DE102012210195A1

DE102012210195A1 - Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE102012210195A1
Application number: DE102012210195A
Authority: DE
Inventors: Angela Eberhardt; Christina Wille; Florian Peskoller
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-12-19
Also published as: WO2013189809A1; US9360175B2; US20150092391A1; DE112013000135A5

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Vorrichtung (10) zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt. Die Vorrichtung (10) weist eine Strahlungsanordnung (12) zum Erzeugen von Anregungsstrahlung (14) und mindestens ein Konversionselement (20, 26) zum Erzeugen von Konversionsstrahlung (22) auf. Das Konversionselement (20, 26) weist Metallphosphat und in dem Metallphosphat eingebettete Leuchtstoffe auf und ist mit einem Abstand zu der Strahlungsanordnung (12) in einem Strahlengang der Anregungsstrahlung (14) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsanordnung zum Erzeugen von Anregungsstrahlung und mindestens ein Konversionselement zum Erzeugen von Konversionsstrahlung auf. Das Konversionselement weist Leuchtstoffe auf und ist mit einem Abstand zu der Strahlungsanordnung in einem Strahlengang der Anregungsstrahlung angeordnet.
Heutzutage kommen bei modernen Beleuchtungseinrichtungen vermehrt energieeffiziente, intensitätsstarke und/oder eine hohe Lichtleistungsdichte bereitstellende Strahlungsquellen wie Hochleistungs-LEDs (light emitting diode – Licht emittierende Diode), Laser, beispielsweise in Form von Laserdioden, und/oder Superlumineszenzdioden zum Einsatz. Anders als Glühbirnen, bei denen es sich um thermische Strahler handelt, emittieren diese Strahlungsquellen Licht in einem eng begrenzten Spektralbereich, so dass ihr Licht nahezu monochrom bzw. exakt monochrom ist. Eine Möglichkeit, weitere Spektralbereiche zu erschließen, besteht beispielsweise in der Strahlungskonversion, bei welcher Leuchtstoffe mittels LEDs und/oder Laserdioden bestrahlt werden und ihrerseits Strahlung einer anderen Wellenlänge emittieren. Bei sogenannten „Remote-Phosphor”(Fern-Phosphor)-Anwendungen wird beispielsweise eine sich in einem Abstand zu einer Strahlungsquelle befindende Leuchtstoff aufweisende Schicht üblicherweise mittels LEDs oder Laserdioden beleuchtet und strahlt ihrerseits Strahlung einer anderen Wellenlänge ab. Beispielsweise kann diese Technik verwendet werden, um Licht blauer LEDs durch Beimischung von gelbem Licht, welches durch Anregung einer Leuchtstoff enthaltenden Schicht erzeugt wird, in weißes Licht umzuwandeln.
Ferner werden heutzutage regelmäßig Projektoren (Beamer) eingesetzt, um Daten optisch darzustellen. Ein derartiger Projektor projiziert die darzustellenden Daten in Form von einzelnen stehenden und/oder bewegten Bildern auf beispielsweise eine Leinwand. Es ist bekannt, bei einem herkömmlichen Projektor die nötige Anregungsstrahlung mit Hilfe einer konventionellen Entladungslampe zu erzeugen, also beispielsweise einer Quecksilberdampf-Höchstdrucklampe. Neuerdings wird aber auch schon die LARP(Laser Activated Remote Phosphor)-Technologie eingesetzt. Bei dieser Technologie wird ein von der Strahlungsquelle beabstandet angeordnetes Konversionselement, das Leuchtstoff aufweist oder daraus besteht, mit Anregungsstrahlung, insbesondere einem Anregungsstrahl (Pumpstrahl, Pumplaserstrahl) bestrahlt. Die Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls wird vom Leuchtstoff ganz oder teilweise absorbiert und in eine Konversionsstrahlung (Emissionsstrahlung) umgewandelt, deren Wellenlängen und somit spektralen Eigenschaften und/oder Farbe durch die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs bestimmt wird. Bei der Down-Konversion wird die Anregungsstrahlung der Strahlungsquelle durch den bestrahlten Leuchtstoff in Konversionsstrahlung mit längeren Wellenlängen als die der Anregungsstrahlung konvertiert. Beispielsweise kann so mit Hilfe des Konversionselements blaue Anregungsstrahlung (blaues Laserlicht) in rote oder grüne Konversionsstrahlung (Konversionslicht, Beleuchtungslicht) konvertiert werden.
Die Anregungsstrahlung kann eine hohe Energiemenge in das Konversionselement einbringen, wodurch sich dieses stark erwärmen kann. Dies kann zu einer Beschädigung des Konversionselements und/oder der darin enthaltenen Leuchtstoffe führen, die als Einzelleuchtstoff oder Leuchtstoffgemisch vorliegen können. Außerdem treten bei mangelnder Kühlung des Leuchtstoffs Konversionsverluste aufgrund Effizienzminderung bedingt durch thermisches Quenchen auf. Zum Vermeiden einer zu starken Erwärmung und zum Vermeiden der damit verbundenen möglichen Schäden des Konversionselements bzw. des Leuchtstoffs ist es bekannt, mehrere Konversionselemente auf einem Leuchtstoffrad (oft auch als Phosphorrad, Pumprad oder Farbrad bezeichnet) anzuordnen, das mit dem Anregungsstrahl bestrahlt wird, während es sich dreht. Aufgrund der Drehung werden nacheinander unterschiedliche Konversionselemente und/oder Bereiche der Konversionselemente beleuchtet und somit die eingebrachte Lichtenergie flächenmäßig verteilt.
Bisher ist konzeptbedingt ein Miniaturisierungsgrad bei der LARP-Technologie beschränkt, da die Anordnung, die die Strahlungsquelle (Pumplaser) und das Leuchtstoff-Rad aufweist, viel Bauraum benötigt. Für unterschiedliche Anwendungen ist jedoch ein kleiner Bauraum wünschenswert, beispielsweise im Bereich von Pico-Projektion, also bei klein dimensionierten mobilen Projektoren, und/oder von miniaturisierten Projektionseinheiten bei der sogenannten Embedded-Projektion, bei der die Projektionseinheit beispielsweise in ein Handy oder eine Kamera integriert ist. Wichtig dabei ist die thermische Anbindung des Konversionselements, um eine Überhitzung und Schaden zu vermeiden.
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 fixiert und an ein optisches System (Linsen, Kollimatoren, etc.) angebunden, 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 sein. Für Remote-Phosphor-Anwendungen, d. h. Anwendungen bei denen Leuchtstoff (Phosphor) und Strahlungsquelle, z. B. Hochleistungs-Laserdioden, räumlich getrennt sind, wird beispielsweise eine dünne Leuchtstoffschicht auf eine Oberfläche, beispielsweise eines Substrats und/oder eines Träger, aufgebracht, mit Bindemitteln mechanisch fixiert und an ein optisches System (Linsen, Kollimatoren, etc.) angebunden (Luft, Immersion etc.).
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 sind, beispielsweise über den Träger, abzuführen, um eine Überhitzung und damit thermisch bedingte Änderungen der optischen Eigenschaften oder auch die Zerstörung des Leuchtstoffes zu vermeiden. Die Leuchtstoffe werden beispielsweise mit Lichtquellen hoher Leistungsdichte (einige W/mm²) zur Emission angeregt. Die dabei entstehenden hohen thermischen Verluste (Stokes) führen zu einem Wärmeeintrag in der Leuchtstoffschicht. Werden diese Temperaturen zu hoch, beispielsweise durch unzureichende Entwärmung, kann es zu thermisch bedingten Änderungen der optischen Eigenschaften (Emissionswellenlänge, Konversionseffizienz usw.) kommen oder letztendlich zu der Zerstörung der Leuchtstoffe bzw. der Schicht selbst. Ursächlich für diese Degeneration der Leuchtstoffschicht können sowohl Leuchtstoff als auch Bindemittel sein. Aus diesem Grund sollte die Leuchtstoffschicht so gestaltet sein, dass sie optimal entwärmt werden kann, um die thermische Zerstörung der Leuchtstoffe und des Bindemittels zu vermeiden.
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 Konversionselement entstehender Wärme dar. Zudem sollten die Bindemittel selbst thermisch und spektral stabil sein und keine bis geringe Alterungseigenschaften zeigen. Aus diesem Grund ist die Verwendung eines inerten, optisch transparenten, thermisch und spektral stabilen Bindemittels für die Erzeugung stabiler und langlebigere Leuchtstoffschichten vorteilhaft.
Es ist bekannt, Silikone als Bindermatrizen für eine lichttechnische Anregung (z. B. LEDs) zu verwenden. Diese erlauben jedoch keine zu hohen Lichtleistungen (Leistungsdichten einige W/mm²) oder machen weiteren technologischen Aufwand nötig (z. B. Farbräder zur Reduzierung der Lichteinwirkzeit). Die bekannten Leuchtstoff-Silikongemische werden üblicherweise direkt auf metallische Substrate aufgebracht. Beispielsweise wird der Leuchtstoff in organischen Matrizen wie z. B. Silikon suspendiert und dann z. B. siebgedruckt. Die Schichten sind beispielsweise ca. 30 μm dick. Silikon besitzt eine schlechte Wärmeleitfähigkeit (λ_Silikon = 0,1–0,2 W/m·K), die dazu führt, dass sich der Leuchtstoff im Betrieb stärker erwärmt und dadurch ineffizienter wird. Dies ist insbesondere bei leistungsstarken LEDs und bei Laseranwendungen problematisch.
Der Beschichtungsprozess beim Ausbilden einer Leuchtstoffschicht wird durch die Art der Substratmaterialien limitiert. So sind Hochtemperaturprozesse auf vielen Kunststoffen und metallischen Materialien (z. B. Aluminium) aufgrund von deren Schmelztemperaturen bzw. thermischen Beständigkeit nicht denkbar. Alternativ verfügbare gut wärmeleitfähige keramische Materialien (z. B. AlN) sind dagegen mit erhöhtem technologischem und finanziellem Aufwand verbunden.
Aus verschiedenen Druckschriften sind anorganische Matrizen mit einer verbesserten Wärmeableitung bekannt, wie z. B. niederschmelzendes Glas aus WO 2011/104364 A1 oder Metallphosphate aus WO 2011/138169 A1 .
Anorganische Matrizen haben gegenüber organischen Matrizen jedoch den Nachteil, dass zur Erzielung einer kompakten blasenarmen Schicht in der Regel relativ hohe Temperaturen benötigt werden, wenn eine gewisse chemische Stabilität (beispielsweise gegenüber UV-Strahlung und/oder Feuchte) gefordert ist. Typische Erweichungstemperaturen von gängigen niederschmelzenden Gläsern liegen bei 500°C bis 600°C. Bei diesen Temperaturen werden optoelektronische Substrate wie z. B. ein LED-Chip oder gut reflektierende Substrate z. B. hochreflektierendes Aluminium oder der einzubettende Leuchtstoff, insbesondere Nitride, bereits geschädigt und dadurch ineffizienter.
Als Alternativen sind Konversionselemente 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 Konversionselemente 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 Konversionselemente besonders dünn ausgebildet werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt, die einfach und/oder kostengünstig herstellbar ist und/oder die ermöglicht, Konversionsstrahlung mit hochenergetischer Anregungsstrahlung bereitzustellen. Ferner wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt, deren Konversionselement temperatur- und witterungsbeständig ist und/oder eine hohe Effizienz und/oder lange Lebensdauer hat.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsanordnung zum Erzeugen von Anregungsstrahlung und mindestens ein Konversionselement zum Erzeugen von Konversionsstrahlung auf. Das Konversionselement weist ein kondensiertes Metallphosphat und in dem kondensierten Metallphosphat eingebettete Leuchtstoffe auf. Das Konversionselement ist mit einem vorgegebenen Abstand zu der Strahlungsanordnung in einem Strahlengang der Anregungsstrahlung angeordnet.
Das Konversionselement und damit die Vorrichtung sind einfach und/oder kostengünstig herstellbar. Das kondensierte Metallphosphat ermöglicht, das Konversionselement zum Erzeugen von Konversionsstrahlung mit hochenergetischer Anregungsstrahlung zu verwenden. Mit anderen Worten kann die Strahlungsanordnung ein, zwei oder mehr Strahlungsquellen aufweisen, die die Anregungsstrahlung mit einer hohen Leistungsdichte erzeugen. Ferner ist das das kondensierte Metallphosphat aufweisende Konversionselement besonders temperatur- und witterungsbeständig und hat eine hohe Effizienz und lange Lebensdauer, da durch das kondensierte Metallphosphat eine verbesserte Strahlungsbeständigkeit, beispielweise UV-beständigkeit, und Wärmeabfuhr gegeben ist und der eingebettete Leuchtstoff weniger durch Umweltfaktoren geschädigt wird.
Das kondensierte Metallphosphat ist ein Bindemittel für den Leuchtstoff, der beispielsweise vor dem Binden mittels des Metallphosphats in Pulverform, also als Leuchtstoffpulver vorliegt. In anderen Worten bildet das Metallphosphat eine Matrix zum Einbetten des Leuchtstoffs. Der Leuchtstoff weist eine Vielzahl von in der Matrix eingebetteten Leuchtstoffpartikeln auf. Die Matrix kann aus einer kondensierten Metallphosphatlösung hergestellt werden. Das Herstellen der Matrix aus kondensierter Metallphosphatlösung ermöglicht verglichen mit einer Matrix aus Glas, das beispielsweise mittels eines Schmelzprozesses der Gemengerohstoffe hergestellt werden kann, das Leuchtstoffpulver, bei gleicher Zusammensetzung der Matrix, bei geringeren Temperaturen einzubetten. Dies kann dazu beitragen, den Leuchtstoff schonend einzubetten und/oder bei der Einbettung weniger oder gar nicht zu schädigen. Der vorgegebene Abstand ist größer null, was beispielsweise bedeutet, dass die Strahlungsquelle und das Konversionselement keinen direkten körperlichen Kontakt zueinander haben.
Das Konversionselement kann beispielsweise eine Konversionsschicht aufweisen, die beispielsweise auf einem Substrat ausgebildet werden kann. Mit Hilfe des Metallphosphats kann beispielsweise eine besonders haftfeste Konversionsschicht erzeugt werden. Die Konversionsschicht kann ferner so ausgebildet sein, dass sie keine mechanische Schädigung und/oder Zerstörung bei anschließenden Verarbeitungsschritten erfährt. Ferner kann die Konversionsschicht bei moderaten Temperaturen hergestellt werden. Beispielsweise können die Temperaturen durch Beimischung von Zusatzstoffen weiter gesenkt werden. Das Konversionselement mit dem kondensierten Metallphosphat kann eine gute chemische und/oder optische Beständigkeit, eine gute thermische Leitfähigkeit und/oder Temperaturstabilität aufweisen. Dies ermöglicht eine gute Quanteneffizienz bei den eingebetteten Leuchtstoff, da das Leuchtstoffpulver während der Einbettung nicht oder nur geringfügig geschädigt wird und/oder der Leuchtstoff im Betrieb aufgrund der verbesserten Wärmeabfuhr weniger degeneriert. Dies kann zu einer hohen Effizienz und einer langen Lebensdauer beitragen, insbesondere beim Einbringen von Anregungsstrahlung mit einer hohen Leistungsdichte.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das Konversionselement relativ zu der Strahlungsanordnung bewegbar angeordnet. Beispielsweise ist das Konversionselement drehbar angeordnet.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ein Leuchtstoffrad auf, das um eine Achse drehbar angeordnet ist und das das Konversionselement aufweist. Das Konversionselement kann beispielsweise an einem Rand des Leuchtstoffrads und/oder auf einer Kreisfläche des Leuchtstoffrads angeordnet sein. Zusätzlich zu dem Konversionselement können beispielsweise ein, zwei oder mehr weitere Konversionselemente angeordnet sein. Die Konversionselemente können beispielsweise unterschiedliche Leuchtstoffe aufweisen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das Konversionselement relativ zu der Strahlungsanordnung fest angeordnet. Beispielsweise kann die Vorrichtung für eine Pico-Projektions-Anwendung ohne Leuchtstoffrad verwendet werden, beispielsweise in einem tragbaren elektronischen Gerät, wobei die Verwendung des kondensierten Metallphosphats als Matrix für das Konversionselement zu einer ausreichenden Wärmeabfuhr beitragen kann.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist eine Oberfläche des Konversionselements eine Kühlstruktur auf. Die Kühlstruktur weist eine künstlich vergrößerte Oberfläche des Konversionselements auf. Dies kann zu einer guten Kühlung des Konversionselements beitragen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist die Kühlstruktur Riefen und/oder Lamellen auf. Dies kann dazu beitragen, die Kühlstruktur auf einfache Weise effektiv auszubilden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das kondensierte Metallphosphat amorph bzw. überwiegend amorph. Dass das Metallphosphat amorph bzw. überwiegend amorph ist, kann beispielsweise bedeuten, dass die Matrix selbst keine bzw. max. 25 Vol-%, beispielsweise max. 10 Vol-% an kristallinen Phasenanteilen besitzt. Der eingebettete kristalline Leuchtstoff ist hiervon ausgenommen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das kondensierte Metallphosphat farblos.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das kondensierte Metallphosphat für die Konversionsstrahlung und/oder die Anregungsstrahlung transparent.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist das kondensierte Metallphosphat Aluminiumphosphat auf, das beispielsweise durch Kondensation aus Mono-Aluminium-Phosphat gebildet wird. Dies kann dazu beitragen, dass oxidationsempfindliche Leuchtstoffe, wie beispielsweise Nitride, nach dem Einbetten in derartige Matrizen, beispielsweise bei Temperaturen von max. 350°C, keinen oder lediglich einen geringen Effizienzverlust aufweisen. Feuchtetests haben ergeben, dass diese Matrizen zumindest weitgehend neutral reagieren und dadurch eine gute Abbindung und/oder chemische Resistenz aufweisen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist das Konversionselement als Ausgangsstoff auch Wasserglas auf. Dies kann dazu beitragen, das Leuchtstoffpulver bei niedrigen Temperaturen einzubetten und gleichzeitig die chemische Stabilität gegenüber einer reinen Wasserglasmatrix zu erhöhen. Das Wasserglas kann als Ausgangsstoff für die Matrix beispielsweise als anorganisches Sol-Gel vorliegen. Das Wasserglas kann beispielsweise Alkalisilikate aufweisen oder daraus bestehen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist das Konversionselement Zink-, Magnesium- und/oder Bor-haltige Zusätze auf. Dies kann dazu beitragen, die erforderliche Temperatur für eine Abbindereaktion beim Herstellungsprozess des Konversionselements, insbesondere der Leuchtstoffschicht, zu reduzieren, wenn diese Elemente als Oxide und/oder als Phosphate in der Lösung zum Herstellen der Konversionsschicht bzw. Leuchtstoffschicht, also zusätzlich zu dem Metallphosphat in dem Bindemittel enthalten sind. Beispielsweise können die Temperaturen auf einen Bereich zwischen 200°C und 300°C reduziert werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist die Strahlungsanordnung mindestens eine Strahlungsquelle auf, die die Anregungsstrahlung mit einer hohen Leuchtdichte erzeugt.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Strahlungsquelle ein Laser, eine Laserdiode oder eine Superlumineszenzdiode.
Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt die hohe Leuchtdichte im Bereich zwischen 1 W/mm² und 50 W/mm².
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung;
3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung;
4 ein Ausführungsbeispiel einer Oberflächenstruktur eines Konversionselements;
5 ein Ausführungsbeispiel einer Oberflächenstruktur eines Konversionselements.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele 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 werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Halbleiter-Bauelement sein und/oder als eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode, als eine organische elektromagnetische Strahlung emittierende Diode, als ein elektromagnetische Strahlung emittierender Transistor oder als ein organischer elektromagnetische Strahlung emittierender Transistor ausgebildet sein. Die elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, W-Licht und/oder Infrarot-Licht sein. In diesem Zusammenhang kann das elektromagnetische Strahlung emittierende Bauelement beispielsweise als Licht emittierende Diode (light emitting diode, LED) als organische Licht emittierende Diode (organic light emitting diode, OLED), als Licht emittierender Transistor oder als organischer Licht emittierender Transistor ausgebildet sein. Das Licht emittierende Bauelement kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen Teil einer integrierten Schaltung sein. Weiterhin kann eine Mehrzahl von Licht emittierenden Bauelementen vorgesehen sein, beispielsweise untergebracht in einem gemeinsamen Gehäuse.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Die Vorrichtung 10 weist eine Strahlungsanordnung 12 auf, die Anregungsstrahlung 14 erzeugt. Die Strahlungsanordnung 12 ist beispielsweise eine Strahlungsquelle oder weist ein, zwei oder mehr Strahlungsquellen auf. Als Strahlungsquelle wird beispielsweise ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement verwendet. Die Strahlungsquelle 12 kann beispielsweise eine Laserstrahlungsquelle sein. Die Laserstrahlungsquelle kann beispielsweise eine Laserdiode sein. Die Laserdiode kann eine Single- oder Multi-Mode Laserdiode sein. Beispielsweise kann die Laserdiode eine blaues Laserlicht emittierende Laserdiode sein, die auch als blaue Laserdiode bezeichnet wird. Eine Leistung der Strahlungsquelle 12 kann beispielsweise 50 mW bis 5 W sein. Alternativ zu der blauen Laserdiode, deren Emissionswellenlängen beispielsweise im Spektralbereich von 400 nm bis 480 nm liegen kann, kann als Strahlungsquelle 12 eine W-(Laser-)Strahlungsquelle verwendet werden, beispielsweise mit einer Emissionswellenlänge zwischen 300 nm und 400 nm.
Die Anregungsstrahlung 14 ist beispielsweise elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich. Bei der Anregungsstrahlung (Pumplicht o. Pumpstrahlung) 14 kann es sich beispielsweise auch um ultraviolette Strahlung, Infrarot-Strahlung oder sogar Korpuskularstrahlung handeln, etwa um einen Elektronen- oder Ionenstrahl, bevorzugt ist die Anregungsstrahlung 14 jedoch Laserstrahlung und/oder LED-Licht. Die Anregungsstrahlung 14 ist nicht zwingend auf einen bestimmten Spektralbereich begrenzt; es kann beispielsweise im roten, grünen, blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich gepumpt werden, etwa durch eine entsprechende Strahlungsquelle (Pumpstrahlungsquelle) oder auch eine Kombination mehrerer Strahlungsquellen in der Strahlungsanordnung 12. Generell können die Strahlungsquellen dazu ausgelegt sein, mit beispielsweise im Wesentlichen konstanter Leistung oder aber auch gepulst betrieben zu werden.
Die Anregungsstrahlung 14 ist auf ein an einem Träger 16 befestigtes Konversionselement 20 gerichtet. In anderen Worten beleuchtet oder bestrahlt die Strahlungsanordnung 12 das Konversionselement 20 und/oder das Konversionselement 20 ist in einem Strahlengang der Anregungsstrahlung 14 angeordnet. Der Träger 16 kann auch als Substrat bezeichnet werden. Ferner kann das Konversionselement 20 auf einem Substrat aufgebracht sein, das dann an dem Träger 16 befestigt werden kann. Die Strahlungsanordnung 12 hat einen vorgegebenen Abstand, der größer null ist, zu dem Konversionselement 20 und ist somit nicht in direktem körperlichem Kontakt mit dem Konversionselement 20. Der Träger 16 kann beispielsweise ein Teil eines Farbrades und/oder beispielsweise ein Teil eines Projektors sein. Die Vorrichtung 10 kann beispielsweise in dem Projektor angeordnet sein. Alternativ dazu kann die Vorrichtung 10 beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise als Innenbeleuchtung, Scheinwerfer oder Rücklicht, in einem tragbaren elektronischen Gerät, beispielsweise einem tragbaren Projektor und/oder einem Mobiltelefon, oder in einem Endoskop angeordnet sein. Ferner kann der Träger 16 eine Kühlvorrichtung aufweisen.
Das bestrahlte Konversionselement 20 strahlt seinerseits Konversionsstrahlung 22 ab. Alternativ kann die Vorrichtung 10 mehrere Strahlungsanordnungen 12 und/oder mehrere Konversionselemente 20 aufweisen. Die Anregungsstrahlung 14 und/oder die Konversionsstrahlung 22 können auch als elektromagnetische Strahlung bezeichnet werden. Zum Erzeugen der Konversionsstrahlung 22 weist das Konversionselement 20 Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffe auf. Die Leuchtstoffe werden mit Hilfe des abgelenkten Anregungsstrahls 14 energetisch angeregt. Beim nachfolgenden energetischen Abregen emittieren die Leuchtstoffe die Konversionsstrahlung einer oder mehrerer vorgegebener Wellenlängen. Es findet somit eine Konversion der Anregungsstrahlung 14 statt, wodurch die Konversionsstrahlung 22 erzeugt wird. Bei der Konversion werden die Wellenlängen der Anregungsstrahlung 14 zu kürzeren oder längeren Wellenlängen verschoben. Die Farben können Einzelfarben oder Mischfarben sein. Die Einzelfarben können beispielsweise grünes, rotes oder gelbes Licht aufweisen und/oder die Mischfarben können beispielsweise aus grünem, rotem und/oder gelbem Licht gemischt sein und/oder beispielsweise weißes Licht aufweisen. Zusätzlich kann blaues Licht bereitgestellt werden, beispielsweise indem das Konversionselement 20 so ausgebildet wird, dass zumindest teilweise nicht konvertierte Anregungsstrahlung 14 die Vorrichtung 10 als nutzbare elektromagnetische Strahlung verlässt. Die Einzel- oder Mischfarben können mit Hilfe der Konversionsstrahlung 22 und/oder der Anregungsstrahlung 14 dargestellt werden. Beispielsweise können grün, rot und gelb mit Hilfe von blauem Laserlicht dargestellt werden. Bei Verwendung des W-Laserlichts als Pumplicht können die Leuchtstoffe auch so gewählt werden, dass sie rot, grün, blau und gelb darstellen.
Das Konversionselement 20 weist ein Matrixmaterial (Bindemittel) auf, das ein kondensiertes Metallphosphat aufweist. Der bzw. die Leuchtstoffe sind in das Matrixmaterial eingebettet. Als Leuchtstoff kann ein Stoff verstanden werden, der verlustbehaftet elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge in elektromagnetische Strahlung anderer (längerer) Wellenlänge umwandelt, beispielsweise mittels Phosphoreszenz oder Fluoreszenz. Die Energiedifferenz aus absorbiertem elektromagnetischer Strahlung und emittierter elektromagnetischer Strahlung kann in Phononen, d. h. Wärme, umgewandelt werden und/oder mittels Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge proportional zur Energiedifferenz.
Übliche Leuchtstoffe sind beispielsweise Granate oder Nitride, Silikate, 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-Granat:Cer (YAG:Ce), CaAlSiN3:Eu oder grün emittierender Granat A3B5O12;Eu, A ist bevorzugt Y, Lu allein oder in Kombination, B ist bevorzugt Al oder Ga allein oder in Kombination. Ferner können im Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffgemisch beispielsweise Partikel mit Licht streuenden Eigenschaften und/oder Hilfsstoffe enthalten sein. Beispiele für temporäre Hilfsstoffe schließen Tenside und organische Lösungsmittel ein. Beispiele für permanente Zusätze sind Licht streuende Partikel, beispielsweise Metalloxidpartikel oder Stabilisatoren, beispielsweise oxidische Nanopartikel.
Das Matrixmaterial weist ein kondensiertes Metallphosphat, beispielsweise ein kondensiertes Aluminiumphosphat, aus einer beispielsweise Mono-Aluminiumphosphat-Lösung auf. Das Matrixmaterial ist beispielsweise amorph bzw. überwiegend ammorph, farblos und/oder für die Anregungsstrahlung 14 und/oder die Konversionsstrahlung 22 transparent. Das kondensierte Metallphosphat weist eine gute Wärmeleitfähigkeit, die höher als die von Silikon ist, und eine gute UV-Beständigkeit auf. Das kondensierte Metallphosphat ist beispielsweise bleifrei oder bleiarm, beispielsweise mit einem Anteil unter 1 Mol.-%. Das kondensierte Metallphosphat ist in der Regel alkali- und/oder halogenarm, beispielsweise alkali- bzw. halogenfrei. Die Konzentrationen an Alkalimetallen und Halogenen können deshalb vernachlässigbar sein und/oder jeweils unter 1 Mol.-% liegen. Das heißt beispielsweise, dass diese Elemente nicht bewusst zugegeben werden und allenfalls von Verunreinigungen der eingesetzten Vormaterialien herrühren. Dadurch wird eine höhere Feuchtestabilität erzielt. Eine Ausnahme ist die Kombination von Metallphosphat mit Alkalisilikat.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Konversionsschicht mit der Matrix aus Metallphosphat und mit dem Leuchtstoff und/oder gegebenenfalls mit Zusatzstoffen kann beispielsweise größer 5,0 × 10^–6 K^–1 sein.
Das kondensierte Metallphosphat kann als Hauptkomponente Phosphat aufweisen, das in verschiedenen Modifikationen, d. h. als Polyphosphat, Metaphosphat, Orthophosphat sowie in allen möglichen Zwischenstufen vorliegen kann. Der Begriff Phosphate umfasst beispielsweise auch Mono-Phosphat wie das wasserlösliche Al(H₂PO₄)₃ sowie auch wasserunlösliches Poly-Phosphat wie [Al(PO₃)₃]_n. Je nach Verarbeitung kann dabei Meta-Phosphat wie (Al(PO₃)₃₎ oder auch tertiäres Phosphat wie AlPO₄ entstehen. Ein Anhaltspunkt ist ein Molverhältnis von Phosphor zu Aluminium P/Al von 1 bis 10 als Grenzwerte.
Dem Metallphosphat können Zusatzstoffe und/oder den Brechungsindex verändernde Komponenten zugesetzt sein. Diese Komponenten sind beispielsweise anorganisch. Bei dem Metallphosphat kann es sich beispielsweise um Aluminiumphosphat, Yttriumphosphat, Erdalkaliphosphat, Phosphate der III. Hauptgruppe sowie der Nebengruppen oder auch um andere Seltenerdphosphate oder aber Mischungen daraus handeln. Dem Phosphat können insbesondere auch Zusatzstoffe, wie SiO₂, z. B. in Form von Aerosil, pyrogenes Al₂O₃ oder TiO₂ etc. zugesetzt sein. Beispielsweise werden diese Zusatzstoffe als Nanopulver zugesetzt, beispielsweise ist ihre mittlere Partikelgröße im Bereich von 1 nm bis 40 nm angesiedelt. Auch gemahlene Gläser, wie beispielsweise Hartgläser, oder gemahlenes Glaslot können als Nanopulver zugesetzt sein. Diese Zusätze können die Wärmeleitfähigkeit des Konversionselements 20 erhöhen, als Reflektor dienen, und/oder auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten anpassen.
Weitere optionale Komponenten können dazu dienen, den Brechungsindex zu verändern, insbesondere Tellur- oder Bismuth-haltige Verbindungen. Das kondensierte Metallphosphat ist feuchtebeständig, und kann beispielsweise bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Der Anteil an zugesetzten Pulvern (Leuchtstoff und ggf. Zusätze) kann so hoch sein, dass das kondensierte Metallphosphat vornehmlich die Partikel miteinander verklebt. Ein Teil oder auch alle zugegebenen Komponenten können derart ausgewählt sein, dass sie mit dem Metallphosphat chemisch reagieren und es dadurch modifizieren. Das Metallphosphat ist zur Einbettung von Leuchtstoffpulver geeignet, also als Matrix für das Konversionselement 20.
Die Anwendung des kondensierten Metallphosphats trägt zu einer hohen Effizienz und einer langen Lebensdauer des Konversionselements 20 bei. Beispielsweise werden eine hohe W-Beständigkeit, eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine gute Temperaturstabilität und/oder ein hoher Brechungsindex erzielt.
Die Herstellung derartiger Metallphosphate erfolgt beispielsweise über das bekannte Sol-Gel-Verfahren aus einem löslichen Metallphosphat oder aus dem Reaktionsprodukt von einem Metallhydroxid mit Phosphorsäure oder aus dem Reaktionsprodukt von Metallsalz mit Phosphorsäure. Das Lösemittel wird zunächst durch Trocknung entfernt. Durch eine anschließende Behandlung bei höheren Temperaturen werden Wasser bzw. kohlenstoffhaltige Komponenten abgespalten und das Metallphosphat liegt dann in polymerisierter Form vor. Beispielsweise wird Aluminium-, Yttrium- oder auch ein anderes Seltenerdphosphat verwendet, weil derartige Phosphate eine hohe Temperatur- und eine gute Feuchtebeständigkeit aufweisen. Bei der Einbettung von Leuchtstoff ist es wichtig, dass dieser nicht durch eine chemische Reaktion mit der Lösung oder entstehenden Reaktionsprodukten bzw. durch zu hohe Temperaturen geschädigt wird. Das kondensierte Metallphosphat kann in amorpher, teilkristalliner oder kristalliner Form vorliegen.
Beispielsweise kann eine Matrix aus Aluminiumphosphat durch Kondensation bei erhöhter Temperatur aus einer Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung gebildet werden. Beispielsweise oxidationsempfindliche Leuchtstoffe wie z. B. Nitride zeigen nach dem Einbetten in eine derartige Matrix bei Temperaturen zwischen 100°C und 400°C, beispielsweise zwischen 200°C und 350°C keinen merklichen Effizienzverlust. Feuchtetests derartiger Konversionselemente 20 haben ergeben, dass diese Matrizen neutral reagieren und dadurch auf eine gute Abbindung und chemische Resistenz hindeuten. Die erforderliche Temperatur für die Abbindereaktion kann nochmals reduziert werden, wenn andere glasbildende Metallphosphate wie z. B. Zn, Mg, B oder deren Oxide in der Lösung enthalten sind. Prinzipiell eignet sich eine derartige Matrix für Substrate wie z. B. Glas, Keramik oder diverse Metalle.
Beispielsweise kann in einer wässrigen Lösung des Metallphosphats Leuchtstoff, zum Beispiel YAG:Ce oder ein anderer Leuchtstoff, in Pulverform suspendiert werden und dann auf das Substrat als Schicht aufgetragen werden. Im Anschluss kann die Trocknung bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise zwischen 80°C und 150°C, und/oder bei vermindertem Umgebungsdruck durchgeführt werden. Dann kann ein Aushärten durch Kondensation erfolgen, beispielsweise bei einer Aushärtetemperatur, die beispielsweise durch die Temperaturbeständigkeit der Bauteilkomponenten begrenzt ist. Beispielsweise erfolgt der Einbrand bei Temperaturen zwischen 180°C und 500°C, beispielsweise zwischen 200°C und 350°C. Der Feststoffgehalt an Leuchtstoff kann je nach zu erzielendem Farbort der mit Hilfe der Vorrichtung 10 bereitzustellenden elektromagnetischen Strahlung variiert werden. Hierbei ist es auch möglich, das Konversionselement 20 so herzustellen, dass die Anregungsstrahlung 14 vollständig in Konversionsstrahlung 22 umgewandelt wird, abgesehen von thermischen Verlusten. Beispielsweise kann dazu der Feststoffgehalt an Leuchtstoff so hoch gewählt werden, dass das eingesetzte Metallphosphat die Leuchtstoffpartikel nur mit einer dünnen Schicht umschließt und dadurch miteinander verklebt. Ferner ist es möglich, eine Mischung aus verschiedenen Leuchtstoffpulvern in das Metallphosphat einzubetten, um verschiedene Lichtfarben einzustellen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10, das weitgehend dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht, wobei im Unterschied dazu bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 der Träger 16 zumindest teilweise für die Konversionsstrahlung 22 und/oder die Anregungsstrahlung 14 transparent ausgebildet ist.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10, das weitgehend dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht, wobei im Unterschied dazu bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 der Träger 16 als ein Leuchtstoffrad ausgebildet ist. Das Leuchtstoffrad ist um eine Achse 24 drehbar gelagert. Das Leuchtstoffrad kann mit Hilfe einer nicht dargestellten Antriebseinheit um die Achse 24 gedreht werden. Optional ist auf dem Leuchtstoffrad ein weiteres Konversionselement 26 angeordnet. Ferner können noch weitere Konversionselemente auf dem Leuchtstoffrad angeordnet sein. Die Konversionselemente 20, 26 können gleiche und/oder unterschiedliche Leuchtstoffe aufweisen, so dass mit ihrer Hilfe Konversionsstrahlung 22 gleicher bzw. unterschiedlicher Wellenlänge erzeugbar ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Oberflächenstruktur, die beispielsweise mindestens eines der Konversionselemente 20, 26 aufweisen kann. Beispielsweise kann die Oberflächenstruktur eine Kühlstruktur sein, durch die die Oberfläche des entsprechenden Konversionselements 20, 26 vergrößert ist. Die Oberflächenstruktur ist beispielsweise auf einer von dem Substrat abgewandten Seite des entsprechenden Konversionselements 20, 26 ausgebildet. Beispielsweise weist die Oberflächenstruktur und/oder die Kühlstruktur Riefen 28 auf.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Oberflächenstruktur, die beispielsweise mindestens eines der Konversionselemente 20, 26 aufweisen kann. Beispielsweise kann die Oberflächenstruktur die Kühlstruktur sein, durch die die Oberfläche des entsprechenden Konversionselements 20, 26 vergrößert ist. Die Oberflächenstruktur ist beispielsweise auf einer von dem Substrat abgewandten Seite des entsprechenden Konversionselements 20, 26 ausgebildet. Beispielsweise weist die Oberflächenstruktur und/oder die Kühlstruktur Lamellen 30 auf.
Alternativ dazu kann das entsprechende Konversionselement 20, 26 auch keine gezielt vorgegebene Oberflächenstruktur und/oder keine Kühlstruktur aufweisen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Konversionselements 20 kann beispielsweise folgende Schritte aufweisen:

– Herstellen oder Zukauf der Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung;
– Herstellung einer Suspension aus Leuchtstoffpulver (eine oder verschiedene Typen) und Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung, optional Zugabe von Streupartikeln und/oder Tensiden;
– optional Zugabe von Nanopulvern zur Viskositätseinstellung und/oder Stabilisierung der Suspension;
– optional Vorbehandlung des Substrats, um die Benetzung und/oder Schichthaftung zu verbessern. Z. B. mit W-Strahlung oder Plasma;
– Aufbringen der Schicht auf das Substrat durch ein bekanntes Verfahren wie z. B.: Sieb- oder Schablonendruck, Inkjet-Druck, Spin-Coating, Aufsprühen, Tauchen, Beschlämmen und/oder Dispensen;
– Trocknen der Schicht: beispielsweise moderates Trocknen, beispielsweise um ein Aufschäumen der Schicht zu vermeiden, wobei Temperaturen beim Trocknen abhängig vom Lösemittel, von der Trockenzeit und/oder vom Schichtvolumen gewählt werden können; bei Wasser als Lösemittel kann die Trocknung beispielsweise bei 30°C bis 80°C erfolgen; das Trocknen kann beispielsweise durch Konvektion, z. B. in einem Trockenschrank, oder in einer Mikrowelle erfolgen;
– Aushärten der Schicht durch Kondensation: beispielsweise bei 150°C bis 500°C, beispielsweise bei 200°C bis 350°C, beispielsweise für amorphe bzw. überwiegend amorphe Schichten; die Härtezeit kann beispielsweise abhängig vom Schichtvolumen gewählt werden und kann beispielsweise im Bereich von einigen Sekunden bis einer Stunde sein, wobei das Aushärten beispielsweise in einer oxidierender Atmosphäre erfolgen kann; bei Nassschichtdicken im Bereich von 50 μm können beispielsweise schon 15 Minuten ausreichen;
– optional ist nach dem Aushärten eine gezielte Strukturierung der Schicht und/oder ein Einbringen der Oberflächenstruktur möglich.

Eine Korngrößenverteilung bei dem Leuchtstoffpulver kann beispielsweise ein D50 zwischen 5 μm bis 50 μm, beispielsweise 5 μm bis 30 μm sein. Das Mischungsverhältnis von Lösung zu Feststoff kann abhängig von der Korngröße gewählt werden. Beispielsweise kann mit abnehmender Korngröße zunehmend mehr Matrix-Lösung verwendet werden. Beispielsweise kann für Granat-Leuchtstoffe mit einer Korngrößenverteilung von D50 zwischen 5 μm und 30 μm ein Mischungsverhältnis von Leuchtstoff zu Matrix-Lösung von 1:0,5 bis 1:3 bezogen auf den Gewichtsanteil gewählt werden. Das so hergestellte Konversionselement 20, 26 kann zur Voll- oder Teilkonversion eingesetzt werden. Das Mol-Verhältnis von Al zu P kann beispielsweise im Bereich von 1:1 bis 1:5 liegen. Der Anteil an Zusatzstoffen kann so hoch sein, dass die Matrix quasi nur als Bindemittel wirkt, d. h. die Partikel nur miteinander verklebt. In diesem Fall kann auch eine Beschichtung des Substrates mit Pulver erfolgen, das dann z. B. durch Aufsprühen der Matrixlösung und einer nachgeschalteten Temperaturbehandlung (trocknen, härten) fixiert wird.
Bei Verwendung des Konversionselements 20, 26 für eine Laseranwendung (LARP, ITOS, Automotive) kann auf ein maskiertes hochreflektierendes Substrat (beispielsweise Aluminium, wie beispielsweise in der Lichtanwendung verwendet) eine Suspension aus Granatleuchtstoff und Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung beispielsweise durch Rakeln aufgebracht werden. Vorher kann das Substrat zur besseren Benetzung optional mit W-Strahlung bestrahlt werden. Die Nassschichtdicke kann beispielsweise im Bereich zwischen 50 μm und 100 μm liegen. Im Anschluss kann beispielsweise eine Antrocknung bei Raumtemperatur und dann eine Trocknung bei 80°C für beispielsweise 12 Stunden erfolgen. Die getrocknete Schicht kann dann mit 10°C/min auf beispielsweise 350°C aufgeheizt und die Temperatur kann dann beispielsweise für wenige Sekunden bis zu einer Stunde, beispielsweise 15 Minuten, gehalten werden. Je nach Maskierung kann diese sofort nach dem Rakeln oder nach der Antrocknung entfernt werden. Die Temperaturbehandlung kann beispielsweise in oxidierender Atmosphäre erfolgen. Das Mischungsverhältnis von Leuchtstoff zu Matrix-Lösung kann bezogen auf das Gewicht beispielsweise bei 1:1 liegen. Die gehärtete Schichtdicke kann im Bereich von 40 μm bis 80 μm liegen. Diese Schichtdicken eignen sich beispielsweise für ITOS-Anwendungen. Im Falle von LARP-Anwendungen können gehärtete Schichtdicken von 10 μm bis 200 μm eingesetzt werden, wofür entsprechend niedrigere oder höhere Nassschichtdicken hergestellt werden.
Bei Anordnung des Konversionselements 20, 26 auf einem Glassubstrat, beispielsweise für eine Remote-Phosphor-Anwendung kann auf ein maskiertes Weichglassubstrat eine Suspension aus nitridischem Leuchtstoff in Pulverform und einer wässrigen Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung, die zusätzlich auch andere Phosphate oder Oxide wie z. B. Mg und/oder Zn und/oder B enthalten kann, beispielsweise durch Rakeln aufgebracht werden. Vorher kann das Substrat zur besseren Benetzung optional mit UV-Strahlung bestrahlt werden. Die Nassschichtdicke kann beispielsweise im Bereich zwischen 10 μm und 50 μm liegen. Im Anschluss können eine Antrocknung beispielsweise bei Raumtemperatur und dann eine Trocknung bei beispielsweise 80°C für beispielsweise 12 Stunden erfolgen. Die getrocknete Schicht kann dann beispielsweise mit 10°C/min auf 220°C aufgeheizt und die Temperatur kann dann beispielsweise für wenige Sekunden bis zu einer Stunde, beispielsweise 15 Minuten, lang gehalten werden. Je nach Maskierung kann diese sofort nach dem Rakeln oder nach der Antrocknung entfernt werden. Die Temperaturbehandlung kann beispielsweise in oxidierender Atmosphäre erfolgen. Das Mischungsverhältnis von Leuchtstoff zu Matrix-Lösung kann bezogen auf das Gewicht beispielsweise bei 1:1 liegen. Die gehärtete Schichtdicke kann beispielsweise im Bereich von 30 μm bis 40 μm liegen. Der eingebettete Leuchtstoff kann beispielsweise eine Quanteneffizienz im Bereich des ursprünglichen Leuchtstoffpulvers haben.
Beim Anordnen des Konversionselements 20, 26 auf einem Keramiksubstrat, beispielsweise für eine Remote-Phosphor-Anwendung, kann das Substrat beispielsweise mit einem Leuchtstoffpulver oder einem Leuchtstoffpulvergemisch beschichtet werden. Die trockene Leuchtstoffschicht kann beispielsweise mit einer Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung besprüht werden, so dass das Leuchtstoffpulver dadurch angefeuchtet und in einem späteren Temperaturschritt fixiert werden kann.
Der Vorteil der beschriebenen anorganischen, kondensiertes Metallphosphat aufweisenden Matrizen ist, dass der Leuchtstoff bei moderaten Temperaturen und ohne größere Schädigung eingebettet werden kann. Diese Matrizen sind im Vergleich zur reinen Wasserglasmatrix chemisch stabiler und besitzen eine bessere Wärmeleitung als organische Matrizen. Dies ist insbesondere für hochbelastete LED- und Laseranwendungen von Bedeutung. Im Falle eines Leuchtstoffrades für eine LARP-Anwendung ist es dadurch möglich, das Leuchtstoffrad mit geringer Geschwindigkeit zu betreiben oder eine weniger aufwendige Geometrie des Konversionselementes 20, 26, beispielsweise ohne Kühlstruktur, zu verwenden. Denkbar ist auch eine Einsparung von Leuchtstoff durch Verringerung des Durchmessers des Leuchtstoffrades gegenüber einem herkömmlichen Leuchtstoffrad. Dies kann auch zu einer fortschreitenden Miniaturisierung der Vorrichtung 10 beitragen. Für alle Anwendungen sind besonders hohe Leistungsdichten möglich.
Die Matrix kann beispielsweise ausgehend von einer Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung durch Kondensation entstehen. Die Lösungen sind kostengünstig und gut lagerbar.
Metallphosphate, beispielsweise Aluminiumphosphat beispielsweise Mono-Aluminium-Phosphat oder Aluminium-Metaphosphat und/oder optional Zusätze als Oxid, Phosphat und/oder als Salz können beispielsweise auch Wasserglas zugesetzt werden, was beispielsweise zu einer guten Witterungsbeständigkeit des Wasserglases und des daraus gebildeten Konversionselements 20 beitragen kann. Das Mono-Aluminium-Phosphat kann dann als Härter fungieren und kann dadurch zu einer definierten Aushärtung und aufgrund eines Ionenaustausches zu einer guten chemischen Beständigkeit bei gleicher Aushärtetemperatur beitragen. Das Aluminium-Phosphat und/oder die Zusätze können dann beispielsweise in Pulverform vorliegen. Dieses wird mit dem Leuchtstoffpulver möglichst homogen gemischt bevor das flüssige Alkalisilikat, beispielsweise Natronwasserglas, zugegeben wird. Das Mischungsverhältnis ist abhängig vom Modul und der Art des Wasserglases sowie von der Härterzusammensetzung und Härterfunktion. Mischungsverhältnisse von Härter zu flüssigem Alkalisilikat liegen beispielsweise bei 1:3 bis zu 1:8 Gewichtsanteilen.
Die Topfzeiten sind oftmals länger als mit reinem Wasserglas, da die Mono-Aluminium-Phosphat-Lösung nicht mit der Atmosphäre reagiert wie z. B. im Falle des Wasserglases (Abbindung mit CO₂ aus der Luft). Folglich erfolgt auch die Aus- und Durchhärtung definierter, da das Alkaliion aus dem Alkalisilikat durch das Metallion des Metallphosphats ausgetauscht wird und dadurch die Aushärtung im gesamten Volumen gleichmäßig und gleichzeitig erfolgt.
Die Mischung mit Wasserglas kann beispielsweise gemäß einem Verfahren mit folgenden Schritten hergestellt werden:

– Mischen des Metallphosphatpulvers mit dem Leuchtstoffpulver, und ggf. Zusätzen;
– Herstellen einer Suspension aus der Pulvermischung und einer Wasserglaslösung;
– Aufbringen der Suspension enthaltend mindestens einen festen Leuchtstoff und mindestens ein Alkalisilikat und mindestens ein Metallphosphat auf eine Substratoberfläche oder in eine Form, um eine Leuchtstoffschicht oder einen Leuchtstoffkörper zu erzeugen;
– Aushärten der Leuchtstoffschicht oder des Leuchtstoffkörpers.

Alternativ kann auch pulverförmiges Alkalisilikat verwendet werden. In diesem Fall wird es der Pulvermischung zugesetzt und dann die Pulvermischung in Wasser gelöst bzw. suspendiert.
Das Verhältnis der Volumina Alkaliwasserglasanteil, Metallphosphat, Wasser und Feststoffpulver hat direkten Einfluss auf die Homogenität der Suspension (Verarbeitbarkeit), die Viskosität, die resultierende Schichtdicke, die Rissneigung, das Trocknungsverhalten und die optischen Eigenschaften der resultierenden Schicht (späterer Glasanteil). Das Volumenkonzentrationsverhältnis von flüssigem Alkalisilikat inklusive dem Metallphosphat und Wasser kann in solchen Mischungen von ungefähr 1:5 bis ungefähr 5:1, beispielsweise von ungefähr 1:3 bis 3:1 betragen. Beispielsweise beträgt das Volumenkonzentrationsverhältnis von flüssigem Alkalisilikat(en) inklusive Metallphosphat(en) und Wasser 1:3, 1:2, 1:1, 2:1 oder 3:1. Das eingesetzte Verhältnis kann in Abhängigkeit von den Zieleigenschaften der Farbstoffschicht (z. B. Glasanteil, Schichtdicke, Festigkeit), sowie von den Leuchtstoffen selbst gewählt werden. „Ungefähr” bedeutet in diesem Zusammenhang beispielsweise, dass der entsprechende Zahlenwert um etwa 10% nach oben oder unten abweichen kann.
Bei dem eingesetzten Alkalisilikat kann es sich beispielsweise um Natriumsilikat oder Kaliumsilikat handeln. Ebenfalls erfasst sind Mischungen der vorgenannten Alkalisilikate. Bei den Alkalisilikaten handelt es sich um Verbindungen der allgemeinen Formal M₂Oxn SiO₂, wobei M ein Alkalimetall und n im Bereich von 1 bis 4 liegt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden die Alkalisilikate als kolloide, alkalische Lösungen in Wasser, insbesondere Natrium-/Kaliumsilikat Lösungen, eingesetzt. Solche wässrigen Lösungen können durch Lösen der festen Alkalisilikate in Wasser bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck hergestellt werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen beträgt das Massenverhältnis von Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffmischung zu dem wässrigen, flüssigen Alkalisilikat, d. h. der Mischung aus Alkalisilikat und Wasser, ungefähr 1:5 bis ungefähr 5:1, beispielsweise ungefähr 1:3 bis 3:1 betragen. Beispielhafte Konzentrationsverhältnisse sind 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 oder 1:3. Diese Konzentrationsverhältnisse können im Hinblick auf die Homogenität der Suspension, Sedimentationszeit und Schichtdicke günstig verarbeitbar sein. Der Anteil an erforderlichem Metallphosphat ist durch die Menge an Alkalisilikat bestimmt und wird dem Flüssiganteil zugerechnet, da es sich auflöst und reagiert. Die Suspension kann ferner weitere Bestandteile, beispielsweise Partikel mit lichtstreuenden Eigenschaften und/oder Hilfsstoffe enthalten. Beispiele für Hilfsstoffe schließen Tenside und organische Lösungsmittel ein. Das Aufbringen der Suspension auf eine Oberfläche des Substrats oder das Einbringen in eine Form kann durch Schlämmen, Drucken, Sprühen oder Einspritzen erfolgen. Zum Erzeugen einer Leuchtstoffschicht kann das Aufbringen ferner Spinning und/oder eine Ultraschallbehandlung beinhalten.
Das Substrat, auf das die Leuchtstoffschicht aufgebracht wird, kann beispielsweise der Träger 16, das Leuchtstoffrad, ein Kühlkörper oder optisches Bauteil, wie zum Beispiel ein Kollimator sein. Das Substrat kann aus verschiedenen geeigneten Materialien, wie z. B. Kunststoff, Glas, Keramik oder Metall bestehen. Zur Ausbildung eines Leuchtstoffkörpers können Formen aus den genannten Materialien verwendet werden. Der Leuchtstoffkörper kann beispielsweise ein Leuchtstofffilm sein. Die Leuchtstoffschicht, der Leuchtstofffilm und/oder der Leuchtstoffkörper, beispielsweise ein Leuchtstoffplättchen, können dann das Konversionselement 20 bilden oder ein Teil des Konversionselements 20 sein.
Das Aushärten der Leuchtstoffschicht oder des Leuchtstoffkörpers kann durch Trocknen und chemische Reaktionen (beispielsweise Abbinden durch Ionenaustausch, Vernetzung, Kondensation) erfolgen. Das Aushärten oder Trocknen kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 80°C bis 500°C erfolgen. Es können auch verschiedene Aushärtungs-/Trocknungsschritte bei unterschiedlichen Temperaturen miteinander kombiniert werden. In einem Ausführungsbeispiel kann auf einen Trocknungsschritt bei Raumtemperatur ein weiterer Trocknungsschritt bei erhöhter Temperatur, beispielsweise 80 bis 150°C, folgen. Das Aushärten/Trocknen bei erhöhter Temperatur kann beispielsweise in einem Ofen erfolgen. Alternativ kann das Substrat oder die Form und/oder die Leuchtstoffschicht/der Leuchtstoffkörper mittels Mikrowellen oder Induktionstechniken erwärmt werden. Bei der Herstellung eines Leuchtstoffkörpers kann dieser nach einem ersten Trocknungsschritt aus der Form gelöst und dann, optional bei erhöhter Temperatur, weiter getrocknet werden.
Mit dem Verfahren der Bindung von Leuchtstoffen unter Verwendung von Alkalisilikaten mit Metallphosphat lassen sich sehr harte, mechanisch stabile Leuchtstoffschichten erzeugen, deren Binder bei vielen Leuchtstoffen im Bereich ihrer Arbeitstemperatur nicht mit den Leuchtstoffen wechselwirkt, optisch transparent, spektral und thermisch stabil ist. Es lassen sich damit sowohl dünne Leuchtstoffschichten auf Substratoberflächen mit Schichtdicken zwischen 10 μm und 200 μm fertigen, als auch ungebundene Leuchtstoffplättchen oder dreidimensionale Körper (optische Bauteile) größerer Ausdehnung (einige mm).
Um bei einem oder mehreren der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele die Konversion der Anregungsstrahlung 14 in Konversionsstrahlung 22 effizient zu gestalten, kann der Streulichtanteil der Anregungsstrahlung 14 minimiert werden. Dies kann beispielsweise durch Lichtankopplung an relativ große Leuchtstoffpartikel geschehen. Prinzipiell können durch entsprechende Verarbeitungsprozesse (mahlen) die Partikelgrößen der Leuchtstoffe in einem gewissen Bereich eingestellt und selektiert werden. Praktisch liegen allerdings immer Korngrößenverteilungen vor. Innerhalb von Suspensionen sedimentieren die größeren und schwereren Partikel zuerst, die kleineren und leichteren später, so dass sich nach einer gewissen Zeit (u. a. abhängig von Viskosität der Flüssigkeit und Partikelgrößen) eine Schwerkraft getriebene Partikelgrößenverteilung einstellt (kleine Partikel an der oberen Schichtoberfläche, größere Partikel unten). Die wässrige Alkalisilikat-Lösung inklusive Metallphosphat kann beispielsweise dahingehend ausgenutzt werden, dass während des Aufbringens und Aushärtens eine Partikelgrößenverteilung eingestellt wird. Die Leuchtstoffschicht mit den Leuchtstoffpartikeln kann dann nach dem Trocknen und Ausheizen vom Trägermedium abgelöst, um 180° gedreht und mit der optisch günstigeren gröberen Kornverteilung nach oben wieder auf ein Substrat aufgebracht werden, z. B. durch Verkleben mit Alkalisilikat mit Metallphosphat oder reinem Metallphosphat.
Alternativ kann die Partikelverteilung durch eine Ultraschall-Behandlung beeinflusst werden. Dabei können beispielsweise mittels Ultraschall gröbere Leuchtstoffpartikel an die Schichtoberfläche gerüttelt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die angegebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden. Beispielsweise kann das Konversionselement 20 bei jedem beliebigen Ausführungsbeispiel die Kühlstruktur aufweisen oder nicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/104364 A1 [0011]
WO 2011/138169 A1 [0011]

Claims

Vorrichtung (10) zum Bereitstellen von elektromagnetischer Strahlung, mit – einer Strahlungsanordnung (12) zum Erzeugen von Anregungsstrahlung (14), – mindestens einem Konversionselement (20, 26) zum Erzeugen von Konversionsstrahlung (22), das kondensiertes Metallphosphat und in dem kondensierten Metallphosphat eingebettete Leuchtstoffe aufweist und das mit einem Abstand zu der Strahlungsanordnung (12) in einem Strahlengang der Anregungsstrahlung (14) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der das Konversionselement (20, 26) relativ zu der Strahlungsanordnung (12) bewegbar angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, die ein Leuchtstoffrad aufweist, das um eine Achse (24) drehbar angeordnet ist und das das Konversionselement (20, 26) aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der das Konversionselement (20, 26) relativ zu der Strahlungsanordnung (12) fest angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine Oberfläche des Konversionselements eine Kühlstruktur aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, bei der die Kühlstruktur Riefen (28) und/oder Lamellen (30) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das kondensierte Metallphosphat amorph ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das kondensierte Metallphosphat farblos ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das kondensierte Metallphosphat für die Konversionsstrahlung (22) und/oder die Anregungsstrahlung (14) transparent ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das kondensierte Metallphosphat Aluminiumphosphat aufweist, das durch Kondensation aus Mono-Aluminium-Phosphat gebildet wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Konversionselement (20, 26) eine silikatische Matrix und Alkaliphosphat aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Konversionselement (20, 26) Zink-, Magnesium- und/oder Bor-haltige Verbindungen aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Strahlungsanordnung (12) mindestens eine Strahlungsquelle aufweist, die die Anregungsstrahlung (14) mit einer hohen Leuchtdichte erzeugt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, bei der die Strahlungsquelle ein Laser, eine Laserdiode oder eine Superlumineszenzdiode ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der die hohe Leuchtdichte zwischen 1 W/mm² und 50 W/mm² liegt.