DE102011084949A1

DE102011084949A1 - Konverteranordnung, Verfahren zum Herstellen der Konverteranordnung und Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE102011084949A1
Application number: DE102011084949A
Authority: DE
Inventors: Dirk Berben
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-10-22
Also published as: US20140268644A1; DE102011084949B4; WO2013056931A1

Abstract

Eine Konverteranordnung (20) weist ein Kristall oder Keramik aufweisendes Konverterelement (26) mit zumindest einem Leuchtstoff und ein Kühlelement (24) zum Abführen von Wärme aus dem Konverterelement (26) auf. Das Konverterelement (26) und das Kühlelement (24) sind in direktem körperlichem Kontakt miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Konverteranordnung, die ein Konverterelement mit zumindest einem Leuchtstoff und ein Kühlelement zum Abführen von Wärme aus dem Konverterelement aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der Konverteranordnung und eine Beleuchtungsanordnung, die die Konverteranordnung aufweist.
Heutzutage kommen bei modernen Beleuchtungseinrichtungen vermehrt energieeffiziente und intensitätsstarke Lichtquellen wie LEDs (light emitting diode – Licht emittierende Diode) bzw. Laser, meist in Form von Laserdioden, zum Einsatz. Anders als Glühlampen, bei denen es sich um thermische Strahler handelt, emittieren diese Lichtquellen Licht in einem eng begrenzten Spektralbereich, so dass ihr Licht praktisch monochrom ist. Eine Möglichkeit, weitere Spektralbereiche zu erschließen, besteht beispielsweise in der Lichtkonversion, bei welcher Leuchtstoffe mittels LEDs und/oder Laserdioden bestrahlt werden und durch die im Leuchtstoff auftretende Wellenlängenkonversion ihrerseits Licht einer anderen Wellenlänge emittieren. Bei sogenannten „Remote-Phosphor“(Fern-Phosphor)-Anwendungen wird beispielsweise eine sich in einem Abstand zu einer Lichtquelle befindende phosphorhaltige Schicht üblicherweise mittels LEDs oder Laserdioden beleuchtet und strahlt ihrerseits Licht mit einem anderen Spektrum ab. Beispielsweise kann diese Technik verwendet werden, um mit Licht blauer LEDs durch Beimischung von gelbem Licht, welches durch Anregung einer phosphorhaltigen Schicht mit dem blauen Licht erzeugt wird, weißes Mischlicht zu erzeugen.
Für Remote-Phosphor-Anwendungen werden dünne Leuchtstoffschichten wie kubische Silikat-Minerale, Orthosilikate, Granate oder Nitride auf Oberflächen von entsprechenden Trägern aufgebracht. Die Leuchtstoffschichten werden dabei meist mit Bindemitteln mechanisch auf einem Träger fixiert und austrittsseitig für die Nutzung der Lichtemission an ein optisches System (Linsen, Kollimatoren, etc.) angeordnet, wobei die Lichtkopplung beispielsweise über Luft oder mittels eines Immersionsmediums erfolgen kann. Um eine möglichst optimale optische Anbindung des optischen Systems zum Leuchtstoff zu gewährleisten und Lichtverluste zu vermeiden, sollte eine möglichst direkte optische Anbindung gewährleistet werden.
Bei den vorstehend genannten Anwendungen werden die Leuchtstoffe für gewöhnlich mittels LEDs und/oder Laserdioden mit hohen Lichtleistungen zur Emission angeregt. Die dabei entstehenden thermischen Verluste (z.B. durch den Stokes-Shift bei der Wellenlängenkonversion) sind, beispielsweise über den Träger, abzuführen, um eine Überhitzung und damit thermisch bedingte Änderungen, beispielsweise eine Verschlechterung, der optischen Eigenschaften oder auch die Zerstörung des Leuchtstoffes zu vermeiden. Gängige Methoden zur Umgehung dieses Problems bestehen in der Verwendung eines mit Leuchtstoff bepasteten Farbrads oder in der Begrenzung der Lichtleistung, mit welcher die Leuchtstoffschichten bestrahlt werden.
Die Leuchtstoffe, die zumeist pulverförmig vorliegen, bilden ohne eine zusätzliche Verwendung von Bindemitteln, beispielsweise Silikonen, keine mechanisch stabilen Schichten, d.h. keine abrieb- und/oder kratzfesten Schichten. Bindemittel werden aber auch generell verwendet, um die Leuchtstoffteilchen zu einer Phase zusammenzubringen, welche dann auf entsprechende Oberflächen aufgetragen werden kann. Bei Verwendung von Bindemitteln zur Schichtstabilisierung können jedoch diese Binder selbst mit den Leuchtstoffen in Wechselwirkung treten und damit ihre optischen und thermischen Eigenschaften, sowie ihre Lebensdauer, negativ beeinflussen. Darüber hinaus stellt die thermische Leitfähigkeit der Bindemittel häufig eine begrenzende Größe bei der Abfuhr von im Konverterelement entstehender Wärme dar.
Als Alternativen sind Konverterelemente bekannt, die aus einer den Leuchtstoff umfassenden Keramik oder aus einem den Leuchtstoff umfassenden Kristall gebildet sind. Insbesondere kann der Leuchtstoff die Keramik bzw. das Kristall bilden. Derartige Konverterelemente können an Kühlkörpern festgeklebt werden, damit die darin entstehende Wärme abgeführt werden kann. Eine begrenzende Größe für die Abführung der Wärme ist dabei die thermische Leitfähigkeit des verwendeten Klebstoffs. Des Weiteren ist es einer guten Wärmeabfuhr zuträglich, wenn die Konverterelemente besonders dünn ausgebildet werden. Eine begrenzende Größe für die Dicke des Konverterelements ist jedoch die mit schwindender Dicke schwindende mechanische Stabilität des Konverterelements und die nötige Handhabbarkeit beim Aufbringen des Konverterelements auf den Kühlkörper. Das Konverterelement kann eine Oberfläche von einigen Quadrat-Millimetern bis hin zu einigen Quadrat-Zentimetern oder größer aufweisen. Dies kann bei sehr dünnen Konverterelementen zu einem hohen Ausschuss beim Herstellungsprozess führen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Konverteranordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Konverteranordnung bereitgestellt, die bzw. das die oben genannten Nachteile zumindest reduziert oder vermeidet, wobei beispielsweise ein verbesserter Wärmeabtransport gewährleistet werden kann und so ein großer Energieeintrag in die Konverteranordnung ermöglicht werden kann. Ferner wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Beleuchtungsanordnung bereitgestellt, bei der ein verbesserter Wärmeabtransport aus dem Konverterelement gewährleistet werden kann.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Konverteranordnung bereitgestellt. Die Konverteranordnung weist ein Kristall oder Keramik aufweisendes Konverterelement mit zumindest einem Leuchtstoff und ein Kühlelement zum Abführen von Wärme aus dem Konverterelement auf. Das Konverterelement und das Kühlelement sind in direktem körperlichem Kontakt miteinander verbunden.
Dass das Konverterelement und das Kühlelement in direktem körperlichem Kontakt miteinander verbunden sind, bedeutet, dass der Kontakt direkt, unmittelbar und insbesondere ohne makroskopische Zwischenschicht, beispielsweise aus Klebstoff, Kupfer oder einem Lötmedium wie Lötzinn, zwischen dem Kühlelement und Konverterelement besteht. Beispielsweise kann der Abstand zwischen dem Konverterelement und dem Kühlelement in der Größenordnung von Nanonmeter, Subnanometer, Gitterkonstante oder Atomlage betragen. Dies wird im Folgenden der Einfachheit halber als direkter körperlicher Kontakt bezeichnet. Dieser direkte körperliche Kontakt ermöglicht eine optimale Wärmeabfuhr von dem Konverterelement zu dem Kühlelement. Dies trägt dazu bei, eine hohe Energiemenge in das Konverterelement einbringen zu können und diese schnell und effektiv abführen zu können, ohne dass das Konverterelement durch die hohe Energiemenge beschädigt wird. Dass das Kristall oder Keramik aufweisende Konverterelement zumindest einen Leuchtstoff aufweist, kann bedeuten, dass die Keramik bzw. das Kristall aus dem Leuchtstoff gebildet sind.
Der verwendete Leuchtstoff ist in der Keramik eingebettet bzw. in der Kristallstruktur eingebaut und kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Leuchtstoffgemisch sein, welches eine Mischung aus verschiedenen Leuchtstoffen aufweist, wodurch beispielsweise Licht erzeugt werden kann, welches mehrere unterschiedliche Farben vereint. Geeignete Leuchtstoffe sind im Stand der Technik bekannt. Übliche Leuchtstoffe sind beispielsweise Granate oder Nitride Silikate, Nitride, Oxide, Phosphate, Borate, Oxynitride, Sulfide, Selenide, Aluminate, Wolframate, und Halide von Aluminium, Silizium, Magnesium, Calcium, Barium, Strontium, Zink, Cadmium, Mangan, Indium, Wolfram und anderen Übergangsmetallen, oder Seltenerdmetallen wie Yttrium, Gadolinium oder Lanthan, die mit einem Aktivator, wie zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Mangan, Zink, Zinn, Blei, Cer, Terbium, Titan, Antimon oder Europium dotiert sind. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist der Leuchtstoff ein oxidischer oder (oxi-)nitridischer Leuchtstoff, wie ein Granat, Orthosilikat, Nitrido(alumo)silikat, Nitrid oder Nitridoorthosilikat, oder ein Halogenid oder Halophosphat. Konkrete Beispiele für geeignete Leuchtstoffe sind Strontiumchloroapatit:Eu((Sr, Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu; SCAP), Yttrium-Aluminium-Grant:Cer(YAG:Ce) oder CaAlSiN₃:Eu. Ferner können im Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffgemisch beispielsweise Partikel mit Licht streuenden Eigenschaften und/oder Hilfsstoffe enthalten sein. Beispiele für Hilfsstoffe schließen Tenside und organische Lösungsmittel ein. Beispiele für Licht streuende Partikel sind Gold-, Silber- und Metalloxidpartikel. Das Konverterelement kann beispielsweise vollständig oder nur teilweise aus Kristall oder Keramik bestehen. Ferner kann beispielsweise das Kristall-Konverterelement ein Einkristall sein. Unabhängig davon kann das Konverterelement ein Matrixmaterial aufweisen, das beispielsweise Diamant oder Al₂O₃ aufweisen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sind das Konverterelement und das Kühlelement aufgrund des direkten körperlichen Kontakts miteinander verbunden. Aufgrund des direkten körperlichen Kontakts können das Konverterelement und das Kühlelement aneinander haften, beispielsweise aufgrund der atomaren Bindungskräfte, die aufgrund des direkten körperlichen Kontakts zwischen dem Kühlelement und dem Konverterelement wirken. Dabei bewirkt der direkte körperliche Kontakt, beispielsweise mit einem Abstand von atomarer Größenordnung, dass das Konverterelement und das Kühlelement ohne weitere Hilfs- oder Klebemittel oder Verbinder aneinander haften. Die atomaren Bindungskräfte sind beispielsweise Van-der-Waals Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol Bindungen, Kohäsions- und/oder Adhäsionskräfte.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Konverterelement auf dem Kühlelement aufgesintert, aufgesprengt oder mittels Wasserstoffbrückenbindungen verbunden werden. Dies ermöglicht auf besonders einfache und effektive Weise, das Konverterelement und das Kühlelement in direktem körperlichem Kontakt zueinander zu verbinden, beispielsweise bei einem Abstand in atomarer Größenordnung bzw. im Nanometer- oder Subnanometerbereich.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Kühlelement Metall oder Keramik aufweisen. Dies kann zu einer besonders guten Wärmeabfuhr durch das Kühlelement beitragen. Beispielsweise kann das Kühlelement Al₂O₃, BN oder AlN, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Tantal und/oder Rhenium aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlelement Graphit und/oder Graphen aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann eine Dicke des Konverterelements kleiner oder gleich 50 μm sein, insbesondere kleiner oder gleich 10 μm. Die geringe Dicke des Konverterelements trägt zu der besonders guten Wärmeabfuhr aus dem Konverterelement bei.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Konverteranordnung einen Kühlkörper aufweisen, der mit dem Kühlelement gekoppelt ist. Der Kühlkörper ermöglicht eine besonders gute Wärmeabfuhr aus dem Kühlelement. Beispielsweise kann das Kühlelement an dem Kühlkörper festgeklebt oder angelötet sein. Dies ermöglicht die Verbindung des Kühlelements mit dem Kühlkörper auf besonders einfache Weise. Beispielsweise kann zwischen dem Kühlelement und dem Kühlkörper eine Kupfer- und/oder Lötzinnschicht ausgebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zum Herstellen der Konverteranordnung bereitgestellt, bei dem das Kristall oder Keramik aufweisende Konverterelement, das zumindest den Leuchtstoff aufweist, zum Abführen der Wärme aus dem Konverterelement so mit dem Kühlelement verbunden wird, dass das Konverterelement und das Kühlelement direkt körperlich miteinander in Kontakt sind. Der direkte körperliche Kontakt ohne Zwischenschicht ermöglicht eine optimale Wärmeabfuhr von dem Konverterelement zu dem Kühlelement. Dies trägt dazu bei, eine hohe Energiemenge in das Konverterelement einbringen zu können und gleichzeitig die dadurch entstehende Wärme schnell und effizient abführen zu können. Dass das Kristall oder Keramik aufweisende Konverterelement den Leuchtstoff aufweist, kann auch bedeutet, dass das Konverterelement aus dem Kristall oder der Keramik gebildet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können das Konverterelement und das Kühlelement derart miteinander verbunden werden, dass sie aufgrund des direkten körperlichen Kontakts aneinander haften. Der direkte körperliche Kontakt bewirkt dann nicht nur die thermisch günstige Kopplung zwischen Kühlelement und Konverterelement, sondern stellt auch die feste Verbindung zwischen Kühlelement und Konverterelement sicher.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können das Konverterelement und das Kühlelement unabhängig voneinander hergestellt und dann miteinander verbunden werden. Dies kann zu einem einfachen und kostengünstigen Herstellungsprozess beitragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Konverterelement auf dem Kühlelement aufgesprengt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann das Konverterelement über Wasserstoffbrückenbindungen an dem Kühlelement festgelegt werden. Dies bewirkt auf einfache und effektive Weise sowohl den direkten körperlichen Kontakt als auch die feste Verbindung zwischen Kühlelement und Konverterelement.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können eine Oberfläche des Konverterelements und eine Oberfläche des Kühlelements mit einer derart geringen Rauheit hergestellt oder entsprechend bearbeitet werden, beispielsweise nachbearbeitet werden, dass das Konverterelement und das Kühlelement nach dem körperlichen miteinander direkt in Kontakt bringen an den entsprechenden Oberflächen aufgrund von atomaren Bindungskräften aneinander haften. Dies ermöglicht auf besonders einfache und effektive Weise das Konverterelement und das Kühlelement in direkten körperlichem Kontakt zueinander zu verbinden, beispielsweise ohne Klebstoff. Beispielsweise können die atomaren Bindungskräfte Van-der-Waals Kräfte und/oder Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Oberfläche des Kühlelements und/oder die Oberfläche des Konverterelements mit der geringen Rauheit hergestellt oder bearbeitet werden, indem die entsprechenden Oberflächen poliert, geschliffen, geätzt, gebeizt oder sandgestrahlt werden oder mit Hilfe von Laserablation bearbeitet werden. Dies ermöglicht auf besonders einfache und effektive Weise, die Oberflächen mit der geringen Rauheit zu erzeugen. Die geringe Rauheit kann beispielsweise bedeuten, dass die Rauheit im Bereich atomarer Größenordnungen liegt. Beispielsweise können die Oberfläche des Kühlelements und die Oberfläche des Konverterelements mit einer Rauheit im Nanometerbereich hergestellt oder bearbeitet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können das Kühlelement und das Konverterelement in einem Vakuum miteinander in Kontakt gebracht werden. Dies trägt dazu bei, dass keine makroskopischen Verunreinigungen wie Staub zwischen die beiden Oberflächen des Kühlelements und des Konverterelements geraten oder Gaseinschlüsse zwischen den Oberflächen entstehen, was wiederum zu einer festen Verbindung und einer guten Wärmekopplung zwischen dem Konverterelement und dem Kühlelement beiträgt. Das Vakuum kann beispielsweise eine Atmosphäre mit einem Druck im Grob-, Fein, Hoch-, Ultrahoch- oder Extremvakuum sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann vor dem in Kontakt bringen des Kühlelements mit dem Konverterelement Flüssigkeit auf zumindest eine der beiden Oberflächen aufgebracht werden, so dass nach dem in Kontakt bringen die miteinander kontaktierten Oberflächen zumindest teilweise aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen aneinander haften. Dies verstärkt die atomaren Bindungskräfte aufgrund derer das Konverterelement und das Kühlelement aneinander haften.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Konverterelement auf dem Kühlelement hergestellt werden. Dies kann einfach ermöglichen, das Konverterelement und das Kühlelement in direktem körperlichem Kontakt miteinander zu verbinden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Konverterelement auf dem Kühlelement aufgesintert oder aufgewachsen werden. Beispielsweise kann das Konverterelement auf dem Kühlelement aufgesintert werden, wenn das Konverterelement im Wesentlichen aus Keramik besteht, und das Konverterelement kann auf dem Kühlelement aufgewachsen werden, wenn das Konverterelement im Wesentlichen aus Kristall besteht. Dies trägt auf besonders effektive Weise dazu bei, das Konverterelement auf dem Kühlelement auszubilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Kühlelement auf dem Konverterelement hergestellt bzw. ausgebildet werden, indem das Kühlelement mit einem Schlicker beschichtet wird, der den Leuchtstoff aufweist. Der Schlicker wird auf dem Kühlelement gesintert, wobei der gesinterte Schlicker das Konverterelement darstellt. In anderen Worten wird der Schlicker auf dem Kühlelement gebacken. Dies ermöglicht auf besonders einfache und effektive Weise das Konverterelement und das Kühlelement in direkten körperlichem Kontakt zueinander zu verbinden, beispielsweise derart, dass der Abstand zwischen dem Konverterelement und dem Kühlelement einer atomaren Größenordung entspricht bzw. im Nanometer- oder Subnanometer-Bereich liegt. Der Schlicker kann beispielsweise mittels Elektrophorese, Rakeln oder einem Druckverfahren auf das Kühlelement aufgebracht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das mit dem Kühlelement verbundene Konverterelement zumindest teilweise abgetragen werden, so dass eine Dicke des Konverterelements zumindest teilweise verringert wird, beispielsweise auf 50 μm oder weniger, beispielsweise auf 10 μm oder weniger. Das Abtragen kann beispielsweise mittels Abschleifen, Ätzen, Polieren oder Beizen erfolgen oder mittels Laserablation. Die geringe Dicke des Konverterelements trägt zu der besonders guten Wärmeabfuhr aus dem Konverterelement bei, während die Stabilität des Konverterelements durch das Kühlelement gewährleistet ist.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist eine Beleuchtungsanordnung die Konverteranordnung und eine Anregungsquelle, beispielsweise eine Lichtquelle, auf, die die Konverteranordnung beleuchtet.
Die Beleuchtungsanordnung kann als Anregungsquelle beispielsweise eine oder mehrere Laserlichtquellen und/oder eine oder mehrere LEDs und/oder eine oder mehrere Superlumineszenzdioden aufweisen. Die Anregungsquelle kann auch elektromagnetische Strahler umfassen, beispielsweise Blitzlampen, Ultraviolettstrahler, Infrarotstrahler, Röntgenstrahler. Die Anregungsquelle kann auch Korpuskularstrahler, beispielsweise Ionen- und/oder Elektronenemitter umfassen. Die Anregungsquelle kann beispielsweise einen vorgegebenen Abstand zu der Konverteranordnung haben.
Die Beleuchtungsanordnung kann beispielsweise in einem Projektor oder einem Endoskop verwendet werden oder in einem beliebigen anderen Gerät, bei dem eine hohe Leuchtdichte wünschenswert oder erforderlich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Beleuchtungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
2 eine Konverteranordnung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen;
3 eine Konverteranordnung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen;
4 eine Konverteranordnung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen;
5 ein Ablaufdiagramm gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zum Herstellen der Konverteranordnung;
6 ein Ablaufdiagramm gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Verfahrens zum Herstellen der Konverteranordnung;
7 ein Ablaufdiagramm gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Verfahrens zum Herstellen der Konverteranordnung.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt eine Beleuchtungsanordnung 10 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, mit einer Lichtquelle 12, die einen Lichtstrahl 14 erzeugt. Die Lichtquelle 12 ist beispielsweise eine Laserdiode. Alternativ dazu kann die Lichtquelle 12 eine Leuchtdiode (light emitting diode, LED) oder eine andere Lichtquelle sein. Der Lichtstrahl 14 ist auf eine an einem Träger 16 befestigte Konverteranordnung 20 gerichtet. In anderen Worten beleuchtet oder bestrahlt die Lichtquelle 12 die Konverteranordnung 20. Die Lichtquelle 12 hat einen vorgegebenen Abstand zu der Konverteranordnung 20 und ist somit nicht in direktem körperlichem Kontakt mit der Konverteranordnung 20. Alternativ dazu kann die Lichtquelle 12 in direktem körperlichem Kontakt mit der Konverteranordnung 20 sein. Der Träger 16 kann beispielsweise ein Teil eines Farbrades, beispielsweise eines Projektors, sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Träger 16 eine Kühlvorrichtung aufweisen. Die bestrahlte Konverteranordnung 20 strahlt ihrerseits Lichtstrahlen 22 ab. Alternativ kann die Beleuchtungsanordnung 10 mehrere Lichtquellen 12 und/oder mehrere Konverteranordnungen 20 aufweisen.
Die Beleuchtungsanordnung 10 ist in dem Projektor angeordnet. Alternativ dazu kann die Beleuchtungsanordnung beispielsweise in einem Endoskop angeordnet sein.
2 zeigt die Konverteranordnung 20 mit einem Kühlelement 24 und mit einem Konverterelement 26 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Das Konverterelement ist aus Keramik gebildet und enthält zumindest einen Leuchtstoff. Der Leuchtstoff wird mit Hilfe des Lichtstrahls 14 zum Leuchten angeregt. Das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 sind in direktem körperlichem Kontakt, beispielsweise direkt, unmittelbar bzw. ohne makroskopische Zwischenschicht, beispielsweise ohne Klebstoff, Kupfer oder einem Lötmedium wie Lötzinn, miteinander verbunden. Der Abstand zwischen dem Konverterelement 26 und dem Kühlelement 24 liegt beispielsweise im Bereich atomarer Abstände, insbesondere einige wenige bis mehrere Angström und/oder liegt im Nanometer- oder Sub-Nanometer-Bereich und kann wenige Nanometer oder weniger betragen. Das Kühlelement 24 und das Konverterelement 26 haften aufgrund des direkten körperlichen Kontakts aneinander, beispielsweise aufgrund atomarer Bindungskräfte, die zwischen dem Kühlelement 24 und dem Konverterelement 26 wirken.
Der verwendete Leuchtstoff ist in der Keramik des Konverterelements 26 eingebettet und kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Leuchtstoffgemisch sein, welches eine Mischung aus verschiedenen Leuchtstoffen aufweist, wodurch beispielsweise Licht erzeugt werden kann, welches mehrere unterschiedliche Farben vereint. Geeignete Leuchtstoffe sind im Stand der Technik bekannt. Übliche Leuchtstoffe sind beispielsweise Granate, Silikate, Nitride, Oxide, Phosphate, Borate, Oxynitride, Sulfide, Selenide, und Halide von Aluminium, Silizium, Magnesium, Calcium, Barium, Strontium, Zink, Cadmium, Mangan, Indium, Wolfram und andere Übergangsmetalle, oder Seltenerdmetallen wie Yttrium, Gadolinium oder Lanthan, die mit einem Aktivator, wie zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Mangan, Zink, Zinn, Blei, Cer, Terbium, Titan, Antimon oder Europium dotiert sind. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist der Leuchtstoff ein oxidischer oder (oxi-)nitridischer Leuchtstoff, wie ein Granat, Orthosilikat, Nitrido(alumo)silikat oder Nitridoorthosilikat, oder ein Halogenid oder Halophosphat. Konkrete Beispiele für geeignete Leuchtstoffe sind Strontiumchloroapatit:Eu((Sr, Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu; SCAP), Yttrium-Aluminium-Grant:Cer(YAG:Ce) oder CaAlSiN₃:Eu. Ferner können im Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffgemisch beispielsweise Partikel mit lichtstreuenden Eigenschaften und/oder Hilfsstoffe enthalten sein. Beispiele für Hilfsstoffe schließen Tenside und organische Lösungsmittel ein. Beispiele für lichtstreuende Partikel sind Gold-, Silber- und Metalloxidpartikel. Unabhängig davon kann das Konverterelement ein Matrixmaterial aufweisen, das beispielsweise Diamant oder Al₂O₃ aufweisen kann. Alternativ kann das Konverterelement 26 vollständig oder teilweise aus einem Kristall, insbesondere aus einem Einkristall, gebildet sein oder diesen umfassen. Gegebenenfalls ist der Leuchtstoff oder das Leuchtstoffgemisch in der Kristallstruktur des Kristalls eingebaut.
Das Konverterelement 26 aus Keramik ist auf dem Kühlelement 24 aufgesintert, was weiter unten näher erläutert wird. Alternativ dazu kann das Konverterelement 26 auf dem Kühlelement 24 aufgesprengt sein und/oder mittels Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sein. Falls das Konverterelement 26 im Wesentlichen aus Kristall besteht, kann der Kristall auf dem Kühlelement 24 aufgesprengt sein und/oder mittels Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sein oder direkt auf dem Kühlelement 24 aufgewachsen sein.
Das Kühlelement 24 ist ebenfalls aus Keramik gebildet, beispielsweise aus Al₂O₃, BN oder AlN. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlelement 24 nur teilweise die Keramik aufweisen und/oder Graphit aufweisen oder daraus gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlelement 24 Metall aufweisen oder daraus gebildet sein. Insbesondere kann das Kühlelement 24 Wolfram, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Tantal und/oder Rhenium aufweisen.
Eine Dicke 28 des Konverterelements 26 ist 10 μm. Alternativ dazu kann die Dicke 26 lediglich kleiner oder gleich 50 μm sein oder auch kleiner 10 μm sein.
3 zeigt die Konverteranordnung 20 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, bei der das Konverterelement 26 ein Matrixmaterial 30 aufweist. Das Matrixmaterial ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen Al₂O₃. Alternativ dazu kann das Matrixmaterial Diamant sein.
4 zeigt die Konverteranordnung 20 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit einem Kühlkörper 32, der zur verbesserten Wärmedissipation über eine Verbindungsschicht 34 mit dem Kühlelement 24 gekoppelt ist. Die Verbindungsschicht 34 weist im Wesentlichen Klebstoff auf. Alternativ dazu kann die Verbindungsschicht 34 eine Lötzinnschicht und/oder eine Kupferschicht oder ein Wärmeleitmedium aufweisen. Die Kopplung zwischen dem Kühlkörper 32 und dem mit Kühlelement 24 ist derart ausgebildet, dass ein Wärmetransport von dem Kühlelement 24 zum Kühlkörper 32 einfach und effektiv möglich ist. Dieses kann zum Beispiel durch Vorsehen der Wärmeleitpaste zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen erreicht werden. Ferner kann auch ein Kanalsystem in dem Kühlkörper 32 nahe dem Kühlelement 24 vorgesehen werden, durch welches ein Kühlfluid zirkuliert, um eine zusätzliche Wärmesenke bereitzustellen. Die Wahl der Art und Verknüpfung solcher Kühlungsmittel zum Abtransport der Wärme kann gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen an die individuellen Bedürfnisse angepasst werden, so dass das Konverterelement 26 mit hohen Leistungen bestrahlt werden kann, ohne in seiner Funktionsweise beeinträchtigt zu werden. Die Verbindung zwischen Kühlkörper 32 und dem Kühlelement 24 kann durch Löten bewirkt werden. Alternativ dazu können auch das Kühlelement 24 und der Kühlkörper 32 in direktem körperlichem Kontakt zueinander verbunden sein und beispielsweise aufgrund des direkten körperlichen Kontakts aneinander haften.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen der Konverteranordnung 20 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In einem Schritt S2 werden das Kühlelement 24 und das Konverterelement 26 bereitgestellt. Das Konverterelement 26 wird ganz oder teilweise als Kristall oder Keramik gebildet, wobei in dem Kristallgitter der Leuchtstoff eingebaut bzw. in der Keramik der Leuchtstoff eingebettet ist. Das Konverterelement 26 aus Kristall bzw. Keramik auszubilden, kann dazu beitragen, dass eine bei einem Energieeintrag in das Konverterelement 26 entstehende Wärme schnell innerhalb des Konverterelements 26 transportiert werden kann. Daher wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Kristallstruktur bzw. eine Keramik verwendet, die einen besonders hohen Wärmeleitkoeffizienten hat. Das Kühlelement 24 ist bevorzugt aus einem Material mit hohem Wärmeleitkoeffizienten gebildet. Beispielsweise kann das Kühlelement 24 wie vorstehend erläutert beispielsweise Metall oder Keramik aufweisen oder vollständig daraus gebildet sein.
In einem Schritt S4 wird das Konverterelement 26 zum Abführen der Wärme aus dem Konverterelement 26 so mit dem Kühlelement 24 verbunden, dass das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 körperlich miteinander direkt in Kontakt sind.
Der direkte körperliche Kontakt ohne makroskopische Zwischenschicht ermöglicht eine optimale Wärmeabfuhr von dem Konverterelement 26 zu dem Kühlelement 24. Dies trägt dazu bei, eine hohe Energiemenge in das Konverterelement 24 einbringen zu können und gleichzeitig die dadurch entstehende Wärme schnell und effizient abführen zu können. Darüber hinaus bewirkt der direkte körperliche Kontakt das aneinander haften des Konverterelements 26 und des Kühlelements 24 aufgrund atomarer Bindungskräfte, die zwischen dem Konverterelement 26 und dem Kühlelement 24 wirken.
Beispielsweise die Kombination von einem Konverterelement 26 aus Keramik oder Kristall, einem Kühlelement 24 aus Keramik oder Metall und dem direkten körperlichen Kontakt zwischen dem Kühlelement 24 und dem Konverterelement 26 tragen zu einem besonders guten, effektiven und schnellen Abtransport der bei der Bestrahlung des Konverterelements 26 entstehenden Wärme bei.
In einem Schritt S6, der optional abgearbeitet werden kann, wird das mit dem Kühlelement 24 verbundene Konverterelement 26 teilweise abgetragen, so dass eine Dicke des Konverterelements 26 verringert wird. Nach dem Abtragen beträgt die Dicke des Konverterelements 26 in etwa 10 μm. Alternativ dazu kann die Dicke auch beispielsweise auf 50 μm oder weniger, insbesondere auf weniger als 10 μm abgetragen werden. Das Abtragen erfolgt mittels Abschleifen. Alternativ dazu kann das Abtragen beispielsweise durch Ätzen, Polieren oder Beizen erfolgen oder Laserablation. Die geringe Dicke des Konverterelements 26 trägt zu der besonders guten Wärmeabfuhr aus dem Konverterelement 26 bei. Die Stabilität des Konverterelements 26 ist durch das Kühlelement 24 gewährleistet.
6 zeigt ein Verfahren zum Herstellen der Konverteranordnung 26 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, bei dem das Kühlelement 24 und das Konverterelement 26 unabhängig voneinander hergestellt werden und anschließend miteinander verbunden werden. Insbesondere wird das Konverterelement 26 auf das Kühlelement 24 aufgesprengt. Alternativ dazu können das Kühlelement 24 und das Konverterelement 26 nach deren Herstellung auf andere Weise in direkten körperlichen Kontakt miteinander gebracht werden.
In einem Schritt S10 werden gemäß dem Schritt S2 des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels des Verfahrens das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 bereitgestellt.
In einem Schritt S12 werden eine Oberfläche des Konverterelements 26 und eine Oberfläche des Kühlelements 24 derart bearbeitet, dass eine Rauheit der bearbeiteten Oberflächen derart gering ist, dass das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 nach dem direkten körperlichen miteinander in Kontakt bringen an den bearbeiteten Oberflächen aufgrund von atomaren Bindungskräften, beispielsweise Van-der-Waals Kräften und/oder Wasserstoffbrückenbindungen, aneinander haften. Dies ermöglicht auf besonders einfache und effektive Weise das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 in direktem körperlichem Kontakt zueinander zu verbinden, beispielsweise ohne Klebstoff. Die geringe Rauheit wird durch Polieren der Oberflächen erzeugt. Alternativ dazu können die Oberflächen auch geätzt, geschliffen, sandgestrahlt oder gebeizt werden oder mit Hilfe von Laserablation, oder Elektropolitur bearbeitet werden. Dies ermöglicht auf besonders einfache und effektive Weise, die Oberflächen mit der geringen Rauheit zu erzeugen. Die geringe Rauheit kann beispielsweise bedeuten, dass die Rauheit im Bereich atomarer Größenordnungen liegt. Beispielsweise können die Oberfläche des Kühlelements 24 und die Oberfläche des Konverterelements 26 mit einer Rauheit im Nanometer- oder Subnanometer-Bereich versehen werden.
In einem Schritt S14, der optional abgearbeitet werden kann, werden das Kühlelement 24 und das Konverterelement 26 zum miteinander in Kontakt bringen an den bearbeiteten Oberflächen in eine vakuumisierte Atmosphäre eingebracht. Dies trägt dazu bei, dass keine makroskopischen Verunreinigungen zwischen die bearbeiteten Oberflächen des Kühlelements 24 und des Konverterelements 26 geraten, was wiederum zu einer festen Verbindung und einer guten Wärmekopplung zwischen dem Konverterelement 26 und dem Kühlelement 24 beiträgt.
In einem Schritt S15, der optional, beispielsweise zusätzlich oder alternativ zu dem Schritt S14, abgearbeitet werden kann, wird vor dem in Kontakt bringen des Kühlelements 24 mit dem Konverterelement 26 Flüssigkeit, beispielsweise reines Wasser oder Siloxane, auf zumindest eine der beiden bearbeiteten Oberflächen aufgebracht, so dass nach dem in Kontakt bringen die miteinander kontaktierten Oberflächen zumindest teilweise aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen aneinander haften. Dies verstärkt die atomaren Bindungskräfte aufgrund derer das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 aneinander haften. Dabei ist anzumerken, dass die Flüssigkeit aufgrund der äußerst glatten Oberflächen nach dem Zusammenfügen nahezu vollständig, bis auf wenige, beispielsweise ein bis zwei, Atomlagen, zwischen den Oberflächen entfernt ist, so dass nach wie vor von einem direkten körperlichen Kontakt, beispielsweise auf atomarer Größenordnung, zwischen dem Kühlelement 24 und dem Konverterelement 26 gesprochen werden kann.
In dem Schritt S16 werden das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 miteinander verbunden, indem sie miteinander in direkten körperlichen Kontakt gebracht werden.
In dem Schritt S18 kann entsprechend dem Schritt S6 des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels des Verfahrens die Dicke des Konverterelements 26 verringert werden.
7 zeigt ein Verfahren zum Herstellen der Konverteranordnung 20 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, bei dem das Konverterelement 26 direkt auf dem Kühlelement 24 hergestellt wird. Beispielsweise wird das Konverterelement 26 aus Keramik direkt auf dem Kühlelement 24 hergestellt, beispielsweise aufgesintert. Falls das Konverterelement 26 aus Kristall ist, kann der Kristall auch direkt auf dem Kühlelement aufgewachsen werden. Ferner kann das Konverterelement 26 auf weitere Arten auf dem Kühlelement 24 hergestellt werden.
In einem Schritt S20 wird das Kühlelement 24 gemäß dem Schritt S2 des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels des Verfahrens bereitgestellt.
In einem Schritt S22 wird das Kühlelement 24 mit dem Konverterelement 26 verbunden, indem das Kühlelement 24 mit einem Schlicker beschichtet wird, der den Leuchtstoff aufweist und der nach dem Sintern das Konverterelement 26 bildet. Der Schlicker kann beispielsweise mittels Elektrophorese, Rakeln oder einem Druckverfahren auf das Kühlelement 24 aufgebracht werden. Anschließend kann der Schlicker getrocknet werden. Die Schlickerschicht kann abhängig vom Aufbringungsverfahren unterschiedlich dick, beispielsweise besonders dünn ausgebildet werden, beispielsweise im Mikrometer-Bereich.
In einem Schritt S24 wird der Schlicker auf dem Kühlelement 24 gesintert, beispielsweise wird das Kühlelement 24 mit dem Schlicker 24 erhitzt und der Schlicker wird gebacken. Dies ermöglicht auf besonders einfache und effektive Weise das Konverterelement 26 und das Kühlelement 24 in direktem körperlichem Kontakt zueinander zu verbinden, beispielsweise derart, dass der Abstand zwischen dem Konverterelement 26 und dem Kühlelement 24 im Bereich atomarer Abstände liegt bzw. im Nanometer-Bereich liegt. Ein Vorteil bei dieser Vorgehensweise ist, dass lediglich geringe Anforderungen an die Rauhigkeit der zu verbindenden Oberflächen gestellt werden können.
In dem Schritt S26 kann entsprechend dem Schritt S6 des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels des Verfahrens die Dicke des Konverterelements 26 verringert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt. Beispielsweise sind weitere Verfahren denkbar, die geeignet sind das Kühlelement 24 und das Konverterelement 26 in direkten körperlichen Kontakt miteinander zu bringen, beispielsweise so, dass beide aneinander haften.
Bezugszeichenliste

10: Beleuchtungsanordnung
12: Lichtquelle
14: Lichtstrahl
16: Träger
20: Konverteranordnung
22: Lichtstrahlen farbig
24: Kühlelement
26: Konverterelement
28: Dicke
30: Matrixmaterial
32: Kühlkörper
34: Verbindungsschicht
S2–S26: Schritte S2 bis S26

Claims

Konverteranordnung (20), aufweisend • ein Kristall oder Keramik aufweisendes Konverterelement (26) mit zumindest einem Leuchtstoff, • ein Kühlelement (24) zum Abführen von Wärme aus dem Konverterelement (26), • wobei das Konverterelement (26) und das Kühlelement (24) in direktem körperlichem Kontakt miteinander verbunden sind.
Konverteranordnung (20) nach Anspruch 1, bei der das Konverterelement (26) und das Kühlelement (24) aufgrund des direkten körperlichen Kontakts aneinander haften.
Konverteranordnung (20) nach Anspruch 2, bei der das Konverterelement (26) auf dem Kühlelement (24) aufgesintert, aufgesprengt, aufgewachsen oder mittels Wasserstoffbrückenbindungen verbunden ist.
Konverteranordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Kühlelement (24) Keramik oder Metall aufweist.
Konverteranordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine Dicke des Konverterelements (26) kleiner oder gleich 10μm ist.
Konverteranordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: einen Kühlkörper (32), der mit dem Kühlelement (24) gekoppelt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Konverteranordnung (20), bei dem ein Kristall oder Keramik aufweisendes Konverterelement (26) mit zumindest einem Leuchtstoff zum Abführen von Wärme aus dem Konverterelement (26) so mit einem Kühlelement (24) verbunden wird, dass das Konverterelement (26) und das Kühlelement (24) körperlich miteinander in direktem Kontakt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Konverterelement (26) und das Kühlelement (24) derart miteinander verbunden werden, dass sie aufgrund des direkten körperlichen Kontakts aneinander haften.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem das Kühlelement (24) und das Konverterelement (26) unabhängig voneinander hergestellt und dann miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Konverterelement (26) auf dem Kühlelement (24) aufgesprengt und/oder mittels Wasserstoffbrückenbindungen verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Oberfläche des Konverterelements (26) und eine Oberfläche des Kühlelements (24) derart bearbeitet werden, dass eine Rauheit der bearbeiteten Oberflächen derart gering ist, dass das Konverterelement (26) und das Kühlelement (24) nach dem körperlichen miteinander in Kontakt bringen an den entsprechenden Oberflächen aufgrund von atomaren Bindungskräften aneinander haften.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Oberfläche des Kühlelements (24) und/oder die Oberfläche des Konverterelements (26) mit der geringen Rauheit hergestellt oder bearbeitet werden, indem die entsprechenden Oberflächen poliert, geschliffen, geätzt, gebeizt oder sandgestrahlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Kühlelement (24) und das Konverterelement (26) in einem Vakuum miteinander in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem vor dem in Kontakt bringen des Kühlelements (24) mit dem Konverterelement (26) Flüssigkeit auf zumindest eine der beiden Oberflächen aufgebracht wird, so dass nach dem in Kontakt bringen die miteinander kontaktierten Oberflächen zumindest teilweise aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen aneinander haften.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem das Konverterelement (26) auf dem Kühlelement (24) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Konverterelement (26) auf dem Kühlelement (24) aufgesintert oder aufgewachsen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Kühlelement (24) mit dem Konverterelement (26) verbunden wird, indem das Kühlelement (24) mit einem Schlicker beschichtet wird, der den Leuchtstoff aufweist, und bei dem der Schlicker auf dem Kühlelement (24) gesintert wird, wobei der gesinterte Schlicker das Konverterelement ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 17, bei dem das mit dem Kühlelement (24) verbundene Konverterelement (26) zumindest teilweise abgetragen wird, so dass eine Dicke des Konverterelements (26) zumindest teilweise verringert wird.
Beleuchtungsanordnung, aufweisend • eine Konverteranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, • eine Anregungsquelle, die die Konverteranordnung (20) bestrahlt.