DE102012101663B4 - Konversionselement, Leuchtmittel und Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements - Google Patents

Konversionselement, Leuchtmittel und Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements Download PDF

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Abstract

Konversionselement (10) umfassend- eine Streuschicht (12),- eine Reflektionsschicht (14), und- eine zwischen der Streuschicht (12) und der Reflektionsschicht (14) angeordnete Konversionsschicht (16); wobei- die Streuschicht (12) dazu ausgebildet ist, einen ersten Anteil (20) einer auf sie von einer der Konversionsschicht (16) abgewandten Seite auftreffenden Primärstrahlung (18) in die Konversionsschicht (16) durchzulassen und einen zweiten Anteil (22) der auf sie auftreffenden Primärstrahlung (18) zu der der Konversionsschicht (16) abgewandten Seite der Streuschicht (12) hin zu streuen,- die Konversionsschicht (16) mindestens ein Konversionsmittel (25) umfasst, das dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Teil des ersten Anteils der Primärstrahlung (18) in eine Sekundärstrahlung (19) mit einer von der Primärstrahlung (18) verschiedenen, größeren Wellenlänge zu konvertieren,- die Reflektionsschicht (14) zumindest bezüglich der Sekundärstrahlung (19) reflektierend wirkt, und wobei- die Streuschicht (12) eine wellenlängenselektive Spiegelschicht (42) umfasst, welche teilweise reflektierend für die Primärstrahlung (18) und durchlässig für die Sekundärstrahlung (19) wirkt.

Description

  • Es wird ein Konversionselement sowie ein Leuchtmittel angegeben. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Konversionselements angegeben.
  • Für viele Anwendungen wird Licht einer spezifischen Wellenlänge oder eines bestimmten Spektralbereichs benötigt. Viele Lichtquellen, insbesondere auf Halbleitern basierende Lichtquellen wie Leuchtdioden oder Laserdioden, emittieren Licht allerdings nur in einem davon abweichenden Spektralbereich oder bei diskreten Wellenlängen. Daher ist es oft gewünscht, das von der Lichtquelle emittierte Licht zumindest teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Diese Konversion geschieht beispielsweise mittels organischen oder anorganischen Lumineszenzstoffen. Die Konversion beruht bei diesen Lumineszenzstoffen zumeist auf dem Prinzip der so genannten Down-Conversion. Das heißt, Licht beispielsweise im blauen Spektralbereich wird absorbiert, und dazu niederfrequenteres, rotverschobenes Licht wird emittiert. Mit anderen Worten wird Lichtstrahlung hoher Energie durch den Leuchtstoff in Lichtstrahlung niedrigerer Energie und in nichtstrahlende Energie, insbesondere in Wärme, umgewandelt. Ein nichtkonvertierter Anteil der Lichtstrahlung hoher Energie kann schließlich mit der konvertierten Lichtstrahlung niedrigerer Energie gemischt werden, so dass beispielsweise weißes Licht erzeugt wird.
  • Nachteilig ist, dass sich die Lumineszenzstoffe erwärmen und dadurch die Konversionseffizienz reduziert wird. Zum anderen entstehen bei der Herstellung derartiger Lichtquellen Probleme durch unzureichend genaue Farbortsteuerung, die daraus resultiert, dass eine Dickenschwankung der Konversionsschicht oder Konzentrationsunterschiede des Konverters in der Einbettungsmatrix eine Schwankung des Verhältnisses zwischen niederfrequenterem und höherfrequenterem Licht erzeugen.
  • Teilweise können die thermischen Probleme durch die Einstellung eines geeigneten Abstandes zwischen dem strahlungserzeugenden Halbleiterchip und dem Konversionselement gelöst werden, wobei das Konversionsmaterial in eine gut wärmeleitende Matrix eingebettet wird (z.B. Keramik).
  • 1 zeigt ein solches insgesamt mit 10 bezeichnetes Konversionselement aus dem Stand der Technik. Ein als Laserdiode ausgestalteter Halbleiterchip 44 emittiert eine Primärstrahlung 18 beispielsweise mit einer Wellenlänge zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm (blaues oder violettes Licht), welche entlang einer Einstrahlrichtung 17 verläuft und auf das Konversionselement 10 trifft. Eine Konversionsschicht 16 ist auf eine Wärmesenke 32 mit einem Spiegel 14 aufgebracht. Die Konverterkonzentration sowie die Dicke der Konversionsschicht 16 sind so eingestellt, dass ein Teil der Primärstrahlung 18 auf der Vorderseite des Konversionselements 10 wieder austritt. Dadurch wird eine Mischung aus Primärstrahlung und konvertierter Sekundärstrahlung mit einer von der Primärstrahlung 18 verschiedenen, größeren Wellenlänge, beispielsweise roten Lichts, erzeugt. In der in 1 gezeigten Anordnung wird jedoch das Problem der Farbortsteuerung verstärkt, da die doppelten Strahldurchgänge den Einfluss von Variationen in Dicke und Konzentration des Konverters erhöhen.
  • Druckschrift DE 10 2007 037 875 A1 beschreibt eine strahlungsemittierende Vorrichtung, die ein Bauelement umfasst, das im Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung auf einen im Strahlengang des strahlungsemittierenden Bauelements angeordneten Träger mit einem ersten und einem zweiten Teilbereich emittiert. Die Vorrichtung weist einen im ersten Teilbereich angeordneten Konverter zur Konversion der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung auf. Der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich sind voneinander verschieden ausgeführt, sodass die von der Vorrichtung abgestrahlte Sekundärstrahlung die von dem ersten und/oder zweiten Teilbereich abgestrahlte elektromagnetische Strahlung umfasst und durch eine Änderung der Ausrichtung des strahlungsemittierenden Bauelements relativ zum Träger veränderbar ist.
  • Druckschrift DE 10 2008 030 253 A1 beschreibt ein Konversionselement mit einem lichtdurchlässigen Matrixmaterial, in dem Wärmeleitpartikel und mindestens ein Konversionsmittel eingebettet sind, wobei das Konversionsmittel dazu ausgestaltet ist, Licht einer Wellenlänge zumindest zum Teil in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Durch das Konversionsmittel und/oder die Wärmeleitpartikel sind Wärmeleitpfade im Konversionselement gebildet. Über solche Wärmeleitpfade kann Wärme aus dem Konversionselement effizient abgeführt werden.
  • In Druckschrift DE 38 877 09 T2 ist Film mit nichtlinearen optischen Eigenschaften beschrieben, durch welchen die Wellenlänge eines Laserlichts geändert und in gestreutes Licht umgewandelt wird. Hierbei enthält der Film eine optisch nichtlineare Verbindung, welche eine optische Harmonische erzeugen kann. Des Weiteren beschreibt diese Druckschrift eine Spiegelschicht und einen zwischen dem Film und der Spiegelschicht angeordneten fluoreszierenden Film.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Konversionselement anzugeben, welches die oben genannten Nachteile überwindet. Weitere zu lösende Aufgaben bestehen darin, ein Leuchtmittel mit einem solchen Konversionselement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Konversionselements anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement eine Streuschicht, eine Reflektionsschicht und eine zwischen der Streuschicht und der Reflektionsschicht angeordnete Konversionsschicht.
  • Hierbei kann die Konversionsschicht unmittelbar zwischen der Streuschicht und der Reflektionsschicht angeordnet sein oder auch nur mittelbar, d.h. es können beispielsweise auch weitere Schichten zwischen Konversionsschicht einerseits und der Streuschicht oder der Reflektionsschicht andererseits vorgesehen sein. Entsprechendes gilt im folgenden für den Begriff „auf einer Schicht angeordnet“.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist die Streuschicht dazu ausgebildet, einen ersten Anteil einer auf sie von einer der Konversionsschicht abgewandten Seite auftreffenden Primärstrahlung in die Konversionsschicht durchzulassen und einen zweiten Anteil der auf sie auftreffenden Primärstrahlung zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin zu streuen. „Streuen“ heißt hierbei, dass die von der der Konversionsschicht abgewandten Seite aus einem ersten Raumwinkelbereich herrührende und auf die Konversionsschicht auftreffende Primärstrahlung in einen zweiten Raumwinkelbereich zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin umgelenkt wird, wobei der zweite Raumwinkelbereich größer ist als der erste Raumwinkelbereich und somit eine Aufweitung der Primärstrahlung erfolgt. Insbesondere kann die Primärstrahlung entlang einer bestimmten Einstrahlrichtung auf die Konversionsschicht auftreffen und in einen endlichen, ausreichend großen Raumwinkelbereich abgelenkt werden. Der die Ablenkung der Primärstrahlung bewirkende Mechanismus kann dabei sehr unterschiedlich sein. Insbesondere kann die Ablenkung durch kleine Strukturen in der Konversionsschicht erfolgen, die als lambertsche Strahler wirken, oder aber durch eine Vielzahl von in der Konversionsschicht angeordneten reflektierenden oder lichtbrechenden Teilflächen mit unterschiedlichen Orientierungen, welche in der Konversionsschicht ortsabhängig verschiedene Reflektions- oder Lichtbrechungsrichtungen erzeugen.
  • „Primärstrahlung“ kann hierbei sowohl elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge oder eines ersten Wellenlängenbereichs, das zu konvertieren ist, als auch mehrerer Wellenlängen oder mehrerer Wellenlängenbereiche bedeuten.
  • Beispielsweise kann die Primärstrahlung elektromagnetische Strahlung einer einzigen Wellenlänge sein. Die Streuschicht ist dann dazu ausgebildet, einen ersten Anteil einer auf sie von einer der Konversionsschicht abgewandten Seite auftreffenden Primärstrahlung dieser Wellenlänge in die Konversionsschicht durchzulassen und einen zweiten Anteil der auf sie auftreffenden Primärstrahlung, welcher die gleiche Wellenlänge aufweist, zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin zu streuen.
  • Andererseits kann die Primärstrahlung beispielsweise elektromagnetische Strahlung einer ersten und einer davon verschiedenen zweiten Wellenlänge umfassen. In diesem Fall kann die Streuschicht dazu ausgebildet sein, einen ersten Anteil einer auf sie von einer der Konversionsschicht abgewandten Seite auftreffenden Primärstrahlung, welcher elektromagnetische Strahlung entweder beider Wellenlängen oder lediglich der ersten Wellenlänge umfasst, in die Konversionsschicht durchzulassen und einen zweiten Anteil der auf sie auftreffenden Primärstrahlung, welcher elektromagnetische Strahlung entweder beider Wellenlängen oder lediglich der zweiten Wellenlänge umfasst, zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin zu streuen. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein Farbort des durch Mischung der gestreuten Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung erzeugten (beispielsweise weißen) Lichts dadurch gesteuert werden kann, dass ein Verhältnis der Intensitäten der elektromagnetischen Strahlung der beiden Wellenlängen zueinander variiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst die Konversionsschicht mindestens ein Konversionsmittel. Das Konversionsmittel ist dazu ausgebildet, wenigstens einen Teil des ersten Anteils der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung mit einer von der Primärstrahlung verschiedenen, größeren Wellenlänge zu konvertieren.
  • Die Konversionsschicht kann auch ein Matrixmaterial enthalten, beispielsweise ein Silikon oder eine Keramik, in welchem das mindestens eine Konversionsmittel eingebettet ist. Das Matrixmaterial kann hierbei als Bindemittel wirken. Das Matrixmaterial kann in einem relevanten Spektralbereich bevorzugt durchlässig für die elektromagnetische Strahlung sein. „Relevanter Spektralbereich“ bedeutet hierbei sowohl elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge oder eines ersten Wellenlängenbereichs, das zu konvertieren ist (also die Primärstrahlung), als auch elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs, das durch die Konversion resultiert (also die Sekundärstrahlung).
  • Das Konversionsmittel kann ein anorganischer Leuchtstoff sein, der auf Down-Conversion beruht. Bevorzugt ist das Konversionsmittel mit einem Cer- oder Europium-dotierten Leuchtstoff gebildet. Der Wirkungsgrad der Konversion kann von der Temperatur abhängen, insbesondere kann der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur sinken. Das Konversionsmittel ist zum Beispiel pulverförmig. Ebenso wie das Matrixmaterial ist das Konversionsmittel im relevanten Spektralbereich beständig gegen Fotoschäden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements enthält die Konversionsschicht ein Keramikmaterial oder wird durch eine Schicht aus einem Keramikmaterial gebildet, welches einen keramischen Konversionsstoff aufweist, welcher als Konversionsmittel wirkt.
  • Der keramische Konversionsstoff kann beispielsweise zumindest eines oder mehrere der folgenden Materialien zur Konversion aufweisen oder aus einem oder mehreren der folgenden Materialien gebildet sein: mit Metallen der seltenen Erden dotierte Granate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Silikate, wie Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Oxinitride und mit Metallen der seltenen Erden dotierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, Sialone.
  • Als keramischer Konversionsstoff können in bevorzugten Ausführungsformen insbesondere Granate, etwa Yttriumaluminiumoxid (YAG), Lutetiumaluminiumoxid (LuAG) und Terbiumaluminiumoxid (TAG), verwendet werden.
  • Die Materialien für den keramischen Konversionsstoff sind in weiteren bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise mit einem der folgenden Aktivatoren dotiert: Cer, Europium, Neodym, Terbium, Erbium, Praseodym, Samarium, Mangan. Rein beispielhaft für mögliche dotierte keramische Konversionsstoffe seien Cer-dotierte Yttriumaluminium-Granate, Cer-dotierte Lutetiumaluminium-Granate, Europium-dotierte Orthosilikate sowie Europium-dotierte Nitride genannt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements wirkt die Reflektionsschicht zumindest bezüglich der Sekundärstrahlung reflektierend. Dadurch wird die Sekundärstrahlung in einen Raumwinkelbereich zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin gerichtet.
  • Bevorzugt ist, dass sowohl der gestreute Anteil der Primärstrahlung als auch die Sekundärstrahlung jeweils einen ausreichend großen Raumwinkelbereich zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin abdecken. Weiter ist bevorzugt, dass der Raumwinkelbereich des gestreuten Anteils der Primärstrahlung den Raumwinkelbereich der Sekundärstrahlung stark überlappt und idealerweise mit diesem übereinstimmt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Konversionsschicht dazu ausgebildet ist, die gesamte auf sie treffende Primärstrahlung oder zumindest mehr als 95% derselben in die Sekundärstrahlung zu konvertieren. Dies kann durch geeignete Konzentration des Konversionsmittels oder durch eine ausreichende Schichtdicke der Konversionsschicht erreicht werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Streuschicht ein Matrixmaterial enthält, in welchem eine Vielzahl von Streuelementen eingebettet ist. Trifft Primärstrahlung entlang einer bestimmten Einstrahlrichtung auf die Vielzahl von Streuelementen, so werden Streustrahlen erzeugt, die in einen endlichen, ausreichend großen Raumwinkelbereich zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin abgestrahlt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Streuelemente reflektionsbeschichtet sind, beispielsweise mit einem Metall wie Silber.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass eine mittlere Größe der Streuelemente größer als eine Wellenlänge der Primärstrahlung ist. Hierdurch werden Strahlkeulen hauptsächlich entgegen einer Einstrahlrichtung der Primärstrahlung erhalten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass auf der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht eine Antireflektionsschicht angeordnet ist. Hierdurch wird eine Unterdrückung einer gerichteten reflektierten Primärstrahlung erreicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass auf der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Reflektionsschicht eine Wärmesenke angeordnet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Reflektionsschicht mit ihrer der Konversionsschicht abgewandten Seite auf einem thermisch leitfähigen Träger angeordnet ist oder die Reflektionsschicht durch eine reflektierende Beschichtung eines thermisch leitfähigen Trägers gebildet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Streuelemente kugelförmig ausgebildet sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Streuelemente einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem des Matrixmaterials der Streuschicht unterscheidet. So kann beispielsweise der Unterschied im optischen Brechungsindex zwischen Streuelementen und Matrixmaterial größer oder gleich 0,1, bevorzugt größer oder gleich 0,2, insbesondere größer oder gleich 0,4 sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Streuschicht eine erste und eine zweite Teilschicht mit voneinander verschiedenem Brechungsindex umfasst, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Teilschicht aufgeraut ist oder die erste und die zweite Teilschicht zueinander komplementäre Strukturierungen aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass zumindest eine der Strukturierungen kammartig ausgebildet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die Streuschicht eine wellenlängenselektive Spiegelschicht umfasst, welche teilweise reflektierend für die Primärstrahlung und durchlässig für die Sekundärstrahlung wirkt. Beispielsweise können zwischen 10% und 50% der Intensität der Primärstrahlung durch die wellenlängenselektive Spiegelschicht reflektiert werden.
  • In dem Fall, dass die Primärstrahlung elektromagnetische Strahlung einer ersten und einer davon verschiedenen zweiten Wellenlänge umfasst, kann die wellenlängenselektive Spiegelschicht derart ausgebildet sein, dass sie für den ersten Anteil der Primärstrahlung, welcher lediglich elektromagnetische Strahlung der ersten Wellenlänge umfasst, durchlässig und für den zweiten Anteil der Primärstrahlung, welcher lediglich elektromagnetische Strahlung der zweiten Wellenlänge umfasst, reflektierend wirkt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements ist vorgesehen, dass die wellenlängenselektive Spiegelschicht zwischen der zweiten Teilschicht und der Konversionsschicht angeordnet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements weist die wellenlängenselektive Spiegelschicht eine Vielzahl von Teilflächen auf, die schräg zu einer Haupterstreckungsebene der wellenlängenselektiven Spiegelschicht stehen und mit dieser eine Vielzahl verschiedener Winkel einschließen. Bezüglich dieser Winkel können die Teilflächen statistisch über die gesamte Hauptfläche verteilt sein, sie können aber auch eine wohldefinierte, von der Position auf der Haupterstreckungsebene abhängige Winkelverteilung aufweisen. Typischerweise ist die mittlere Größe der Teilflächen viel kleiner als der Durchmesser des Bereichs der wellenlängenselektiven Spiegelschicht, auf welchen die Primärstrahlung auftrifft.
  • Trifft Primärstrahlung entlang einer bestimmten Einstrahlrichtung auf eine derart strukturierte Fläche, so werden Reflektionsstrahlen erzeugt, die in einen endlichen, ausreichend großen Raumwinkelbereich zu der der Konversionsschicht abgewandten Seite der Streuschicht hin abgestrahlt werden. Somit wirkt die wellenlängenselektive Spiegelschicht als Streuschicht gemäß der oben genannten Definition.
  • Bildet die Einstrahlrichtung dabei mit der Haupterstreckungsebene der wellenlängenselektiven Spiegelschicht einen Winkel α, so ist bevorzugt, dass die Vielzahl verschiedener Winkel der Teilflächen symmetrisch um den Winkel a/2 verteilt sind. Auf diese Weise weist die gestreute Primärstrahlung eine um die Normale der Haupterstreckungsebene der wellenlängenselektiven Spiegelschicht symmetrische Intensitätsverteilung auf.
  • Es wird darüber hinaus ein Leuchtmittel angegeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Leuchtmittel mindestens ein Konversionselement gemäß einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen sowie mindestens einen Halbleiterchip, der als Laserdiode, als Leuchtdiode oder als Lumineszenzdiode ausgestaltet sein kann, wobei vom Halbleiterchip emittierte Strahlung mindestens zum Teil zum Konversionselement gelangt und die vom Halbleiterchip emittierte Strahlung mindestens zum Teil in eine Strahlung einer niedrigeren Frequenz, etwa über Down-Conversion, umwandelbar ist. Ein solches Leuchtmittel kann mit hohen optischen Leistungen betrieben werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels ist der Halbleiterchip dazu eingerichtet, eine Primärstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm zu emittieren, welches auf das Konversionselement trifft.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels sind Halbleiterchip und Konversionselement räumlich voneinander getrennt. Halbleiterchip und Konversionselement können beispielsweise auf einer gemeinsamen Wärmesenke angebracht sein, jedoch einen räumlichen Abstand zueinander aufweisen. Dies ist insbesondere möglich, falls der Halbleiterchip als Laserdiode ausgestaltet ist und das von der Laserdiode emittierte Licht über eine gewisse Strecke etwa freilaufend zum Konversionselement geführt ist. Da besonders Laserlicht sehr gut kollimiert werden kann, können Halbeiterchip und Konversionselement deutlich weiter voneinander beabstandet sein, als dies im Falle einer Leuchtdiode möglich wäre. Beispielsweise sind Halbleiterchip und Konversionselement mindestens fünf Millimeter voneinander entfernt, bevorzugt mindestens zehn Millimeter. Über die räumliche Trennung von Halbleiterchip und Konversionselement kann auch eine thermische Entkopplung beider Komponenten voneinander erfolgen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels ist der optoelektronische Halbleiterchip eine Hochleistungsdiode. Das heißt, der Halbleiterchip hat eine elektrische Leistungsaufnahme von mindestens einem Watt. Alternativ oder zusätzlich beträgt die optische Leistung der zu konvertierenden Strahlung, die in das Konversionselement eingekoppelt wird, mehr als 100 mW, insbesondere mehr als 300 mW. Bei der Verwendung einer Hochleistungsdiode kann über das Konversionselement ein kompakter Aufbau realisiert werden, da die Wärme effizient aus dem Konversionselement abgeführt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Leuchtmittels sind Halbleiterchip und Konversionselement an einem als Wärmesenke ausgestalteten Substrat angebracht.
  • Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Konversionselements angegeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen einer Streuschicht und Verbinden der Streuschicht mit einer Konversionsschicht und einer Reflektionsschicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Bereitstellen der Streuschicht folgende Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen eines ersten transparenten Trägerelements mit einer wellenlängenselektiven Spiegelschicht, Aufbringen eines flüssigen Matrixmaterials mit einer Vielzahl von Streuelementen auf das erste transparente Trägerelement, Bereitstellen eines zweiten transparenten Trägerelements mit einer Antireflektionsschicht, Aufbringen des zweiten transparenten Trägerelements auf das flüssige Matrixmaterial, und Aushärten.
  • Optional können Löcher in einem der Trägerelemente außerhalb des der Primärstrahlung ausgesetzten Bereichs zur Vermeidung von Luftblasen vorgesehen sein. Alternativ können auch gezielt Luftblasen in das Matrixmaterial eingebracht werden, welche als Streuelemente dienen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Bereitstellen der Streuschicht folgende Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen eines ersten transparenten Trägerelements mit einer Antireflektionsschicht, Aufbringen eines ersten Dielektrikums, welches insbesondere SiO2, Si3N3, ITO, TaO5, Al2O3, Zirkonoxid oder ZnO enthält, wobei das Dielektrikum eine rauhe Oberfläche aufweist oder nachträglich aufgeraut oder strukturiert wird, Aufbringen eines zweiten Dielektrikums, Planarisieren des zweiten Dielektrikums, insbesondere durch Polieren, Schleifen oder chemischmechanisches Polieren, und Aufbringen einer wellenlängenselektiven Spiegelschicht.
  • Die Strukturierung des ersten Dielektrikums kann mit Fotomaske oder Imprint-Technologie erfolgen, wobei bevorzugt Beugungsgitter zu vermeiden sind.
  • Alternativ können auch mehrere der beschriebenen Schichtfolgen aufeinander angeordnet werden. Es ist auch möglich, dass ein epitaktisches Wachstum der Schichten und eine Änderung des Wachstumsmodus zwischen den Schichten von 3D-Wachstum auf 2D-Wachstum erfolgen. Die beschriebenen Verfahrensschritte können isoliert oder auch in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden.
  • An der Oberfläche des Konversionselements können zusätzlich Aufrauungen angeordnet werden, beispielsweise nadelartige Spitzen, die durch Mehrfachreflexion das Einkoppeln der Primärstrahlung erhöhen und das Auskoppeln der Sekundärstrahlung verbessern.
  • Einige Anwendungsbereiche, in denen die hier beschriebenen Konversionselemente oder Leuchtmittel Verwendung finden könnten, sind etwa die Beleuchtungen von Displays oder Anzeigeeinrichtungen, insbesondere auch im Automobilbereich. Weiterhin können die hier beschriebenen Konversionselemente und Leuchtmittel auch in Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken, in Scheinwerfern, in Kfz-Scheinwerfern oder Lichtstrahlern oder bei der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden.
  • Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Konversionselement sowie ein hier beschriebenes Leuchtmittel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Konversionselement aus dem Stand der Technik,
    • 2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Konversionselements, und
    • 3 bis 6 schematische Detailansichten der Streuschicht eines Konversionselements gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
  • In 2 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Konversionselements 10 dargestellt. Das Konversionselement 10 weist eine Streuschicht 12, eine Reflektionsschicht 14, und eine zwischen der Streuschicht 12 und der Reflektionsschicht 14 angeordnete Konversionsschicht 16 auf. Die Reflektionsschicht 14 ist mit ihrer der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite auf einem thermisch leitfähigen Träger 32 angeordnet. Außerdem ist auf der der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite der Streuschicht 12 eine Antireflektionsschicht 30 angeordnet.
  • Ein als Laserdiode ausgestalteter Halbleiterchip 44 emittiert eine Primärstrahlung 18 beispielsweise mit einer Wellenlänge zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm, welche entlang einer Einstrahlrichtung 17 verläuft und auf das Konversionselement 10 trifft. Die Streuschicht 12 ist dazu ausgebildet, einen ersten Anteil 20 der auf sie von einer der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite auftreffenden Primärstrahlung 18 in die Konversionsschicht 16 durchzulassen und einen zweiten Anteil 22 der auf sie auftreffenden Primärstrahlung 18 zu der der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite der Streuschicht 12 hin zu streuen und diesen hierbei in einen endlichen, ausreichend großen Raumwinkelbereich abzulenken.
  • Die Konversionsschicht 16 enthält ein transparentes Matrixmaterial 24, beispielsweise Silikon oder eine Keramik, in welchem mindestens ein Konversionsmittel 25 eingebettet ist. Das Konversionsmittel 25, beispielsweise ein Cer- oder Europium-haltiger Leuchtstoff, absorbiert Licht im UV- oder im blauen Spektralbereich. Über Fluoreszenz erfolgt eine Reemission des Konversionsmittels 25 bei größeren Wellenlängen, beispielsweise im gelben oder roten Spektralbereich, woraus die Sekundärstrahlung 19 resultiert, welche in 2 durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet ist. Bevorzugt ist, dass der gestreute Anteil 22 der Primärstrahlung 18 und die Sekundärstrahlung 19 einen etwa gleich großen Raumwinkelbereich zu der der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite der Streuschicht 12 hin abdecken, so dass mischfarbiges Licht ohne Farbränder erzeugt wird.
  • Die Reflektionsschicht 14 wirkt zumindest bezüglich der Sekundärstrahlung 19 reflektierend und ist vorgesehen, um zum thermisch leitfähigen Träger 32 hin emittierte Sekundärstrahlung 19 zu reflektieren und dadurch aus dem Konversionselement 10 auszukoppeln.
  • In 3 ist schematisch eine Detailansicht der Streuschicht 12 des ersten Ausführungsbeispiels des Konversionselements 10 dargestellt. Die Streuschicht 12 enthält hierbei ein transparentes Matrixmaterial 26, beispielsweise Silikon, in welchem eine Vielzahl von kugelförmig ausgebildeten Streuelementen 28 eingebettet ist, deren mittlere Größe größer als eine Wellenlänge der Primärstrahlung 18 ist, um Strahlkeulen hauptsächlich parallel und antiparallel zur Einstrahlrichtung 17 zu erhalten.
  • Die Streuelemente 28 können reflektionsbeschichtet sein, beispielsweise mit Silber. Durch die nicht-ebene Oberfläche der reflektionsbeschichteten Streuelemente 28 wird ein bestimmter Anteil der Primärstrahlung 22 in einen endlichen, ausreichend großen Raumwinkelbereich zu einer der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite der Streuschicht 12 hin reflektiert und dadurch gestreut im Sinne der im allgemeinen Teil genannten Definition.
  • Die Streuelemente 28 können andererseits beispielsweise einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem des Matrixmaterials 26 der Streuschicht 12 unterscheidet. So kann beispielsweise der Unterschied im optischen Brechungsindex zwischen Streuelementen 28 und Matrixmaterial 26 größer oder gleich 0,1, bevorzugt größer oder gleich 0,2, insbesondere größer oder gleich 0,4 sein. Je nachdem, ob die Streuelementen 28 einen kleineren oder größeren Brechungsindex als das Matrixmaterial 26 aufweisen, findet auf der Außen- oder Innenseite der Streuelementen 28 eine Reflektion der Primärstrahlung 18 statt. Durch die nicht-ebene Außen- oder Innenseite der Streuelemente 28 wird ein bestimmter Anteil der Primärstrahlung 22 in einen endlichen, ausreichend großen Raumwinkelbereich zu einer der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite der Streuschicht 12 hin reflektiert und dadurch gestreut im Sinne der im allgemeinen Teil genannten Definition.
  • In einem nicht dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Konversionsschicht 16 und der Streuschicht 12 eine wellenlängenselektive, dielektrische Spiegelschicht angeordnet, welche teilweise reflektierend für die Primärstrahlung und durchlässig für die Sekundärstrahlung wirkt. Beispielsweise können zwischen 10% und 50% der Intensität der Primärstrahlung 18 durch die wellenlängenselektive Spiegelschicht reflektiert werden. Die wellenlängenselektive Spiegelschicht definiert in diesem Fall zumindest teilweise den gestreuten Anteil 22 der Primärstrahlung.
  • In 4 ist schematisch eine Detailansicht der Streuschicht 12 eines dritten Ausführungsbeispiels des Konversionselements 10 dargestellt. Die Streuschicht 12 umfasst hierbei eine erste und eine zweite Teilschicht 34, 36 mit voneinander verschiedenem Brechungsindex, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Teilschicht 34, 36 aufgeraut ist. Hierdurch entsteht eine Vielzahl von Teilflächen, die schräg zu einer Haupterstreckungsebene der Teilschichten 34, 36 stehen und mit dieser eine Vielzahl verschiedener Winkel einschließen. Zwischen der Konversionsschicht 16 und der zweiten Teilschicht 36 ist eine wellenlängenselektive, dielektrische Spiegelschicht 42 angeordnet, welche teilweise reflektierend für die Primärstrahlung 18 und durchlässig für die Sekundärstrahlung 19 wirkt. Beispielsweise können wiederum zwischen 10% und 50% der Intensität der Primärstrahlung 18 durch die wellenlängenselektive Spiegelschicht 42 reflektiert werden.
  • Trifft Primärstrahlung 18 auf die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Teilschicht 34, 36, so wird die Primärstrahlung 18 unter verschiedenen Winkeln gebrochen und trifft unter solchen auf die wellenlängenselektive Spiegelschicht 42. Diese reflektiert einen bestimmten Anteil der Teilstrahlen zurück zur Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Teilschicht 34, 36, wo sie erneut unter verschiedenen Winkeln gebrochen werden. Schließlich werden die Teilstrahlen in einen endlichen, ausreichend großen Raumwinkelbereich zu der der Konversionsschicht 16 abgewandten Seite der Streuschicht hin abgestrahlt. Somit wirkt die Kombination der ersten und zweiten Teilschicht 34, 36 sowie der wellenlängenselektiven Spiegelschicht 42 als Streuschicht gemäß der im allgemeinen Teil genannten Definition.
  • In 5 ist schematisch eine Detailansicht der Streuschicht 12 eines vierten Ausführungsbeispiels des Konversionselements 10 dargestellt, welches sich von dem dritten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass die erste und die zweite Teilschicht 34, 36 zueinander komplementäre, regelmäßige Strukturierungen 38, 40 aufweisen, die beispielsweise kammartig ausgebildet sein können.
  • In 6 ist schematisch eine Detailansicht der Streuschicht 12 eines fünften Ausführungsbeispiels des Konversionselements 10 dargestellt, welches sich von dem dritten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass die zweite Teilschicht 36 selbst in Form der wellenlängenselektiven Spiegelschicht 42 ausgebildet ist.
  • Durch die Aufrauung weist die wellenlängenselektive Spiegelschicht 42 eine Vielzahl von Teilflächen auf, die schräg zu einer Haupterstreckungsebene der wellenlängenselektiven Spiegelschicht 42 stehen und mit dieser eine Vielzahl verschiedener Winkel einschließen. Wie im allgemeinen Teil beschrieben, wirkt hierdurch die wellenlängenselektive Spiegelschicht 42 als Streuschicht gemäß der im allgemeinen Teil genannten Definition.

Claims (14)

  1. Konversionselement (10) umfassend - eine Streuschicht (12), - eine Reflektionsschicht (14), und - eine zwischen der Streuschicht (12) und der Reflektionsschicht (14) angeordnete Konversionsschicht (16); wobei - die Streuschicht (12) dazu ausgebildet ist, einen ersten Anteil (20) einer auf sie von einer der Konversionsschicht (16) abgewandten Seite auftreffenden Primärstrahlung (18) in die Konversionsschicht (16) durchzulassen und einen zweiten Anteil (22) der auf sie auftreffenden Primärstrahlung (18) zu der der Konversionsschicht (16) abgewandten Seite der Streuschicht (12) hin zu streuen, - die Konversionsschicht (16) mindestens ein Konversionsmittel (25) umfasst, das dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Teil des ersten Anteils der Primärstrahlung (18) in eine Sekundärstrahlung (19) mit einer von der Primärstrahlung (18) verschiedenen, größeren Wellenlänge zu konvertieren, - die Reflektionsschicht (14) zumindest bezüglich der Sekundärstrahlung (19) reflektierend wirkt, und wobei - die Streuschicht (12) eine wellenlängenselektive Spiegelschicht (42) umfasst, welche teilweise reflektierend für die Primärstrahlung (18) und durchlässig für die Sekundärstrahlung (19) wirkt.
  2. Konversionselement (10) nach Anspruch 1, wobei die Streuschicht (12) ein Matrixmaterial (26) enthält, in welchem eine Vielzahl von Streuelementen (28) eingebettet ist.
  3. Konversionselement (10) nach Anspruch 2, wobei die Streuelemente (28) reflektionsbeschichtet sind.
  4. Konversionselement (10) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei eine mittlere Größe der Streuelemente (28) größer als eine Wellenlänge der Primärstrahlung (18) ist.
  5. Konversionselement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der der Konversionsschicht (16) abgewandten Seite der Streuschicht (12) eine Antireflektionsschicht (30) angeordnet ist.
  6. Konversionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Streuelemente (28) kugelförmig ausgebildet sind.
  7. Konversionselement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und 6, wobei die Streuelemente (28) einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem des Matrixmaterials (26) der Streuschicht (12) unterscheidet.
  8. Konversionselement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Streuschicht (12) eine erste und eine zweite Teilschicht (34, 36) mit voneinander verschiedenem Brechungsindex umfasst, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Teilschicht aufgeraut ist oder die erste und die zweite Teilschicht (34, 36) zueinander komplementäre Strukturierungen (38, 40) aufweisen.
  9. Konversionselement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wellenlängenselektive Spiegelschicht (42) zwischen der zweiten Teilschicht und der Konversionsschicht (16) angeordnet ist.
  10. Konversionselement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wellenlängenselektive Spiegelschicht (42) eine Vielzahl von Teilflächen aufweist, die schräg zu einer Haupterstreckungsebene der wellenlängenselektiven Spiegelschicht (42) stehen und mit dieser eine Vielzahl verschiedener Winkel einschließen.
  11. Leuchtmittel (100) mit mindestens einem Konversionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit mindestens einem als Laserdiode oder Leuchtdiode ausgestalteten Halbleiterchip (44), bei dem vom Halbleiterchip (44) emittierte elektromagnetische Strahlung vom Konversionselement (10) mindestens zum Teil in eine Strahlung einer niedrigeren Frequenz umwandelbar ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: - Bereitstellen einer Streuschicht (12), und - Verbinden der Streuschicht (12) mit einer Konversionsschicht (16) und einer Reflektionsschicht (14) .
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen der Streuschicht (12) folgende Verfahrensschritte umfasst: - Bereitstellen eines ersten transparenten Trägerelements mit einer wellenlängenselektiven Spiegelschicht, - Aufbringen eines flüssigen Matrixmaterials (26) mit einer Vielzahl von Streuelementen (28) auf das erste transparente Trägerelement, - Bereitstellen eines zweiten transparenten Trägerelements mit einer Antireflektionsschicht (30), - Aufbringen des zweiten transparenten Trägerelements auf das flüssige Matrixmaterial (26), und - Aushärten.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen der Streuschicht (12) folgende Verfahrensschritte umfasst: - Bereitstellen eines ersten transparenten Trägerelements mit einer Antireflektionsschicht (30), - Aufbringen eines ersten Dielektrikums, wobei das Dielektrikum eine rauhe Oberfläche aufweist oder nachträglich aufgeraut oder strukturiert wird, - Aufbringen eines zweiten Dielektrikums, - Planarisieren des zweiten Dielektrikums, und - Aufbringen einer wellenlängenselektiven Spiegelschicht.
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