DE102010047476A1

DE102010047476A1 - Verfahren zur konturgetreuen Herstellung von Wellenlängenkonvertern für eine auf Halbleiterlichtquellen basierende weiße oder farbige Lichtquelle

Info

Publication number: DE102010047476A1
Application number: DE102010047476A
Authority: DE
Inventors: Rainer Liebald; Wolfram Beier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-07
Also published as: DE102010047476B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von anorganischen Wellenlängenkonvertern und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte anorganische Wellenlängenkonverter für die Anwendung in Bauelementen, Komponenten und System der Licht- und Beleuchtungstechnik. Das Verfahren zur Herstellung der Konverter umfasst das Bereitstellen einer Mischung aus zumindest einem pulverisierten Glas, einem pulverisierten Leuchtstoff und einem optionalen Bindemittel und das Herstellen eines Konverterstrangs durch ein Extrudieren der Mischung mittels eines Extruders.

Description

Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Wellenlängenkonvertern und Wellenlängenkonverter als solche, insbesondere für die Anwendung in Bauelementen, Komponenten und Systemen der Licht- und/oder Beleuchtungstechnik.
Hintergrund der Erfindung
Wellenlängenkonverter, welche allgemein auch als Konverter bezeichnet werden, werden zur Konversion von Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung eingesetzt. Zur Konversion weisen die Konverter Leuchtstoffe auf, die allgemein auch als ”Phosphore” bezeichnet werden. Diese Leuchtstoffe sind in der Regel in einer organischen oder anorganischen Matrix eingebettet.
Der Konverter wird von dem Licht einer Primärlichtquelle durchstrahlt. Durch die Leuchtstoffe wird ein Teil der Primärstrahlung in eine Strahlung anderer Wellenlänge, die auch als Sekundärstrahlung bezeichnet wird, konvertiert. Durch eine Überlagerung der Primärstrahlung mit einer oder mehreren der gegebenenfalls breitbandigen Sekundärstrahlung bzw. Sekundärstrahlungen kann zum Beispiel farbiges oder weißes Licht erzeugt werden. Fallweise kann auch nur die Sekundärstrahlung als solche oder eine Überlagerung der Sekundärstrahlungen, d. h. ohne Anteile der Primärstrahlung, genutzt werden. Der Konversionsgrad ist einstellbar durch die Dicke des Konversionsmaterials, die Art und/oder die Konzentrationen der Dotierung mit Leuchtstoffen.
In einer Ausführungsform ist das Primärlicht blaues Licht, das beispielsweise von einer blau emittierenden LED stammt und der Leuchtstoff ein Lumineszenzfarbstoff, zum Beispiel gelber Phosphor des Typs Ce:YAG. Das kurzwellige blaue Licht regt den Leuchtstoff zum Leuchten an. Dieser gibt ein langwelligeres gelbes Licht ab. Doch im Allgemeinen wird das blaue Licht nicht vollständig umgewandelt. Folglich resultiert aus einer additiven Farbmischung der beiden Spektralfarben blau und gelb ein Licht, das von einem Empfänger als weißes Licht wahrgenommen wird. Es wird eine weiße LED (sogenannte WLED) gebildet.
Heutige oder auch zukünftige WLED-Systeme basieren auf anorganischen Wellenlängenkonvertern. Das prominenteste Beispiel ist die vorstehend beschriebene WLED, nämlich eine gebildete WLED basierend auf einer blauen Primärlichtquelle und einem Ce:YAG basierten Konverter.
Allen organischen oder anorganischen Konvertern ist gemein, dass diese in der Regel, insbesondere zur Applikation in bzw. auf einer LED, in kleinen Abmessungen bereitgestellt werden müssen. Im Allgemeinen liegen die Abmessungen dabei in einer Größenordnung von kleiner als oder gleich etwa 1 mm ± 0,1 mm (laterale Abmessungen) und kleiner oder gleich als wenige 100 μm ± 5 μm (Dicke). Eine derzeit typische Größenordnung liegt in einem Bereich von etwa 50 bis 500 μm für die Dicke und von etwa 300 bis 1500 μm für die lateralen Abmessungen.
Bei einer bekannten Lösung wird der Ce:YAG Leuchtstoff in eine organische Polymermatrix inkorporiert. Der Ce:YAG Leuchtstoff liegt gebunden in der Polymermatrix vor, die meist aus Epoxydharzen oder Silikonen besteht. Vollflächige Applikationen dieser Mischungen in ein LED-System, das im Allgemeinen aus Chip und Package besteht, erfolgen in der Regel durch Dispensersysteme in Tropfenform in ein Volumen innerhalb des Packages auf der LED. Exakte Dicken und damit auch Phosphorkonzentrationen lassen sich so nicht immer ausreichend kontrollieren, um gezielt spezifische weiße oder farbige LED-Systeme bestimmter Farborte im cx-cy-Raum zu produzieren.
Mit anderen Verfahren, beispielsweise dem Siebdruck, lassen sich Konverter, die auf einer organischen Materiallösung basieren, nur recht aufwändig herstellen, wenn auch somit in den erforderlichen kleinen Abmessungen. Geometrische Größen lassen sich hierbei besser einstellen als bei der vorstehend genannten ”Tropfenmethodik”. Allerdings ist auch hier mit größeren Schwankungen in den resultierenden Farborten zu rechnen und die gezielte Herstellung von phosphorkonvertierten LEDs ist ebenfalls nur eingeschränkt möglich.
Nachteilig bei den vorstehend genannten oder sogar bei allen organisch basierten Herstellungsverfahren ist, dass mit Sedimentationseffekten der Pulver, beispielsweise in Silikonen, und/oder auch mit Veränderungen in der Applizierbarkeit, insbesondere aufgrund von Änderungen in der Rheologie der Ansätze (Topfzeiten, beginnende Aushärtung) zu rechnen ist. Beispielsweise wird hierdurch die Kontrolle der applizierten Mengen erschwert, womit es folglich auch zu Verschiebungen in den zu produzierenden Farborten kommen kann.
Nachteilig generell bei einer organisch basierten Lösung ist jedoch vor allem auch die Empfindlichkeit der Polymere gegenüber Umgebungsbedingungen, wie Feuchte, Strahlung, insbesondere kurzer Wellenlängen (UV), und/oder gegenüber erhöhten Temperaturen, beispielsweise von mehr als 120°C. Das führt einzeln oder in Kombination zur Verschlechterung oder Alterung der teilweise ohnehin nicht optimalen optischen Eigenschaften der Polymere. Aufgrund dann einsetzender Quellung, Trübung, Färbung (”Yellowing”, ”Browning”) und/oder gar Zersetzung der Polymere werden die Leistung und Lebensdauer dieser lichttechnischen Systeme stark beeinträchtigt. Der Temperaturbeständigkeit kommt mit steigender Leistungsfähigkeit der Lichtquellen, wie zum Beispiel der Halbleiter-Lichtquellen auf LED- und/oder Laserdioden(LD)-Basis, eine zunehmende Bedeutung zu. Als ein Beispiel sei hierbei eine LED mit einer hohen Leistung von wenigstens 5 W genannt.
Im Gegensatz zu den Polymeren als organische Materialien besitzen anorganische Materialien, wie zum Beispiel Glas, die erforderliche Temperaturbeständigkeit. Die bekannten Verfahren zur Herstellung von anorganischen Konvertern basieren in der Regel auf Pulverprozessen, inklusive Mahlen und Mischen, Pressen (uniaxial und/oder isostatisch) sowie Prozessen wie Sintern, Vakuumsintern und gegebenenfalls uniaxiales Drucksintern und/oder ”HIPpen” (Hot Isostatic Pressing). Dabei werden flächige oder ”3D”-Körper aus einem Konvertermaterial generiert, die dann in mehreren Schritten zu dem eigentlichen Konverter oder der Konverterkomponente nachbearbeitet werden müssen. Denn die Konverter lassen sich nicht direkt in den erforderlichen kleinen Abmessungen herstellen, so dass in teilweise extrem aufwändigen Prozessketten ein Vereinzeln und Verkleinern der Konverter, zum Beispiel mittels Sägen, und eine Nachbearbeitung der Konverter, zum Beispiel mittels Schleifen und/oder auch Polieren, erforderlich sind. Der erforderliche Aufwand zur Nachbearbeitung stellt, insbesondere in der vorstehend genannten Applikation, die technologische Umsetzbarkeit zu plausiblen Kosten in Frage.
So beschreiben bspw. die Schriften EP 1880983 und US 2005274967 und WO 08096301 zumindest zum Teil mögliche Verfahren zur Herstellung von Konversionsmaterialien basierend auf keramischen Technologien, die jedoch i. d. R. die Darstellung konturgenauer Konvertergeometrien kleiner Formfaktoren ohne Nachbearbeitung bzw. Herausarbeitung der lateralen Geometrie sowie der Dicke nicht erlauben. Insbesondere die zum Teil beschriebenen Verfahren auf Foliengießtechnologie für Keramiken (Doctor-Blade Verfahren) zielen in erster Instanz auf die Herstellung der sogenannten Folien mit Flächen von einigen 100 cm² ab, welche auf jeden Fall vereinzelt, sowie oft auch in der Dicke mittels abrasiver oder ablativer Prozesse hinsichtlich des gewünschten Farbortes oder der gewünschten Farbe des finalen LED Produktes eingestellt werden müssen. Des Weiteren stellt sich zum Beispiel das Herausarbeiten von kleinen Strukturen, wie Eckenaus- oder -abschnitten (siehe dazu 4.a und 4.b) bei kleinen Formfaktoren, insbesondere von < etwa 1 bis etwa 2 mm², als sehr aufwändig und kostenintensiv dar.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Vor dem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Konvertern bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik zumindest vermindert.
Zudem soll die Funktionsfähigkeit der Leuchtstoffe bei der Herstellung der Konverter nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
Insbesondere soll auch die Herstellung von kleinen Konvertern möglich sein, die auch zur Anwendung in oder auf LEDs, vorzugsweise mit hoher Leistung, geeignet sind.
Ferner soll auch eine kostengünstige Herstellung der Konverter ermöglicht werden.
Gelöst werden diese Aufgaben bereits durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Allgemein sieht die vorliegende Erfindung Extrusion bzw. Extrudieren als Verfahren zur Herstellung von ”miniaturisierten” Konvertern vor. Es ist allgemein ein Extrudierverfahren zur konturgetreuen Herstellung von Wellenlängenkonvertern, insbesondere für eine auf Halbleiterlichtquellen basierende weiße oder farbige Lichtquelle, bestehend zumindest aus einem Matrixglas und mindestens einem Leuchtstoff.
Im Detail beansprucht die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von, vorzugsweise anorganischen, Konvertern, umfassend ein Bereitstellen und/oder Herstellen einer Mischung zumindest aus einem pulverisierten Glas und einem pulverisierten Leuchtstoff, vorzugsweise sowie zumindest einem optionalen Bindemittel und/oder zumindest einem optionalen Additiv, und Herstellen eines Konverterstrangs durch ein Extrudieren der Mischung mittels einer Einrichtung zum Extrudieren, vorzugsweise mittels eines Extruders.
Je nach Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Konverter basiert das Verfahren auf einem Urformprinzip und/oder einem Umformprinzip.
Urformen beschreibt ein Fertigungsverfahren, bei dem aus einem formlosen, zum Beispiel pulverförmigen, Stoff ein fester Körper hergestellt wird. Es wird dazu verwendet, die Erstform eines geometrisch bestimmten, festen Körpers herzustellen und einen Stoffzusammenhalt zu schaffen.
Umformen beschreibt ein Fertigungsverfahren, bei dem ein fester oder formstabiler Werkstoff durch geeignete Kräfte plastisch so verformt wird, dass im Wesentlichen ohne Veränderung der Masse oder des Stoffzusammenhalts das gewünschte Werkstück aus ihm entsteht. Ein Körper wird als formstabil bezeichnet, wenn er unter Umgebungsbedingungen ohne Einwirkung zusätzlicher äußerer Kräfte seine Form kaum verändert.
Extrusion wird üblicherweise verwendet zum Urformen von Kunststoffformmassen. Das pulver- und/oder granulatförmige Ausgangsmaterial wird hierzu durch eine Öffnung gepresst. Das pulver- und/oder granulatförmige Ausgangsmaterial kann in einer Einrichtung zum Extrudieren, vorzugsweise einem Extruder, homogenisiert, plastifiziert, verdichtet und/oder erwärmt werden.
Unter dem erfindungsgemäß genannten Extrusionsverfahren wird auch ein Verfahren verstanden, das üblicherweise als Strangpressen bezeichnet wird und auf dem Umformprinzip basiert. In diesem Verfahren wird ein auf Umformtemperatur erwärmter Pressling oder Formkörper mit einem Stempel durch eine Öffnung oder Matrize gedrückt. Strangpressen kommt im Allgemeinen bei der Heißumformung von Metallen zum Einsatz. Dabei wird das entsprechende Verfahren zum Strangpressen von Kunststoffen wiederum als Extrusion bezeichnet.
Das Extrudieren und das Strangpressen, das erfindungsgemäß auch vom Extrudieren erfasst ist, werden in der Einrichtung zum Extrudieren durchgeführt. Für das Extrudieren wird die Einrichtung zum Extrudieren im Allgemeinen als Extruder bezeichnet.
Wie vorstehend bereits zu den Verfahren ausgeführt wurde, wird die Mischung oder ein Formkörper durch eine Öffnung oder Ausgangsöffnung gepresst bzw. gedrückt. Die Größe und/oder die Geometrie bzw. die Kontur der Öffnung bestimmt bzw. bestimmen die Größe und/oder die Geometrie bzw. Kontur des hergestellten Konverterstrangs. Daher kann die Öffnung auch als formgebende Öffnung bezeichnet werden. Die Öffnung definiert somit bereits die Gestalt und die Abmessungen des final herzustellenden Konverters. Falls jedoch ein Schrumpf beim einem nachfolgenden Tempern auftreten sollte, besitzt die Öffnung die entsprechend vergrößerten Abmessungen, um den Schrumpf zu kompensieren Die Öffnung kann eine Düse und/oder ein formgebendes Bauteil sein, welches der Düse nachgeschaltet ist. Das formgebende Bauteil wird auch als Mundstück bezeichnet.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens basieren zum Beispiel auf der Möglichkeit, Profile auch in komplizierten Formen und in kleinen Abmessungen herstellen zu können.
In überraschender Weise wurde hier ein Verfahren zur Herstellung von Konvertern gefunden, mit welchem aus mehrphasigen, beispielsweise Glaspulver und mindestens einem Leuchtstoff, pulverbasierten Preformen oder vorgepressten und gegebenenfalls gesinterten Grünlingen, geometrisch präzise Formen hergestellt werden können. Insbesondere kommt es nahezu zu keinen oder keinen die Funktion wesentlich beeinträchtigenden Segregationseffekten durch das Extrusionsverfahren.
Der Konverter oder das Konversionsmaterial umfasst hierbei zumindest ein Glas, welches die Matrix für den Konverter bildet. Es wird daher auch als Matrixglas bezeichnet. Ein Konverter, der auf einer anorganischen Matrix oder auf einer im Wesentlichen anorganischen Matrix basiert, wird als anorganischer Konverter bezeichnet. Der zumindest eine Leuchtstoff ist bzw. wird in die Matrix eingebettet. Das pulverisierte Matrixmaterial, d. h. das pulverisierte Glas, ist ein Pulver, vorzugsweise mit einer Korngrößenverteilung von Korngrößen d10 >= 0,7 μm, d50 >= 3 μm und d90 <= 200 μm. Der d50- oder auch Medianwert, ist derjenige Wert, welcher eine Korngröße angibt, bei der 50% der Partikel feiner und 50% gröber als der angegebene Wert sind. Vorzugsweise besitzen somit 50% der Partikel eine Korngröße von größer als oder gleich 3 μm. Die d10- und d90-Werte beschreiben die Grenze für 10% bzw. 90% der Partikel. Vorzugsweise besitzen somit höchstens 10% der Partikel eine Korngröße von kleiner als 0,7 μm und höchstens 10% der Partikel eine Korngröße von größer als 200 μm.
Die Herstellung der Matrixmaterialien erfolgt vorzugsweise über ein Schmelzen der Glasrohstoffe, ein Bilden einer Fritte oder von dünnen Scherben durch ein Ausgießen der Schmelze, beispielsweise in Wasser und/oder zwischen gekühlten Walzen, und ein Aufmahlen der Fritte oder der Scherben zu einem Glas- und/oder einem Glaskeramikpulver. Das Aufmahlen des Matrixmaterials zu einem Pulver erfolgt derart, dass das Pulver die vorstehend genannte Korngrößenverteilung aufweist.
Das Herstellen der Mischung erfolgt vorzugsweise durch ein Versetzen des Matrixmaterialpulvers mit dem zumindest einen Leuchtstoff. Das Konversionsmaterial oder der Konverter umfasst somit zusätzlich wenigstens einen Leuchtstoff. Die Mischung enthält wenigstens einen Leuchtstoff. Der wenigstens eine Leuchtstoff besitzt vorzugsweise eine Körnung mit einem mittleren Durchmesser d50 zwischen 1 μm und 50 μm, bevorzugt zwischen 1 μm und 20 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 15 μm. Als Beispiele für den zumindest einen Leuchtstoff seien ohne Beschränkung der Allgemeinheit Ce:YAG, Ce:LuAG, Siliziumoxynitride (SiONe), vorzugsweise mit Seltenerdenmetallen, beispielsweise Eu, aktivierte SiONe, Siliziumaluminiumoxynitride (SiAlONe), vorzugsweise mit Seltenerdenmetallen, beispielsweise Eu, aktivierte SiAlONe, Sulfide und/oder Silicate, vorzugsweise Orthosilicate genannt. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend genannten Leuchtstoffe beispielhaft und nicht auf diese Aufzählung beschränkt sind.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die Ausgangssubstanzen der Mischung, beispielsweise als Pulver und/oder als Granulat, in der Einrichtung zum Extrudieren, vorzugsweise den Extruder, bereitgestellt bzw. in diese eingebracht, so dass das Versetzen und das Mischen in der Einrichtung zum Extrudieren erfolgt. Die genannten Ausgangssubstanzen sind, vorzugsweise zumindest, das pulverisierte Glas, der pulverisierte Leuchtstoff und das optionale Bindemittel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Mischung als solche, d. h. erst nach dem Versetzen und insbesondere nach dem Mischen der Ausgangssubstanzen, in die Einrichtung zum Extrudieren eingebracht. Es erfolgt somit ein Einbringen der Mischung in die Einrichtung zum Extrudieren.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden nach dem Mischen die entstandenen Pulvermischungen aus der Glasmatrix und dem zumindest einen Leuchtstoff einem Formgebungsverfahren zugeführt. Durch das Formen entsteht ein Formkörper. Es erfolgt ein Formen eines Formkörpers aus der Mischung und ein Einbringen des Formkörpers in die der Einrichtung zum Extrudieren, so dass der geformte Formkörper extrudiert wird.
Der Formkörper stellt einen Glasmatrixverbundwerkstoff dar, und zwar, vorzugsweise zumindest, aus dem pulverisierten Glas, dem pulverisiertem Leuchtstoff und dem optionalen Bindemittel. Es wird ein Körper in einer bestimmten Form, die der Form des herzustellenden Konverters angepasst sein kann, hergestellt, wobei die Bestandteile des Formkörpers einen gewissen Stoffzusammenhalt besitzen.
Da der Formkörper aus einem pulverförmigen Stoff aufgebaut oder hergestellt ist, wird dieser auch als Grünkörper bezeichnet. Durch das erfindungsgemäße Formen ist es bereits möglich, mechanisch stabile Formkörper unterschiedlicher Geometrie, insbesondere unterschiedlicher Querschnittsgeometrie, bereitzustellen. Das Pulver wird dazu vorzugsweise in eine Form gebracht. Das Verfahren ist vorteilhaft, da das Formen nicht ”perfekt” sein muss. Denn Unregelmäßigkeiten oder Fehlstellen in dem Formkörper, aus welchem letztendlich der Konverter hergestellt wird, werden durch das nachfolgende Extrudieren ”ausgeheilt” oder auf ein im Wesentlichen unbedeutendes Maß verkleinert. Poren, Korngrenzen und/oder andere Inhomogenitäten sind Beispiele für die genannten Unregelmäßigkeiten.
In einer Ausführungsform erfolgt das Formen des Formkörpers durch ein Pressen der Mischung oder Pulvermischung. Es können hierzu verschiedene Pressformgebungsverfahren zum Herstellen der Rohlinge oder der Formkörper genutzt werden. Optional kann die Pulvermischung, insbesondere anstelle des Pressens und/oder vor dem Pressen, mit dem zumindest einen optionalen Bindemittel und/oder dem zumindest einen optionalen Additiv versetzt werden. Das Bindemittel und/oder das Additiv stellen in dieser Ausführungsform im Allgemeinen auch einen Bestandteil der Ausgangssubstanzen dar. Die Mischung wird in dieser Ausführungsform mit zumindest einem Bindemittel und/oder zumindest einem Additiv bereitgestellt oder diese werden der Mischung zugegeben.
Das Bindemittel stellt eine gewisse Eigenfestigkeit bereit. Das Bindemittel dient zur stoffschlüssigen Verbindung zwischen den pulverförmigen Substanzen. Es ist ein Bindemittel zum Haften und/oder Verbinden. Als Beispiele für das Bindemittel seien Polyethylen, Polystyrol, Polyacrylat-Dispersionen, Methylcellulose, Campher, Polyethylenglykol, Wachse, wie zum Beispiel Paraffinwachse, Polyethylenwachse und/oder Naturwachse, und/oder fallweise Wasser genannt. Ein Bindemittel ist vorzugsweise bei einer Kaltverarbeitung einzusetzen. Dabei wird bzw. werden das pulverisierte Glas und/oder der pulversierte Leuchtstoff nicht oder nur insoweit erwärmt, dass diese selbst nicht aneinander haften können.
Das Additiv ist wenigstens ein Additiv, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Plastifizierer, einem Gleitmittel und einem Netzmittel. Beispiele für Gleitmittel sind wiederum die vorstehend genannten Wachse. Zu den Netzmitteln, welche vorzugsweise zur Verbesserung der Benetzungseigenschaften eingesetzt werden, zählen bspw. Öl- und/oder Stearinsäuren. Beispiele für die Plastifizierer, welche auch als Plastifiziermittel bezeichnet werden, sind Polyethylen-, Polypropylen- und/oder Vinylcopolymere. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend genannten Bindemittel, Additive, Plastifizierer, Gleitmittel und Netzmittel beispielhaft und nicht auf diese Aufzählung beschränkt sind.
In einer erfindungsgemäßen Variante erfolgt das Pressen uniaxial. Bei diesem Verfahren wird der Pressdruck nur in einer Richtung auf die Pulvermischung ausgeübt. Hierbei. hängen die Verdichtungseigenschaften stark von der Rieselfähigkeit des Pulvers ab.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante erfolgt das Pressen kalt isostatisch (KIP). Beim kalt isostatischen Pressen wird die Pulvermischung in eine elastische Form gefüllt. Auf diese wird von Außen über eine Flüssigkeit ein hydrostatischer Druck aufgebaut. Der Pressdruck ist hierbei in allen Richtungen gleich groß. Diese Methode bietet den Vorteil, dass Rohlinge hoher Isotropie und gleichmäßiger Verdichtung erzeugt werden können. Ein homogenes Verdichten ist relevant für einen möglichst fehlerfreien optionalen Sinterprozess.
Ein Vorteil eines ausschließlich durch Pressen gebildeten Formkörpers liegt darin begründet, dass dieser noch einfach zu bearbeiten ist. Die Geometrie des Formkörpers kann dabei angepasst an die Geometrie des herzustellenden Konverters gewählt werden. Eine zusätzliche Formgebung kann jedoch insbesondere dann erforderlich sein, sofern die vorstehend genannte Formgebung nicht oder nicht ausreichend endgeometrienah möglich sein sollte. Ein Beispiel stellt hierfür das Ausarbeiten einer Ecke dar (siehe dazu die 4.a und 4.b). Eine zusätzliche Formgebung oder Bearbeitung des Formkörpers kann zum Beispiel abrasiv, beispielsweise spahnend, sein.
Ein nur geformter und nicht verpresster Formkörper kann in einer ersten Ausgestaltung durch ein einfaches Anhaften der Bestandteile der Mischung aneinander und/oder durch das Bindemittel erfolgen. Bevorzugte Bindemittel sind Acrylatdispersionen, bspw. aus der Plextol-Familie, bspw. der Firma Röhm, und/oder auch sublimierbare Stoffe, wie zum Beispiel Campher.
Durch das bloße Formen und/oder das bloße Pressen ohne eine thermische Behandlung wird der Leuchtstoff und/oder das Matrixmaterial ”geschont”. Die Gefahr einer unerwünschten Färbung und/oder einer Beeinträchtigung der Lumineszenz-Eigenschaften durch wiederholtes Erwärmen kann dadurch reduziert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt ein Tempern, wie zum Beispiel ein Sintern des, vorzugsweise geformten und/oder gepressten, Formkörpers. Durch das Sintern kann ein fester Verbund erzielt werden. Dieser Sinterprozess kann in einer weiteren Ausführungsform auch druckgestützt, zum Beispiel als vorzugsweise uniaxialer Heißpressprozess, durchgeführt werden.
Bei einer kalten Verarbeitung und/oder einer Verarbeitung bei einer Temperatur, bei welcher das pulverisierte Glas und/oder der pulversierte Leuchtstoff nicht oder nicht ausreichend erwärmt und erweicht sind, dass diese selbst aneinander haften können, vorzugsweise von kleiner als 1000°C, ist im Allgemeinen das Verwenden zumindest eines Bindemittels erforderlich, um einen Verbund zu erhalten.
Es erfolgt bei binderhaltigen Grünkörpern auch die Entbinderung des Grünkörpers bzw. das Entfernen des Bindemittels während des Sinterprozesses und/oder durch eine gezielte Prozessführung, insbesondere nach dem Sinterprozess, mit Haltzeiten bei Temperaturen, die einen Binderausbrand oder allgemein ein Entfernen des Bindemittels ermöglichen. In der Regel erfolgt dies bei Temperaturen von T > 200°C, jedoch unterhalb der Erweichungstemperatur EW der Glasmatrix bei einer Viskosität von 10e7.6 dPas, vorzugsweise damit der Ausbrand nicht wesentlich durch sich bereits schließende Poren behindert wird.
Die erforderlichen Erweichungstemperaturen sind abhängig von der jeweiligen Glasssorte. Im Fall der im Rahmen der Ausführungsbeispiele angegebenen Beispielglasfamilien 1 und 2 liegt die Erweichungstemperatur EW in einem Bereich bei T < 673–735°C.
Das Entbindern bzw. das Entfernen des Bindemittels kann auch, je nach Bindemittel, unterstützt oder alleinig durch weitere Prozesse erfolgen. Beispielhaft sei das Lösen von Naturwachsen mittels Temperatur und ggf. Wasser sowie die Verwendung von Aceton zum Auflösen von Polystyrol und/oder Ethanol, Wasser und/oder Aceton zum Auflösen von Polyolefinwachsen genannt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Aufzählung beispielhaft und nicht auf diese beschränkt ist.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein weiteres Verdichten bzw. Pressen des gesinterten Formkörpers, vorzugsweise heissisostatisch (HIP). Hierbei handelt es sich um ein Fertigungsverfahren, bei welchem der Formkörper in einem beheizbaren Druckkessel unter Schutzgas verdichtet wird. Dabei wirkt der Gasdruck von allen Seiten auf die Pulvermischung. Die auf diese Art hergestellten Rohlinge sind dicht und haben isotrope Eigenschaften.
Die nach einem der oben genannten Verfahren oder einer Kombination hieraus hergestellten Formkörper werden dem der Einrichtung zum Extrudieren, vorzugsweise dem Extruder, zugeführt.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die eingebrachte Mischung oder der eingebrachte Formkörper in der Einrichtung zum Extrudieren insoweit erwärmt, so dass die Mischung oder der Formkörper, insbesondere zumindest abschnittsweise, verformbar ist. In einer Ausführung wird die eingebrachte Mischung oder der eingebrachte Formkörper in zumindest einem Abschnitt der Einrichtung zum Extrudieren auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Glas eine Viskosität in einem Bereich von etwa 10² dPas bis etwa 10⁹ dPas, bevorzugt 10³ dPas bis etwa 10⁸ dPas, besonders bevorzugt von etwa 10^3,5 dPas bis etwa 10^7,8 dPas, besitzt. Für den Fall, dass der Grünling gesintert oder getempert wird, erfolgt das Extrudieren des verdichteten Formkörpers vorzugsweise bei der Verarbeitungstemperatur VA des Matrixglases. Das entspricht einer Viskosität von etwa 10⁴ dPas. Vorzugsweise bei den hohen Viskositäten, welche einer niedrigen Temperatur entsprechend, wird das zumindest eine Bindemittel eingesetzt.
Für den Fall, dass der Grünling nicht gesintert oder nicht getempert wird, enthält dieser das Bindemittel als eine Art Plastifizierer. Dies ermöglicht das Extrudieren im kalten Zustand. Denn der Formkörper besitzt bereits im kalten Zustand, zum Beispiel bei Raumtemperatur, die zum Extrudieren erforderlichen plastischen Eigenschaften.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Vereinzeln des extrudierten Konverterstrangs zum Bereitstellen einzelner Konverter. Das Vereinzeln des extrudierten Konverterstrangs erfolgt, vorzugsweise direkt oder unmittelbar, nach der Ausgangsöffnung der Einrichtung zum Extrudieren. Vorzugsweise werden die Plättchen oder Konverterplättchen abgeschnitten, zum Beispiel mittels einer SiC-Schere, mit nachfolgendem Abkühlen der fertigen Plättchen. Vorzugsweise wird dabei der extrudierte Konverterstrang auf die Zielgröße der Konverter vereinzelt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst ein ”Ablängen” oder Kürzen des Konverterstrangs, beispielsweise auf einige 10 cm, und ein Vereinzeln oder Zerschneiden, zum Beispiel mit einer Multi-Wire-Säge, des abgelängten Konverterstrangs zum Bereitstellen der einzelnen Konverter. Vorzugsweise erfolgt das Vereinzeln erst nach einem Abkühlen des extrudierten und abgelängten Konverterstrangs.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung wird bzw. werden der extrudierte Konverterstrang oder der abgelängte Konverterstrang oder die vereinzelten Konverter einer Wärmebehandlung zugeführt, so dass eine Verformung der vereinzelten Konverter korrigierbar ist und/oder das optionale Bindemittel aus der Mischung und/oder dem extrudierten Konverterstrang und/oder dem vereinzelten Konverter entfernbar ist.
Eine mögliche Ausgestaltung der korrigierenden Formgebung ist ein dem Vereinzeln nachgeschalteter Senkungsprozess, beispielsweise auf einer ebenen geheizten Platte. Dadurch können durch das Vereinzeln oder Schneiden verursachte Krümmungen beseitigt werden.
Vorzugsweise zum Entfernen des Bindemittels wird bzw. werden der extrudierte Konverterstrang oder der abgelängte Konverterstrang oder die vereinzelten Konverter auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Glas eine Viskosität in einem Bereich von etwa 10⁴ dPas bis etwa 10¹³ dPas, bevorzugt 10⁵ dPas bis etwa 10¹⁰ dPas, besonders bevorzugt von etwa 10⁶ dPas bis etwa 10⁸ dPas, besitzt.
Die Behandlung erfolgt in einer Ausführungsform in einem Bereich von etwa VA (Verarbeitungstemperatur) bis EW (Erweichungstemperatur) des Matrixglases, so dass das Bindemittel verdampft und/oder ausbrennt. Aufgrund der Oberflächenspannung der Plättchen und eines viskosen Fließens des Glasanteils verfestigt sich das Plättchen zu einem dichten Endprodukt.
Um eine wirtschaftliche Herstellung der Konverter zu gewährleisten, wird eine Mehrzahl der abgelängten Konverterstränge zu einer Gruppe angeordnet. Es erfolgt ein Verbinden der gruppierten Konverterstränge zu einem Bündel, insbesondere durch Mittel zum Verbinden. Die gruppierten Konverterstränge werden sozusagen gebündelt. In dem Bündel können beispielsweise bis zu einige 100 Konverterstränge enthalten sein. Ein Beispiel für die Mittel zum Verbinden stellt Wachs dar. Ein weiteres Beispiel für die Mittel zum Verbinden stellt eine Art mechanische Halterung dar. Diese mechanische Halterung kann durch eine Art Zange oder ein um das Bündel greifendes Band bereitgestellt werden. Die Konverterstränge sind vorzugsweise trennbar miteinander verbunden, so dass diese nach dem Schneiden wieder voneinander getrennt werden können.
In einem nächsten Schritt wird das Bündel einer Trenn-, zum Beispiel einer Schneidvorrichtung, zugeführt. Das Bündel wird auf die Zieldicke der Konverter vereinzelt. Das Vereinzeln zu diesen Konverterbündelscheiben wird durch zumindest eine Methode durchgeführt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Ritzen, Brechen, Sägen und Schneiden. Laser- und/oder Wasserstrahlschneiden stellen zwei mögliche Beispiele dar. Die Trennvorrichtung kann beispielsweise auch eine Säge, vorzugsweise eine sogenannte ”Multi-Wire-Säge”, sein. Diese besitzt einige 10 bis einige 100 Sägedrähte.
In einem abschließenden Schritt werden die Konverter aus den Konverterbündelscheiben herausgetrennt oder vereinzelt und vorzugsweise gereinigt. Das Vereinzeln kann beispielsweise durch ein Auflösen der Mittel zum Verbinden in einer schwachen Säure erfolgen. Ein weiteres Beispiel ist das Erweichen eines verwendeten Wachses durch eine ausreichende Temperaturerhöhung.
Alle vorstehend genannten Verfahren führen zu dem fertigen Konverterplätten mit den gewünschten kleinen Abmessungen. Da erfindungsgemäß zumindest ein Verfahrensschritt mit einer Temperaturerhöhung vorgesehen ist, wie zum Beispiel die Temperaturerhöhung auf VA, werden mögliche Fehler in den Konverterplättchen reduziert. Denn durch die herrschende Oberflächenspannung, durch ein viskoses Fließen des Matrixglases und/oder des Leuchtstoffs und/oder durch Diffusionsprozesse können diese Fehler im Wesentlichen ausheilen. Ferner können alle erfindungsgemäßen Varianten des Verfahrens kontinuierlich und somit wirtschaftlich durchgeführt werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Konverter, insbesondere ein anorganischer Konverter, welcher herstellbar, insbesondere hergestellt, ist mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Konverter umfassen Konverter beliebiger Geometrie. Die Konverter sind beispielsweise polygonförmige Prismen, Linsen, Stablinsen und Konverter mit konvexen, konkaven, sphärischen oder asphärischen, zum Beispiel elliptischen, zylindrischen oder parabolischen Oberflächen.
In den vorstehend beschriebenen Verfahren werden zunächst Konverterstränge extrudiert, wobei deren Querschnitt in der x- und y-Koordinate im Allgemeinen bereits die gewünschte laterale Zielgeometrie des einzelnen Konverters darstellt. Durch das Vereinzeln oder Trennen wird die Zieldicke eines Konverters als z-Koordinate erreicht.
In einer Ausführungsform wird der Konverterstrang als ein Konverterband geformt. Denn mittels der Erfindung ist deren Herstellung wirtschaftlich umsetzbar. Die Dicke des Bandes ist entsprechend der Zieldicke (z-Koordinate) eines Konverters, die Breite als eine laterale Geometriedimension des Konverters gewählt. Durch ein Trennen des Bandes entsprechend der gesamten Zielgeometrie des Konverters oder des Konverterelements können alle geometrischen Zielgrößen erreicht werden. Insbesondere hier kommt Laserschneiden als bevorzugtes Trennverfahren zur Vereinzelung des Bandes zum Konverterelement zum Tragen, da hier beispielsweise direkt eine Eckenaussparung geschnitten werden kann.
Die vorstehend genannten Konverterformen sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
Eine erste Gruppe bevorzugter erfindungsgemäßer Gläser für die Matrix bzw. für das Matrixglas weist die nachfolgenden Eigenschaften auf: eine Brechzahl, die größer oder gleich 1,6 ist, wobei das Matrixglas einen Brechwert größer oder gleich 1,6, bevorzugt 1,65–2,0, bevorzugt 1,8–1,95, hat und damit an die Leuchtstoffe, insbesondere Ce:YAG n~1,8, angepasst ist. Die Differenz zur Brechzahl des Materials eines Halbleiterelementes ist ”minimiert”, welche je nach Konfiguration des Halbleiterelementes beispielsweise: 1,8 (Saphir) oder 2,5 (GaN oder InGaN) bis 3,5 (AlInGaP) beträgt. Insbesondere im direkten Kontakt von Konverter und Halbleiterelement ist diese Anpassung im Rahmen des Möglichen wichtig, um effizient Licht in den Konverter einzukoppeln.
Erfindungsgemäß enthält die Mischung zumindest ein Glas. Die folgenden Gläser oder Glasfamilien erfüllen die erfindungsgemäßen Anforderungen in überraschender Weise sehr gut:
Lanthan-Borosilicatgläser mit Zinkanteil, Aluminium-Borosilicate mit Yttriumanteil und Erdalkali-Silicate.
Beispielgläser sind:

• N-LaSF40 (SCHOTT AG), N-LASF46 (SCHOTT AG)
• P-LaSF47 (SCHOTT AG), K-VC89 (Sumita),
• N-KzFS5 (SCHOTT AG), S-NBH5 (Ohara),
• N-KZFS8 (SCHOTT AG),
• Y₂O₃-haltige Gläser (SCHOTT AG) mit n_d größer oder gleich 1,6: N-LAK9, N-LAK33A, N-LAK34, N-LAF2, N-LAF7, N-LAF21, N-LAF34, N-LASF44, P-LASF47 sowie K-LAFK60 (Sumita)

Die nachfolgend beschriebenen Gläser und Glasfamilien einer zweiten bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen erfüllen die erfindungsgemäßen Anforderungen überraschenderweise ebenfalls, weisen jedoch einen Brechungsindex auf, welcher kleiner als 1,6 ist.
Der Brechungsindex dieser Gläser liegt bevorzugt bei 1,43 bis 1,6, bevorzugt bei 1,45 bis 1,49. Hierdurch sind diese Gläser an die Brechzahl der die Lichtquellen umgebenden und üblicherweise verwendeten Polymere (Epoxyde oder Silikone, i. a. Polymer mit n_d zw. 1,3 und 1,6) relativ gut angepasst.
Ferner wird die Differenz zur Brechzahl von Luft als letztlich das Gesamtsystem Lichtquelle umgebendes Medium deutlich vermindert.
Bevorzugte Gläser dieser Gruppe umfassen beispielsweise Zink-Phosphate, Borosilikcate, Aluminium-Borosilicate und Erdalkali-Silicate.
Beispielhafte Gläser sind:

• BF33/BF40 (SCHOTT AG), Pyrex (Corning)
• 8250 (SCHOTT AG)
• AF32 (SCHOTT AG), AF37 (SCHOTT AG), AF45 (SCHOTT AG),
1737 (Corning), Eagle 2000 (Corning), Eagle XG (Corning)
• N-SK 57 (SCHOTT AG)
• D263 (SCHOTT AG)
• Opt. Gläser K-PBK40 (Sumita), K-CSK120 (Sumita), P-SK5 (Hikari), K-PSK50 (Sumita), D-K9L (GDGM), D-ZK2 (GDGM), D-ZK3 (GDGM)

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
1.a und 1.b illustrieren beispielhaft das Extrudieren einer Mischung aus zumindest einem pulverisierten Glas und aus einem pulverisierten Leuchtstoff.
2.a und 2.b illustrieren beispielhaft das Extrudieren einer gesinterten oder getemperten Mischung aus zumindest einem pulverisierten Glas und einem pulverisierten Leuchtstoff.
3.a und 3.b illustrieren beispielhaft das Extrudieren einer Mischung aus zumindest einem pulverisierten Glas und einem pulverisierten Leuchtstoff sowie einem Binder.
4.a bis 4.b zeigen einen extrudierten beispielhaften Konverterstrang in einer räumlichen Darstellung (4.a) und im Querschnitt (4.b).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Nachfolgend wird zunächst das Herstellen oder Bereitstellen des pulverisierten Matrixmaterials am Beispiel eines Glases aus der in der allgemeinen Beschreibung genannten ersten Gruppe von Gläsern illustriert (Angaben in gew%): Glasfamilie Bsp. 1:

SiO₂	3–7
B₂O₃	16–22
Al₂O₃	0–1
ZnO	3–26
TiO₂	1–11
ZrO₂	1–8
La₂O₃	32–45
Nb₂O₅	5–16
WO₃	0–7
Y₂O₃	0–5
BaO	0–6
MgO	0–6
CaO	0–6
SrO	0–6
Summe Erdalkalioxide	0–10
Läutermittel	0–2
n_d	1,8–1,9
CTE_(20,300°C) [10^–6/K]	6,9–7,2
Tg [°C]	585–645
T (η = 10^7,6 dPas) [°C]	673–735
T (η = 10⁴dPas) [°C]	786–852

Glasfamilie Bsp. 2:

SiO₂	55–79
B₂O₃	3–25
Al₂O₃	0–10
Li₂O	0–10
Na₂O	0–10
K₂O	0–10
Li₂O + Na₂O + K₂O	0,5–16
MgO	0–2
CaO	0–3
SrO	0–3
BaO	0–3
ZnO	0–3
MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO	0–10
ZrO₂	0–3
CeO₂	0–1
WO₃	0–1
Läutermittel	0–2
z. B.


Oxide
SiO2	68,2
B2O3	19
Al2O3	2,7
Li2O	0,7
Na2O	0,7
K2O	7,9
ZnO	0,6
n_d	1,49
CTE (20,300°C) [10–6/K]	5,0
Tg [°C]	488
T (η = 10^7,6 dPas) [°C]	715
T (η = 10⁴ dPas ) [°C]	1060

Die Rohstoffe für die Oxide, werden abgewogen, ein oder mehrere Läutermittel, wie zum Beispiel As₂O₃, zugegeben und anschließend gut gemischt. Das Glasgemenge wird bei ca. 1330°C in einem, vorzugsweise diskontinuierlichen, Schmelzaggregat eingeschmolzen, danach geläutert (1380°C) und homogenisiert. Bei einer Gusstemperatur von etwa 1380°C kann das Glas gegossen und zu den gewünschten Abmessungen z. B. als Ribbons verarbeitet werden. In großvolumigen, kontinuierlichen Aggregaten können die Temperaturen erfahrungsgemäß um mindestens ca. 100 K abgesenkt werden. Ribbons werden erhalten durch Gießen des Glases über zwei Walzen. Diese lassen sich besser zu Pulver vermahlen als Scherben.
Das Pulver des Ausgangsglases, insbesondere vermahlen auf eine Körnung mit der Verteilung von d10 >= 0,7 μm, d50 >= 3 μm und d90 <= 200 μm, wird mit einem Leuchtstoff, zum Beispiel Ce:YAG einer Körnung mit einem mittleren Durchmesser d50 zwischen 1 μm und 50 μm, bevorzugt zwischen 1 μm und 20 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 15 μm, auf Basis von Gewichtsprozenten eingewogen und in einem Mischaggregat, beispielsweise einem Taumelmischer Turbula (Typ T2C/Fa. Willi A. Bachofen/Basel) oder Speedmix (Typ DAC 150 FVZ/Hauschildt Engineering) über 1 bis 120 min, bevorzugt 1 bis 5 min (Speedmix) bzw. 15 bis 120 min (Turbula), besonders bevorzugt 1 bis 3 min (Speedmix) bzw. 60 bis 120 min (Turbula), gemischt.
Die 1.a bis 1.b zeigen das Weiterverarbeiten der pulverförmigen Ausgangsstoffe bzw. der Mischung in einer Einrichtung zum Extrudieren 10, hier einem Extruder 10, die bzw. der hier beispielhaft vertikal ausgeführt ist.
Die Ausgangssubstanzen 1 zur Herstellung der Konverter 6 werden über die hier seitlich angeordnete Öffnung 11 in den Extruder 10 eingebracht. Die Ausgangssubstanzen umfassen hier das pulverisierte Matrixglas 1 und den pulverisierten Leuchtstoff 2 und einen optionalen Binder. Alternativ wird die bereits fertig hergestellte Mischung 3, wie zum Beispiel vorstehend beschrieben hergestellt, in den Extruder 10 eingebracht. Im Inneren des Extruders 10 ist eine Schnecke 12 angeordnet. Diese wird angetrieben über einen Antrieb 13.
Zum einen werden die in dem Extruder 10 eingebrachten Stoffe 1, 2 oder 3 mittels der rotierenden Schnecke 12 durchmischt. Dadurch wird eine Mischung 3 aus den Ausgangssubstanzen 1 und 2 hergestellt. Zum anderen wird die so hergestellte Mischung 3 bzw. die eingebrachte Mischung 3 in Richtung der Ausgangsöffnung 14 des Extruders 10 befördert und verdichtet. Zusätzlich ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt ist, mittels derer die Mischung 3 erwärmt wird. Die Mischung 3 wird insoweit verdichtet und erwärmt, so dass die Bestandteile der Mischung 3 aneinander haften können bzw. miteinander verschweißbar sind. Die Mischung 3 wird hierbei Bedingungen ausgesetzt, welche ein Sintern der Bestandteile der Mischung 3 ermöglichen. Die Mischung 3 tritt aus der Ausgangsöffnung 14, welche auch als Düse 14 bezeichnet wird und ein zusätzliches Mundstück aufweisen kann, aus dem Extruder 10 aus. Die Abmessungen und die Form des Düse 14 definieren die Abmessungen und die Form bzw. den Querschnitt des extrudierten Konverterstrangs 5 und damit auch des herzustellenden Konverterplättchen 6 bzw. des Konverters 6.
In einer ersten Ausführungsform erfolgt das Vereinzeln des Konverterstrangs 5 direkt hinter der Düse 14 bzw. dem Mundstück des Extruders 10 (siehe 1.a) mittels einer Trennvorrichtung 20. Vorzugsweise werden die Konverter 6, zum Beispiel mittels einer SiC-Schere 20, abgeschnitten, vorzugsweise mit einem nachfolgendem Abkühlen der fertigen Konverterplättchen 6. Das Abkühlen kann, wie in der Figur gezeigt, passiv und somit ohne aktive äußere Einwirkung erfolgen. Das Abkühlen kann aber auch zum Beispiel mittels einer gezielten Luftströmung unterstützt werden. Dazu können Düsen für Luft und/oder Kühlfinger im Bereich der Trennvorrichtung 20 vorgesehen sein.
Die Konverter 6 fallen auf ein Förderband 30 und können weiteren Verarbeitungsschritten, wie zum Beispiel dem Einbau in einer WLED zugeführt werden. Das ist jedoch in den Figuren nicht mehr dargestellt.
Sofern die vereinzelten Konverter 6 eine nicht erwünschte, zum durch das Vereinzeln bedingte, Verkrümmung aufweisen, erfolgt in einer Weiterbildung der Erfindung eine dem Vereinzeln nachfolgende, vorzugsweise korrigierende, Formgebung. Eine Möglichkeit ist ein nachgeschalteter Senkungsprozess, beispielsweise auf einer ebenen geheizten Platte oder auf dem hier dargestellten Förderband 30, welches beheizt wird. Dazu ist eine Heizeinrichtung 40, die sich abschnittsweise entlang des Förderbandes 30 und auch vorzugsweise um das Förderband 30 erstreckt, vorgesehen.
In einer alternativen Ausführungsform folgt dem Extrudieren zunächst ein Abkühlen des extrudierten Konverterstrangs 5 (siehe 1.b). Das Vereinzeln oder Zerschneiden erfolgt dann am abgekühlten Konverterstrang 5, zum Beispiel mittels einer Multi-Wire-Säge, was jedoch in den Figuren nicht mehr gezeigt ist.
In einer anderen Ausführungsform wird die hergestellte Mischung 3 zunächst einem weiteren Verarbeitungsschritt zugeführt, bevor sie in die Einrichtung zum Extrudieren 10, vorzugsweise in den Extruder 10, eingebracht wird.
Die Pulvermischung oder auch das pure Glaspulver wird nach dem Durchmischen in Portionen der Gestalt entnommen, dass ein Pulverkörper oder Formkörper 4 mit einem Durchmesser/Querschnitt von ca. 1 bis 10 cm und einer Länge von 10 bis 200 cm erstellt werden kann. Es wird vorzugsweise ein Stab, der auch als Barren bezeichnet werden kann, bereitgestellt. Der Stab besitzt eine gegenüber seinem Durchmesser/Querschnitt deutlich größere aber endliche Länge.
Die Schüttung erfolgt auf ein thermisch stabiles Substrat in ein die Schüttung begrenzendes beispielsweise rohr-, ring- oder quaderförmiges Element und wird manuell verfestigt und/oder in einer entsprechenden Pressform einem uniaxialen (bspw. Presse der Fa. Paul Weber; Typ PW40) und/oder kaltisostatischen (Presse der Fa. Paul Weber; Typ KIP500E) Pressprozess zugeführt, der durch Zugabe üblicher Presshilfsmittel optimiert gestaltet werden kann. Der Druckbereich für den uniaxialen Pressprozess liegt bei 100 bis 5000 bar, vorzugsweise 500 bis 2500 bar. Der Druckbereich für den kaltisostatischen Pressprozess liegt bei 500 bis 3000 bar, vorzugsweise 1000 bis 2500 bar. Dies erfolgt derart, dass anschließend die äußere Abgrenzung der Form entfernt werden kann.
Danach erfolgt in einer Ausführungsform der Erfindung ein Sintern der Proben 6 bei Temperatur-, Zeitregimen (Aufheizraten und Haltezeiten), die den Matrixgläsern hinsichtlich deren Erweichungstemperatur angepasst sind.
Abhängig von der Steilheit des Viskositätsverlaufes des Glases liegen ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Zieltemperaturen T der Temperung im Bereich zwischen EW (Erweichungstemperatur) und Va (Verarbeitungstemperatur) des Matrixglases, in der Regel in einem Regime von EW + 150 K oder so, dass die Viskosität des eingesetzten Glases im Bereich zwischen η = 10¹⁴ dPas und η = 10⁶ dPas, bevorzugt zwischen η = 10^13,5 dPas und η = 10⁷ dPas, besonders bevorzugt zwischen η = 10¹⁰ dPas und h = 10⁷ dPas liegt.
Die Aufheizung erfolgt so, dass von einem ausgeglichenen Temperaturniveau im Ofen und insbesondere der Schüttung bzw. ggf. mehrerer Schüttungen ausgegangen werden kann.
Insbesondere das zu wählende Zeitregime ist dabei typischerweise von Art, Größe und Auslegung (auch der Regelung) des Sinteraggregats abhängig. Im vorliegenden Ofen (Typ Nabertherm N70/H; Regelung Naber C16 und Eurotherm Typ 2604) haben sich Aufheizraten zwischen 1 K/min bis 30 K/min, bevorzugt 1 K/min bis 20 K/min, besonders bevorzugt 1 K/min bis 10 K/min, auf Zieltemperatur und Haltezeiten vor Abkühlung mit Ofenkennlinie von 0 bis 60 min, bevorzugt 0 bis 30, besonders bevorzugt 10 bis 30 min, bewährt.
Nach dem Sintern des geformten und beispielhaft gepressten Formkörpers 4 werden die entstandenen Kompositkörper 4, hier bestehend aus der Glasmatrix und dem zumindest einen Leuchtstoff nachbearbeitet. Die genannten Formkörper 4 oder Kompositkörper 4 werden auch als Grünlinge 4 oder Vorformlinge 4 bezeichnet. Sie werden nachbearbeitet, indem sie einem erfindungsgemäßen Extrusionsverfahren zugeführt werden. Der Formkörper 4 wird vorzugsweise als eine Art Stab dem Extrudieren zugeführt.
Die 2.a und 2.b zeigen hierzu das Extrudieren der gesinterten oder getemperten Mischung 3 bzw. des Form- oder Grünkörpers 4. Der Aufbau der Anlage ist zum Teil vergleichbar mit dem in den 1.a und 1.b gezeigten Aufbau. Sofern nicht ausdrücklich auf unterschiedliche Merkmale hingewiesen wird, beziehen sich die vorstehenden Ausführungen auch die nachfolgend beschriebenen 2.a und 2.b In diesem Verfahren wird der Grünkörper 4 oder Formkörper 4 in die Einrichtung zum Extrudieren 10 eingebracht, auf seine Umformtemperatur erwärmt und mit einem Stempel 15 durch die Ausgangsöffnung 14 oder Matrize 14 bzw. Düse 14 gedrückt. Beispielsweise wird der Stempel 15 aus der Einrichtung zum Extrudieren 10 herausgefahren und der Grünkörper 4 von oben eingebracht. Vorzugsweise erfolgt das Extrudieren in etwa bei VA des Matrixglases 1 (Verarbeitungstemperatur). Dies entspricht einer Viskosität von etwa 10⁴ dPas. Die Düse 14 der Einrichtung 10 definiert die Endkontur bzw. den Querschnitt des Konverterstrangs 5 und des Konverters 6. In der in 2.a dargestellten Ausführungsform erfolgt das Vereinzeln wiederum direkt hinter der Düse 14 mittels einer Einrichtung 20. Dagegen erfolgt das Vereinzeln bei der in 2.a gezeigten Ausführungsform erst nach einem Abkühlen des extrudierten Konverterstrangs 5.
Die 3.a und 3.b illustrieren das Extrudieren einer Mischung 3 aus zumindest einem pulverisierten Glas 1, einem pulverisierten Leuchtstoff 2 und einem Bindemittel 7, das auch kurz als Binder bezeichnet wird. Der Aufbau der Anlage ist vergleichbar mit den in den 1.a bis 2.b gezeigten Aufbauten. Sofern nicht ausdrücklich auf unterschiedliche Merkmale hingewiesen wird, beziehen sich die vorstehenden Ausführungen auch auf die 3.a und 3.b.
Diese Beschreibung ist auf eine Ausführungsform bezogen, in welcher der Grünling 4 nicht gesintert oder nicht getempert ist, jedoch zusätzlich einen Binder 7 als Plastifizierer bzw. zum Plastifizieren enthält. Da der hergestellte Formkörper oder Vorformling plastisch ist, ermöglicht dies sogar ein Extrudieren des Formkörpers im ”kalten” Zustand. Die Düse 14 und/oder das Mundstück der Einrichtung zum Extrudieren 10 definiert bzw. definieren die Endkontur des extrudierten Konverterstrangs 5. Sofern beim dem nachfolgenden Tempern ein Schrumpf des Konverterstangs 5 oder des vereinzelten Konverters 6 auftreten sollte, besitzt die Düse 14 und/oder das Mundstück die entsprechend vergrößerten Abmessungen.
Zunächst illustriert 3.a das Vereinzeln, vorzugsweise Abschneiden, der Konverterplättchen 6 bzw. Konverter 6, vorzugsweise unmittelbar, hinter der Düse 14 und/oder dem Mundstück. Danach wird eine Temperatur- oder Wärmebehandlung der vereinzelten Konverter 6 durchgeführt. Vorzugsweise erfolgt die Behandlung in etwa bei VA des Matrixglases, so dass der Binder 7 verdampft und/oder ausbrennt. Aufgrund de Oberflächenspannung der Konverter 6 und eines viskosen Fließens des Glasanteils verfestigt sich das Plättchen zu einem dichten Endprodukt. Dieser Schritt kann kontinuierlich erfolgen, beispielsweise in einem, wie hier dargestellt, in Reihe angeordneten Horizontaldurchlaufofen 50. Dieser erstreckt sich beispielhaft um das Förderband 30, auf dem die Konverter 6 nach dem Vereinzeln abgelegt werden.
3.a zeigt eine weitere Ausführungsform, in welcher der extrudierte Konverterstrang 5 durch eine Heizeinrichtung 60 geführt wird. Nach dem Passieren der Düse 14 und/oder des Mundstücks wird der Strang 5 beispielsweise durch einen Zonenofen 60 geführt. Dieser kann, wie hier beispielhaft dargestellt, vertikal angeordnet sein. Dabei würde auch, wie hier ebenso gezeigt, vertikal extrudiert werden. Beim Passieren des Ofens 60 erfolgt eine Verdichtung des Stranges 5 aufgrund seiner Oberflächenspannung und des viskosen Fließens des Matrixglases bei der Ofentemperatur. Nach dem Abkühlen wird der Konverterstrang 5 dann vereinzelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von kleinen Bauteilen, insbesondere Konvertern 6 oder Konverterplättchen 6. Durch das Extrudieren kann der Konverterstrang 5 auf einen Durchmesser oder Querschnitt von wenigen Millimetern oder sogar, insbesondere für Bänder, auf eine Dicke von einigen 10 μm verjüngt werden. Die Endkontor, d. h. die Form und/oder die Abmessungen des extrudierten Konverterstrangs 5 bzw. des vereinzelten Konverterplättchen 6 werden maßgeblich durch die Form und/oder die Abmessungen der Düse 14 und/oder des Mundstücks bestimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch kleine Konverterplättchen 6 mit komplexen Konturen einfach herstellen.
Eine Form oder eine Geometrie des Konverters 6, welche im Allgemeinen nicht oder nur unter erhöhtem Aufwand in einem Formgebungsschritt erzielt werden kann, ist in den 4.a und 4.b illustriert. 4.a zeigt den extrudierten Konverterstrang 5 in einer perspektivischen Darstellung.
4.a zeigt den Konverterstrang 5 oder das einzelne Konverterplättchen 6 in seinem Querschnitt. Der Querschnitt ist beispielhaft quadratisch gewählt. In einer Ecke ist eine Aussparung eingearbeitet. Das gewählte Beispiel besitzt einen Querschnitt von 1000 μm mal 1000 μm und eine Dicke von 150 μm. Die Aussparung in der Ecke besitzt einen Querschnitt von 100 μm mal 100 μm.
Die dunkel dargestellte Fläche des Konverterstrangs 5 und des Konverters 6 beschreiben die Trennfläche. Das ist die Fläche, entlang welcher der Konverter 6 von dem Strang 5 abgetrennt wurde. Unter der Annahme, dass diese Fläche, die im Allgemeinen die Lichteintrittsseite oder -austrittsseite darstellt, nicht poliert wird, finden sich dort die Spuren der Trennvorrichtung 20. Beispielsweise können sich dort die Sägespuren einer Säge wiederfinden. Dagegen beschreibt die hell dargestellte Fläche des Konverterstrangs 5 bzw. der Umfang des Strangs 5 die Fläche, die die Seitenflächen oder die Kanten des Konverters 6 bilden. Die Kante ist im Allgemeinen nicht wesentlich für die optische Güte eines Konverters 6. Die Eigenschaften dieser Fläche oder Kante werden im Allgemeinen durch die Eigenschaften der Ausgangsöffnung 14 des Extruders 10 beeinflusst. Unter der Annahme das diese Seitenfläche nicht poliert wird, so kann sich zum Beispiel ein Kratzer oder ein Grat in der Ausgangsöffnung als ein Ziehstreifen an dem Konverterstrang 6 wiederfinden. Dabei verläuft der Zioehstreifen im Wesentlichen entlang der Längsache des Konverterstrangs 6. Durch ein Stapeln und Ausrichten einzelner Konverterplättchen 6, welche aus einem „Batch” und/oder von derselben Vorrichtung stammen, könnten dann die Konverterplättchen dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordnet werden.
Der Grünkörper 4 kann vor dem Extrudieren an die Kontur des zu extrudierenden Konverterstrangs 5 angepasst sein. Zum Beispiel kann diese Ecke nach dem Formen des Grünkörpers 4 mittels eines material-abtragenden Verfahrens, wie zum Beispiel Spanen oder einem abrasiven Verfahren, insbesondere Schleifen oder Läppen, an dem Grünkörper 4 eingebracht werden.
Die nicht direkt vereinzelten extrudierten Konverterstränge 5 mit ausgeformter lateraler Zielgeometrie können abgelängt werden (siehe die 1.b, 2.b und 3.b). Mittels einer mechanischen Einrichtung und/oder Mitteln zum Verbinden, beispielsweise einem Wachs und/oder einem Kleber, können mehrere Konverterstränge 5 zu einem Bündel gefügt werden und gemeinsam einem Trennverfahren, beispielsweise mittels einer Multi-Wire Säge, zur Vereinzelung auf eine Konverterzieldicke zugeführt werden. Die so erhaltenen Scheiben werden abschließend zu einzelnen Konverterelementen 6 durch Trennen oder Auflösen oder Lösen des Verbindungsmittels vereinzelt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Merkmale einzelner Ausführungsformen und die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Merkmale können jeweils untereinander als auch miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Pulverisiertes Glas oder Matrixglas
2: Pulverisierter Leuchtstoff
3: Mischung
4: Formkörper oder Grünkörper oder Kompositkörper
5: Konverterstrang oder extrudierter Konverterstrang
5': abgelängter Konverterstrang
6: Konverter oder Konverterplättchen
7: Bindemittel oder Binder
10: Einrichtung zum Extrudieren, vorzugsweise Extruder
11: Eingang oder Eingangsöffnung
12: Schnecke
13: Antriebseinrichtung für die Schnecke
14: Ausgangsöffnung oder Düse oder Matrize
15: Stempel
20: Trenneinrichtung oder Säge oder Laser
30: Förderband
40: Heizrichtung
50: Heizrichtung oder Horizontaldurchlaufofen
60: Heizrichtung oder Zonenofen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1880983 [0012]
US 2005274967 [0012]
WO 08096301 [0012]

Claims

Verfahren zum Herstellen von, vorzugsweise anorganischen, Konvertern (6), umfassend ein Bereitstellen einer Mischung (3) zumindest aus einem pulverisierten Glas (1) und einem pulverisierten Leuchtstoff (2) und Herstellen eines Konverterstrangs (5) durch ein Extrudieren der Mischung (3) mittels einer Einrichtung zum Extrudieren (10).
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung mit zumindest einem Bindemittel (7) und/oder mit zumindest einem Additiv bereitgestellt wird, wobei das zumindest eine Additiv einen Plastifizierer, ein Gleitmittel und/oder ein Netzmittel umfasst.
Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Einbringen der Mischung (3) in die Einrichtung zum Extrudieren (10) oder durch ein Formen eines Formkörpers (4) aus der Mischung (3) und ein Einbringen des Formkörpers (4) in die Einrichtung zum Extrudieren (10), so dass der geformte Formkörper (4) extrudiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des Formkörpers (4) ein Pressen der Mischung (3) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen uniaxial erfolgt und/oder dass das Pressen kalt isostatisch (KIP) erfolgt und/oder dass der geformte und/oder gepresste Formkörper, vorzugsweise druckgestützt, gesintert wird und/oder dass das Pressen heissisostatisch (HIP) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellte und/oder eingebrachte Mischung (3) und/oder der eingebrachte Formkörper (4) in der Einrichtung zum Extrudieren (10) erwärmt wird, so dass die Mischung (3) oder der Formkörper (4) verformbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellte und/oder eingebrachte Mischung (3) oder der eingebrachte Formkörper (4) in zumindest einem Abschnitt der Einrichtung zum Extrudieren (10) auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Glas eine Viskosität in einem Bereich von etwa 10² dPas bis etwa 10⁹ dPas besitzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Vereinzeln des extrudierten Konverterstrangs (5) zum Bereitstellen einzelner Konverter (6) oder ein Ablängen des extrudierten Konverterstrangs (5) und ein Vereinzeln des abgelängten Konverterstrangs (5') zum Bereitstellen einzelner Konverter (6).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der extrudierte Konverterstrang (5) und/oder der abgelängte Konverterstrang (5') und/oder die vereinzelten Konverter (6) einer Wärmebehandlung zugeführt wird bzw. werden, so dass eine Verformung der vereinzelten Konverter (6) korrigierbar ist und/oder das Bindemittel (7) aus der Mischung (3) und/oder dem extrudierten Konverterstrang (5) und/oder dem abgelängten Konverterstrang (5') und/oder dem vereinzelten Konverter (6) entfernbar ist und/oder dass das Bindemittel (7) durch ein Auflösen des Bindemittels entfernbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der extrudierte Konverterstrang (5) oder der abgelängte Konverterstrang (5') oder die vereinzelten Konverter (5) auf eine Temperatur erwärmt wird bzw. werden, bei der das Glas eine Viskosität in einem Bereich von etwa 10⁴ dPas bis etwa 10¹³ dPas besitzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Anordnen einer Mehrzahl von abgelängten Konvertersträngen (5') zu einer Gruppe, insbesondere durch ein, vorzugsweise lösbares, Verbinden der gruppierten Konverterstränge (5) zu einem Bündel, insbesondere durch Mittel zum Verbinden und vorzugsweise ein Zuführen des Bündels zu einer Trennvorrichtung und ein Vereinzeln des Bündels auf eine Zielgröße der Konverter (6).
Konverter, insbesondere ein anorganischer Konverter, der herstellbar ist mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.