DE102013215382A1

DE102013215382A1 - Leuchtstoff-LED

Info

Publication number: DE102013215382A1
Application number: DE201310215382
Authority: DE
Inventors: Reiner Windisch
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US20150034980A1; US9231170B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) mit einer LED (52) zur Emission von blauem Primärlicht und einem LED-Leuchtstoff (53, 72) zur Konversion des Primärlichts zu Sekundärlicht, welches einen Farbort im Grünen hat, wobei der LED-Leuchtstoff (53, 72) neben einem Grün-Leuchtstoff auch einen Rot-Leuchtstoff aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtstoff-LED mit einer LED, die zur Emission von blauem Primärlicht ausgelegt ist.
Stand der Technik
Ein Vorteil optoelektronischer Lichtquellen (LEDs) kann im Vergleich zu konventionellen Glühlampen beispielsweise in einer verbesserten Energieeffizienz bestehen. Allerdings kann das Emissionsspektrum einer LED gegenüber jenem einer Glühlampe vergleichsweise schmalbandig sein, was eine schlechte Farbwiedergabe zur Folge hat, und zwar selbst im Falle einer Lichtmischung. Dabei werden mehrere LEDs vorgesehen, die jeweils LED-Licht einer anderen Farbe emittieren, und wird das sich durch Mischung des LED-Lichts der verschiedenen Farben ergebende Mischlicht verwendet.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte LED anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Leuchtstoff-LED zur Emission von LED-Licht mit einer LED, die zur Emission von blauem Primärlicht ausgelegt ist, und einem LED-Leuchtstoff, der dazu ausgelegt und so angeordnet ist, dass er im Betrieb von dem Primärlicht angeregt wird und infolgedessen Sekundärlicht emittiert, welches zumindest einen Anteil des LED-Lichts bildet, wobei der LED-Leuchtstoff einen Grün-Leuchtstoff und einen Rot-Leuchtstoff aufweist, und wobei der Grün-Leuchtstoff und der Rot-Leuchtstoff in einem solchen Verhältnis vorgesehen sind, dass das LED-Licht im CIE-Normfarbsystem (in der gesamten Offenbarung: CIE 1931, DIN 5033) einen Farbort im Grünen hat, der zu der Planck-Kurve beabstandet ist, und zwar betragsmäßig um mindestens 0,01, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 0,015, 0,02, 0,025, 0,03 bzw. 0,035.
Es wird also eine zur Emission von grünem Licht vorgesehene LED („grüne LED”) als Leuchtstoff-LED vorgesehen, also als Konversions-LED; es konvertiert also der LED-Leuchtstoff das von der LED originär mit blauer Farbe emittierte (Primär)Licht. Auch wenn das LED-Licht im Allgemeinen auch allein Sekundärlicht sein könnte, ergibt es sich vorzugsweise durch Mischung des Primär- und Sekundärlichts. Der „betragsmäßige” Abstand von der Planck-Kurve kann als Länge der kürzesten Verbindungslinie zwischen Planck-Kurve und Farbort ermittelt werden; der Farbort „im Grünen” liegt oberhalb der Planck-Kurve.
Das LED-Licht hat einen Farbort im Grünen; erfindungsgemäß wird dazu für den LED-Leuchtstoff allerdings nicht nur ein Grün-Leuchtstoff vorgesehen, was ausreichen würde, um LED-Licht grüner Farbe („grünes LED-Licht”) zur Verfügung zu stellen, sondern zusätzlich ein Rot-Leuchtstoff, was die nachstehend erläuterten Vorteile bieten kann.
Eine erfindungsgemäße grüne LED kann nämlich insbesondere als Teil einer Weißlichtquelle eingesetzt werden, also in beispielsweise einer Leuchte bzw. einem LED-Modul mit einer roten Lichtquelle, insbesondere einer roten LED, kombiniert Weißlicht zur Verfügung stellen, wobei sich mit einer erfindungsgemäßen grünen Leuchtstoff-LED vorteilhafterweise eine gute Farbwiedergabe erreichen lässt. Als rote LED wird dabei vielfach eine InGaAlP-LED eingesetzt, deren originär rotes Licht direkt (ohne Konversion) für die Lichtmischung genutzt wird.
Das rote InGaAlP-Licht ist in seiner spektralen Verteilung jedoch vergleichsweise schmalbandig (die Halbwertsbreite um ein typisches Emissionsmaximum bei 630 nm kann circa 21 nm betragen), weswegen die InGaAlP-LEDs zur Verwendung mit einer grünen LED nach dem Stand der Technik vorsortiert werden müssen, um eine gute Farbwiedergabe erreichen zu können. Es müssen nämlich jene InGaAlP-LEDs ausgewählt werden, deren Dominantwellenlänge λ_Dom bei relativ kurzen Wellenlängen (λ_Dom ≤ 614 nm) liegt, sogenannte „kurzwellige” InGaAlP-LEDs; anderenfalls würde im Gesamtspektrum (das sich durch die Mischung des LED-Lichts der grünen/roten LEDs ergibt) eine Rot-Grün-Lücke zwischen dem Grün- und dem Rot-Anteil entstehen, was die Farbwiedergabe deutlich verschlechtern kann. 1 illustriert dies für eine Kombination aus InGaAlP-LED und grüner LED nach dem Stand der Technik.
Indem nun erfindungsgemäß für die grüne LED zusätzlich zum Grün-Leuchtstoff ein Rot-Leuchtstoff vorgesehen wird, kann dem Entstehen der Rot-Grün-Lücke zumindest vorgebeugt werden und müssen beispielsweise nicht derartig kurzwellige InGaAlP-LEDs wie im Referenzfall (1) aufwendig vorsortiert werden, vgl. den erweiterten Wellenlängenbereich in den 2 und 3. Mit einer erfindungsgemäßen grünen LED kann auch in Kombination mit vergleichsweise langwelligen InGaAlP-LEDs ein hoher Farbwiedergabeindex erreicht werden, was auch aufgrund der größeren Anzahl nutzbarer InGaAlP-LEDs vorteilhaft sein kann.
Ferner hat der Erfinder festgestellt, dass sich bei Verwendung einer erfindungsgemäßen grünen LED das Ersetzen einer kurzwelligen InGaAlP-LED durch eine langwellige auch vorteilhaft auf die Wiedergabe von Braun-/Rot-Braun-Tönen auswirken kann, die im Falle kurzwelliger InGaAlP-LEDs oftmals als unnatürlich empfunden werden. Mangels einer entsprechenden Testfarbe schlägt sich dies allerdings bspw. nicht im Farbwiedergabeindex R_a nach DIN 6169 mit 14 Testfarben nieder.
Diese zur Illustration der Vorteile einer erfindungsgemäßen grünen LED genannten Beispiele nehmen zwar auf eine InGaAlP-LED Bezug, sollen den Gegenstand im Allgemeinen jedoch ausdrücklich nicht auf eine solche Verwendung beschränken (wenngleich sie bevorzugt ist). Es kann nämlich einerseits auch eine beliebige andere Lichtquelle einen entsprechend schmalbandigen Rotanteil zur Verfügung stellen (und die Kombination mit der erfindungsgemäßen grünen LED Vorteile bieten); andererseits muss selbst im Falle einer InGaAlP-LED nicht der LED-Hersteller selbst die grüne LED damit kombinieren, sondern kann dies beispielsweise auch erst ein Leuchtenhersteller oder gar der Benutzer tun.
Das „blaue Primärlicht” hat vorzugsweise eine Dominantwellenlänge λ_Dom von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 434 nm, 436 nm, 438 nm, 440 nm, 442 nm bzw. 444 nm; von diesen Untergrenzen unabhängig ist für die Dominantwellenlänge λ_Dom eine Obergrenze von 466 nm bevorzugt und sind höchstens 464 nm, 462 nm, 460 nm, 458 nm bzw. 456 nm in dieser Reihenfolge zunehmend weiter bevorzugt.
Vorzugsweise wird für die erfindungsgemäße Leuchtstoff-LED eine auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basierende LED vorgesehen; besonders bevorzugt ist hierbei ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, etwa Al_nIn_1-n-mGa_mN mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1; die Halbleiterschichtenfolge kann auch Dotierungsstoffe und generell zusätzliche Bestandteile aufweisen, und es sind der Einfachheit halber nur die wesentlichen Bestandteile angegeben. Besonders bevorzugt wird für die erfindungsgemäße Leuchtstoff-LED eine InGaN-LED vorgesehen.
Der Begriff „LED” kann sich im Rahmen dieser Offenbarung im Allgemeinen sowohl auf eine gehäuste LED beziehen, also bspw. auf einen mit einem Hüllkörper und einem elektrischen Kontaktierungselement zum Makroskopischen hin versehenen LED-Chip, als auch auf eine ungehäuste LED, den LED-Chip; letzteres kann bevorzugt sein.
Der LED-Leuchtstoff kann beispielsweise auf der Lichtabstrahlfläche der LED angeordnet sein und/oder in einen Teil deren Häusung eingefügt werden, etwa in ein Verfüllmaterial, insbesondere ein Vergussmaterial, eingebettet sein.
Das Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Leuchtstoff-LED, die zwar einen Rot-Leuchtstoff aufweist, deren Farbort jedoch trotzdem im Grünen liegt und deren LED-Licht dementsprechend erst mit dem Licht einer weiteren Lichtquelle gemischt Weißlicht ergibt, kann etwa aus Effizienzgründen gegenüber einer reinen Leuchtstoffkonversion vorteilhaft sein. Wird als weitere Lichtquelle zum Beispiel eine InGaAlP-LED vorgesehen, ist dies in der Regel nämlich effizienter, als Primärlicht zu rotem Licht zu konvertieren. Zudem kann mit einer erfindungsgemäßen grünen Leuchtstoff-LED und zwei weiteren Lichtquellen, wovon eine rotes und die andere blaues Licht zur Verfügung stellt, auch ein farbortsteuerbares LED-Modul realisiert werden, ist also die Flexibilität größer.
Soweit im Rahmen dieser Offenbarung auf die Ausbreitung von Licht Bezug genommen wird, soll dies nicht implizieren, dass zur Erfüllung des Gegenstands auch eine entsprechende Lichtausbreitung erfolgen muss; die Leuchtstoff-LED bzw. ein entsprechendes LED-Modul bzw. eine Leuchte damit sollen lediglich für eine derartige Lichtausbreitung ausgelegt sein.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und in der nachstehenden Beschreibung, wobei auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen der Darstellung von Vorrichtungs-, Verfahrens- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Kategorien zu lesen.
In bevorzugter Ausgestaltung liegt der Farbort des LED-Lichts im CIE-Normfarbsystem oberhalb einer ersten Geraden, deren Steigung m = 0,59 und deren y-Achsenabschnitt n = 0,1727 ist, vorzugsweise n = 0,1827 ist (n ist der y-Wert der Geraden bei x = 0). Ein Farbort im CIE-Normfarbsystem, also ein Zahlenpaar aus x- und y-Wert, liegt „oberhalb” einer entsprechenden Geraden, wenn der x-Wert des Zahlenpaares in die Geradengleichung eingesetzt einen Wert ergibt, der kleiner als der y-Wert des Zahlenpaares ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Farbort des LED-Lichts im CIE-Normfarbsystem oberhalb einer zweiten Geraden mit einer Steigung m = –0,1 und einem y-Achsenabschnitt n = 0,421, vorzugsweise n = 0,431. Die Lage des LED-Licht-Farborts oberhalb dieser zweiten Geraden kann für sich bevorzugt sein, ist jedoch besonders bevorzugt in Verbindung mit der Lage oberhalb der ersten Geraden erfüllt (die beiden Geraden schneiden sich oberhalb der Planck-Kurve). Im letztgenannten Fall ist der y-Wert des Farborts also größer als die beiden Werte, die sich durch Einsetzen des x-Werts des Farborts in die beiden Geradengleichungen ergeben.
Vorzugsweise werden der Grün- und der Rot-Leuchtstoff also in einem solchen Verhältnis vorgesehen, dass der Farbort in gewissem Abstand zur Planck-Kurve liegt, vorzugsweise oberhalb der beiden genannten Geraden (besonders bevorzugt mit jeweils dem größeren y-Achsenabschnitt). Der Erfinder hat im Rahmen umfangreicher Raytracing-Simulationen herausgefunden, dass es für die Beigabe des Rot-Leuchtstoffs insoweit einen optimalen Bereich geben kann, als einerseits der Rot-Anteil im LED-Licht (der grünen LED) aufgrund der eingangs erwähnten Effizienznachteile nicht zu groß sein sollte. Andererseits kann es jedoch, wenn der Farbort zu weit von der Planck-Kurve beabstandet („zu tief im Grünen”) liegt, notwendig sein, das grüne Licht der Leuchtstoff-LED mit eher kurzwelligem roten Licht zu ergänzen, weil anderenfalls eine Rot-Grün-Lücke entstehen und die Farbwiedergabe entsprechend schlecht werden würde (siehe oben).
Auch insoweit liegt der Farbort des LED-Lichts in bevorzugter Ausgestaltung unterhalb einer dritten Geraden mit der Steigung m = 1,71 und dem y-Achsenabschnitt n = –0,12, vorzugsweise n = –0,13. Der Farbort liegt „unterhalb”, wenn sein y-Wert kleiner als der Wert ist, der sich durch Einsetzen seines x-Werts in die Geradengleichung ergibt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Farbort unterhalb einer vierten Geraden mit der Steigung m = –0,67 und dem y-Achsenabschnitt n = 0,78, vorzugsweise n = 0,77. Besonders bevorzugt liegt der Farbort zugleich unterhalb der dritten und der vierten Geraden, und zwar weiter bevorzugt in Verbindung mit der Lage oberhalb der ersten und der zweiten Geraden.
Generell kann auch bevorzugt sein, dass von einem der im Rahmen dieser Offenbarung angegebenen Farbortbereiche „im Grünen” ein Teilbereich ausgenommen ist, und zwar ein Teilbereich um ein (x/y)-Wertpaar von (0,3938/0,4501) mit einem Radius von bspw. 0,001, 0,003 bzw. 0,005. Die im Rahmen dieser Offenbarung angegebenen Farbortbereiche sollen jeweils auch ohne einen solchen Teilbereich offenbart sein.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Verhältnis von Grün- und Rot-Leuchtstoff so eingestellt, dass der Farbort des LED-Lichts in einem im CIE-Normfarbsystem von vier (x/y)-Wertpaaren aufgespannten Viereck liegt. Diese (x/y)-Wertpaare sind bspw.: (0,36/0,395), (0,47/0,46), (0,38/0,52) und (0,31/0,4); besonders bevorzugt als ein solches Viereck definierende Wertpaare können etwa (0,36/0,395), (0,47/0,46), (0,425/0,49) und (0,34/0,4) sein, weiter bevorzugt beispielsweise (0,36/0,395), (0,47/0,46), (0,433/0,484) und (0,352/0,4).
In bevorzugter Ausgestaltung ist also Rot-Leuchtstoff ein Rot-Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge λ_Peak ≤ 620 nm vorgesehen, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt 619 nm, ≤ 618 nm, ≤ 617 nm bzw. ≤ 616 nm. Ein bevorzugter erster Rot-Leuchtstoff, der nachstehend im Detail erläutert wird, kann beispielsweise eine Peakwellenlänge von ca. 615 nm haben.
Der Erfinder hat festgestellt, dass es besonders vorteilhaft sein kann, einen kurzwelligen Rot-Leuchtstoff vorzusehen, also einen Rot-Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge Λ_Peak ≤ 614 nm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt ≤ 613 nm, ≤ 612 nm bzw. ≤ 611 nm. Mit einem solchen kurzwelligen Rot-Leuchtstoff kann nämlich ein (allzu) langwelliger Rot-Anteil im LED-Licht vermieden werden, was einen Effizienzvorteil bieten kann: Bei der bevorzugten Kombination einer erfindungsgemäßen Leuchtstoff-LED mit einer InGaAlP-LED kann letztere den langwelligen Rotlichtanteil effizienter zur Verfügung stellen (ohne Konversionsverluste).
Auf der Grundlage von Raytracing-Simulationen hat der Erfinder festgestellt, dass sich die Effizienz eines LED-Moduls (aus erfindungsgemäßer Leuchtstoff-LED und InGa-AlP-LED) um etwa 5% steigern lässt, wenn für die Leuchtstoff-LED ein kurzwelliger Rot-Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge Λ_Peak ≈ 610 nm anstelle eines Rot-Leuchtstoffs mit einer Peakwellenlänge Λ_Peak ≈ 615 nm eingesetzt wird. (Mögliche Untergrenzen der Peakwellenlänge des roten, auch kurzwelligen roten, Leuchtstoffs können bspw. bei Λ_Peak ≥ 600 nm bzw. Λ_Peak ≥ 605 nm liegen).
In bevorzugter Ausgestaltung ist als Rot-Leuchtstoff ein Nitridosilikat vorgesehen, und zwar in einer ersten bevorzugten Variante ein Nitridosilikat der Form M₂X₅Y₈:Eu, bei welchem die Komponente M aus Sr und Ba besteht („erster Rot-Leuchtstoff”); die Komponente M besteht dabei zu mindestens 35 Mol.-% aus Ba, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt zu mindestens 37,5 Mol.-%, 40 Mol.-%, 42,5 Mol.-% bzw. 45 Mol.-% (und ist der Rest entsprechend Sr); die Obergrenze des Ba-Anteils liegt (von der Untergrenze unabhängig) bei 75 Mol.-%, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei höchstens 70 Mol.-%, 65 Mol.-%, 60 Mol.-% bzw. 55 Mol.-%. Besonders bevorzugt sind für die Komponente M Sr und Ba zu jeweils 50 Mol.-% vorgesehen.
Als Dotierung des ersten Rot-Leuchtstoffs ist Eu vorgesehen, und zwar vorzugsweise zu einem Anteil bezogen auf M von mindestens 2 Mol.-%, weiter bevorzugt von mindestens 2,5 Mol.-%, 3 Mol.-% bzw. 3,5 Mol.-%; von diesen Untergrenzen unabhängig beträgt der Eu-Anteil vorzugsweise nicht mehr als 6 Mol.-%, weiter bevorzugt nicht mehr als 5 Mol.-% bzw 4,5 Mol.-%. Besonders bevorzugt ist ein Eu-Anteil von 4 Mol.-%.
Die Komponente X weist Si auf, vorzugsweise besteht sie aus Si; die Komponente Y weist N auf, vorzugsweise besteht sie aus N. Das Si kann im Allgemeinen beispielsweise auch zum Teil durch Al und/oder B ausgetauscht sein und/oder es kann für die Kompnente Y C und/oder insbesondere O anstelle von N vorhanden sein, letzteres etwa auch herstellungsbedingt.
Ein besonders bevorzugter erster Rot-Leuchtstoff mit 50 Mol.-% Ba und einem Eu-Anteil von 4 Mol.-% kann beispielsweise eine Peakwellenlänge von 615 nm haben.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die ebenfalls ein Nitridosilikat als Rot-Leuchtstoff betrifft, besteht die Komponente M aus Sr, Ba und Ca, und zwar zu mindestens 35 Mol.-% aus Ba, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt zu mindestens 37,5 Mol.-%, 40 Mol.-%, 42,5 Mol.-% bzw. 45 Mol.-%, und (von diesen Untergrenzen unabhängig) zu höchstens 75 Mol.-% aus Ba, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt zu höchstens 70 Mol.-%, 65 Mol.-%, 60 Mol.-% bzw. 55 Mol.-%; besonders bevorzugt sind 50 Mol.-% Ba. Der Ca-Anteil an M beträgt mindestens 1 Mol.-%, weiter bevorzugt mindestens 1,5 Mol.-% bzw. 2 Mol.-% und (von diesen Untergrenzen unabhängig) höchstens 5 Mol.-%, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 4 Mol.-%, 3,5 Mol.-% bzw. 3 Mol.-%. Den jeweiligen Rest nach Abzug des Ba- und Ca-Anteils bildet Sr.
Besonders bevorzugt ist für den zweiten Rot-Leuchtstoff ein Ba-Anteil von 50 Mol.-%, und zwar in Verbindung mit einem Ca-Anteil von 2,5 Mol.-%.
Auch im Falle des zweiten Rot-Leuchtstoffs ist Eu als Dotierung vorgesehen, wobei ein Anteil von mindestens 1 Mol.-% (bezogen auf M) bevorzugt ist und 2 Mol.-% weiter bevorzugt sind; als Obergrenze sind 5 Mol.-% bevorzugt, wobei 4 Mol.-% bzw. 3 Mol.-% weiter bevorzugt sind. Besonders bevorzugt liegt der Eu-Anteil bei 2,5 Mol.-%.
Auch im Falle des zweiten Rot-Leuchtstoffs ist üblicherweise X = Si und Y = N; bezüglich möglicher Substituenten wird auf die vorstehenden Erläuterungen zum ersten Rot-Leuchtstoff verwiesen.
Im besonders bevorzugten Fall steht die Komponente M des zweiten Rot-Leuchtstoffs zu 50 Mol.-% aus Ba, zu 47,5 Mol.-% aus Sr und zu 2,5 Mol.-% aus Ca und liegt der Eu-Anteil bei 2,5 Mol.-%. Der zweite Rot-Leuchtstoff kann eine Peakwellenlänge von ca. 610 nm haben, was die vorstehend erwähnten Effizienzvorteile bieten kann.
Im Allgemeinen ist die Erfindung indes selbstverständlich nicht auf eine Leuchtstoff-LED mit einem der in den vorstehenden Absätzen erläuterten Nitridosilikate als Rot-Leuchtstoff beschränkt, sondern kann für den bevorzugt kurzwelligen Rot-Leuchtstoff (Λ_Peak ≤ 614 nm, siehe vorne) beispielsweise auch ein Leuchtstoff der Form (Sr,Ca)₁A1₁Si₁N₃:Eu vorgesehen werden. Die Peakwellenlänge Λ_Peak kann dabei auch (noch) kurzwelliger werden, beispielsweise auch in einem Bereich von ca. 605 nm liegen.
Als Grün-Leuchtstoff ist in bevorzugter Ausgestaltung ein langwelliger Grün-Leuchtstoff mit einer Dominantwellenlänge Λ_Dom ≥ 545 nm, vorzugsweise ≥ 550 nm, vorgesehen. Die Dominantwellenlänge Λ_Dom, die im CIE-Normfarbsystem als Schnittpunkt der Spektralfarblinie mit der Verbindungslinie Weißpunkt-Farbort ermittelt wird, kann etwa im Falle eines für den Grün-Leuchtstoff bevorzugten Granat-Leuchtstoffs aussagekräftiger als die Peakwellenlänge Λ_Peak sein, weil Granate einen Doppelpeak zeigen können. (Mögliche Obergrenzen können beispielsweise bei Λ_Dom ≤ 590 nm, Λ_Dom ≤ 580 nm bzw. Λ_Dom ≤ 570 nm liegen.)
Die für die Dominantwellenlänge des Grün-Leuchtstoffs angegebenen Werte beziehen sich dabei auf eine Einzelkornmessung, also eine Messung bei sehr geringer Konzentration, und können bei höherer Konzentration aufgrund von Reabsorbtion-Effekten, die an der kurzwelligen Flanke am stärksten ausgeprägt sein können, abweichen. Bezogen auf die für den vorliegend diskutierten Farbort im Grünen relevanten Konzentrationen kann für den Grün-Leuchtstoff eine Dominantwellenlänge Λ_Dom ≥ 555 nm bevorzugt sein, weiter bevorzugt Λ_Dom ≥ 560 nm.
Unter Bezugnahme auf die Peakwellenlänge Λ_Peak kann für den Grün-Leuchtstoff eine Peakwellenlänge Λ_Peak ≥ 530 nm bevorzugt sein, weiter bevorzugt ist Λ_Peak ≥ 535 nm (jeweils im Falle einer Einzelkornmessung). Die Konzentrationsabhängigkeit der Peakwellenlänge ist allerdings auch deutlich geringer (für den Rot-Leuchtstoff sind deshalb nur Werte zur Einzelkornemssung angeben); bezogen auf die für den vorliegenden Farbort im Grünen relevanten Konzentrationen kann für den Grün-Leuchtstoff eine Peakwellenlänge Λ_Peak ≥ 535 nm bevorzugt sein und ist Λ_Peak ≥ 540 nm weiter bevorzugt.
Generell ist für den Grün-Leuchtstoff ein Granat der Form A₃B₅O₁₂:Ce bevorzugt. Die Komponente A weist Lu auf; vorzugsweise besteht sie aus Lu oder aus Lu und Y, und zwar im letztgenannten Fall zu mindestens 70 Mol.-% aus Lu, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt zu mindestens 72,5 Mol.-%, 75 Mol.-% bzw. 77,5 Mol.-% aus Lu.
Die Komponente B weist Al auf, vorzugsweise besteht sie aus Al oder aus Al und Ga; im letztgenannten Fall besteht B vorzugsweise zu mindestens 5 Mol.-% aus Ga, weiter bevorzugt zu mindestens 7,5 Mol.-% bzw. 10 Mol.-%, und (von der Untergrenze unabhängig) zu höchstens 40 Mol.-%, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt zu höchstens 35 Mol.-%, 30 Mol.-% bzw. 25 Mol.-%, aus Ga.
Unabhängig von der genauen Zusammensetzung der Komponenten A und B ist ein Ce-Anteil von mindestens 1 Mol.-% bezogen auf A bevorzugt und sind mindestens 1,25 Mol.-% bzw. 1,5 Mol.-% weiter bevorzugt; als (von den Untergrenzen unabhängige) Obergrenzen können höchstens 3 Mol.-% bevorzugt sein und sind höchstens 2,5 Mol.-% bzw. 2,25 Mol.-% weiter bevorzugt.
Bevorzugte Grün-Leuchtstoffe können beispielsweise Lu-AG:Ce mit einem Ce-Anteil von ca. 1,5 Mol.-% oder LuY-AG:Ce mit einem Y-Anteil von 20 Mol.-% und einem Ce-Anteil von ca. 2 Mol.-% sein.
Unabhängig vom konkret verwendeten Grün-Leuchtstoff ist dieser in bevorzugter Ausgestaltung in einer Mischung mit dem Rot-Leuchtstoff vorgesehen, können also beispielsweise innerhalb eines Leuchtstoffelements der Leuchtstoff-LED die beiden Leuchtstoffe statistisch zufallsverteilt vorliegen, etwa jeweils in Partikelform. Der Begriff „Mischung” bezieht sich insoweit (in Bezug auf die Leuchtstoffe) also beispielsweise auf ein heterogenes Gemisch, nämlich ein Gemenge, also ein Gemisch nicht mischbarer Festkörper. Soweit die beiden Leuchtstoffe im Allgemeinen beispielsweise auch als jeweils eigene Schicht vorgesehen sein können, im Allgemeinen etwa auch in einer remote phosphor-Anordnung, ist eine Mischung bevorzugt und soll sich die Optimierung des Verhältnisses von Grün- und Rot-Leuchtstoff, also der bevorzugte Farbortbereich (und sämtliche dahingehenden Konkretisierungen der vorliegenden Offenbarung), ausdrücklich auch auf die beiden Leuchtstoffe in Mischung beziehen.
Soweit im Rahmen dieser Offenbarung von Grün- und Rot-Leuchtstoff bzw. „den beiden Leuchtstoffen” die Rede ist, soll dies im Allgemeinen selbstverständlich nicht das Vorhandensein eines weiteren bzw. weiterer Leuchtstoffe ausschließen, auch nicht in einer eben genannten Mischung. Vorzugsweise besteht letztere, also das Leuchtstoffelement der Leuchtstoff-LED, jedoch zumindest in ihrem Leuchtstoffanteil allein aus dem Grün- und dem Rot-Leuchtstoff; neben dem Leuchtstoffanteil kann das Leuchtstoffelement beispielsweise ein Matrixmaterial aufweisen, in welches die Leuchtstoffe eingebettet sind.
Das Leuchtstoffelement kann beispielsweise schichtförmig auf die LED aufgebracht sein, beispielsweise aufgedruckt oder auch aufgerakelt; es kann auch ein plättchenförmiges Leuchtstoffelement aufgesetzt werden, wobei in dem Leuchtstoffplättchen der Leuchtstoffanteil beispielsweise auch in ein Matrixmaterial eingebettet sein kann, etwa in Silikon. Das Vorsehen eines plättchenförmigen Leuchtstoffelements kann etwa im Falle eines LED-Moduls bevorzugt sein, bei welchem die einzelnen LEDs mit unterschiedlichen Leuchtstoffen versehen werden (nicht alle LEDs werden notwendigerweise zu erfindungsgemäßen grünen Leuchtstoff-LEDs).
Das Einbetten des Leuchtstoffanteils (des Leuchtstoffelements) in ein Matrixmaterial kann auch generell und insbesondere im Falle eines Verfüllens, etwa eines Vergießens, von Interesse und vorteilhaft sein; das Matrixmaterial ist dann zugleich ein die LED üblicherweise gemeinsam mit einem Sockel, etwa einem heat sink, umhüllender Hüllkörper.
Die Erfindung betrifft auch ein LED-Modul mit einer Leuchtstoff-LED und einer zweiten LED, deren Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Roten hat. Vorzugsweise wird eine zweite LED auf Basis eines Phosphid-Verbindungshalbleitermaterials wie Al_nIn_1-n-mGa_mP vorgesehen mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Hinsichtlich der Vorteile einer Kombination aus erfindungsgemäßer Leuchtstoff-LED und InGaAlP-LED wird auf die Darstellung eingangs verwiesen.
Weiter bevorzugt weist das LED-Modul eine dritte LED auf, deren Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Blauen hat. Dabei meint, jeweils innerhalb eines Intervalls von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt (+/–0,2), (+/–0,1) bzw. (+/–0,05), „im Roten” einen Farbwert im CIE-Normfarbsystem um einen x-Wert von 0,65 und einen y-Wert von 0,33; der Farbort „im Blauen” kann ein „klassischer” Blauton in einem entsprechenden Intervall um einen x-Wert von 0,15 und einen y-Wert von 0,06 sein; es kann als Blauton jedoch auch blueish white in einem entsprechenden Intervall um einen x-Wert von 0,22 und einen y-Wert von 0,25 vorgesehen sein.
Mit der Kombination aus erfindungsgemäßer (grüner) Leuchtstoff-LED, zweiter (roter) LED und dritter (blauer) LED lässt sich ein farbortsteuerbares LED-Modul realisieren; der Farbort kann beispielsweise entlang der Planck-Kurve eingestellt werden, sodass in Abhängigkeit von der Einstellung Weißlicht unterschiedlicher Farbtemperatur erhalten wird. Es kann also durch die Bestromung wahlweise z. B. warmweißes Licht (Farbtemperatur < 3.300 K); neutralweißes Licht (Farbtemperatur von 3.300 K bis 5.300 K) und tageslichtweißes Licht (Farbtemperatur > 5.300 K) eingestellt werden (die Erfindung richtet sich insbesondere auch auf eine solche Verwendung).
In einem LED-Modul ist dabei selbstverständlich nicht notwendigerweise nur jeweils eine einzige erfindungsgemäße grüne, zweite oder dritte LED vorgesehen.
Der Begriff „LED-Modul” bezieht sich im Allgemeinen auf LEDs, die jedenfalls auf einen gemeinsamen Substratkörper (vorzugsweise auf einer gemeinsamen Anordnungsfläche des Substratkörpers) vorgesehen sind, beispielsweise damit flächig verbunden sind, insbesondere aufgelötet oder aufgeklebt. Die LEDs können dabei einerseits auch bereits jeweils für sich gehäust sein; andererseits können die LEDs auch für sich ungehäust sein und beispielsweise erst im Zuge der Herstellung des LED-Moduls gemeinsam gehäust werden, also beispielsweise auf eine gemeinsame Trägerplatte gesetzt, elektrisch angeschlossen und/oder insbesondere mit einem die LEDs zumindest teilweise umhüllenden Hüllkörper versehen werden, vorzugsweise durch Verfüllen, insbesondere durch Vergießen mit beispielsweise Silikonmaterial.
Das „Verfüllen” kann beispielsweise auch durch Drucken oder Sprühen erfolgen, wobei ein Verfüllen durch Gießen (mit Druck oder drucklos) besonders bevorzugt ist. Die LED werden vorzugsweise von einem einstückigen (monolitischen) Hüllmaterial abgedeckt, das besonders bevorzugt die Abstrahlflächen und gegebenenfalls auch (Bereiche der) Seitenflächen der LEDs, berührt.
Vorzugsweise ist bei einem erfindungsgemäßen LED-Modul ein Bereich der Anordnungsfläche zwischen mindestens zwei der LEDs, besonders bevorzugt zwischen sämtlichen LEDs, als Bereich „hoher Reflektivität” vorgesehen; der Bereich kann soll also eine Reflektivität von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 50%, 60%, 70%, 80%, 85% bzw. 90% haben (bezogen auf den sichtbaren Bereich des Spektrums).
Eine entsprechende Reflektivität kann beispielsweise durch einen auf die Anordnungsoberfläche aufgebrachten bzw. diese bildenden Ag- und/oder Al-Spiegel eingestellt sein. Ferner kann beispielsweise auch ein zwischen den LEDs vorgesehenes Matrixmaterial mit eingebetteten Partikeln die Reflektivität bedingen, etwa ein Silikonmaterial, beispielsweise mit eingebetteten Titandioxid-Partikeln. Das Matrixmaterial bzw. generell eine die Reflektivität zur Verfügung stellende Beschichtung der Anordnungsfläche soll das halbleitenden Material der LEDs vorzugsweise um nicht mehr als 25%, 15% bzw. 5% überragen (bezogen auf die in der Hauptausbreitungsrichtung genommene Höhe der LED mit der geringsten Höhe), besonders bevorzugt überragt sie die LEDs gar nicht.
Die Erfindung betrifft auch einen LED-Leuchtstoff, der für eine Leuchtstoff-LED ausgelegt ist, und es sollen alle vorstehend unter Bezugnahme auf die Leuchtstoff-LED offenbarten Merkmale auch den LED-Leuchtstoff betreffend offenbart sein, und zwar insbesondere auch dessen Verwendung für eine (vorstehend beschriebene) Leuchtstoff-LED betreffend.
Ferner betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Leuchtstoff-LED zusammen mit einer zweiten LED, deren Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Roten hat, zur Erzeugung von weißem Mischlicht, das einen Farbwiedergabeindex von mindestens 85 hat, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt von mindestens 86, 87, 88 bzw. 89. Bezüglich des Farborts im Roten und bevorzugter Ausgestaltung der LED wird auf die vorstehende Offenbarung verwiesen; der Farbort „im Weißen” soll zu der Planck-Kurve vorzugsweise betragsmäßig um nicht mehr als 0,005, weiter bevorzugt nicht mehr als 0,004, 0,003, 0,002 bzw. 0,001 beabstandet sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und in dieser Form offenbart sein sollen.
Im Einzelnen zeigt:
1 Wellenlängenkombinationen für rote InGaAlP-LEDs und grüne Leuchtstoff-LEDs, nämlich InGaN-LEDs mit grünem Leuchtstoff (nach dem Stand der Technik), für welche ein RA ≥ 80 bzw. ≥ 90 erreicht werden kann;
2 Wellenlängenkombinationen für rote InGaAlP-LEDs und erfindungsgemäße grüne Leuchtstoff-LEDs, nämlich InGaN-LEDs mit einem ersten erfindungsgemäßen LED-Leuchtstoff, für die RA ≥ 90 bzw. ≥ 80 erreicht werden kann;
3 Wellenlängenkombinationen für rote InGaAlP-LEDs und erfindungsgemäße grüne Leuchtstoff-LEDs, nämlich InGaN-LEDs mit einem zweiten erfindungsgemäßen LED-Leuchtstoff, für die RA ≥ 90 bzw. ≥ 80 erreicht werden kann;
4 in einem CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Grünen, der für das LED-Licht einer erfindungsgemäßen Leuchtstoff-LED bevorzugt ist;
5 eine erste Möglichkeit der Anordnung von LED und Leuchtstoffelement;
6 ein erstes LED-Modul in schematischer Darstellung;
7 ein zweites LED-Modul in schematischer Darstellung;
8 ein drittes LED-Modul in schematischer Darstellung.
1 illustriert für einen LED-Leuchtstoff nach dem Stand der Technik, also für einen Grün-Leuchtstoff ohne Rot-Leuchtstoff, welcher Farbwiedergabeindex R_a in Abhängigkeit von den Dominantwellenlängen Λ_Dom der LEDs erreicht werden kann, und zwar im Falle eines farbortsteuerbaren LED-Moduls. Die Darstellung bezieht sich dabei auf jeweils den R_a, der innerhalb eines Farbortbereichs zwischen 2700 K und 4000 K mindestens erreicht werden kann (auf den kleinsten R_a-Wert innerhalb des Farbortbereichs).
Auf der y-Achse (senkrecht) ist dabei die Dominantwellenlänge Λ_Dom der InGaN-LED aufgetragen, deren Primärlicht nicht direkt genutzt, sondern von dem Grün-Leuchtstoff (im Falle von 1 ohne Rot-Leuchtstoff) zu Sekundärlicht konvertiert wird und in Mischung mit dem Primärlicht LED-Licht bildet. Auf der x-Achse (horizontal) ist die Dominantwellenlänge Λ_Dom der InGaAlP-LED aufgetragen, deren rotes Licht ohne Konversion direkt genutzt wird, und zwar zur Mischung mit dem grünen LED-Licht und mit blueish white-Licht, sodass im Ergebnis Weißlicht resultiert. Für das blueish white-Licht ist eine InGaN-LED mit einem grünen LuAGaG-Leuchtstoff vorgesehen, vgl. auch die nachstehende Beschreibung zu insbesondere 6.
Aus 1 ist ersichtlich, dass sich ein hoher R_a ≥ 90 nur mit vergleichsweise kurzwelligen InGaAlP-LEDs erreichen lässt, die Dominantwellenlänge Λ_Dom sollte ≤ 614 nm sein (der in 1 linke, gekreuzt schraffiert hinterlegte Bereich entspricht einem R_a ≥ 90). Es müssen also beispielsweise entsprechend kurzwellige InGaAlP-LEDs vorsortiert werden, was den Fertigungsaufwand und damit auch die Kosten erhöhen kann.
Werden hingegen langwellige InGaAlP-LEDs verwendet, verschlechtert sich der R_a zunehmend, und zwar aufgrund eines zunehmenden Abstandes (Rot-Grün-Lücke) zwischen der vergleichsweise schmalbandigen Emission der InGaAlP-LEDs und dem Spektrum des grünen LED-Lichts. So liegt beispielsweise bei einer Dominantwellenlänge Λ_Dom der InGaAlP-LEDs um 619 nm der R_a bereits unter 90 und fällt er bei einer Dominantwellenlänge um 627 nm unter 80. Aufgrund der zunehmenden Blau-Grün-Lücke fehlt ein zunehmender Bereich im Spektrum des Weißlichts, was die Farbwiedergabe zunehmend verschlechtert.
2 illustriert analog zu 1 den erreichbaren R_a in Abhängigkeit von den Dominantwellenlängen Λ_Dom, und zwar wiederum einer InGaAlP-LED und einer blaues Primärlicht zur Verfügung stellenden InGaN-LED. Zur Konversion des blauen Primärlichts ist in diesem Fall jedoch ein erfindungsgemäßer LED-Leuchtstoff vorgesehen, also eine Mischung aus einem Grün- und einem Rot-Leuchtstoff; das LED-Licht, das sich durch Mischung des Sekundärlichts mit dem Primärlicht ergibt, hat einen Farbort im Grünen (vgl. 4).
Der Rot-Leuchtstoff ergänzt das Spektrum des Weißlichts, schließt also insbesondere die sich anderenfalls (ohne Rot-Leuchtstoff) zwischen der schmalbandigen Emission der InGaAlP-LEDs und dem grünen LED-Licht ergebende Lücke.
Im Ergebnis kann über einen größeren Bereich der InGaAlP-Wellenlängen ein R_a ≥ 90 erreicht werden und liegt der R_a im gesamten Bereich über 80 (die Diagramme in den 1, 2 und 3 zeigen dieselbe Skalierung). Es können beispielsweise auch vergleichsweise langwellige InGaAlP-LEDs verwendet werden, was den Sortieraufwand reduzieren hilft und auch insoweit vorteilhaft ist, als kurzwellige InGaAlP-LEDs eine als unnatürlich empfundene Wiedergabe von Braun/Rot-Brauntönen bewirken können.
Die den Diagrammen gemäß den 1 und 2 (sowie 3 und 4) zugrunde liegenden Daten wurden von dem Erfinder in umfangreichen Ray Tracing-Simulationen ermittelt. Im Falle von 1 (Stand der Technik) wurde dabei als Grün-Leuchtstoff ein YAGaG mit einem Ga-Anteil von ca. 25 Mol.-% und einem Ce-Anteil von ca. 4 Mol.-% angenommen.
Im Falle des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gemäß 2 ist als Grün-Leuchtstoff LuAG mit einem Ce-Anteil von ca. 1,5 Mol.-% (bezogen auf die Komponente A, vgl. Beschreibungseinleitung) vorgesehen. Der Grün-Leuchtstoff ist mit einem Rot-Leuchtstoff vermischt, und zwar mit einem Nitridosilikat (Sr,Ba,Ca)₂Si₅N₈:Eu, wobei der Ba-Anteil an der Komponente M (vgl. Beschreibungseinleitung) 50 Mol.-% beträgt und der Ca-Anteil an der Komponente M 2,5 Mol.-%. Der Eu-Anteil beträgt 2,5 Mol.-% (bezogen auf M).
Der Grün- und der Rotleuchtstoff sind dabei in einem solchen Verhältnis vorgesehen, dass der Farbort des Sekundärlichts im Grünen liegt, vgl. 4.
Das der 3 zugrunde liegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von jenem gemäß 2 in dem für die Leuchtstoff-Mischung vorgesehenen Grün-Leuchtstoff; es ist ein LuYAG:Ce mit einem Y-Anteil von 20 Mol.-% an der Komponente A, (vgl. Beschreibungseinleitung) und einem Ce-Anteil von ca. 2 Mol.-% (bezogen auf A) vorgesehen. Auch in diesem Fall lässt sich noch mit vergleichsweise langwelligen InGaAlP-LEDs ein R_a ≥ 90 erreichen, jedenfalls soweit die Dominantwellenlänge Λ_Dom der InGaN-LED 450 nm ist. Ein R_a ≥ 80 lässt sich indes mit sämtlichen Kombinationen erreichen, also ohne aufwendiges Vorsortieren der InGaAlP-LEDs.
4 zeigt in einem Ausschnitt eines CIE-Normfarbsystems den Farbortbereich im Grünen, in welchem der Farbort des LED-Lichts der erfindungsgemäßen Leuchtstoff-LED liegt. In den der Figur zugrunde liegenden Simulationen wurden dabei für die anhand der 2 und 3 erläuterten Leuchtstoff-Kombinationen (aus Grün- und Rot-Leuchtstoff) jeweils mehrere Farborte untersucht, die über das jeweilige Verhältnis von Grün- und Rot-Leuchtstoff eingestellt wurden.
Für beide Leuchtstoff-Kombinationen lässt sich für innerhalb des Vierecks liegende Farborte (der Leuchtstoff-LED) dann in Verbindung mit einer InGaAlP-LED der Dominantwellenlänge Λ_Dom = 615 nm ein R_a ≥ 80 bzw. auch ≥ 90 erreichen (auf der Planck-Kurve), wobei jeweils drei InGaN-Dominantwellenlängen Λ_Dom von 445 nm, 450 nm und 455 nm untersucht wurden.
In 4 ist ein die einzelnen, mit Ray Tracing-Simulationen ermittelten Farborte der verschiedenen Leuchtstoffmischungen einhüllendes Viereck eingezeichnet. Dessen Seiten werden von vier Geraden gebildet, nämlich zunächst einer ersten Geraden 41 mit einer Steigung m = 0,59 und einem y-Achsenabschnitt n = 0,1827 und einer zweiten Geraden 42 mit m = –0,1 und n = 0,43. Für den LED-Leuchtstoff einer erfindungsgemäßen Leuchtstoff-LED wird das Mischungsverhältnis aus Grün- und Rotleuchtstoff so eingestellt, dass der Farbort oberhalb dieser beiden Geraden liegt (insoweit ist die jeweils „höher” liegende Gerade maßgeblich). Die zwei in der Figur oberen Seiten des Vierecks werden von einer dritten Geraden 43 mit m = 1,71 und n = –0,13 und einer vierten Geraden mit m = –0,67 und n = 0,77 gebildet, und das Mischungsverhältnis von Grün- und Rot-Leuchtstoff ist so gewählt, dass der Farbort unterhalb der dritten 43 und vierten Geraden 44 liegt.
Das Bezugszeichen 45 kennzeichnet die Planck-Kurve. Die Eckpunkte des größten Vierecks liegen in (x/y)-Wertpaaren ausgedrückt bei: (0,36/0,395), (0,47/0,46), (0,38/0,52) und (0,31/0,4).
Die weiter bevorzugten, kleineren (ebenfalls eingezeichneten) Vierecke ergeben sich aus den (x/y)-Wertpaaren (0,36/0,395), (0,47/0,46), (0,425/0,49) und (0,34/0,4) sowie (0,36/0,395), (0,47/0,46), (0,433/0,484) und (0,352/0,4). Die in der Figur linke Begrenzung (entsprechende der dritten Geraden 43) rückt näher an die Planck-Kurve 45.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Leuchtstoff-LED 51, nämlich eine InGaN-LED 52, deren blaues Primärlicht (Λ_Dom 450 nm) von einem Leuchtstoffelement zu grünem Sekundärlicht (mit einem Rot-Anteil) konvertiert wird. Das Leuchtstoffelement ist in diesem Fall ein Silikonverguss 53, in den als Matrixmaterial die Leuchtstoffpartikel des Grün- und des Rot-Leuchtstoffs statistisch verteilt eingebettet sind (nicht im Einzelnen dargestellt).
Die InGaN-LED 52 ist auf einen Substratkörper 54 aus Kupfer mit einer aufgespritzten Kunststoffeinfassung 55 (pre-molded lead frame) aufgeklebt; die Kunststoffeinfassung begrenzt eine nach oben offene Kavität, die nach dem Kontaktieren der InGaN-LED 52 mit einem Bonddraht 56 mit dem Silikonverguss 53 aufgefüllt wird.
6 zeigt ein erstes LED-Modul, nämlich eine anhand von 5 erläuterte Leuchtstoff-LED 51, die zusammen mit einer zweiten LED 61 und einer dritten LED 62 auf einem gemeinsamen Substrat 63 aufgelötet ist. Bei der zweiten LED 61 handelt es sich um eine gehäuste InGaAlP-LED, deren Licht mit rotem Farbton ohne weitere Konversion direkt genutzt wird. Für die dritte LED 62, die zur Emission von Licht mit blauem Farbton ausgelegt ist, ist eine gehäuste InGaN-LED 67 vorgesehen; diese ist von einem Vergussmaterial 65 umhüllt, in welches als Matrixmaterial grüner Leuchtstoff eingebettet ist. Im Falle der zweiten LED 62 wird das blaue Primärlicht der InGaN-LED 67 nämlich zum Teil grün konvertiert, was einen blueish white-Farbort ergibt (vgl. die Beschreibungseinleitung).
Auch für die InGaAlP-LED ist ein Vergussmaterial 66 (Silikon) vorgesehen; in dieses ist jedoch kein Leuchtstoff eingebettet („Klarverguss”).
Den LEDs 51, 61, 62 nachgeordnet kann beispielsweise eine (nicht dargestellte) Optik vorgesehen sein, beispielsweise ein Mikrolinsen-Array und/oder eine Streuscheibe, sodass das grüne Licht (mit Rot-Anteil) mit dem roten und dem blueish white Licht durchmischt wird und sich infolge der Lichtmischung Weißlicht ergibt.
Mit den drei Farben (Grün, Rot und blueish white) der LEDs 51, 61, 62 kann ein farbortsteuerbares LED-Modul realisiert werden; der gewünschte Farbort lässt sich beispielsweise durch die jeweiligen Betriebsströme oder im Falle von Pulsweitenmodulation den jeweiligen duty cycle einstellen.
7 zeigt ein weiteres LED-Modul, und zwar auf einem gemeinsamen Substratkörper 71 montierte, für sich ungehäuste LEDs, nämlich wiederum eine InGaN-LED 52 für Grün, eine InGaN-LED 67 für blueish-white und eine InGaAlP-LED 64 für Rot.
Der erfindungsgemäße grüne LED-Leuchtstoff 72 und der blueish-white Leuchtstoff 72 sind in diesem Fall als auf die jeweilige InGaN-LED 52, 67 aufgebrachte Leuchtstoffplättchen vorgesehen. Die LEDs 52, 64, 67 sind mit einem gemeinsamen Hüllkörper ummantelt, nämlich mit einem klaren Silikonverguss 74. In der Herstellung wird vor dem Vergießen ein um die LEDs 52, 64, 67 umlaufender Damm 75 auf den Substratkörper 71 aufgebracht, der eine nach oben offene Kavität seitlich begrenzt, die dann mit dem Silikonverguss 74 aufgefüllt wird. Auf dem klaren Silikonverguss 74 ist eine weitere Schicht 76 mit darin eingebetteten Streupartikeln vorgesehen, um das grüne, rote und blaue Licht zu durchmischen. Die der Streuschicht 76 gegenüberliegende Oberfläche 77 des Substratkörpers 1 ist hochreflektiv, um Verluste durch Rückreflexion zu verringern.
8 zeigt ein weiteres LED-Modul, welches wie jenes gemäß 7 aus für sich ungehäusten LEDs 52, 64, 67 aufgebaut ist. Der erfindungsgemäße grüne LED-Leuchtstoff 72 ist wiederum als Leuchtstoffplättchen auf die InGaN-LED 52 aufgebracht. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 7 ist allerdings der blueish white-Leuchtstoff nicht plättchenförmig auf die InGaN-LED 67 aufgebracht, sondern sind die entsprechend grünen Leuchtstoffpartikel in den Silikonverguss 81 als Matrixmaterial eingebettet.
Dies kann insoweit vorteilhaft sein, als im Falle des LED-Moduls gemäß 8 für das blaue Licht eine InGaN-LED 67 kleinerer Größe vorgesehen ist; insgesamt wird nämlich ein vergleichsweise geringer Anteil an blauem Licht benötigt und können mehrere kleine InGaN-LEDs 67 anstelle einer/weniger großen InGan-LEDs 67 beispielsweise hinsichtlich den Anordnungsmöglichkeiten Vorteile bieten. Der blueish white-Leuchtstoff muss in diesem Fall dann nicht jeweils einzeln auf die kleineren InGaN-LEDs 67 aufgebracht werden, was aufwendig wäre.
Im Übrigen entspricht das LED-Modul gemäß 8 jenem gemäß 7, wird also auf den Substratkörper 71 auch ein Damm 75 aufgebracht und mit dem Silikonverguss 81 (mit grünem Leuchtstoff darin) aufgefüllt; der hochreflektiven Oberfläche 77 des Substratkörpers gegenüberliegend ist wiederum eine Streuschicht 76 vorgesehen. Generell bezeichnen dieselben Bezugszeichen Teile mit derselben Funktion.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

CIE 1931 [0004]
DIN 5033 [0004]
DIN 6169 [0010]

Claims

Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) zur Emission von LED-Licht mit einer LED (52), die zur Emission von blauem Primärlicht ausgelegt ist, und einem LED-Leuchtstoff (53, 72), der dazu ausgelegt und so angeordnet ist, dass er im Betrieb von dem Primärlicht angeregt wird und infolgedessen Sekundärlicht emittiert, welches zumindest einen Anteil des LED-Lichts bildet, wobei der LED-Leuchtstoff (53, 72) einen Grün-Leuchtstoff und einen Rot-Leuchtstoff aufweist, und wobei der Grün-Leuchtstoff und der Rot-Leuchtstoff in einem solchen Verhältnis vorgesehen sind, dass das LED-Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Grünen hat, der zu der Planck-Kurve (45) beabstandet ist, und zwar betragsmäßig um mindestens 0,01.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach Anspruch 1, bei welcher der Farbort des LED-Lichts im CIE-Normfarbsystem oberhalb einer ersten Geraden (41) mit einer Steigung m und einem y-Achsenabschnitt n liegt, wobei die Steigung m = 0,59 und der y-Achsenabschnitt n = 0,1727 ist, vorzugsweise n = 0,1827.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Farbort des LED-Lichts im CIE-Normfarbsystem oberhalb einer zweiten Geraden (42) mit einer Steigung m und einem y-Achsenabschnitt n liegt, wobei die Steigung m = –0,1 und der y-Achsenabschnitt n = 0,421 ist, vorzugsweise n = 0,431.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach den Ansprüchen 2 und 3, bei welcher der Farbort des LED-Lichts im CIE-Normfarbsystem in einem von vier (x/y)-Wertpaaren aufgespannten Viereck liegt, welche (x/y)-Wertpaare sind: (0,36/0,395), (0,47/0,46), (0,38/0,52) und (0,31/0,4).
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher als Rot-Leuchtstoff ein Rot-Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge λ_Peak 620 nm vorgesehen ist.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach Anspruch 5, bei welcher als Rot-Leuchtstoff ein kurzwelliger Rot-Leuchtstoff mit einer Peakwellenlänge λ_Peak ≤ 614 nm vorgesehen ist.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher als Rot-Leuchtstoff ein Nitridosilikat vorgesehen ist, vorzugsweise ein Nitridosilikat M₂X₅Y₈:Eu, bei welchem die Komponente M aus Sr und Ba besteht, und zwar zu mindestens 35 Mol.-% und zu höchstens 75 Mol.-% aus Ba, und bei welchem ferner die Komponente X Si aufweist und die Komponente Y N aufweist.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach den Ansprüchen 6 und 7, bei welcher als Rot-Leuchtstoff ein Nitridosilikat M₂X₅Y₈:Eu vorgesehen ist, bei welchem die Komponente M aus Sr, Ba und Ca besteht, und zwar zu mindestens 35 Mol.-% und zu höchstens 75 Mol.-% aus Ba besteht und zu mindestens 1 Mol.-% und zu höchstens 5 Mol.-% aus Ca besteht, und bei welchem ferner die Komponente X Si aufweist und die Komponente Y N aufweist.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher als Grün-Leuchtstoff ein langwelliger Grün-Leuchtstoff mit einer Dominantwellenlänge λ_Dom ≥ 545 nm, vorzugsweise λ_Dom ≥ 550 nm vorgesehen ist.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Grün-Leuchtstoff ein Granat A₃B₅O₁₂:Ce ist, bei welchem die Komponente A aus Lu besteht oder aus Lu und Y besteht, und zwar im letztgenannten Fall zu mindestens 70 Mol.-% aus Lu besteht, und bei welchem die Komponente B Al aufweist.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Grün-Leuchtstoff ein Granat A₃B₅O₁₂:Ce ist, bei welchem die Komponente A Lu aufweist und bei welchem die Komponente B aus Al besteht oder aus Al und Ga besteht, und zwar im letztgenannten Fall zu höchstens 40 Mol.-% aus Ga besteht.
Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Grün-Leuchtstoff und der Rot-Leuchtstoff in einer Mischung vorgesehen sind.
LED-Leuchtstoff (53, 72) für eine Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) zur Emission von LED-Licht nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher LED-Leuchtstoff (53, 72) dazu ausgelegt ist, von dem blauen Primärlicht angeregt zu werden und infolgedessen Sekundärlicht zu emittieren, welches zumindest einen Anteil des LED-Lichts bildet, wobei der LED-Leuchtstoff (53, 72) einen Grün-Leuchtstoff und einen Rot-Leuchtstoff aufweist, und wobei der Grün-Leuchtstoff und der Rot-Leuchtstoff in einem solchen Verhältnis vorgesehen sind, dass das LED-Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Grünen hat, der zu der Planck-Kurve (45) beabstandet ist, und zwar betragsmäßig um mindestens 0,01.
LED-Modul mit einer Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach einem Ansprüche 1 bis 12, bei welchem zusätzlich zu der Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) eine zweite LED (61; 64) vorgesehen ist, deren Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Roten hat, vorzugsweise eine InGaAlP-LED, und wobei besonders bevorzugt eine dritte LED (62; 67, 73; 67, 81) vorgesehen ist, deren Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Blauen hat.
Verwendung einer Leuchtstoff-LED (51; 52, 72) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zusammen mit einer zweiten LED (61; 64), deren Licht im CIE-Normfarbsystem einen Farbort im Roten hat, zur Erzeugung von Mischlicht, das einen Farbort im Weißen und einen Farbwiedergabeindex von mindestens 85 hat.