DE102013105533A1

DE102013105533A1 - Anorganisches optisches Element und Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elements

Info

Publication number: DE102013105533A1
Application number: DE102013105533.8A
Authority: DE
Inventors: Mikael Ahlstedt
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-12-04
Also published as: WO2014191257A1

Abstract

Es wird ein anorganisches optisches Element mit einem lichtdurchlässigen oder wellenlängenkonvertierenden Substrat (1) angegeben, auf dem eine Konversionsschicht (2) oder eine Reflexionsschicht (8) angeordnet ist, wobei die Konversionsschicht (2) oder die Reflexionsschicht (8) eine laterale Struktur aufweisen. Weiterhin werden zwei Verfahren zur Herstellung eines derartigen Elements angegeben.

Description

Es werden ein anorganisches optisches Element und zwei Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elements angegeben.
Ein anorganisches optisches Element ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2011 010 118 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes anorganisches optisches Element mit wellenlängenkonvertierenden und/oder reflektierenden Eigenschaften anzugeben. Weiterhin soll zumindest ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Elementes angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch ein anorganisches optisches Element mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch die Verfahren mit den Schritten der Patentansprüche 14 und 20 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optischen Elements sowie der beiden Verfahren sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein anorganisches optisches Element umfasst ein Substrat. Beispielsweise ist das Substrat wellenlängenkonvertierend ausgebildet. Mit dem Begriff „wellenlängenkonvertierend“ ist vorliegend insbesondere gemeint, dass eingestrahlte elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines anderen, bevorzugt längerwelligen, Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. In der Regel absorbiert ein wellenlängenkonvertierendes Element elektromagnetische Strahlung eines eingestrahlten Wellenlängenbereiches, wandelt diese durch elektronische Vorgänge auf atomarer und/oder molekularer Ebene in elektromagnetische Strahlung eines anderen Wellenlängenbereiches um und sendet die umgewandelte elektromagnetische Strahlung wieder aus. Insbesondere wird reine Absorption oder reine Streuung vorliegend nicht als Wellenlängenkonversion bezeichnet.
Weiterhin kann das Substrat auch lichtdurchlässig ausgebildet sein. Mit dem Begriff „lichtdurchlässig“ ist insbesondere gemeint, dass das Substrat einen besonders hohen Transmissionskoeffizienten für sichtbares Licht aufweist. Beispielsweise weist ein lichtdurchlässiges Substrat einen Transmissionskoeffizienten größer oder gleich 0,9 für sichtbares Licht auf, besonders bevorzugt ist der Transmissionskoeffizient des lichtdurchlässigen Substrats größer oder gleich 0,95. Besonders bevorzugt ist das lichtdurchlässige Substrat frei von wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften.
Weiterhin umfasst das anorganische optische Element gemäß einer Ausführungsform eine Konversionsschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist und eine laterale Struktur aufweist. Die Konversionsschicht ist ebenfalls wellenlängenkonvertierend ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich zu der Konversionsschicht kann das anorganische optische Element eine Reflexionsschicht aufweisen, die ebenfalls auf dem Substrat angeordnet ist. Die Konversionsschicht und/oder die Reflexionsschicht sind bevorzugt anorganisch ausgebildet. Auch die Reflexionsschicht weist hierbei eine laterale Struktur auf. Die Reflexionsschicht ist reflektierend ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Reflexionsschicht frei von wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Konversionsschicht zusätzlich zu ihren wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften reflektierend ausgebildet ist, beispielsweise indem sie ein zusätzliches reflektierendes Material aufweist.
Besonders bevorzugt ist das Substrat aus einem anorganischen Material gebildet. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein Keramikplättchen oder ein Glasplättchen handeln. Ist das Substrat wellenlängenkonvertierend ausgebildet, so kann es sich bei dem Substrat beispielsweise um eine YAG:Ce-Keramik handeln.
Das Substrat weist eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche auf, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt. Beispielsweise sind beide Hauptflächen plan ausgebildet und verlaufen parallel zueinander. Weiterhin ist es aber auch möglich, dass zumindest eine der Hauptflächen des Substrats gewölbt ausgebildet ist.
Beispielsweise weist die laterale Struktur zumindest eine Linie oder zumindest eine Linse als Strukturelement auf. Die Linie kann hierbei beispielsweise als Ring, als Spirale oder als Gerade ausgebildet sein. Beispielsweise ist die laterale Struktur aus einer Vielzahl konzentrisch angeordneter Ringe gebildet. Die Ringe sind hierbei besonders bevorzugt kreisförmig ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass die Ringe oval oder elliptisch ausgebildet sind. Ist die laterale Struktur durch ein Strukturelement gebildet, das als Spirale ausgebildet ist, so ist die Spirale beispielsweise mittig auf dem Substrat angeordnet. Weiterhin kann die laterale Struktur auch eine Vielzahl an Geraden als Strukturelemente aufweisen. Beispielsweise kann die laterale Struktur aus einer Vielzahl an Geraden als Strukturelemente bestehen. Die Geraden können beispielsweise als Gitter angeordnet sein. Das Gitter weist hierbei in der Regel Maschen auf. Die Maschengröße liegt hierbei bevorzugt zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 200 Mikrometer.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Geraden parallel zueinander in einem Abstand angeordnet sind. Die laterale Struktur kann beispielsweise aus Strukturelementen bestehen, die als Geraden ausgebildet sind und parallel zueinander in einem Abstand angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Geraden liegt hierbei bevorzugt zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 200 Mikrometer. Der Abstand zwischen den Geraden kann hierbei jeweils gleich sein oder über das Substrat variieren.
Weiterhin kann die laterale Struktur als Strukturelemente eine Vielzahl an Linsen, bevorzugt Mikrolinsen, aufweisen. Die Vielzahl an Mikrolinsen ist hierbei besonders bevorzugt in Form einer Matrix, das heißt in Spalten und Reihen, angeordnet. Weiterhin ist es auch möglich, dass die laterale Struktur eine Linse als einziges Strukturelement aufweist, die sich über das gesamte Substrat erstreckt.
Besonders bevorzugt ist die laterale Struktur aus Strukturelementen gebildet, die Teilbereiche des Substrats bedecken. Die Teile des Substrats, die nicht von den Strukturelementen bedeckt sind, sind bevorzugt frei zugänglich. Mit anderen Worten ist die laterale Struktur der Konversionsschicht oder der Reflexionsschicht derart ausgebildet, dass Durchbrüche in der Struktur vorhanden sind, die die Reflexionsschicht oder die Konversionsschicht vollständig durchdringen und somit Teile des Substrats frei sind von der Konversionsschicht oder der Reflexionsschicht.
Weist das anorganische optische Element eine Konversionsschicht auf, so ist das optische Element dazu geeignet, einfallende elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung eines vom ersten verschiedenen zweiten Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Bevorzugt ist das optische Element hierbei dazu vorgesehen, die einfallende Strahlung nur teilweise umzuwandeln, so dass mit Hilfe des optischen Elements mischfarbige Strahlung erzeugt wird, die sich aus unkonvertierter Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und aus konvertierter Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zusammensetzt oder unkonvertierter Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und konvertierter Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs umfasst.
Der Farbort der mischfarbigen Strahlung kann nun mit Vorteil durch Variation der Strukturierung der Konversionsschicht an einen gewünschten Wert angepasst werden. Ist die Konversionsschicht beispielsweise als Gitter ausgebildet, so kann durch Variation der Maschengröße des Gitters der Farbort verändert werden. Ist die Konversionsschicht durch parallel verlaufende Geraden gebildet, so kann durch Variation des Abstandes der Geraden der Farbort gezielt verändert werden. Auch durch Variation der Dicke der Konversionsschicht kann der Farbort der erzielten mischfarbigen Strahlung angepasst werden.
Gegenüber einer durchgehenden kontinuierlichen Konversionsschicht oder Reflexionsschicht weist eine strukturierte Konversionsschicht oder Reflexionsschicht weiterhin den Vorteil auf, dass Defekte aufgrund von Rissbildung oder Delamination vermindert auftreten.
Beispielsweise weist die Breite eines Strukturelements einen Wert zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 200 Mikrometer auf. Handelt es sich bei dem Strukturelement um eine Linie, so weist die Breite der Linie beispielsweise einen Wert aus dem oben genannten Bereich auf. Die Breite des Strukturelements kann sich auch über die gesamte Breite des optischen Elements erstrecken.
Die Dicke der Konversionsschicht oder der Reflexionsschicht weist besonders bevorzugt einen Wert zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 100 Mikrometer auf.
Beispielsweise weist ein Strukturelement, wie etwa eine Linie, ein Aspektverhältnis zwischen einschließlich 1/200 und einschließlich 10 auf. Mit Aspektverhältnis wird vorliegend das Verhältnis aus Höhe zu Breite des Strukturelements bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform des optischen Elementes ist die Konversionsschicht als Schichtstapel mit verschiedenen Einzelschichten ausgebildet. Hierbei unterscheiden sich die Einzelschichten beispielsweise hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung. Zumindest eine der Einzelschichten des Schichtstapels ist wellenlängenkonvertierend ausgebildet. Besonders bevorzugt weist eine erste Einzelschicht des Schichtstapels einen ersten Leuchtstoff auf und eine zweite Einzelschicht des Schichtstapels einen zweiten Leuchtstoff, der von dem ersten Leuchtstoff verschieden ist. Insbesondere sind der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff besonders bevorzugt dazu geeignet, einfallendes Licht des ersten Wellenlängenbereiches in zwei verschiedene Wellenlängenbereiche umzuwandeln. Beispielsweise ist der erste Leuchtstoff dazu geeignet, einfallendes blaues Licht in gelbgrünes Licht umzuwandeln, während der zweite Leuchtstoff dazu geeignet ist, einfallendes blaues Licht in rotes Licht umzuwandeln. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Schichtstapel weitere Einzelschichten mit weiteren verschiedenen Leuchtstoffen aufweist. Die Konversionsschicht kann eine Vielzahl unterschiedlicher Einzelschichten mit unterschiedlichen wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften aufweisen.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Konversionsschicht voneinander verschiedene lateral angeordnete Bereiche aufweist, die sich hinsichtlich ihrer wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften unterscheiden. Beispielsweise kann die Konversionsschicht erste Bereiche und zweite Bereiche aufweisen, wobei die ersten Bereiche den ersten Leuchtstoff aufweisen und die zweiten Bereiche den zweiten Leuchtstoff. Bevorzugt sind hierbei die ersten Bereiche frei von dem zweiten Leuchtstoff und die zweiten Bereiche frei von dem ersten Leuchtstoff. Beispielsweise können die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche schachbrettförmig angeordnet sein. Eine Konversionsschicht mit unterschiedlichen wellenlängenkonvertierenden Bereichen, die lateral nebeneinander angeordnet sind, weist mit Vorteil in der Regel eine erhöhte Effizienz gegenüber gestapelten Einzelschichten mit unterschiedlichen wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften auf.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Konversionsschicht eine Mischung eines ersten Leuchtstoffs und eines zweiten Leuchtstoffs aufweist, wobei der erste Leuchtstoff vom zweiten Leuchtstoff verschieden ist. Hierbei sind die Leuchtstoffe nicht in voneinander verschiedenen Einzelschichten übereinander oder in verschiedenen Bereichen lateral nebeneinander angeordnet, vielmehr sind die beiden Leuchtstoffe über die gesamte Konversionsschicht verteilt. Neben einem zweiten Leuchtstoff ist es auch möglich, dass die Konversionsschicht einen dritten oder einen vierten Leuchtstoff aufweist.
Die folgenden Materialien sind beispielsweise als Leuchtstoff geeignet: Mit seltenen Erden dotierte Granate, mit seltenen Erden dotierte Erdalkalisulfide, mit seltenen Erden dotierte Thiogallate, mit seltenen Erden dotierte Aluminate, mit seltenen Erden dotierte Silikate, mit seltenen Erden dotierte Orthosilikate, mit seltenen Erden dotierte Chlorosilikate, mit seltenen Erden dotierte Nitride, mit seltenen Erden dotierte Erdalkalisiliziumnitride, mit seltenen Erden dotierte Oxynitride, mit seltenen Erden dotierte Aluminiumoxynitride, mit seltenen Erden dotierte Siliziumnitride, mit seltenen Erden dotierte Sialone.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optischen Elements handelt es sich bei dem ersten Leuchtstoff um einen nitridischen Leuchtstoff, wie beispielsweise einem mit seltenen Erden dotierten Nitrid, einem mit seltenen Erden dotierten Erdalkalisiliziumnitrid, einem mit seltenen Erden dotierten Oxynitrid, einem mit seltenen Erden dotierten Aluminiumoxynitrid oder einem mit seltenen Erden dotierten Siliziumnitrid. Bei dem zweiten Leuchtstoff handelt es sich bei dieser Ausführungsform bevorzugt um einen oxidischen Leuchtstoff, wie beispielsweise einem mit seltenen Erden dotierten Granate, einem mit seltenen Erden dotierten Aluminate oder einem mit seltenen Erden dotierten Orthosilikate.
Beispielsweise ist das Substrat wellenlängenkonvertierend ausgebildet und weist einen ersten oxidischen Leuchtstoff wie YAG:Ce auf. Auf diesem Substrat ist beispielsweise eine nitridischen Konversionsschicht angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Konversionsschicht oder die Reflexionsschicht als Keramik ausgebildet.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Konversionsschicht eine Glasmatrix aufweist, in die Partikel zumindest eines Leuchtstoffs eingebracht sind. Ebenfalls kann die Reflexionsschicht eine Glasmatrix aufweisen, in die reflektierende Partikel eingebracht sind. Die Glasmatrix weist den Vorteil auf, dass sie die eingebrachten Materialien, wie reflektierende oder wellenlängenkonvertierende Partikel vor Umwelteinflüssen, beispielsweise vor Feuchtigkeit, schützt.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Glasmatrix um ein niedrig schmelzendes Glas. Bei der Verarbeitung von niedrig schmelzendem Glas können mit Vorteil vergleichsweise niedrige Temperaturen eingesetzt werden, was insbesondere eine Schädigung der eingebrachten Materialien, wie reflektierende oder wellenlängenkonvertierende Partikel, vermeidet.
Die folgenden Materialien sind dazu geeignet, der Reflexionsschicht reflektierende Eigenschaften zu verleihen:
Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zinkoxid, Bariumsulfat, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Hafniumoxid, Gadoliniumoxid, Nioboxid, Yttriumoxid.
Besonders bevorzugt ist das anorganische optische Element aus anorganischen Materialien gebildet und frei von organischen Materialien. Ein anorganisches optisches Element weist insbesondere mit Vorteil eine verbesserte Wärmeabfuhr im Betrieb auf.
Das hier beschriebene anorganische optische Element ist insbesondere dazu geeignet, in einem optoelektronischen Bauelement wie einer Leuchtdiode eingesetzt zu werden. Beispielsweise kann ein optisches Element mit wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften in den Strahlengang eines strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers eingebracht werden und im Betrieb des Halbleiterkörpers dessen Strahlung zumindest teilweise in Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandeln.
Im Folgenden werden zwei Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elementes beschrieben.
Bei beiden Verfahren wird ein lichtdurchlässiges oder ein wellenlängenkonvertierendes Substrat bereitgestellt.
Bei dem einen Verfahren wird dann die Konversionsschicht oder die Reflexionsschicht auf dem Substrat mit einem laserunterstützten Verfahren abgeschieden. Besonders bevorzugt wird die Konversionsschicht oder die Reflexionsschicht hierbei mit einer lateralen Struktur, wie oben beschrieben, abgeschieden.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem laserunterstützten Verfahren um ein additives Freiform-Verfahren, wie ein Mikro-Laser-Cladding-Verfahren oder ein Mikro-Laser-Sintering-Verfahren. Insbesondere können mit Vorteil mit diesen Verfahren Strukturelemente erzeugt werden, die als dreidimensionale Freiformen ausgebildet sind. Weiterhin können in der Regel mit Vorteil sehr kleine Strukturelemente, beispielsweise mit Abmessungen bis zu 50 Mikrometer, mit diesen Verfahren erzeugt werden.
Bei einem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren wird eine Pulvermischung bereitgestellt, die die Ausgangsstoffe der aufzubringenden Schicht als Partikel enthält. Die Pulvermischung ist in der Regel aus anorganischen Partikeln gebildet. Die Pulvermischung wird in einen Laserstrahl eingebracht, der auf die zu beschichtende Fläche gerichtet ist. Der Laserstrahl erhitzt die Partikel der Pulvermischung, schmilzt die Partikel in der Regel ganz oder teilweise auf und scheidet die Partikel der Pulvermischung auf der zu beschichteten Oberfläche ab. Die entstehende Schicht ist hierbei in der Regel aus den Partikeln der Pulvermischung gebildet. Beispielsweise kann mit einem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren eine vollkeramische Schicht gebildet werden.
Bei einem Mikro-Laser-Sintering-Verfahren wird zunächst eine dünne Lage einer Pulvermischung, die ebenfalls die Ausgangsstoffe der aufzubringenden Schicht als Partikel enthält, auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Die Pulvermischung ist in der Regel wiederum aus anorganischen Partikeln gebildet. Die Aufbringung der Pulvermischung auf die zu beschichtende Oberfläche erfolgt in der Regel vollflächig. Die Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche, die mit der Schicht versehen werden sollen, werden dann mit einem Laser behandelt. Hierbei schmelzen die Partikel in der Regel wiederum ganz oder teilweise auf und es entsteht eine anorganische Schicht aus der Pulvermischung auf der Oberfläche. Die anorganische Schicht kann wiederum vollkeramisch ausgebildet sein. Wird mit dem Mikro-Laser-Sintering-Verfahren eine strukturierte Schicht aufgebracht, so werden die Bereiche der Oberfläche, die nicht mit dem Laser behandelt werden, anschließend wieder von der Pulvermischung befreit.
Weiterhin ist es auch möglich bei einem Mikro-Laser-Sintering-Verfahren oder einem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren eine Pulvermischung zu verwenden, die neben den Leuchtstoffpartikeln und/oder den reflektierenden Partikeln auch Glaspartikel enthält. Bei dem Mikro-Laser-Sintering-Verfahren oder einem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren schmelzen bevorzugt lediglich die Glaspartikel und bilden aus der Pulvermischung eine Konversionsschicht oder eine Reflexionsschicht indem die Glaspartikel schmelzen und eine Glasmatrix bilden, in die die Leuchtstoffpartikel und/oder die reflektierenden Partikel eingebettet sind.
Mit einem laserunterstützten Verfahren, insbesondere mit einem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren oder einem Mikro-Laser-Sintering-Verfahren, ist es insbesondere mit Vorteil möglich, Konversionsschichten aufzubringen, die verschiedene Leuchtstoffe aufweisen und gleichzeitig keramisch ausgebildet sind. Bei sonstigen Herstellungsverfahren für keramische Konversionsschichten mit unterschiedlichen Leuchtstoffen stellt sich in der Regel das Problem, dass bei der Sinterung der Keramiken vergleichsweise hohe Temperaturen aufgewendet werden müssen, die zu einer chemischen Reaktion der Leuchtstoffe untereinander und damit zu ihrer Degradation führen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Substrat während der Abscheidung der Konversionsschicht oder der Reflexionsschicht geheizt. Auf diese Art und Weise können thermische Gradienten zwischen der aufzubringenden Schicht und dem Substrat während der Abscheidung verringert werden. So wird die Haftung zwischen aufzubringender Schicht und Substrat verbessert und die Rissbildung in der aufgebrachten Schicht verringert.
Soll eine Konversionsschicht abgeschieden werden, so enthält die Pulvermischung Partikel des Leuchtstoffs, der der Konversionsschicht die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften verleiht. Soll eine Reflexionsschicht abgeschieden werden, so enthält die Pulvermischung die reflektierenden Partikel, die der Reflexionsschicht die reflektierenden Eigenschaften verleiht.
Als Ausgangsstoff für die Konversionsschicht kann beispielsweise eine Pulvermischung mit Partikel zumindest eines Leuchtstoffs verwendet werden, die mit einem Glas beschichtet sind. Bei einem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren oder einem Mikro-Laser-Sintering-Verfahren wird die Glasbeschichtung der Partikel dann zumindest teilweise aufgeschmolzen und die Partikel miteinander zu einer durchgängigen Schicht verbunden. Derart erzeugte Schichten können beispielsweise Poren aufweisen.
Entsprechend ist es auch möglich, dass als Ausgangsstoff für die Reflexionsschicht eine Pulvermischung mit reflektierenden Partikeln verwendet wird, die mit einem Glas beschichtet sind.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Glas um ein niedrig schmelzendes Glas. Das Glas kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: PbO-ZnO-B2O3-SiO2, PbO-ZnO-B2O3 (Glastemperatur in der Regel zwischen einschließlich 575 °C und einschließlich 730 °C, abhängig vom Bleigehalt), Na2O-PbO-B2O3-SiO2 (Glastemperatur in der Regel zwischen einschließlich 380 °C und einschließlich 470 °C, abhängig vom Bleigehalt), Na2O-B2O3-SiO2, ZnO-SrO-B2O3, SiO2-B2O3-ZnO-Bi2O3-Al2O3 (Glastemperatur in der Regel cirka 380 °C), ZnO-B2O3, SrO-B2O3, ZnOSrO-B2O3.
Mit einem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren kann weiterhin mit Vorteil insbesondere eine Konversionsschicht erzeugt werden, die aus einem Schichtenstapel verschiedener Einzelschichten gebildet ist oder verschiedene lateral angeordnete wellenlängenkonvertierende Bereiche aufweist. Zum Aufbringen unterschiedlicher Einzelschichten oder verschiedener lateraler Bereiche, die verschiedene Leuchtstoffe umfassen, werden hierbei jeweils entsprechende Pulvermischungen verwendet.
Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elementes wird wiederum ein lichtdurchlässiges oder ein wellenlängenkonvertierendes Substrat bereitgestellt. Auf das Substrat wird eine Grünfolie aufgebracht. Die Grünfolie enthält entweder reflektierende Partikel und/oder Partikel mindestens eines Leuchtstoffes. Weiterhin kann die Grünfolie auch Glaspartikel enthalten, die später eine Glasmatrix für die Leuchtstoffpartikel und/oder die reflektierende Partikel bilden. Diese Grünfolie dient als Ausgangsmaterial für eine Konversionsschicht oder eine Reflexionsschicht. Dient die Grünfolie als Ausgangsmaterial für eine Konversionsschicht, so enthält sie Partikel des Leuchtstoffs, der der Konversionsschicht die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften verleiht. Dient die Grünfolie als Ausgangsmaterial für eine Reflexionsschicht, so enthält sie reflektierende Partikel, die der Reflexionsschicht die reflektierenden Eigenschaften verleiht. Die Grünfolie wird nach dem Aufbringen auf das Substrat mit einem Laserstrahl strukturiert, wobei Strukturelemente der Grünfolie zu einer Keramik gesintert werden. In der Regel werden die Teile der Grünfolie, die nicht mit dem Laserstrahl strukturiert und gesintert werden, anschließend von dem Substrat entfernt.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Merkmale und Elemente, die lediglich in Verbindung mit dem optischen Element beschrieben sind, ebenfalls in Verbindung mit einem der Verfahren Anwendung finden können und umgekehrt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 1 bis 5 wird ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 6 bis 8 ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beschrieben.
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen gemäß den 9 bis 12 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines optischen anorganischen Elementes beschrieben.
Die 13 bis 17 zeigen schematische Darstellungen anorganischer optischer Elemente gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 wird in einem ersten Schritt ein anorganisches Substrat 1 bereitgestellt (1). Bei dem Substrat 1 kann es sich beispielsweise um ein lichtdurchlässiges Substrat 1, wie etwa ein Glassubstrat, oder um ein wellenlängenkonvertierendes Substrat 1, wie beispielsweise um eine YAG:Ce-Keramik handeln.
In einem nächsten Schritt wird mittels eines laserunterstützten Verfahrens eine erste Einzelschicht 21 einer strukturierten Konversionsschicht 2 auf dem Substrat 1 abgeschieden. Bei dem laserunterstützten Verfahren handelt es sich vorliegend um ein Mikro-Laser-Cladding-Verfahren. Bei dem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren wird eine Pulvermischung 3 bereitgestellt, die in einen Laserstrahl 4 eingebracht wird (2). Die Pulvermischung 3 weist vorliegend Partikel eines ersten Leuchtstoffs auf. Bei dem Mikro-Laser-Cladding-Verfahren bildet sich auf dem Substrat 1 ein Strukturelement 5 einer strukturierten Einzelschicht aus, die aus den Partikeln der Pulvermischung 3 gebildet ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in 3 exemplarisch eine Linie als Strukturelement 5 dargestellt.
Die erste Einzelschicht 21 der Konversionsschicht 2 umfasst den ersten Leuchtstoff, der vorliegend dazu geeignet ist, einfallendes blaues Licht in gelbgrünes Licht umzuwandeln. Bei dem ersten Leuchtstoff handelt es sich beispielsweise um einen oxidischen Leuchtstoff, etwa um YAG:Ce.
In einem nächsten Schritt wird eine zweite Pulvermischung 3' als Ausgangsmaterial für eine weitere Einzelschicht 22 der Konversionsschicht 2 eingesetzt. Die zweite Pulvermischung umfasst Partikel eines zweiten Leuchtstoffs, der von dem ersten Leuchtstoff verschieden ist. Der zweite Leuchtstoff ist beispielsweise nitridisch ausgebildet und dazu geeignet, einfallendes blaues Licht zumindest teilweise in rotes Licht umzuwandeln. Beispielsweise handelt es sich bei dem zweiten Leuchtstoff um (Sr, Ca)₂Si₅N₈:Eu. Die zweite Pulvermischung 3' wird wiederum in den Laserstrahl 4 eingebracht und es wird eine weitere Einzelschicht 22 auf der ersten Einzelschicht 21 mittels des Mikro-Laser-Cladding-Verfahrens abgeschieden (4).
In 5 ist schematisch das fertige anorganische optische Element dargestellt. Auf einer ersten Hauptfläche des Substrates 1 ist eine Konversionsschicht 2 aufgebracht, die aus zwei verschiedenen wellenlängenkonvertierenden Einzelschichten 21, 22 besteht. Die erste wellenlängenkonvertierende Einzelschicht 21 ist hierbei dazu geeignet, einfallendes blaues Licht teilweise in gelbes Licht umzuwandeln. Auf der ersten Einzelschicht 21 ist eine zweite wellenlängenkonvertierende Einzelschicht 22 aufgebracht, die einen zweiten Leuchtstoff aufweist, der nitridisch ausgebildet ist. Der nitridische Leuchtstoff ist dazu geeignet, einfallendes blaues Licht in rotes Licht umzuwandeln. Ein derartiges optisches Element ist insbesondere dazu geeignet, im Zusammenspiel mit einfallendem blauen Licht mischfarbiges Licht aus dem warmweißen Bereich zu erzeugen. Die Konversionsschicht 2 des optischen Elements weist eine laterale Struktur mit einem Strukturelement 5 auf, das als Linie ausgebildet ist. Je nach Größe der Linie kann der mit dem optischen Element erzielte Farbort des mischfarbigen Lichts angepasst werden.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 bis 8 wird wiederum ein Substrat 1 bereitgestellt (nicht dargestellt). Auf das Substrat 1 wird als Ausgangsmaterial vollflächig eine Pulvermischung 3 aufgebracht. Die Pulvermischung weist reflektierende Partikel 6 auf, die mit einer Glasbeschichtung 7 umhüllt sind (6).
In einem nächsten Schritt wird mit einem Mikro-Laser-Sintering-Verfahren eine strukturierte Reflexionsschicht 8 auf dem Substrat 1 erzeugt. Hierzu wird die Pulvermischung 3 in einem vorgegebenen Bereich mit einem Laserstrahl 4 teilweise aufgeschmolzen und zu einer Schicht verbunden (7). Insbesondere schmilzt die Glasbeschichtung 7 der reflektierenden Partikel 6 durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 4 zumindest teilweise auf und verbindet die einzelnen reflektierenden Partikel 6 zu einem durchgehenden Strukturelement 5 der Reflexionsschicht 8. Die restliche lose Pulvermischung 8 wird wieder von der Oberfläche des Substrats 1 entfernt, so dass ein linienförmiges Strukturelement 5 der Reflexionsschicht 8 auf dem Substrat 1 entsteht (8).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 9 bis 12 wird wiederum in einem ersten Schritt ein Substrat 1 bereitgestellt (9). Auf das Substrat 1 wird vollflächig in direktem Kontakt eine Grünfolie 9 aufgebracht, beispielsweise durch Laminieren (10). Die Grünfolie 9 weist beispielsweise Partikel eines Leuchtstoffs auf, die der Grünfolie 9 und der aus ihr zu bildenden keramischen Schicht wellenlängenkonvertierenden Charakter verleiht. Weiterhin ist es möglich, dass die Grünfolie 9 zusätzlich oder alternativ zu den Leuchtstoffpartikeln reflektierende Partikel 6 umfasst, die der Grünfolie 9 und der aus ihr zu bildenden keramischen Schicht reflektierende Eigenschaften verleiht.
In einem nächsten Schritt wird die Grünfolie 9 mit einem Laserstrahl 4 bearbeitet, sodass die bearbeiteten Bereiche zu einer Keramik gesintert werden (11). Die nicht mit dem Laserstrahl 4 bestrahlten Bereiche der Grünfolie 9 werden wieder von dem Substrat 1 entfernt und es entsteht eine strukturierte Schicht, die beispielsweise als Konversionsschicht 2 oder als Reflexionsschicht 8 ausgebildet ist, auf einer Hauptfläche des Substrats 1 (12).
13 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein anorganisches optisches Element gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das anorganische optische Element gemäß der 13 weist ein Substrat 1 auf, auf das eine Konversionsschicht 2 mit einer lateralen Struktur aufgebracht ist. Die laterale Struktur ist aus linienförmigen Strukturelementen 5 gebildet. Jedes linienförmige Strukturelement 5 ist hierbei als Gerade ausgebildet. Die Geraden sind parallel zueinander in gleichen Abständen auf dem Substrat 1 angeordnet. Die Bereiche des Substrats 1 zwischen den linienförmigen Strukturelementen 5 sind hierbei frei zugänglich.
14 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines optischen Elementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem optischen Element gemäß der 13 weist die Konversionsschicht 2 auf dem Substrat 1 eine laterale Struktur in Form eines Gitters auf.
Auch die 15 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines optischen Elementes gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das optische Element weist hierbei eine Konversionsschicht 2 mit einer lateralen Struktur auf, deren Strukturelemente 5 als Mikrolinsen ausgebildet sind. Die Mikrolinsen 5 sind in Form einer Matrix, also entlang Reihen und Spalten, auf dem Substrat 1 angeordnet.
16 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein optisches Element gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das optische Element weist hierbei eine Konversionsschicht 2 oder eine Reflexionsschicht 8 auf, deren laterale Struktur aus konzentrisch angeordneten, kreisförmigen Ringen als Strukturelemente 5 gebildet ist.
Das Konversionselement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 17 weist eine Konversionsschicht 2 mit ersten Bereichen 10 und zweiten Bereichen 11 auf, die hinsichtlich ihrer wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften verschieden sind. Die ersten Bereiche 10 weisen einen Leuchtstoff auf, der dazu geeignet ist, einfallendes blaues Licht in rotes Licht umzuwandeln. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Leuchtstoff um einen nitridischen Leuchtstoff. Die zweiten Bereiche 11 weisen einen zweiten Leuchtstoff auf, der dazu geeignet ist, einfallendes blaues Licht in gelbes Licht umzuwandeln. Der zweite Leuchtstoff ist besonders bevorzugt ein oxidischer Leuchtstoff. Die ersten Bereiche 10 sind vorliegend rechteckig, besonders bevorzugt quadratisch, ausgebildet. Auch die zweiten Bereiche 11 sind vorliegend rechteckig und besonders bevorzugt quadratisch ausgebildet. Die ersten Bereiche 10 und die zweiten Bereiche 11 sind in Zeilen und Spalten angeordnet. In einer Zeile sind die ersten Bereiche 10 und die zweiten Bereiche 11 jeweils lateral alternierend nebeneinander angeordnet. Auch in einer Spalte sind die ersten Bereiche 10 und die zweiten Bereiche 11 jeweils lateral alternierend nebeneinander angeordnet. Mit anderen Worten sind die ersten Bereiche 10 und die zweiten Bereiche 11 der Konversionsschicht 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 17 schachbrettförmig angeordnet.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011010118 [0002]

Claims

Anorganisches optisches Element mit: – einem lichtdurchlässigen oder wellenlängenkonvertierenden Substrat (1) und – einer Konversionsschicht (2) oder einer Reflexionsschicht (8), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist, wobei die Konversionsschicht (2) oder die Reflexionsschicht (8) eine laterale Struktur aufweisen.
Optisches Element nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Substrat (1) ein Keramikplättchen oder ein Glasplättchen ist.
Optisches Element nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die laterale Struktur zumindest eines der folgenden Strukturelemente (5) aufweist: Einen Ring, eine Spirale, eine Gerade, eine Linse.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die laterale Struktur ein Strukturelement (5) mit einer Breite zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 200 Mikrometer aufweist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Konversionsschicht (2) oder die Reflexionsschicht (8) eine Dicke zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 100 Mikrometer aufweist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Struktur ein Strukturelement (5) mit einem Aspektverhältnis zwischen einschließlich 1/200 und einschließlich 10 aufweist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Konversionsschicht (2) ein Schichtenstapel verschiedener Einzelschichten (21, 22) ist, von denen eine erste Einzelschicht (21) einen ersten Leuchtstoff aufweist und eine zweite Einzelschicht (22) einen vom ersten Leuchtstoff verschiedenen, zweiten Leuchtstoff aufweist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Konversionsschicht (2) eine Mischung eines ersten Leuchtstoffs und eines vom ersten Leuchtstoff verschiedenen, zweiten Leuchtstoffs aufweist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem der erste Leuchtstoff ein nitridischer Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff ein oxidischer Leuchtstoff ist.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Substrat (1) wellenlängenkonvertierenden ausgebildet ist und einen ersten oxidischen Leuchtstoff aufweist und eine Konversionsschicht (2) auf dem Substrat (1) angeordnet ist, die nitridisch ausgebildet ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem Konversionsschicht (2) erste Bereiche (10) und zweite Bereiche (11) aufweist, die unterschiedliche wellenlängenkonvertierende Eigenschaften aufweisen und schachbrettförmig nebeneinander angeordnet sind.
Optisches Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Konversionsschicht (2) eine Glasmatrix aufweist, in die Partikeln zumindest eines Leuchtstoffs eingebracht sind oder die Reflexionsschicht (8) eine Glasmatrix aufweist, in die reflektierende Partikeln eingebracht sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Konversionsschicht (2) oder die Reflexionsschicht (8) als Keramik ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elements mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines lichtdurchlässigen oder wellenlängenkonvertierenden Substrats (1), – Abscheiden einer Konversionsschicht (2) oder einer Reflexionsschicht (8) auf dem Substrat (1) mit einem Laser- unterstützten Verfahren.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Laser-unterstützte Verfahren ein Mikro-Laser-Cladding-Verfahren oder ein Mikro-Laser-Sintering-Verfahren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, bei dem das Substrat (1) während der Abscheidung der Konversionsschicht (2) oder der Reflexionsschicht (8) geheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem als Ausgangsstoff für die Konversionsschicht (2) Partikel zumindest eines Leuchtstoffs verwendet werden, die mit einem Glas (7) beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem als Ausgangsstoff für die Reflexionsschicht (8) reflektierende Partikel verwendet werden, die mit einem Glas (7) beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem als Ausgangsstoff für die Konversionsschicht (2) oder die Reflexionsschicht (8) eine Mischung an Partikeln verwendet wird, die Glaspartikel enthält.
Verfahren zur Herstellung eines anorganischen optischen Elements mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines lichtdurchlässigen oder wellenlängenkonvertierenden Substrats (1), – Aufbringen einer Grünfolie (9) mit reflektierenden Partikeln und/oder Partikeln mindestens eines Leuchtstoffs auf das Substrat (1), und – Strukturieren der Grünfolie (9) mit einem Laserstrahl (4), wobei Strukturelemente (5) der Grünfolie (9) zu einer Keramik gesintert werden.