung angeregt wird und wobei das von der Vorrichtung emittierte Licht durch additive Überlagerung der von den mindestens zwei Leuchtdioden oder Leuchtdiodensystemen und den mindestens zwei Lumineszenzfarbstoffen oder Lumineszenzfarbstoffsystemen abgegebenen Teilstrahlungen entsteht. Dem Erfindungsgedanken liegt die Beobachtung zugrunde, dass bei einer Kombination von zwei Lumineszenzfarbstoffsystemen in einer Matrix nur eine geringe wechselseitige Beeinflussung der Emissionsspektren beobachtet wird. Durch die unabhängige Anregung der beiden Emissionsspektren ist nunmehr eine freie Einstellung der Farbeigenschaften der Vorrichtung möglich.

Verschiedene geometrische Ausgestaltungen des Konversionselementes sind möglich. Im einfachsten Fall sind die Lumineszenzfarbstoffe oder Lumineszenzfarbstoffsysteme in einer gemeinsamen Konversionsschicht enthalten, welche entweder die Leuchtdioden oder Leuchtdiodensysteme zumindest teilweise umhüllt oder von diesen durch eine transparente Schicht getrennt ist. Alternativ kann das gemeinsame Konversionselement eine Vielzahl von Schichten umfassen, wobei beispielsweise je ein Lumineszenzfarbstoff oder Lumineszenzfarbstoffsystem in einer Schicht enthalten sein kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Erzeugung weißen Lichtes mit einstellbaren Farbtemperaturen im Bereich 2000 K bis 9000 K.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Simulation verschiedener Typen von Tageslicht verwendet wird. Dabei soll dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Farbtemperatur von Sonnenlicht im Tagesverlauf variiert.

Außerdem ist die Vorrichtung

– zur Beleuchtung im Kraftfahrzeug, insbesondere zur Beleuchtung des Fahrzeuginnenraums, des Handschuhfachs oder ähnlichem,
– zur Beleuchtung von Innenräumen, insbesondere von Museen, von Verkaufsräumen oder ähnlichem,
– zur Darstellung von Farbverläufen innerhalb des Farbraumes für Anwendungen im Design, in der Werbung und ähnlichem oder
– zu diagnostischen oder analytischen Zwecken

verwendbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a, 1b, 2a, 2b Beispiele für Emissionsspektra;
3a und 3b schematisch Schaltungsanordnungen für zwei Leuchtdioden;
4 eine Leuchtvorrichtung mit gemeinsamer Konversionsschicht;
5 eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von Konversionsschichten und
6 eine Vorrichtung mit gemeinsamer, räumlich getrennter Konversionsschicht.
Die im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Vorrichtungen mit zwei Leuchtdiodenchips, wobei ein erster Leuchtdiodenchip 10 eine Emissionspeakwellenlänge von 400 nm und ein zweiter Leuchtdiodenchip 12 eine Emissionspeakwellenlänge von 460 nm aufweist. Außerdem beziehen sich die dargestellten Ausführungsbeispiele auf einen ersten Lumineszenzfarbstoff 14, hier ein Erdalkali-Orthosilikat oder ein Gemisch aus Erdalkali-Orthosilikaten verschiedener Korngrößen, und einen zweiten Lumineszenzfarbstoff 16, hier ein Farbstoffgemisch mit Y₃Al₅O₁₂-Ce³⁺ Granat.
1a und 1b zeigen Emissionsspektra des Lumineszenzfarbstoffes 14 (1a) beziehungsweise des Lumineszenzfarbstoffes 16 (1b) bei Anregung bei 400 nm durch den Leuchtdiodenchip 10. Nur der erste Lumineszenzfarbstoff 14 weist eine sehr effiziente Absorption und Reemission bei Anregung mit 400 nm Strahlung auf, während der zweite Lumineszenzfarbstoff 16 in diesem Wellenlängenbereich nicht anregbar ist. Umgekehrt zeigen 2a und 2b Emissionsspektra des Lumineszenzfarbstoffes 14 (2a) beziehungsweise des Lumineszenzfarbstoffes 16 (2b) bei Anregung bei 460 nm durch den Leuchtdiodenchip 12. Hier weist nur der zweite Lumineszenzfarbstoff 16 eine effiziente Absorption und Reemission auf.
Erfindungsgemäß werden die Leuchtdiodenchips 10, 12 in einem Gehäuse kombiniert, wobei darüber eine Konversionsschicht geeignet angeordnet ist, so dass auf Basis der elektrisch regelbaren Intensität der Strahlung der einzelnen Leuchtdiodenchips 10, 12 die Farbeigenschaften des ausgestrahlten Lichts variiert werden können. Die beiden Leuchtdiodenchips 10, 12 werden unabhängig voneinander angesteuert. Dies kann dadurch geschehen, dass die Leuchtdiodenchips durch ein gemeinsames Steuersignal gesteuert werden, wobei die beiden Leuchtdiodenchips 10, 12 mit verschiedener Polarität an das Steuersignal geschaltet sind und zur Ansteuerung eine Wechselspannung mit verschiebbarem Nullpunkt (Offset) benutzt wird (schematisches Schaltbild 3a). Außerdem kann die Vorrichtung als Duplex-Leuchtdiodenanordnung mit diskreter Ansteuer barkeit der beiden Leuchtdiodenchips 10, 12 ausgeführt sein (schematisches Schaltbild 3b).
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer gemeinsamen Konversionsschicht. Die zwei Leuchtdiodenchips 10, 12 sind auf einer Leiterplatte 20 befestigt. Beide Leuchtdiodenchips 10, 12 werden mit einer gemeinsamen Vergussmatrix 18 aus Epoxidharz, in welche die beiden Lumineszenzfarbstoffe 14, 16 dispergiert sind, abgedeckt. Daher weist eine solche Anordnung einen direkten Kontakt zwischen den Leuchtdiodenchips 10, 12 und der Konversionsschicht auf. Die Vergussmatrix 18 weist eine Schichtdicke von mindestens 150 μm, maximal 1000 μm auf. Der Lumineszenzfarbstoff 14 besteht aus 5...30 M% Orthosilikat (Emissionspeakwellenlänge 515 nm), mittlere Korngröße 20 μm, und 20...40 M% Orthosilikat (Emissionspeakwellenlänge 590 nm) mittlere Korngröße 25 μm, 5...25 M%. Der Lumineszenzfarbstoff 16 besteht aus Y₃Al₅O₁₂-Ce³⁺ Granat, mittlere Korngröße 25 μm. Steuert man den zweiten Leuchtdiodenchip 12 mit der Emissionspeakwellenlänge 460 nm an, wird ein weißes Licht mit einer Farbtemperatur 6000 ± 500 K beobachtet. Bei Ansteuerung des ersten Leuchtdiodenchips 10 wird ein Mischlicht der Farbtemperatur 3000 ± 200 K beobachtet. Durch die geeignete Ansteuerung der beiden Leuchtdiodenchips 10, 12 kann nun die Farbtemperatur zwischen diesen beiden Punkten im Farbraum variiert werden.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Vielzahl von Konversionsschichten. Die Vergussmatrix aus Epoxidharz 18 besteht aus einer ersten Schicht 22, welche den Lumineszenzfarbstoff 14 enthält und welche die beiden Leuchtdiodenchips 10, 12 umhüllt. Die daran angrenzende Trennschicht 24 enthält keinen Lumineszenzfarbstoff. Die an die Trennschicht 24 angrenzende Schicht 26 enthält den zweiten Lumineszenzfarbstoff 16.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 6 dargestellt, bei welcher die Leuchtdiodenchips von dem Konversionselement räumlich getrennt sind. Auf einer gemeinsamen Leiterplatte 18 sind mehrere Leuchtdiodenchips angeordnet, wobei das Verhältnis der Leuchtdiodenchiptypen 10, 12 zueinander in geeignetem Verhältnis, vorzugsweise 2:1, steht. Die Lumineszenzfarbstoffe 14, 16 sind in der die Leiterplatte 18 umgebenden Umhüllung 32 aus Silikon eingearbeitet. Der Lumineszenzfarbstoff 14 besteht aus 5...30 M% Orthosilikat (Emissionspeakwellenlänge 515 nm), mittlere Korngröße 20 μm, und 20...40 M% Orthosilikat (Emissionspeakwellenlänge 590 nm) mittlere Korngröße 25 μm, 5...25 M%. Der Lumineszenzfarbstoff 16 besteht aus Y₃Al₅O₁₂-Ce³⁺ Granat, mittlere Korngröße 25 μm. In dieser Anordnung ist eine Farbtemperatur im Bereich 8000...4000 K einstellbar. Die Darstellung in 6 ist als Querschnitt einer röhrenförmigen Lichtquelle zu verstehen.

10: erster Leuchtdiodenchip
12: zweiter Leuchtdiodenchip
14: erster Lumineszenzfarbstoff
16: zweiter Lumineszenzfarbstoff
18: Leiterplatte
20: Vergussmatrix
22: Schicht mit erstem Lumineszenzfarbstoff
24: Trennschicht
26: Schicht mit zweitem Lumineszenzfarbstoff
32: Umhüllung

Claims

Vorrichtung zur Emission von Strahlung mit einstellbarer Spektraleigenschaft, umfassend: mindestens zwei Leuchtdioden oder Leuchtdiodensysteme (10, 12), welche voneinander abweichende Emissionsspektra aufweisen und unabhängig voneinander ansteuerbar sind, und mindestens ein gemeinsames Konversionselement, welches mindestens zwei Lumineszenzfarbstoffe oder Lumineszenzfarbstoffsysteme (14, 16) mit voneinander abweichenden Absorptions- und Emissionsspektra enthält, wobei je ein Lumineszenzfarbstoff oder Lumineszenzfarbstoffsystem (14, 16) vorwiegend durch je eine Leuchtdiode oder ein Leuchtdiodensystem (10, 12) zum Emittieren von Strahlung angeregt wird und wobei das von der Vorrichtung emittierte Licht durch additive Überlagerung der von den mindestens zwei Leuchtdioden oder Leuchtdiodensystemen (10, 12) und den mindestens zwei Lumineszenzfarbstoffen oder Lumineszenzfarbstoffsystemen (14, 16) abgegebenen Teilstrahlungen entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Konversionselement eine Schicht umfasst, welche die Lumineszenzfarbstoffe oder Lumineszenzfarbstoffsysteme (14, 16) enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Konversionselement mindestens eine Schicht umfasst, welche einen Lumineszenzfarbstoff oder ein Lumineszenzfarbstoffsystem (14, 16) enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht die mindestens zwei Leuchtdioden oder Leuchtdiodensysteme (10, 12) zumindest teilweise umhüllt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weißes Licht mit einstellbaren Farbtemperaturen im Bereich 2000 K bis 9000 K emittiert.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Simulation verschiedener Typen von Tageslicht.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Beleuchtung im Kraftfahrzeug, insbesondere zur Beleuchtung des Fahrzeuginnenraums, des Handschuhfachs oder ähnlichem.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Beleuchtung von Innenräumen, insbesondere von Museen, von Verkaufsräumen oder ähnlichem.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Darstellung von Farbverläufen innerhalb des Farbraumes für Anwendungen im Design, in der Werbung und ähnlichem.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zu diagnostischen oder analytischen Zwecken.