DE102008030253B4 - Conversion element and illuminant - Google Patents
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Abstract
Konversionselement (1) mit einem lichtdurchlässigen Matrixmaterial (2), in dem Wärmeleitpartikel (4) und mindestens ein Konversionsmittel (3), das dazu ausgestaltet ist, Licht einer Wellenlänge mindestens zum Teil in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, eingebettet sind,
bei dem durch Konversionsmittel (3) und Wärmeleitpartikel (4) Wärmeleitpfade (P) gebildet sind, wobei das Konversionselement (1) mindestens zwei Kammern (7) aufweist, die mindestens stellenweise über wärmeleitfähige Zwischenwände (8) verbunden sind, wobei die Zwischenwände (8) reflektierend sowohl für zu konvertierende als auch für konvertierte Strahlung ausgestaltet sind, und
wobei ein Volumenanteil der Wärmeleitpartikel (4) ein Prozent über einer Perkolationsschwelle der Wärmeleitpartikel (4) liegt, mit einer Toleranz von höchstens einem Volumenprozent.
in which heat conduction paths (P) are formed by conversion means (3) and heat conducting particles (4), the conversion element (1) having at least two chambers (7) which are connected at least in places via thermally conductive partition walls (8), the partition walls (8 ) are designed to be reflective both for the radiation to be converted and for the radiation converted, and
wherein a volume fraction of the heat conducting particles (4) is one percent above a percolation threshold of the heat conducting particles (4), with a tolerance of at most one volume percent.
Description
Es wird ein Konversionselement sowie ein Leuchtmittel angegeben.A conversion element and a lamp are specified.
Für viele Anwendungen wird Licht einer spezifischen Wellenlänge oder eines bestimmten Spektralbereichs benötigt. Viele Lichtquellen, insbesondere auf Halbleitern basierende Lichtquellen wie Leuchtdioden oder Laserdioden, emittieren Licht allerdings nur in einem davon abweichenden Spektralbereich oder bei diskreten Wellenlängen. Daher ist es oft gewünscht, das von der Lichtquelle emittierte Licht in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Diese Konversion geschieht beispielsweise mittels organischen oder anorganischen Lumineszenzstoffen. Die Konversion beruht bei diesen Lumineszenzstoffen zumeist auf dem Prinzip der so genannten Down-Conversion. Das heißt, Licht beispielsweise im blauen Spektralbereich wird absorbiert und dazu niederfrequenteres, rotverschobenes Licht wird emittiert. Mit anderen Worten wird Lichtstrahlung hoher Energie durch den Leuchtstoff in Lichtstrahlung niedrigerer Energie und in nichtstrahlende Energie, insbesondere in Wärme, umgewandelt.For many applications, light of a specific wavelength or a certain spectral range is required. However, many light sources, in particular light sources based on semiconductors such as light-emitting diodes or laser diodes, only emit light in a spectral range that deviates therefrom or at discrete wavelengths. Therefore, it is often desirable to convert the light emitted by the light source into light of a different wavelength. This conversion takes place, for example, using organic or inorganic luminescent substances. The conversion of these luminescent substances is mostly based on the principle of the so-called down conversion. This means that light, for example in the blue spectral range, is absorbed and low-frequency, red-shifted light is emitted. In other words, high-energy light radiation is converted by the phosphor into lower energy light radiation and into non-radiative energy, in particular into heat.
Die Druckschrift
Aus der Druckschrift
In der Druckschrift US 2008 / 0 054 280 A1 findet sich eine LED-Lichtquelle, die mit einem Leuchtstoff in einer schalenförmigen Abdeckung versehen ist.In the publication US 2008/0 054 280 A1 there is an LED light source which is provided with a phosphor in a bowl-shaped cover.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Konversionselement mit verbesserter Effizienz anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Leuchtmittel mit einem solchen Konversionselement anzugeben.One task to be solved is to provide a conversion element with improved efficiency. Another problem to be solved is to specify a lamp with such a conversion element.
Erfindungsgemäß umfasst das Konversionselement ein Matrixmaterial. In dem Matrixmaterial sind weitere Bestandteile des Konversionselements eingebettet, wobei das Matrixmaterial als Bindemittel wirken kann. Das Matrixmaterial ist in einem relevanten Spektralbereich bevorzugt durchlässig für die elektromagnetische Strahlung. „Relevanter Spektralbereich“ bedeutet hierbei sowohl Licht einer Wellenlänge oder eines ersten Wellenlängenbereichs, das zu konvertieren ist, als auch Licht einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, das durch die Konversion resultiert. Weiterhin ist das Matrixmaterial im relevanten Spektralbereich bevorzugt unempfindlich gegenüber Fotoschäden. Das heißt, durch die zu konvertierende oder die konvertierte Strahlung wird das Matrixmaterial nicht fotochemisch beschädigt, zumindest auf der Zeitskala der Lebensdauer des Konversionselements. Die Lebensdauer des Konversionselements kann hierbei so definiert werden, dass während der Lebensdauer die Effizienz des Konversionselements oberhalb von 80 % der ursprünglichen Effizienz liegt, bezogen auf gleiche Leistung und gleichen Wellenlängenbereich des zu konvertierenden Lichts. Ist das Konversionselement in Verbindung mit einem optoelektronischen Halbleiterchip eingesetzt, so ist die Lebensdauer des Konversionselements bevorzugt mindestens so hoch wie die Lebensdauer des Halbleiterchips.According to the invention, the conversion element comprises a matrix material. Further constituents of the conversion element are embedded in the matrix material, it being possible for the matrix material to act as a binder. The matrix material is preferably transparent to the electromagnetic radiation in a relevant spectral range. “Relevant spectral range” here means both light of a wavelength or a first wavelength range that is to be converted, and light of a wavelength or a wavelength range that results from the conversion. Furthermore, the matrix material in the relevant spectral range is preferably insensitive to photo damage. This means that the matrix material is not photochemically damaged by the radiation to be converted, or at least on the time scale of the lifetime of the conversion element. The lifetime of the conversion element can be defined in such a way that the efficiency of the conversion element is above 80% of the original efficiency, based on the same power and the same wavelength range of the light to be converted. If the conversion element is used in conjunction with an optoelectronic semiconductor chip, the service life of the conversion element is preferably at least as long as the service life of the semiconductor chip.
Erfindungsgemäß umfasst das Konversionselement Wärmeleitpartikel. Die Wärmeleitpartikel sind derart mit einem Material oder einer Materialkombination gestaltet, dass die Wärmeleitpartikel eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als das Matrixmaterial aufweisen. Die Wärmeleitpartikel sind zum Beispiel pulverförmig.According to the invention, the conversion element comprises heat-conducting particles. The heat-conducting particles are designed with a material or a combination of materials in such a way that the heat-conducting particles have a significantly higher thermal conductivity than the matrix material. The heat conducting particles are, for example, in powder form.
Erfindungsgemäß weist das Konversionselement mindestens ein Konversionsmittel auf. Das Konversionsmittel kann ein anorganischer Leuchtstoff sein, der auf Down-Conversion beruht. Bevorzugt ist das Konversionsmittel mit einem Cer- oder Europium-dotierten Leuchtstoff gebildet. Das Konversionsmittel ist dazu ausgestaltet, Licht eines ersten Wellenlängenbereichs mindestens zum Teil in Licht eines anderen, zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Der Wirkungsgrad dieser Konversion kann von der Temperatur abhängen, insbesondere kann der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur sinken.According to the invention, the conversion element has at least one conversion means. The conversion medium can be an inorganic phosphor that is based on down conversion. The conversion medium is preferably formed with a cerium- or europium-doped phosphor. The conversion means is designed to convert light of a first wavelength range at least in part into light of another, second wavelength range. The efficiency of this conversion can depend on the temperature, in particular the efficiency can decrease with increasing temperature.
Das Konversionsmittel ist zum Beispiel pulverförmig. Insbesondere sind Konversionsmittel und Wärmeleitpartikel mit unterschiedlichen Stoffen gebildet, wobei die Wärmeleitpartikel eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ebenso wie das Matrixmaterial sind Wärmeleitpartikel und Konversionsmittel im relevanten Spektralbereich beständig gegen Fotoschäden. Auch sind die Wärmeleitpartikel und das Konversionsmittel beständig gegenüber thermischen Belastungen, die im Betrieb des Konversionselements auftreten.The conversion medium is, for example, in powder form. In particular, conversion means and heat-conducting particles are formed with different substances, the heat-conducting particles having a significantly higher thermal conductivity. Just like the matrix material, heat-conducting particles and conversion agents in the relevant spectral range are resistant to photo damage. The heat-conducting particles and the conversion medium are also resistant to thermal loads which occur during operation of the conversion element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements beeinflussen die Wärmeleitpartikel das Spektrum des vom Konversionselement emittierten Lichts nicht. Das heißt, die Wärmeleitpartikel tragen zur Konversion des Lichts aus dem ersten Wellenlängenbereich nicht bei. Bevorzugt wirken die Wärmeleitpartikel auch nicht als Filter für Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich zwischen 420 nm und 780 nm. Etwa im ultravioletten Spektralbereich kann eine filternde Wirkung der Wärmeleitpartikel vorhanden sein, so dass beispielsweise keine UV-Strahlung unterhalb von etwa 400 nm emittiert wird. Durch solche Wärmeleitpartikel wird der Farbort des vom Konversionselement erzeugten Lichts nicht beeinflusst. Die thermischen Eigenschaften können somit separat von den spektralen Eigenschaften des Konversionselements eingestellt werden.According to at least one embodiment of the conversion element, the heat-conducting particles do not influence the spectrum of the light emitted by the conversion element. This means that the heat-conducting particles do not contribute to the conversion of the light from the first wavelength range. The heat-conducting particles preferably also do not act as filters for wavelengths in the visible spectral range between 420 nm and 780 nm. A filtering effect of the heat-conducting particles may be present in the ultraviolet spectral range, for example no UV radiation below about 400 nm is emitted. The color locus of the light generated by the conversion element is not influenced by such heat-conducting particles. The thermal properties can thus be set separately from the spectral properties of the conversion element.
Erfindungsgemäß sind die Wärmeleitpartikel und das Konversionsmittel im Matrixmaterial des Konversionselements eingebettet. Eingebettet bedeutet hierbei, dass die Wärmeleitpartikel und das Konversionsmittel, die selbst keine oder keine signifikante Haftung untereinander zeigen können, durch das Matrixmaterial zusammengehalten werden. Ist kein zusätzlicher formgebender Körper, wie etwa eine Umhüllung oder eine Gussform, vorhanden, so ist die geometrische Gestalt des Konversionselements bevorzugt durch das Matrixmaterial vorgegeben. Das Matrixmaterial kann dem Konversionselement mechanische Stabilität verleihen. Insbesondere ist das Matrixmaterial inklusive eingebetteter Stoffe, das heißt also, das Konversionselement, selbsttragend, so dass es etwa mit Pinzetten oder anderen Werkzeugen gehandhabt werden kann.According to the invention, the heat-conducting particles and the conversion medium are embedded in the matrix material of the conversion element. Embedded here means that the heat-conducting particles and the conversion medium, which themselves can show no or no significant adhesion to one another, are held together by the matrix material. If there is no additional shaping body, such as an envelope or a casting mold, then the geometric shape of the conversion element is preferably predetermined by the matrix material. The matrix material can give the conversion element mechanical stability. In particular, the matrix material including embedded substances, that is to say the conversion element, is self-supporting, so that it can be handled with tweezers or other tools, for example.
Erfindungsgemäß weist des Konversionselement Wärmeleitpfade auf. Das heißt, im Konversionselement existieren Pfade bildende, zusammenhängende Bereiche, die eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als das Matrixmaterial aufweisen. Diese Bereiche reichen von einer inneren Region, beispielsweise von einem im Matrixmaterial eingebetteten Partikel oder Bestandteil des Konversionsmittels, bis zu einer Oberfläche des Konversionselements. Hierdurch wird es ermöglicht, dass Wärme von einem Bestandteil des Konversionsmittels weg hin zur Oberfläche des Konversionselements beziehungsweise des Matrixmaterials geführt wird. Insbesondere wird die Wärme also von durch die Konversion erwärmten Bestandteilen des Konversionsmittels abgeführt. Der Wärmetransport erfolgt im Wesentlichen durch Wärmeleitung über die Pfade.According to the invention, the conversion element has thermal conduction paths. This means that path-forming, coherent areas exist in the conversion element, which have a significantly higher thermal conductivity than the matrix material. These areas range from an inner region, for example from a particle embedded in the matrix material or part of the conversion medium, to a surface of the conversion element. This makes it possible for heat to be conducted away from a component of the conversion medium towards the surface of the conversion element or the matrix material. In particular, the heat is thus dissipated from the components of the conversion medium which are heated by the conversion. The heat transport takes place essentially through heat conduction via the paths.
Erfindungsgemäß ist das Konversionselement mit einem lichtdurchlässigen Matrixmaterial gestaltet, in dem Wärmeleitpartikel und mindestens ein Konversionsmittel eingebettet sind, wobei das Konversionsmittel dazu ausgestaltet ist, Licht einer Wellenlänge beziehungsweise eines Wellenlängenbereichs zumindest zum Teil in Licht einer anderen Wellenlänge beziehungsweise eines anderen Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Durch das Konversionsmittel und die Wärmeleitpartikel sind Wärmeleitpfade im Konversionselement gebildet.According to the invention, the conversion element is designed with a light-transmissive matrix material in which heat-conducting particles and at least one conversion means are embedded, the conversion means being designed to convert light of one wavelength or a wavelength range at least in part into light of another wavelength or another wavelength range. Thermal conduction paths are formed in the conversion element by the conversion medium and the heat conducting particles.
Über solche, durch Wärmeleitpartikel und Konversionsmittel gebildete Wärmeleitpfade kann Wärme aus dem Konversionselement effizient abgeführt und somit die Temperatur des Konversionselements im Betrieb gesenkt werden. Such heat conduction paths formed by heat-conducting particles and conversion agents can efficiently dissipate heat from the conversion element and thus lower the temperature of the conversion element during operation.
Hierdurch erhöht sich die Konversionseffizienz des Konversionselements. Der Platzbedarf des Konversionselements wird durch die Wärmeleitpfade nicht oder nicht signifikant vergrößert.This increases the conversion efficiency of the conversion element. The space requirement of the conversion element is not or not significantly increased by the heat conduction paths.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements führt mindestens ein Teil der Wärmeleitpfade aus dem Innern des Matrixmaterials an eine Oberfläche des Matrixmaterials. Durch solche Wärmeleitpfade kann Wärme aus dem Innern des Matrixmaterials effizient abgeführt werden.According to at least one embodiment of the conversion element, at least part of the heat-conducting paths leads from the inside of the matrix material to a surface of the matrix material. Such heat conduction paths allow heat to be efficiently removed from the interior of the matrix material.
Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung des Konversionselements weisen Konversionsmittel und Wärmeleitpartikel zusammengenommen einen Volumenanteil auf, der mit einer Toleranz von fünf Volumenprozent mindestens so groß ist, dass er der Perkolationsschwelle der Summe von Wärmeleitpartikeln und Konversionsmittel entspricht. Bevorzugt entspricht der Volumenanteil von Konversionsmitteln und Wärmeleitpartikeln zusammen bis auf eine Toleranz von fünf Volumenprozent genau der Perkolationsschwelle. Besonders bevorzugt beträgt die Toleranz nur drei Volumenprozent, insbesondere nur ein Volumenprozent.According to a modification of the conversion element which is not according to the invention, the conversion means and heat-conducting particles taken together have a volume fraction which, with a tolerance of five volume percent, is at least so large that it corresponds to the percolation threshold of the sum of heat-conducting particles and conversion means. The volume fraction of conversion agents and heat-conducting particles preferably corresponds exactly to the percolation threshold up to a tolerance of five volume percent. The tolerance is particularly preferably only three percent by volume, in particular only one percent by volume.
Die Perkolationsschwelle kann im vorliegenden Fall beispielsweise wie folgt angegeben sein: Bei einem mehrdimensionalen Gitter sind die Gitterplätze statistisch mit in diesem Falle Konversionsmittelbestandteilen oder Wärmeleitpartikeln besetzt. Ab einem gewissen Anteil beziehungsweise Prozentsatz besetzter Gitterplätze, der als Perkolationsschwelle bezeichnet wird, ergibt sich ein zusammenhängendes Gebiet aus benachbarten, besetzten Gitterplätzen. Von Gitterplätzen übertragen auf Partikel heißt das, dass sich benachbarte Partikel in direktem Kontakt zueinander befinden oder einander so nahe sind, dass Pfade einer hohen Wärmeleitfähigkeit resultieren. So ein perkoliertes, zusammenhängendes Gebiet erstreckt sich im Wesentlichen über das gesamte System, also in diesem Fall über das gesamte Konversionselement. Das heißt, ein Endpunkt eines Pfades an einer Oberfläche des Matrixmaterials steht über den Pfad in Verbindung mit einem anderen Endpunkt eines Pfades an einem anderen Punkt der Oberfläche.In the present case, the percolation threshold can be specified, for example, as follows: in the case of a multidimensional lattice, the lattice sites are statistically occupied in this case with conversion agent components or heat-conducting particles. Above a certain proportion or percentage of occupied lattice sites, which is referred to as the percolation threshold, a coherent area results from adjacent, occupied lattice sites. From grid positions to particles, this means that neighboring particles are in direct contact with one another or are so close to one another that paths of high thermal conductivity result. Such a percolated, coherent area essentially extends over the entire system, that is to say in this case over the entire conversion element. That is, one end point of a path on one surface of the matrix material is connected via the path to another end point of a path at another point on the surface.
In erster Näherung ist die Perkolationsschwelle des Konversionselements lediglich abhängig von dem Volumenanteil, den Konversionsmittel und Wärmeleitpartikel darstellen, wobei der Volumenanteil in Analogie dem Anteil besetzter Gitterplätze entspricht. Unter der Voraussetzung, dass Wärmeleitpartikel und Konversionsmittel vergleichbare Partikelgrößen aufweisen, und unter der Voraussetzung, dass sowohl Konversionsmittel als auch Wärmeleitpartikel statistisch im Konversionselement beziehungsweise im Matrixmaterial verteilt sind, entspricht die Perkolationsschwelle der Partikel in etwa einem Volumenanteil von 30 bis 35 Prozent. Abhängig etwa von der Gestalt oder der Größenverteilung der Partikel kann der für die Perkolationsschwelle erforderliche Volumenanteil aber stark von diesem Wertebereich abweichen. Durch einen Volumenanteil von Konversionsmittel und Wärmeleitpartikeln, der mindestens der Perkolationsschwelle entspricht, kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Konversionselements erzielt werden.In a first approximation, the percolation threshold of the conversion element is only dependent on the volume fraction, the conversion medium and heat-conducting particles, the volume fraction corresponding to the proportion of occupied lattice sites. Provided that heat conducting particles and conversion media have comparable particle sizes, and provided that both conversion media and heat conducting particles are statistically distributed in the conversion element or in the matrix material, the percolation threshold of the particles in corresponds about 30 to 35 percent by volume. Depending on the shape or size distribution of the particles, however, the volume fraction required for the percolation threshold can deviate significantly from this range of values. A high thermal conductivity of the conversion element can be achieved by a volume fraction of conversion medium and heat-conducting particles that corresponds at least to the percolation threshold.
Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung des Konversionselements entspricht der Volumenanteil der Wärmeleitpartikel, mit einer Toleranz von fünf Volumenprozent, der Perkolationsschwelle der Wärmeleitpartikel. Bevorzugt beträgt die Toleranz lediglich drei Volumenprozent, besonders bevorzugt lediglich ein Volumenprozent. Bevorzugt liegt der Volumenanteil der Wärmeleitpartikel im Bereich von 28 Volumenprozent bis zu 38 Volumenprozent, besonders bevorzugt zwischen 30 Volumenprozent und 35 Volumenprozent, insbesondere zwischen 31,5 Volumenprozent und 33 Volumenprozent. Perkolieren die Wärmeleitpartikel alleine, ohne Einbeziehung des Konversionsmittels, so kann eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit erzielt werden.According to a modification of the conversion element not according to the invention, the volume fraction of the heat-conducting particles corresponds, with a tolerance of five volume percent, to the percolation threshold of the heat-conducting particles. The tolerance is preferably only three percent by volume, particularly preferably only one percent by volume. The volume fraction of the heat-conducting particles is preferably in the range from 28 volume percent to 38 volume percent, particularly preferably between 30 volume percent and 35 volume percent, in particular between 31.5 volume percent and 33 volume percent. If the heat-conducting particles percolate alone, without the conversion agent being involved, a particularly high heat conductivity can be achieved.
Erfindungsgemäß liegt der Volumenanteil der Wärmeleitpartikel ein Prozent über der Perkolationsschwelle, mit einer Toleranz von höchstens einem Volumenprozent. Über einen solchen Volumenanteil, der etwas höher als der der Perkolationsschwelle entsprechende Volumenanteil gewählt ist, kann auch bei einer Herstellung des Konversionselements mit vergleichsweise hohen Toleranzen bezüglich des Volumenanteils gewährleistet werden, dass das Konversionselement eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.According to the invention, the volume fraction of the heat-conducting particles is one percent above the percolation threshold, with a tolerance of at most one volume percent. Such a volume fraction, which is selected to be somewhat higher than the volume fraction corresponding to the percolation threshold, can also be used in the manufacture of the conversion element with comparatively high tolerances with regard to the volume fraction to ensure that the conversion element has a high thermal conductivity.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst dies eine Umhüllung, die bevorzugt aus einem wärmeleitfähigen Material gestaltet ist, die in direktem Kontakt zum Matrixmaterial steht und dieses mindestens teilweise umgibt. Die Umhüllung kann beispielsweise aus einer Keramik, einem Metall oder einer Metalllegierung gestaltet sein. Über eine wärmeleitfähige Umhüllung kann aus dem Inneren des Matrixmaterials über die Wärmeleitpartikel abtransportierte Wärme von der Oberfläche des Matrixmaterials effizient weggeleitet werden. Weiterhin kann durch die Umhüllung eine Form gegeben sein, beispielsweise in Gestalt einer Spritzform, die die Herstellung des Konversionselements vereinfacht.According to at least one embodiment of the conversion element, this comprises an envelope, which is preferably made of a thermally conductive material, which is in direct contact with the matrix material and at least partially surrounds it. The covering can be designed, for example, from a ceramic, a metal or a metal alloy. Via a heat-conductive covering, heat that is transported away from the interior of the matrix material via the heat-conducting particles can be efficiently conducted away from the surface of the matrix material. Furthermore, the casing can have a shape, for example in the form of an injection mold, which simplifies the production of the conversion element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist die Umhüllung mindestens stellenweise transparent und alternativ oder zusätzlich mindestens stellenweise reflektierend ausgestaltet. Über eine zumindest teilweise transparente Umhüllung kann Licht in das Konversionselement ein- sowie aus diesem austreten. Die transparenten Stellen der Umhüllung können hierbei Wellenlängen selektiv ausgestaltet sein, so dass beispielsweise ein Eintrittsfenster für zu konvertierende Wellenlängen transparent ausgestaltet ist, wohingegen es für konvertierte Wellenlängen reflektierend wirkt. Entsprechend Umgekehrtes kann für einen Lichtaustrittsbereich gelten. Über eine reflektierend ausgestaltete Umhüllung kann die Lichtabsorption durch die Umhüllung und somit ein Verlust an Strahlungsleistung unterbunden oder zumindest reduziert werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Konversionselements erhöht.According to at least one embodiment of the conversion element, the envelope is designed to be transparent at least in places and, alternatively or additionally, to be reflective at least in places. Light can enter and exit the conversion element via an at least partially transparent covering. The transparent locations of the cladding can in this case be configured selectively, so that, for example, an entrance window is designed to be transparent for wavelengths to be converted, whereas it has a reflective effect for converted wavelengths. The reverse can apply to a light exit area. The light absorption by the covering and thus a loss of radiation power can be prevented or at least reduced by means of a reflective covering. This increases the efficiency of the conversion element.
Erfindungsgemäß weist das Konversionselement mindestens zwei Kammern auf, die mindestens stellenweise über wärmeleitfähige Zwischenwände miteinander verbunden sind. Über solche Zwischenwände kann Wärme aus dem Innern des Konversionselements heraus effektiv nach außen abgeführt werden. Die verschiedenen Kammern können eine gleiche oder auch verschiedene Materialzusammensetzungen aufweisen. So kann beispielsweise ein Gradient an Anteil des einen oder von mehreren Konversionsmitteln über verschiedene Kammern hinweg realisiert werden. Bevorzugt sind Kammern und Zwischenwände so gestaltet, dass die Lichtein- und Lichtauskopplung in beziehungsweise aus dem Konversionselement sowie die Lichtlaufwege im Konversionselement nicht signifikant beeinträchtigt sind. Hierdurch erhöht sich die Homogenität des vom Konversionselement abgestrahlten Lichts.According to the invention, the conversion element has at least two chambers which are connected to one another at least in places via thermally conductive intermediate walls. Such partition walls can effectively dissipate heat from the inside of the conversion element to the outside. The different chambers can have the same or different material compositions. For example, a gradient in the proportion of the one or more conversion means can be realized across different chambers. Chambers and partition walls are preferably designed in such a way that the coupling in and out of light in or out of the conversion element and the light paths in the conversion element are not significantly impaired. This increases the homogeneity of the light emitted by the conversion element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements sind die Wärmeleitpartikel in relevanten Spektralbereichen nicht absorbierend. „Nicht absorbierend“ bedeutet hierbei, dass die Wärmeleitpartikel nicht mehr als 15 Prozent, bevorzugt nicht mehr als 5 Prozent, insbesondere nicht mehr als 2,5 Prozent der Strahlungsleistung von zu konvertierendem und konvertiertem Licht absorbieren. Über solche Wärmeleitpartikel kann der Wirkungsgrad des Konversionselements erhöht werden.According to at least one embodiment of the conversion element, the heat-conducting particles are non-absorbent in relevant spectral ranges. “Non-absorbent” here means that the heat-conducting particles do not absorb more than 15 percent, preferably not more than 5 percent, in particular not more than 2.5 percent, of the radiation power of light to be converted and converted. The efficiency of the conversion element can be increased via such heat-conducting particles.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements weisen Wärmeleitpartikel eine mittlere Größe zwischen zehn Nanometer und 100 Mikrometer auf. Das heißt, mindestens zwei der Wärmeleitpartikel haben eine Größe zwischen zehn Nanometer und 100 Mikrometer, bevorzugt weist ein Großteil der Wärmeleitpartikel, also über 50 Prozent, insbesondere mehr als 80 Prozent, eine Größe in diesem Bereich auf. Besonders bevorzugt liegt der Mittelwert über alle Wärmeleitpartikel ebenfalls in diesem Wertebereich. Im Falle sphärischer oder nahezu sphärischer Partikel ist unter der Größe der Partikel ihr Durchmesser zu verstehen. Bei signifikant asphärischen Partikeln wird als Partikelgröße der über drei Hauptachsen gemittelte Durchmesser verstanden. Besonders bevorzugt liegt die mittlere Größe der Wärmeleitpartikel im Bereich von einschließlich 30 nm bis 150 nm oder im Bereich von einschließlich 5 um bis 50 µm. Solche Nano- oder Mikropartikel sind leicht herzustellen und können gut in das Matrixmaterial eingebettet werden.According to at least one embodiment of the conversion element, heat-conducting particles have an average size between ten nanometers and 100 micrometers. This means that at least two of the heat-conducting particles have a size between ten nanometers and 100 micrometers, preferably a large part of the heat-conducting particles, that is to say over 50 percent, in particular more than 80 percent, has a size in this range. The mean value across all heat-conducting particles is also particularly preferably in this value range. In the case of spherical or almost spherical particles, the size of the particles means their diameter. In the case of significantly aspherical particles, the particle size is understood to be the diameter averaged over three main axes. The average size of the heat-conducting particles is particularly preferably in the range from including 30 nm to 150 nm or in the range of including 5 µm to 50 µm. Such nano- or microparticles are easy to manufacture and can be well embedded in the matrix material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements weist mindestens ein Teil der Wärmeleitpartikel eine mittlere Größe auf, die kleiner als die halbe Wellenlänge des kurzwelligsten zu konvertierenden Lichts ist. Bevorzugt ist die mittlere Größe der Wärmeleitpartikel kleiner als ein Viertel der Wellenlänge des zu konvertierenden Lichts, besonders bevorzugt kleiner als ein Zehntel. Bei derart geringen Partikelgrößen kann die Streuung des Lichts an den Wärmeleitpartikeln in erster Näherung vernachlässigt werden. Hierdurch kann sich die Effizienz des Konversionselements verbessern.According to at least one embodiment of the conversion element, at least some of the heat-conducting particles have an average size which is less than half the wavelength of the shortest-wavelength light to be converted. The average size of the heat-conducting particles is preferably less than a quarter of the wavelength of the light to be converted, particularly preferably less than a tenth. With such small particle sizes, the scattering of the light on the heat-conducting particles can be neglected in a first approximation. This can improve the efficiency of the conversion element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements weist mindestens ein Wärmeleitpartikel, bevorzugt die Majorität der Partikel, eine numerische Exzentrizität von mindestens vier, insbesondere von mindestens 10 auf. Die Wärmeleitpartikel können mechanisch starr ausgebildet sein. Durch solche Wärmeleitpartikel ist es möglich, dass der für eine effiziente Wärmeleitung notwendige Volumenanteil der Wärmeleitpartikel herabgesetzt ist.According to at least one embodiment of the conversion element, at least one heat-conducting particle, preferably the majority of the particles, has a numerical eccentricity of at least four, in particular at least 10. The heat conducting particles can be mechanically rigid. Such heat-conducting particles make it possible for the volume fraction of the heat-conducting particles required for efficient heat conduction to be reduced.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements weist mindestens ein Wärmeleitpartikel, bevorzugt die Majorität der Partikel, eine numerische Exzentrizität von weniger als zehn, insbesondere von weniger als drei auf. Das heißt, eine Längsachse der Partikel ist höchstens um einen Faktor zehn größer als der mittlere Durchmesser bezüglich der Querachse, also senkrecht zur Längsachse. Bei mechanisch flexibel gestalteten Wärmeleitpartikeln, beispielsweise bei fadenartigen Partikeln, ist als Längsausdehnung die Ausdehnung in gestrecktem Zustand zu verstehen.According to at least one embodiment of the conversion element, at least one heat-conducting particle, preferably the majority of the particles, has a numerical eccentricity of less than ten, in particular less than three. This means that a longitudinal axis of the particles is at most a factor of ten larger than the mean diameter with respect to the transverse axis, that is to say perpendicular to the longitudinal axis. In the case of mechanically flexible heat-conducting particles, for example in the case of filament-like particles, the longitudinal extension is to be understood as the extension in the stretched state.
Falls die Wärmeleitpartikel faser- oder fadenartig ausgestaltet sind und somit eine große numerische Exzentrizität aufweisen, können sich gitter- oder netzartige Strukturen ausbilden. Solche Strukturenkönnen Polarisationseffekte bezüglich der zu konvertierenden oder konvertierten Strahlung mit sich bringen, insbesondere falls die Wärmeleitpartikel mit einem Material einer hohen Elektronenbeweglichkeit ausgestaltet sind. Weiterhin zeigen solche netzartigen Strukturen, sofern eine Maschengröße dieser Strukturen im Bereich der Lichtwellenlänge liegt, eine signifikante Streuung und/oder Absorption der Strahlung. Um eine solche Absorption beziehungsweise Polarisationsabhängigkeit zu vermeiden, sind die Wärmeleitpartikel bevorzugt sphärisch oder elipsoidal mit einer numerischen Exzentrizität von weniger als zehn, insbesondere von weniger als drei.If the heat-conducting particles are fiber-like or thread-like and thus have a large numerical eccentricity, lattice-like or network-like structures can be formed. Such structures can bring about polarization effects with regard to the radiation to be converted or converted, in particular if the heat-conducting particles are designed with a material with high electron mobility. Furthermore, provided that a mesh size of these structures is in the range of the light wavelength, such network-like structures show a significant scattering and / or absorption of the radiation. In order to avoid such absorption or polarization dependency, the heat-conducting particles are preferably spherical or ellipsoidal with a numerical eccentricity of less than ten, in particular less than three.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements weisen die Wärmeleitpartikel keine optische Anisotropie auf. Das heißt, weder durch die Form noch durch das Material der Wärmeleitpartikel werden die Polarisationseigenschaften von Licht im Konversionselement im relevanten Spektralbereich signifikant beeinflusst.According to at least one embodiment of the conversion element, the heat-conducting particles have no optical anisotropy. This means that the polarization properties of light in the conversion element in the relevant spectral range are not significantly influenced by the shape or the material of the heat-conducting particles.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist das Matrixmaterial mit einem Silikon, das Konversionsmittel mit einem Cer- oder einem Europium-haltigen Leuchtstoff und die Wärmeleitpartikel mit einem Metall oder einer Keramik gestaltet. Ein solches Konversionselement ist effizient herzustellen, ist fotostabil und somit insbesondere zur Konversion von kurzwelligem Licht, mit Wellenlängen beispielsweise zwischen 360 nm und 480 nm, geeignet und weist einen hohen Wirkungsgrad auf.According to at least one embodiment of the conversion element, the matrix material is designed with a silicone, the conversion agent with a cerium- or a europium-containing phosphor and the heat-conducting particles with a metal or a ceramic. Such a conversion element can be produced efficiently, is photo-stable and is therefore particularly suitable for converting short-wave light, with wavelengths between 360 nm and 480 nm, for example, and is highly efficient.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist der Unterschied im optischen Brechungsindex zwischen Wärmeleitpartikeln und Matrixmaterial kleiner oder gleich 0,4, bevorzugt kleiner oder gleich 0,2, insbesondere kleiner oder gleich 0,1. Alternativ können die Partikel auch eine Beschichtung oder eine Hülle mit einem Material umfassen, über das eine Anpassung der Brechungsindizes erzielt werden kann. Ebenso kann gelten, dass der Unterschied im optischen Brechungsindex zwischen Matrixmaterial und Konversionsmittel entsprechend klein ist. Weisen Wärmleitpartikel und Matrixmaterial einen ähnlichen Brechungsindex auf, so kann die Streuung an Wärmeleitpartikeln, sofern die Wärmeleitpartikel eine Größe mindestens der halben Wellenlänge des kurzwelligsten Anteils der relevanten Strahlung aufweisen, verringert werden. Hierdurch können sich die Emissionseigenschaften des Konversionselements verbessern.According to at least one embodiment of the conversion element, the difference in the optical refractive index between heat-conducting particles and matrix material is less than or equal to 0.4, preferably less than or equal to 0.2, in particular less than or equal to 0.1. Alternatively, the particles can also comprise a coating or a shell with a material by means of which the refractive indices can be adjusted. It can also apply that the difference in the optical refractive index between matrix material and conversion medium is correspondingly small. If the heat-conducting particles and matrix material have a similar refractive index, the scattering of heat-conducting particles can be reduced if the heat-conducting particles have a size of at least half the wavelength of the short-wave portion of the relevant radiation. This can improve the emission properties of the conversion element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements sind die Wärmeleitpfade, die von Wärmeleitpartikeln und/oder Konversionsmittel gebildet sind, nicht elektrisch leitend. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die für die Perkolation verantwortlichen Partikel aus einem elektrisch isolierenden Material gestaltet sind, oder dass die Partikel eine Umhüllung mit einem elektrisch isolierenden Material aufweisen. Weiterhin ist es möglich, dass nur ein Teil der für die Perkolation verantwortlichen Partikel elektrisch isolierend ist, so dass sich keine elektrisch leitenden Pfade ergeben, da diese von elektrisch isolierenden Bereichen unterbrochen sind. Durch eine solche Ausgestaltung der Wärmeleitpfade werden elektrische Kurzschlüsse verhindert. Außerdem, insbesondere falls die Partikelgröße im Bereich der Wellenlänge der relevanten Strahlung liegt, wird die Absorption von Licht vermindert. According to at least one embodiment of the conversion element, the heat conduction paths, which are formed by heat conduction particles and / or conversion means, are not electrically conductive. This can be realized in that the particles responsible for the percolation are made of an electrically insulating material, or in that the particles have a covering with an electrically insulating material. Furthermore, it is possible for only some of the particles responsible for the percolation to be electrically insulating, so that there are no electrically conductive paths, since these are interrupted by electrically insulating regions. Such a design of the heat conducting paths prevents electrical short circuits. In addition, especially if the particle size is in the range of the wavelength of the relevant radiation, the absorption of light is reduced.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements weist dieses Strukturierungen an einer Lichtein- oder Lichtaustrittsfläche auf. Die Strukturierungen können dazu ausgestaltet sein, die Lichtein- oder Lichtauskoppeleffizienz zu erhöhen. Außerdem können die Strukturierungen linsenartig, etwa in Form von Mikrolinsen oder Fresnel-Linsen ausgestaltet sein. Weiterhin ist es möglich, dass über solche Strukturierungen eine besonders gute Haftung zwischen Matrixmaterial und Umhüllung gewährleistet ist. Über derartige Strukturierungen kann die Effizienz des Konversionselements erhöht werden.In accordance with at least one embodiment of the conversion element, this has structuring on a light entry or exit surface. The structuring can be designed to increase the light coupling or light coupling efficiency. In addition, the structuring can be designed like a lens, for example in the form of microlenses or Fresnel lenses. It is also possible that such structuring ensures particularly good adhesion between the matrix material and the covering. The efficiency of the conversion element can be increased via such structuring.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements beträgt die Wärmeleitfähigkeit des die Wärmeleitpartikel bildenden Materials mindestens 25 W/(mK), bevorzugt mindestens 40 W/(mK), insbesondere 75 W/(mK). Über solche Wärmeleitpartikel ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auch der Wärmeleitpfade gegeben.According to at least one embodiment of the conversion element, the thermal conductivity of the material forming the thermal conductive particles is at least 25 W / (mK), preferably at least 40 W / (mK), in particular 75 W / (mK). Such heat-conducting particles also give the heat-conducting paths a high level of thermal conductivity.
Es wird darüber hinaus ein Leuchtmittel angegeben.A lamp is also specified.
Erfindungsgemäß umfasst das Leuchtmittel mindestens ein erfindungsgemäßes Konversionselement sowie mindestens einen Halbleiterchip, der als Laserdiode, als Leuchtdiode oder als Lumineszenzdiode ausgestaltet sein kann, wobei vom Halbleiterchip emittierte Strahlung mindestens zum Teil zum Konversionselement gelangt und die vom Halbleiterchip emittierte Strahlung mindestens zum Teil in eine Strahlung einer niedrigeren Frequenz, etwa über Down-Conversion, umwandelbar ist. Ein solches Leuchtmittel kann mit hohen optischen Leistungen betrieben werden.According to the invention, the illuminant comprises at least one conversion element according to the invention and at least one semiconductor chip, which can be configured as a laser diode, as a light-emitting diode or as a luminescence diode, radiation emitted by the semiconductor chip reaching at least in part to the conversion element and the radiation emitted by the semiconductor chip at least partly in a radiation lower frequency, for example via down conversion, is convertible. Such an illuminant can be operated with high optical powers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels sind Halbleiterchip und Konversionselement räumlich voneinander getrennt. Halbleiterchip und Konversionselement können beispielsweise auf einer gemeinsamen Wärmesenke angebracht sein, jedoch einen räumlichen Abstand zueinander aufweisen. Dies ist insbesondere möglich, falls der Halbleiterchip als Laserdiode ausgestaltet ist und das von der Laserdiode emittierte Licht über eine gewisse Strecke etwa freilaufend zum Konversionselement geführt ist. Da besonders Laserlicht sehr gut kollimiert werden kann, können Halbeiterchip und Konversionselement deutlich weiter voneinander beabstandet sein, als dies im Falle einer Leuchtdiode möglich wäre. Beispielsweise sind Halbleiterchip und Konversionselement mindestens fünf Millimeter voneinander entfernt, bevorzugt mindestens zehn Millimeter. Über die räumliche Trennung von Halbleiterchip und Konversionselement kann auch eine thermische Entkopplung beider Komponenten voneinander erfolgen.In accordance with at least one embodiment of the lighting means, the semiconductor chip and conversion element are spatially separated from one another. The semiconductor chip and conversion element can, for example, be attached to a common heat sink, but have a spatial distance from one another. This is possible, in particular, if the semiconductor chip is designed as a laser diode and the light emitted by the laser diode is guided over a certain distance to the conversion element in an approximately free-running manner. Since laser light in particular can be collimated very well, the semiconductor chip and conversion element can be spaced significantly further apart than would be possible in the case of a light-emitting diode. For example, the semiconductor chip and conversion element are at least five millimeters apart, preferably at least ten millimeters. The spatial separation of the semiconductor chip and the conversion element can also thermally decouple the two components from one another.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels ist der optoelektronische Halbleiterchip eine Hochleistungsdiode. Das heißt, der Halbleiterchip hat eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens einem Watt. Alternativ oder zusätzlich beträgt die optische Leistung der zu konvertierenden Strahlung, die in das Konversionselement eingekoppelt wird, mehr als 100 mW, insbesondere mehr als 300 mW. Bei der Verwendung einer Hochleistungsdiode kann über das Konversionselement ein kompakter Aufbau realisiert werden, da die Wärme effizient aus dem Konversionselement abgeführt wird.According to at least one embodiment of the illuminant, the optoelectronic semiconductor chip is a high-performance diode. This means that the semiconductor chip has an electrical power consumption of at least one watt. Alternatively or additionally, the optical power of the radiation to be converted, which is coupled into the conversion element, is more than 100 mW, in particular more than 300 mW. When using a high-performance diode, a compact structure can be realized via the conversion element, since the heat is efficiently removed from the conversion element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels sind Halbleiterchip und Konversionselement an einem als Wärmesenke ausgestalteten Substrat angebracht. Das heißt, Halbleiterchip und Konversionselement sind über die Wärmesenke mechanisch starr miteinander verbunden. Beide Komponenten können direkt auf der Wärmesenke angebracht sein oder auch über Zwischenträger. Je nach Erfordernissen kann die Wärmesenke reflektierend oder durchlässig für die vom Leuchtmittel zu emittierende Strahlung ausgestaltet sein. Die Wärmesenke kann auch Strukturierungen, etwa in Form von Kühlrippen, aufweisen, die eine effektive Abfuhr von im Betrieb des Leuchtmittels entstehender Wärme ermöglichen. Es ist möglich, die Wärmesenke derart auszugestalten, dass ein Anschließen der Wärmesenke an einen externen, nicht zum Leuchtmittel gehörigen Träger beispielsweise über Löten oder Kleben möglich ist. Die Wärmesenke kann elektrische Strukturen aufweisen, die ein effizientes Anschließen beispielsweise des Halbleiterchips ermöglichen. Über die Verwendung einer Wärmesenke verbessern sich die thermischen Eigenschaften des Leuchtmittels sowie dessen Ausgestaltungsmöglichkeiten.According to at least one embodiment of the illuminant, the semiconductor chip and conversion element are attached to a substrate designed as a heat sink. This means that the semiconductor chip and the conversion element are mechanically rigidly connected to one another via the heat sink. Both components can be attached directly to the heat sink or via intermediate supports. Depending on requirements, the heat sink can be designed to be reflective or transparent to the radiation to be emitted by the illuminant. The heat sink can also have structures, for example in the form of cooling fins, which enable effective dissipation of heat generated during operation of the illuminant. It is possible to design the heat sink in such a way that the heat sink can be connected to an external carrier which is not part of the illuminant, for example by soldering or gluing. The heat sink can have electrical structures that enable efficient connection of the semiconductor chip, for example. Using a heat sink improves the thermal properties of the lamp and its design options.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels umfasst dieses mindestens einen Lichtleiter. Bevorzugt wird über den Lichtleiter das vom Halbleiterchip emittierte Licht zum Konversionselement geführt. Über den Lichtleiter ist eine effiziente Strahlungseinkopplung aus dem Halbleiterchip in das Konversionselement möglich. Außerdem wird Streustrahlung, die beispielsweise gefährlich für das menschliche Auge sein kann, unterdrückt.According to at least one embodiment of the illuminant, it comprises at least one light guide. The light emitted by the semiconductor chip is preferably guided to the conversion element via the light guide. Efficient coupling of radiation from the semiconductor chip into the conversion element is possible via the light guide. In addition, stray radiation, which can be dangerous for the human eye, for example, is suppressed.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels ist das Konversionselement mindestens zum Teil in den Lichtleiter integriert. Das heißt, das Konversionselement ist etwa als Kappe ausgestaltet, die auf ein Ende des Lichtleiters aufgebracht ist. Auch kann das Konversionselement innerhalb eines Mantels, der den Lichtleiter schützend umgibt, eingebettet sein. Durch ein integriertes Konversionselement kann ein besonders kompaktes Leuchtmittel realisiert werden. According to at least one embodiment of the illuminant, the conversion element is at least partially integrated into the light guide. This means that the conversion element is designed approximately as a cap which is applied to one end of the light guide. The conversion element can also be embedded within a jacket that surrounds the light guide in a protective manner. A particularly compact illuminant can be realized by an integrated conversion element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels umfasst dieses mindestens einen Lichtleiter, der eine Ummantelung mit einem wärmeleitfähigen Material aufweist. Über einen solchen Lichtleiter kann Wärme vom Konversionselement oder vom Halbleiterbauchip effizient abgeführt werden.In accordance with at least one embodiment of the illuminant, it comprises at least one light guide which has a sheathing with a thermally conductive material. Such a light guide can efficiently dissipate heat from the conversion element or from the semiconductor chip.
Einige Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebenen Konversionselemente oder Leuchtmittel Verwendung finden könnten, sind etwa die Beleuchtungen von Displays oder Anzeigeeinrichtungen, insbesondere auch im Automobilbereich. Weiterhin können die hier beschriebenen Konversionselemente und Leuchtmittel auch in Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken, in Scheinwerfern, in Kfz-Scheinwerfern oder Lichtstrahlern oder bei der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden.Some areas of application in which conversion elements or illuminants described here could be used are, for example, the illumination of displays or display devices, in particular also in the automotive sector. Furthermore, the conversion elements and illuminants described here can also be used in lighting devices for projection purposes, in headlights, in motor vehicle headlights or light spots or in general lighting.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Konversionselement sowie ein hier beschriebenes Leuchtmittel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von nicht erfindungsgemäßen Abwandlungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.A conversion element described here and a light source described here are explained in more detail below with reference to the drawings using an exemplary embodiment and using modifications not according to the invention. The same reference numerals indicate the same elements in the individual figures. However, there are no true-to-scale references shown here; rather, individual elements can be exaggerated in size for better understanding.
Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht einer Abwandlung eines Konversionselements, -
2 und3 schematische Seitenansichten von Abwandlungen von Konversionselementen mit einer Umhüllung, -
4 eine schematische Seitenansicht (A) sowie eine schematische Draufsicht (B) einer Abwandlung eines Leuchtmittels, -
5 eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Leuchtmittels mit einem Konversionselement mit Kammern, -
6 und7 schematische Seitenansichten (A) sowie schematische Draufsichten (B) von Abwandlungen von Leuchtmitteln, -
8 eine schematische Draufsicht einer Abwandlung eines Leuchtmittels mit Lichtleiter, -
9 bis 12 schematische Seitenansichten von Abwandlungen von Leuchtmitteln mit räumlich voneinander separiertem Halbleiterbauteil und Konversionselement, -
13 eine schematische Seitenansicht einer Abwandlung eines Leuchtmittels, bei dem Halbleiterbauteil und Konversionselement in direktem Kontakt zueinander stehen, und -
14 eine schematische Seitenansicht einer Abwandlung eines Leuchtmittels mit einem umgossenen Halbleiterbauteil.
-
1 a side view of a modification of a conversion element, -
2 and3 schematic side views of modifications of conversion elements with an envelope, -
4 1 shows a schematic side view (A) and a schematic top view (B) of a modification of a lamp, -
5 1 shows a schematic top view of an exemplary embodiment of a lamp with a conversion element with chambers, -
6 and7 schematic side views (A) and schematic top views (B) of modifications of lamps, -
8th 1 shows a schematic top view of a modification of a lamp with light guide, -
9 to12 schematic side views of modifications of illuminants with spatially separated semiconductor component and conversion element, -
13 is a schematic side view of a modification of a lamp, in which the semiconductor device and conversion element are in direct contact with each other, and -
14 is a schematic side view of a modification of a lamp with a molded semiconductor component.
In
Im vorliegenden Fall sind die in etwa sphärischen Partikel des Konversionsmittels
Ist das Matrixmaterial
Alternativ kann als Matrixmaterial
Das Konversionsmittel
Wie in
In der Abwandlung gemäß
Optional können an der Oberseite
In
Im Konversionselement
Halbleiterbauteil
Optional kann das Leuchtmittel
Das Ausführungsbeispiel gemäß
In
Im Gegensatz zu
Die Konzentration des Konversionsmittel
Bei hohen Konzentrationen des Konversionsmittels
Bei der Abwandlung gemäß
Bei den Abwandlungen gemäß der
Bei der Abwandlung des Leuchtmittels
Gemäß
Optional kann die Ummantelung
Bei der Abwandlung gemäß
Bei der Abwandlung gemäß
Optional ist auf dem Konversionselement
Claims (12)
Priority Applications (2)
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| US20040129946A1 (en) * | 2002-10-17 | 2004-07-08 | Hideo Nagai | Light emission apparatus |
| US6867542B1 (en) * | 2000-03-29 | 2005-03-15 | General Electric Company | Floating chip photonic device and method of manufacture |
| EP1605028A1 (en) * | 2003-03-13 | 2005-12-14 | Nichia Corporation | Light emitting film, luminescent device, method for manufacturing light emitting film and method for manufacturing luminescent device |
| US7196354B1 (en) * | 2005-09-29 | 2007-03-27 | Luminus Devices, Inc. | Wavelength-converting light-emitting devices |
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|---|---|---|---|---|
| US7123359B2 (en) * | 1999-05-17 | 2006-10-17 | Arrowhead Center, Inc. | Optical devices and methods employing nanoparticles, microcavities, and semicontinuous metal films |
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Patent Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| US6867542B1 (en) * | 2000-03-29 | 2005-03-15 | General Electric Company | Floating chip photonic device and method of manufacture |
| US20040129946A1 (en) * | 2002-10-17 | 2004-07-08 | Hideo Nagai | Light emission apparatus |
| EP1605028A1 (en) * | 2003-03-13 | 2005-12-14 | Nichia Corporation | Light emitting film, luminescent device, method for manufacturing light emitting film and method for manufacturing luminescent device |
| US7196354B1 (en) * | 2005-09-29 | 2007-03-27 | Luminus Devices, Inc. | Wavelength-converting light-emitting devices |
| US20070210326A1 (en) * | 2006-03-09 | 2007-09-13 | Makoto Kurihara | Lighting device and display device provided with the same |
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