DE102006008300A1

DE102006008300A1 - Leuchtstoff und Lichtquelle mit derartigem Leuchtstoff sowie Herstellverfahren für den Leuchtstoff

Info

Publication number: DE102006008300A1
Application number: DE102006008300A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Becker; Tim Fiedler; Wolfram Hempel; Frank Dr. Jermann
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-08-30
Also published as: EP1987114A1; EP2366755B1; CN101389733B; JP2009527612A; EP1987114B1; CN101389733A; US9109161B2; JP5150515B2; KR20080096597A; EP2366755A2; TW200736367A; EP2366755A3; KR101432051B1; TWI439534B; US20090050846A1; WO2007096333A1

Abstract

Leuchtstoff aus der Klasse der Oxinitridosilikate, der mit zweiwertigem Europium dotiert ist, und mit einem Kation M2+, wobei der Leuchtstoff die grundsätzliche Formel M(1-c)Si2O2N2:Dc besitzt, wobei gilt: M = Sr(1-x)Bax mit 0,3 < x < 0,7.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Oxinitrid-Leuchtstoff und betrifft außerdem eine Lichtquelle, insbesondere LED, mit einem derartigen Leuchtstoff. Der Leuchtstoff gehört der Klasse der Sione an. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellverfahren für einen derartigen Leuchtstoff.

Stand der Technik

Die WO-A 2005/030905 beschreibt einen Leuchtstoff und ein Herstellverfahren für ein Misch-Sion, der ein Oxinitridosilikat der Formel MSi₂O₂N₂ (M = Ca, Sr, Ba) darstellt, das mit zweiwertigem Eu aktiviert ist, unter evtl. weiterer Zugabe von Mn als Koaktivator, wobei der Leuchtstoff überwiegend oder allein, also zu mehr als 50% des Leuchtstoffs, bevorzugt zu mehr als 85% des Leuchtstoffs, aus einer HT-Phase besteht. Diese HT-Modifikation zeichnet sich gegenüber der NT-Phase dadurch aus, dass sie breitbandig anregbar ist, nämlich in einem weiten Bereich von 50 bis 480 nm, insbesondere 150 bis 480 nm, besonders bevorzugt von 250 bis 470 nm, dass er eine extrem hohe Stabilität gegen äußere Einflüsse besitzt, also bei 150°C an Luft keine messbare Degradation zeigt, und dass er eine extrem gute Farbortstabilität unter wechselnden Bedingungen zeigt. Weitere Pluspunkte sind seine geringe Absorption im Roten, was besonders bei Leuchtstoffmischungen vorteilhaft ist. Ein Überwiegen der HT-Modifikation ist u.a. daran erkennbar, dass der kennzeichnende Peak der NT-Modifikation im XRD-Spektrum bei etwa 28,2° eine Intensität von weniger als 1:1, bevorzugt weniger als 1:2, im Vergleich zum Peak mit höchster Intensität aus der Dreiergruppe der Reflexe der HT-Modifikation, die im XRD-Spektrum bei 25 bis 27° liegen, aufweist.

Die WO-A 2004/039915 offenbart einen Leuchtstoff und eine Lichtquelle mit einer Kristallstruktur im orthorhombischen System. Das Sion hat die Stöchiometrie MSi2O2N2:Eu. Es ist beispielsweise ein Misch-Sion mit M = (Sr,Ba), wobei bevorzugt das molare Verhältnis Sr:Ba bei 6:4 bis 9:1 liegt.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leuchtstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, dessen Effizienz möglichst hoch ist. Eine weite re Aufgabe ist es, eine Lichtquelle mit diesem Leuchtstoff sowie eine Verfahren zur Herstellung dieses effektiven Leuchtstoffs anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, 13 bzw. 17 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Bisher gibt es keinen gelb emittierenden Leuchtstoff hoher Effizienz, der gleichzeitig unempfindlich gegen äußere Einflüsse ist und außerdem durch Blau- bzw. UV-Strahlung, insbesondere durch Primärstrahlung von LEDs, gut anregbar ist. Da der erfindungsgemäße Leuchtstoff sowohl durch Blau- als auch durch UV-Strahlung, gut anregbar ist, eignet er sich auch für andere Lichtquelle, bei denen eine Anregung in diesem Spektralbereich möglich ist, wie beispielsweise Hg-Niederdruck-Leuchtstofflampen, als Verschiebepigment in Verbindung mit blau-grünen elektrolumineszenten Leuchtstoffen oder auch im Zusammenhang mit Lampen, die Molekularstrahlung von Metalliodiden wie Indiumiodid verwenden.

Ausgangspunkt der neuen Erfindung ist die überraschende Erkenntnis, dass es eine weitere Phase des Sion-Leuchtstoffs gibt, die nur in der Mischung zwischen Sr-Ba, aber nicht im reinen Sr-Sion und Ba-Sion auftritt. Sie verhält sich anders und zeigt andere XRD-Reflexe als die bisher bekannten Sione. Kennzeichnendes Merkmal dieser neuen Phase ist, dass die Dominanzwellenlänge nicht, wie eigentlich zu erwarten, zwischen der des Sr-Sions und der des Ba-Sions, bezogen auf einen gegebenen Eu-Dotiergehalt, sondern überraschenderweise deutlich langwelliger als die Dominanzwellenlänge des entsprechenden Sr-Sion ist, nämlich um mindestens 6 nm zu längeren Wellenlängen hin verschoben. Typisch ist eine Verschiebung von 8 bis 10 nm. Die Phase lässt sich darstellen als M_1-cSi2O2N2:Eu_c mit M = Sr_1-xBa_x.

Bevorzugt ist das Misch-Sion so gewählt, dass 0,42 ≤ x ≤ 0,70, insbesondere 0,45 ≤ x ≤ 0,55.

Dabei werden die besten Ergebnisse mit relativ hohem Gehalt an dem Dotierstoff erzielt. In aller Regel ist der aktivierende Dotierstoff allein oder weit überwiegend Europium. Der Anteil c des Eu sollte zwischen 0,1 und 20 mol-% von M ausmachen, bevorzugt 5 bis 12 mol-%.

Der neue Leuchtstoff zeichnet sich im Röntgenbeugungsdiffraktogramm (XRD-Spektrum) durch ein völlig anderes Reflexmuster als die bekannten Sione aus. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass auch andere Metalle in kleineren Mengen eine mindestens ternäre Verbindung für das Wirtsgitter des Misch-Sions aufbauen, die außer Sr und Ba auch andere zweiwertige Metallionen, insbesondere Ca, Mg, Zn und Mn, enthalten. Diese zeigen eine ähnliche Struktur wie das neue Misch-Sion, was an den gleichartigen Reflexen des Röntgenbeugungsdiffraktogramm s erkennbar ist.

Auffällig ist, dass der intensitätsstärkste Reflex des neuen Leuchtstoffs ein Doppelpeak ist, der gegenüber dem intensitätsstärksten XRD-Reflex von Sr-Sion, der bei Anregung durch Cu Kα bei etwa 31,6° liegt, zu kürzeren Winkeln hin verschoben ist. Es zeigt sich dabei in hoher Auflösung ein Doppelpeak mit Maxima bei etwa 29,8 und 31,3°. Auffällig ist ferner u.a., daß eine Gruppe von drei Reflexen im Röntgenbeugungsdiffraktogramm zwischen 52° und 58° auftritt, die bei normalen Sionen nicht vorhanden ist.

Eine mögliche Ursache für das Auftreten der neuen Phase, bei geeignetem Herstellverfahren, ist die sorgfältige Wahl der mittleren Ionengröße des Ions M²⁺. Sobald der mittlere Ionenradius eine kritische Größe unterschreitet, verschwindet eine blaue Bande, die von der reinen Ba-Sion-Phase wie oben diskutiert emittiert wird, nahezu vollständig. Dies kann bevorzugt erreicht werden durch gezielte Veränderung des Ba-Sr-Verhältnisses.

Beispielsweise bildet sich bei einem mittleren Ionenradius des Ions M2+ von höchstens 0,13 nm diese völlig neue Phase, die es so binär offenbar nur im Misch-Sion aus Sr und Ba gibt. Sie hat ein anderes Emissionsspektrum, bei der die blaue Bande keine Rolle spielt. In dieser Phase hängt die Lage der Emissionsbande sehr stark vom Dotiergehalt ab. Mit zunehmendem Gehalt an Eu verschiebt sich die Emission ausgeprägt langwellig.

Die neue Phase lässt sich beispielsweise gemäß folgender Vorschrift herstellen: Angesetzt werden die Carbonate der Metalle M, insbesondere die Carbonate von Sr und Ba. Sie werden mit SiO2, Si3N4, Eu2O3 gemischt. Bewährt hat sich die Verwendung eines halogenidhaltigen Flussmittels wie insbesondere SrF2, BaF2, SrCl2 oder NH4F. Diese Ansatzmischungen reagieren unter einer Erhitzung auf 1450 bis 1650°C in leicht reduzierender Atmosphäre, die bevorzugt zumindest eine der Komponenten wie Ar, N2, H2 bzw. Formiergas (N2/H2) enthält. Entscheidend dabei ist eine ausreichend gute Mischung der Sr- und Ba-Vorläufer.

Eine andere Herstellungsroute, die weniger empfindlich im Hinblick auf die Mischung der Sr- und Ba-Vorläufer ist, geht über Orthosilikate.

Die XRD-Linien der neuen Phase können orthorhombisch indiziert werden. Die neue Phase lässt sich jedoch keiner bekannten Phase zuordnen. Eine Untersuchung des Zellvolumens unter dieser Annahme liefert allerdings überraschende Ergebnisse. Bei einer Anpassung der Gitterparameter an die gemessenen Diffraktogramme unter der Annahme der orthorhombischen Elementarzelle zeigt sich, dass das Zellvolumen merkwürdigerweise mit steigendem Ba-Gehalt zunächst deutlich abnimmt, obwohl mit Ba2+ ein größeres Kation gegen das kleinere Sr2+ ausgetauscht wird. Im Bereich von 30 bis 58 mol-% Ba ändert sich dann das scheinbare Zellvolumen kaum, danach steigt es wieder an. Dies lässt sich am einfachsten dadurch erklären, dass die gewählte Elementarzelle eben nicht der physikalisch relevanten Elementarzelle entspricht. Unabhängig davon ist jedoch klar, dass es bei geeigneter Herstellung drei deutlich voneinander unterscheidbare Bereiche im Misch-Sion (Sr,Ba)-Sion gibt. Ein erster Bereich ist das bekannte Sr-dominierte Misch-Sion (etwa 70 bis 100% Sr-Anteil), ein zweiter Bereich ist das bekannte Ba-dominierte Misch-Sion (etwa 70 bis 100 Ba-Anteil). Die neue Phase eines echten Misch-Sions tritt bei geeignet gewählten Herstellbedingungen im Bereich 30 bis 70% Sr-Anteil, Rest Ba, auf. besonders gut ausgeprägt ist die neue Phase im Beriech 30 bis 58 mol-% Ba, vor allem bei 45 bis 55 mol-% Ba.

Die neue Phase bleibt auch erhalten, wenn man geringe Mengen anderer zweiwertiger Ionen hinzufügt. Bei Zugabe von Ca verschiebt sich der mögliche Ba-Anteil zu höheren Anteilen.

Der Befund einer neuen Phase wird dadurch gestützt, dass reines Sr-Sion grün emittiert und reines Ba-Sion sogar noch kurzwelliger emittiert, nämlich blaugrün. Dagegen emittiert das neue Misch-Sion gelb, also langwelliger als reines Sr-Sion.

Für Anwendungen bei weißen LEDs wird typisch ein Eu-Gehalt von 5 bis 20% gewählt, so dass die Dominanzwellenlänge des Leuchtstoff im gelben Spektralbereich bei mindestens 569 nm liegt. Typisch ist ein Wert von c = 0,1, also ein Eu-Anteil von 10% an M. Das entspricht einer Dominanzwellenlänge von etwa 573 nm.

Dadurch kann der bekannte gelbe Granatleuchtstoff YAG:Ce durch einen neuartigen Oxinitrid-Leuchtstoff Sr1-xBaxSi2O2N2:Eu mit 0.7 ≥ x ≥ 0.3, für gelbe Emission, ersetzt werden. Dieser Leuchtstoff besitzt in der Zusammensetzung mit x um 0.5 und 10% Eu-Dotierung in etwa dieselbe Dominanzwellenlänge wie alternative Gelbleuchtstoffe (Granate, Orthosilikate). Der Leuchtstoff, dessen Emissionsbande überraschenderweise nicht zwischen Blaugrün (BaSi2O2N2:Eu) und Gelbgrün (SrSi2O2N2:Eu) liegt, sondern gegenüber beiden Verbindungen langwellig ins Gelbe verschoben ist, besitzt zwei wichtige Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, wie er durch den Einsatz von Granatleuchtstofffen charakterisiert ist (Orthosilikate sind noch deutlich ineffizienter als YAG:Ce):
Erstens ist der visuelle Nutzeffekt je nach Verbindung 10–15% höher als bei vergleichbaren Granatleuchtstoffen. Und zweitens verringert sich der Konversionseffizienzverlust bei 150°C von mindestens 20% im Fall von Granat-Leuchtstoffen auf etwa 7%.

Damit beträgt der potenzielle Effizienzvorteil bei einer weißen LED (Farbort x/y = 0.33/0.33) auf Basis des neuen Leuchtstoffs und einer 455 nm Primär-LED bei 150 °C ca. +20% im Vergleich zu einer YAG:Ce-basierten Lösung (x/y = 0.32/0.33). Der Effizienzvorteil erhöht sich bei kürzeren Anregungswellenlängen, da die Konversionseffizienz gegenüber YAG zunimmt.

Erstaunlicherweise entspricht das Röntgenbeugungsdiffraktogramm und damit die Struktur von SrBa-SiON weder der des Ba-SiONs noch der des Sr-SiONs. Beim SrBa-SiON werden deutlich weniger Linien im Röntgenbeugungsdiffraktogramm beobachtet als beim Sr-SiON, was belegt, dass es sich um eine höher symmetrische neue Phase handelt.

Bedingt durch immer weiter steigenden Leistungen der LEDs sowie immer breitere Anwendungsfelder werden in Zukunft LED-Temperaturen (Junction Temperatures) von über 150 °C erreicht. Bei diesen hohen Temperaturen setzt auch bei dem bisher effizientesten gelben Granatleuchtstoffen wie YAG:Ce bereits eine merkliche Temperaturlöschung der Lumineszenz ein (Thermal Quenching). Sie verlieren mindestens 20% ihrer Konversionseffizienz im Verhältnis zur Effizienz bei Raumtemperatur. Bisher wurde die LED-Temperatur durch aufwendige Kühlungsmaßnahmen, die vom Markt in vielen Fällen nicht toleriert werden und bei vielen Anwendungen aus Platzgründen nicht möglich sind, auf möglichst niedrigen Temperaturen gehalten. Das neue Misch-Sion bietet hier eine überlegene Lösung.

Es kann aber auch für andere Lichtquellen eingesetzt werden, beispielsweise gewöhnliche Lampen wie Hochdruckentladungslampen und Leuchtstofflampen.

Die neue Mischphase kann auch mit anderen Phasen von Sionen, insbesondere Sr-Sion, gemischt werden.

Besonders überaschend ist, dass die neue Phase sogar effizienter als Granat-Leuchtstoffe sein kann und damit sogar YAG:Ce ersetzen kann.

Um die neue Phase möglichst rein zu erhalten, muss ein geeignetes Herstellverfahren angewendet werden. Dabei empfiehlt sich weniger die Synthese aus Nitriden, wie meist bisher angewendet, weil Nitride nicht besonders feinkörnig lieferbar sind. Um eine innige Mischung der Sr- und Ba-Vorläufer zu erreichen, ist es jedoch günstig, möglichst feinkörnige Sr- und Ba-Vorläufer zu verwenden, die ein maximales d50 (mit Sedigraph gemessen) von höchstens 5 μm, bevorzugt sogar höchstens 3 μm, besitzen. Gute Ergebnisse werden mit Vorläufern erzielt, die zwischen 1 und 2 μm als d50 aufweisen.

Am einfachsten läst sich das neue Sion über eine Orthosilikat-Route herstellen, aber auch eine geeignet modifzierte Synthese aus Carbonaten ist möglich, insbesondere unter Verwendung eines relativ hohen Anteils von Dotierstoffen. Besonders ein hoher Eu-Gehalt von mindestens 1%, vorteilhaft mindestens 5%, scheint die Ausbildung der neuen Phase zu begünstigen. Insbesondere ist die Strahlungsstabilität des neuen Misch-Sions höher als bei den vorbekannten Phasen.

Besonders geeignet ist der neue Leuchtstoff zum Einsatz bei weißen LEDs. Dabei kann ein x-Wert für Ba von 30 bis 70% eingesetzt werden, bei gleichzeitiger Verwendung eines relativ hohen Eu-Gehalts von mindestens 5%. Er eignet sich sehr gut für die Anregung im Spektralbereich bei 440 bis 465 nm, besonders gut lässt sich damit die Anregung durch eine Peakwellenlänger der LED bei 440 bis 450 nm erzielen. Die Dominanzwellenlänge des Leuchtstoffs lässt sich dabei sehr gut auf einen Bereich zwischen 569 und 578 nm einstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 Diffraktogramme verschiedener Sione des Typs MSi2O2N2:Eu;
2 das Zellvolumen als Funktion des Sr- Gehalts;
3, 4 jeweils einen Detailausschnitt des Röntgen-Diffraktogramms verschiedener Misch-Sione;
5 den Vergleich der Emission eines bekannten Orthosilikats mit dem neuartigen Misch-Sion;
6 den Vergleich der Emission eines bekannten Granats mit dem neuartigen Misch-Sion;
7 die Effizienz verschiedener Leuchtstoffe als Funktion der Umgebungstemperatur;
8 die Verschiebung der Emissionsbande (Maximum) als Funktion des Sr-Gehalts;
9 ein Vergleich der Emissionsspektren eines erfindungsgemäßen Misch-ions mit dem reiner Sione;
10 Emissionsspektren weiterer Misch-Sione;
11 ein Emissionsspektrum einer weißen LED unter Mitwirkung des neuartigen Leuchtstoffs.
12 eine weiße LED;
13 eine Lichtquelle, basierend auf LEDs;
14 eine Lichtquelle, basierend auf einer Niederdrucklampe.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt Röntgenpulver-Diffraktogramme von Eu-dotierten Leuchtstoffen des Typs Ba0,95Si2N2O2:Eu0,05 (oben), Sr0,9Si2N2O2:Eu0,1 (unten) und Ba0,45Sr0,45Si2N2O2:Eu0,1 (Mitte). Man erkennt, dass sich die Diffraktogramme deutlich voneinander unterschieden. Das Diffraktogramm von Sr-Sion enthält zwar noch die Peaks des Diffraktogramms von Ba-Sion (leicht verschoben aufgrund kleinerer Gitterparameter) ist aber linienreicher. Dies deutet auf eine Struktur mit niedrigerer Symmetrie hin. Das Reflexmuster von BaSr-Sion ist deutlich von dem der beiden Randphasen verschieden, d. h. es liegt keine Mischung der beiden reinen Randphasen vor.
2 zeigt das Zellvolumen des Leuchtstoffs als Funktion des Sr-Gehalts beim System Sr-Ba, hergestellt über die Carbonat-Route. Dabei ist eine orthorhombische Elementarzelle angenommen. Die Anpassung der Gitterparameter an die gemessenen Diffraktogramme unter der Annahme, einer orthorhombischen Elementarzelle liefert ungewöhnliche Ergebnisse. Man erkennt, dass das scheinbare "Zellvolumen" überraschenderweise mit steigendem Ba-Gehalt zunächst deutlich abnimmt, obwohl mit Ba²⁺ ein größeres Kation vermehrt eingebaut wird. Im Bereich von 20% bis 50% Sr ändert sich das scheinbare "Zellvolumen" kaum; danach steigt es wieder an. Dies deutet darauf hin, dass die so gewählte Zelle nicht der physikalisch realen Elementarzelle entspricht. Trotzdem kann aus der Peakverschiebung gefolgert werden, dass es drei deutlich voneinander verschiedene Bereiche gibt: 0–10% Sr, etwa 20–65% Sr und 70%–100% Sr. Übergangsbereiche liegen bei 10 bis 20% Sr und 65 bis 70% Sr.
3 zeigt einen Detailausschnitt aus dem Röntgenbeugungsdiffraktogramm für verschiedene Misch-Sione im Bereich 32 bis 36° für den Winkel 2 ϴ. Es ist eine Übersicht über sechs Proben mit unterschiedlichem Sr/Ba-Verhältnis gezeigt. Der Ba-Anteil nimmt von unten nach oben von Diffraktogramm zu Diffraktogramm jeweils um 20% zu. (Der Eu-Anteil von 2% wurde gleichmäßig auf beide "Plätze" verteilt.) Die Spektren werden in den folgenden Abbildungen bzgl. des Winkelbereichs aufgespreizt dargestellt, um die Unterschiede besser diskutieren zu können. Die markierten Reflexgruppen bleiben innerhalb einer Struktur mit steigendem Sr-Gehalt bei nahezu der gleichen Position. Die markierten Reflexgruppen bleiben innerhalb einer Struktur mit steigendem Sr-Gehalt bei nahezu der gleichen Position. Allerdings zeigt sich zweimal ein Sprung in Position und Intensität bei den Phasenübergängen von Ba-SiON zu SrBa-SiON und von SrBa-SiON zu Sr-SiON. Typischerweise erhält man ab ca. 35% Sr eine neue, gelb emittierende SrBa-SiON-Phase, die sich mit zunehmendem Sr-Gehalt oberhalb von 60% Sr immer mehr verzerrt und kontinuierlich in die Sr-SiON-Phase übergeht. Die genauen Werte hängen von der Eu-Dotierung und von etwaigen zusätzlich eingebauten Kationen (z. B. Ca, Zn, Mg, Yb) ab.
4 zeigt den intensitätsstärksten Peak von Sr-Ba-Misch-Sion in seiner Lage relativ zum intensitätsstärksten Peak des Sr-Sions und des Ba-Sions. Der intensitätsstärkste Peak des Misch-Sions liegt bei etwa 2 ϴ = 31,2°. Es ist eigentlich ein Doppelpeak, der hier aufgrund schlechter Auflösung zusammenfällt. Dagegen ist der intensitätsstärkste Peak von Sr- und Ba-Sion bei deutlich höheren Wellenlängen von fast 2 ϴ = 32° angesiedelt.
5 zeigt den Vergleich der Emissionsbande eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffs vom Typ Misch-Sion mit einem gelben Orthosilikat aus dem Stand der Technik. Mit dem neuen SrBa-SiON:Eu lässt sich praktisch die gleiche spektrale Verteilung erreichen wie mit Orthosilikaten.
6 zeigt den Vergleich der Emissionsbande eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffs vom Typ Misch-Sion mit einem gelben Granatleuchtstoff aus dem Stand der Technik. Die Emissionsbande ist bei nahezu gleicher Dominanzwellenlänge deutlich schmalbandiger. Der visuelle Nutzeffekt der Emissionsstrahlung ist daher signifikant höher, typisch um ca. 10%.
7 zeigt den Vergleich der Effizienz des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs vom Typ Misch-Sion mit dem Stand der Technik (YAG:Ce und (Sr,Ba)-Orthosilikat:Eu) als Funktion der Umgebungstemperatur. Der neue Leuchtstoff ist deutlich temperaturstabiler als der Stand der Technik.
8 zeigt den Vergleich der Emission verschiedener Misch-Sione bei UV-Anregung mit 400 nm. Für x bis 30% ist noch eine zweite Bande im Blauen sichtbar. Hohe Effizienzen werden auch bei Blauanregung, typisch bei 440 bis 460 nm, nur bei Zusammensetzungen erreicht, bei denen die bei 400 nm Anregung beobachtete blaue Emission weitgehend unterdrückt ist. Bevorzugt ist ein Anteil f = 1-x von (1-x) ≥ 40%, besonders bevorzugt ist (1-x) ≥ 45%, wobei bei f jeweils der Eu-Anteil dem Sr-Anteil hinzugerechnet ist, also f = f(Sr, Eu).
8 zeigt die Verschiebung der Emissionsbanden von Ba_xSr_1-xSi₂O₂N₂:Eu(2 %)-Leuchtstoffen. Die blaue Emissionsbande verschwindet bei 1-x > 30% praktisch vollständig. Zwischen 1-x = 30% und 1-x = 60% bleibt die Lage der langwelligen Emissionsbande nahezu konstant. Die gestrichelte Linie deutet den Phasenübergangsbereich an. Für höhere Sr-Konzentrationen lässt sich eine Verschiebung der Wellenlänge in Richtung grüne Sr-SiON:Eu-Emission erreichen, ohne dass die Effizienz nachlässt. Die Emissions-Wellenlänge lässt sich daher gut an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Für kurzwelligere blaue Primär-LEDs (z.B. 440–450 nm) muss beispielsweise ein etwas kurzwelligerer Leuchtstoff zur Weißerzeugung verwendet werden als im Falle einer langwelligeren blauen Primär-LED (460 nm Peak-Anregung).
9: Das Emissionsspektrum der neuartigen Misch-Sione ist deutlich breitbandiger als das von Sr-Sion. Das Misch-Sion eignet sich alleine gut für Farbtemperaturen um 4000 bis 6500 K, bevorzugt 4500 bis 6000 K.
Es lässt sich jedoch auch gut zusammen mit Sr-Sion oder anderen Sionen oder Nitriden wie (Sr,Ca)Si5N8:Eu oder CaAlSiN3:Eu kombinieren. Insbesondere bei Verwendung zusammen mit Sr-Sion wird somit die gesamte Emission je nach Anteil zwischen grün (reines Sr-SiON:Eu) und gelb (neuartiges Misch-Sion SrBa-SiON:Eu) kontinuierlich verschoben. Damit kann insbesondere die Farbe verändert werden. Diese Kombination eignet sich in Verbindung mit einem Rot-Leuchtstoff besonders gut für warmweiße LED mit Farbtemperatur von 2800 bis 3800 K, wobei ein hoher Ra von mindestens 85 erzielt werden kann.
Zur Anpassung des Emissionsverhaltens kann auch ein ternäres Misch-Sion, basierend auf dem Sr-Ba-Sion, verwendet werden. Dafür eignet sich insbesondere Ca in kleinen Mengen. Alternativ kann auch ein anderes zweiwertiges Ion mit ähnlich geringem Ionenradius wie Ca verwendet werden. Ein ähnlich geringer Ionenradius wird insbesondere bei Zugabe von Zn, Mg, Mn und Yb statt oder zusammen mit Ca erzielt. Dabei sollen die Anteile so gering sein, dass die typische Struktur des Misch-Sions erhalten bleibt, und insbesondere der Doppelpeak bei 2 ϴ = 31,2° (bezogen auf Cu K α) deutlich zutage tritt.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen neuartigen Leuchtstoffs kann über die Orthosilikat-Route erfolgen. Dabei werden zunächst Carbonate von Sr und von Ba zusammen mit SiO2 und einem Flussmittel wie SrF2 o.ä. sowie einem Eu-Vorläufer intensiv gemischt und homogenisiert. Anschließend wird daraus ein Orthosilikat synthetisiert, indem das Gemisch in einem Al₂O₃-Tiegel unter Formiergas geglüht wird. diese erfolgt stufenweise über mehrere Stunden bis zu einer Temperatur von etwa 1100 bis 1400 °C. Das Orthosilikat wird anschließend mit Si3N4 gemischt und homogenisiert, und dieses Gemisch wird anschließend in leicht reduzierender Atmosphäre (Ar oder N2 oder H2 oder Mischungen) im Wolfram-Tiegel geglüht. Dabei wird die Temperatur stufenweise über mehrere Stunden auf bis zu 1400 bis 1600 °C angehoben.
Tab. 1
Die Herstellung des erfindungsgemäßen neuartigen Leuchtstoffs ist auch über die Carbonat-Route möglich. Tab. 1 zeigt die Herstellung des Misch-Sions Sr_0.45Ba_0,45Eu_0,1Si₂O₂N₂. Dabei wird für die Vorläufer SrCO3 und BaCO3 eine mittlere Korngröße von etwa 1,6 μm verwendet.
Die Herstellung erfolgt in der Weise, dass zunächst die Ausgangsstoffe SrCO₃ BaCO₃, (oder auch BaSrCO_3,), SrF2, Si₃N₄ und SiO₂ intensiv miteinander gemischt werden und die Mischung anschließend im Ofen bei 1500 bis 1600 °C unter leicht reduzierender Atmosphäre über 8 Std. geglüht wird. Dabei wird ein im wesentlichen stöchiometrischer Ansatz genommen, siehe die Tab. 1.
Selbstverständlich muss das gezeigte Sion keine exakte Stöchiometrie MSi2O2N2 aufweisen, sondern nur dessen grundsätzliche Formel. Dabei sind auch Abweichungen erlaubt. Ein derartiger Leuchtstoff lässt sich als ein vornehmlich gelb emittierender Oxinitrid-Leuchtstoff beschreiben, mit einer Stöchiometrie:
MSi₂O_2+δN_2-(2/3)δ, wobei M = (Sr_1-xBa_x)_1-cEu_c
Für δ gilt
1 ≥ δ ≥ –1, vorzugsweise 0.35 ≥ δ ≥ –0.35.
Eine Analyse des O- und N-Gehalts ergibt beispielsweise 14,4 Gew.-% O und 10,0 Gew.-% N, was nominell einem δ von +0,29 entspricht. Allerdings ist nicht auszuschließen, daß eine Abweichung der gemessenen Werte von der Theorie durch noch in geringem Maße vorhandene Fremdphasen wie insbesondere SiO2 und Si2ON2 beeinflusst ist, so dass im konkreten Fall der wahre Wert von δ bei etwa 0,25 bis 0,35 liegt. Typisch können auch Verunreinigungen kleiner 200 ppm infolge Verunreinigung der Ausgangsmaterialien entstehen. Diese geringen Verunreinigungen verändern aber die Eigenschaften des Leuchtstoffs nicht grundlegend.
Eine qualitativ besonders hochwertige weiße LED mit hohem Ra lässt sich erzielen, wenn das erfindungsgemäße gelbe Misch-Sion zusammen mit weiteren Leuchtstoffen verwendet wird. Diese sollen insbesondere das Spektrum im roten Spektralbereich auffüllen. Geeignete Kandidaten sind hier insbesondere rote Nitride und rote Sulfide wie an sich bekannt. Beispiele sind CaAlSiN3:Eu, und (Sr,Ca,Zn)S:Eu oder auch (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu.
In der Tab. 2 ist die Dominanzwellenlänge von reinem Sr-Sion als Funktion des Europium-Dotiergehalts gezeigt. Dies dient als Anhaltspunkt für die erreichbare Verschiebung mittels des Misch-Sions, die bei mindestens 6 nm, häufig mindestens 8 nm, hin zu längeren Wellenlängen liegt.
Schließlich zeigt 11 das Spektrum einer weißen LED mit einer Farbtemperatur von 6000 K auf Basis einer im Blauen mit Peakwellenlänge 460 nm emittierenden LED und eines erfindungsgemäßen gelb emittierenden Leuchtstoffs. Beide zusammen mischen sich zu weiß.
In Tab. 3 ist schließlich ein Vergleich verschiedener Daten für wesentliche Leuchtstoffe gezeigt.
Der Aufbau einer Lichtquelle für weißes Licht ist in 12 explizit gezeigt. Die Lichtquelle ist ein Halbleiterbauelement mit einem Chip 1 des Typs InGaN mit einer Peakemissionswellenlänge im UV von beispielsweise 440 nm, das in ein lichtundurchlässiges Grundgehäuse 8 im Bereich einer Ausnehmung 9 eingebettet ist. Der Chip 1 ist über einen Bonddraht 14 mit einem ersten Anschluss 3 und direkt mit einem zweiten elektrischen Anschluss 2 verbunden. Die Ausnehmung 9 ist mit einer Vergussmasse 5 gefüllt, die als Hauptbestandteile ein Epoxidgießharz (80 bis 90 Gew.-%) und Leuchtstoffpigmente 6 (weniger als 20 Gew.-%) enthält. Ein Teil der blauen Primärstrahlung wird von dem gelb emittierenden Leuchtstoff Sr0,45Ba0,45Eu0,1Si2O2N2 absorbiert, so daß insgesamt weißes Licht emittiert wird. Die Ausnehmung hat eine Wand 17, die als Reflektor für die Primär- und Sekundärstrahlung vom Chip 1 bzw. den Pigmenten 6 dient.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 13 wird wieder als Leuchtstoffpigment ein Misch-Sion wie oben erläutert und ein rot emittierendes Nitridosilikat verwendet, insbesondere ein rot emittierendes Nitridosilikat vom Typ CaSrSi5N8:Eu. Jedoch sind diese auf den Wänden 9 eines äußeren Gehäuses angebracht, das mehrere LEDs vom Typ Lumineszenzkonversions-LED enthält.
14 zeigt eine Niederdruck-Entladungslampe 20 mit einer quecksilberfreien Gasfüllung 21 (schematisiert), die eine Indiumverbindung und ein Puffergas analog WO 02/10374 enthält, wobei eine Schicht 22 aus SrBaSi₂O₂N₂:Eu innen am Kolben 23 angebracht ist. Der ganz besondere Vorteil bei dieser Anordnung ist, dass dieses Misch-Sion gut der Indium-Strahlung angepasst ist, weil diese wesentliche Anteile sowohl im UV als auch im blauen Spektralbereich hat, die von diesem Misch-Sion beide gleichermaßen gut absorbiert werden, was ihn bei dieser Verwendung gegen die bisher bekannten Leuchtstoffe überlegen macht. Diese bekannten Leuchtstoffe absorbieren nennenswert entweder nur die UV-Strahlung oder die blaue Strahlung des Indiums, so dass die erfindungsgemäße Indium-Lampe eine deutlich höhere Effizienz zeigt. Diese Aussage gilt auch für eine Indium-Lampe auf Hochdruck-Basis wie an sich aus US 4 810 938 bekannt.
Tab. 2

Claims

Hocheffizienter Leuchtstoff aus der Klasse der Oxinitridosilikate mit einem Kation M2+ und der grundsätzlichen Formel M_(1-c)Si₂O₂N₂:D_c, wobei M2+ als Bestandteil Sr2+ und Ba2+ gleichzeitig enthält, und wobei D eine zweiwertige Dotierung mit zumindest Europium ist, dadurch gekennzeichnet, dass für M = Sr_(1-x)Ba_x mit 0,3 ≤ x ≤ 0,7 verwendet wird, wobei das Oxinitridosilikat vollständig oder überwiegend aus einer Phase besteht, die weder der von reinem Sr-Sion noch der von reinem Ba-Sion entspricht, wobei die Dominanzwellenlänge des Misch-Sions bei gegebenem Dotiergehalt um mindestens 6 nm, bevorzugt um mindestens 8 nm, gegenüber der Dominanzwellenlänge des reinen Sr-sions mit gleichem Dotiergehalt zu längeren Wellenlängen hin verschoben ist.
Leuchtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass x gewählt ist als 0,42 ≤ x ≤ 0,70.
Leuchtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Leuchtstoffs eine höhere Symmetrie als die des reinen Sr-Sions aufweist.
Leuchtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil c des Eu zwischen 0,1 und 20 mol-% von M ausmacht, bevorzugt 5 bis 12 mol-%.
Leuchtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 0,45 ≤ x ≤ 0,55 ist.
Leuchtstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Sr/Ba im Rahmen der Messgenauigkeit gleich eins ist.
Leuchtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der intensitätsstärkste XRD-Reflex des Leuchtstoffs ein Peak, bei genügender Auflösung ein Doppelpeak, ist, der gegenüber dem intensitätsstärksten XRD-Reflex von Sr-Sion bei etwa 31,6° (2 ϴ) zu kürzeren Winkeln hin verschoben ist.
Leuchtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Röntgenbeugungsdiffraktogramm eine Gruppe von drei starken Reflexen zwischen 52° und 58° auftritt.
Lichtquelle mit Primärstrahlung, die von einem Leuchtstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ganz oder teilweise in längerwellige Strahlung umgewandelt wird.
Lichtquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine LED ist.
Lichtquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstrahlung einen Peak bei 440 bis 465 nm aufweist.
Lichtquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Leuchtstoffe zusammen mit dem Misch-Sion verwendet werden, insbesondere ein weiteres Sion.
Verfahren zur Herstellung eines Misch-Sions gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Carbonate von Sr und von Ba zusammen mit SiO2 und einem Flussmittel sowie einem Eu-Vorläufer intensiv gemischt werden, und daraus ein Orthosilikat synthetisiert wird, dieses anschließend mit Si3N4 gemischt wird und dieses Gemisch anschließend in leicht reduzierender Atmosphäre geglüht wird.