DE102017122996A1

DE102017122996A1 - Leuchtstoffmischung, Konversionselement und optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102017122996A1
Application number: DE102017122996.5A
Authority: DE
Inventors: Ralph Peter Bertram; David O'Brien; Rainer Butendeich
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2019-04-04
Also published as: CN111194346A; DE112018004458A5; JP6931124B2; JP2020536381A; US20200287102A1; WO2019068521A1; US11611022B2

Abstract

Es wird eine Leuchtstoffmischung umfassend:
- einen ersten Leuchtstoff (1), der ein Emissionsspektrum (2) mit einer FWHM-Breite (3) zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 150 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem grünen Spektralbereich aussendet,
- einen zweiten Leuchtstoff (4), der ein Emissionsspektrum (5) mit einer FWHM-Breite (6) zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 40 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich aussendet, und
- einen dritten Leuchtstoff (7), der ein Emissionsspektrum (13) mit einer FWHM-Breite (8) zwischen einschließlich 25 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem orange-roten Spektralbereich aussendet,
angegeben.
Weiterhin werden eine weitere Leuchtstoffmischung, ein Konversionselement und ein optoelektronisches Bauelement angegeben.

Description

Es werden eine Leuchtstoffmischung, ein Konversionselement und ein optoelektronisches Bauelement angegeben.
Verschiedene Leuchtstoffmischungen sind beispielsweise in der Druckschrift Ken T. Shimizu et al., Photonic Research Vol. 5, Nr. 2, April 2017 beschrieben.
Es soll eine verbesserte Leuchtstoffmischung angegeben werden, die insbesondere dazu geeignet ist, eine hohe Effizienz mit einer guten Farbwiedergabe bei Verwendung in einem optoelektronischen Bauelement zu erzeugen. Weiterhin soll ein Konversionselement angegeben werden, das ebenfalls insbesondere dazu geeignet ist, eine hohe Effizienz mit einer guten Farbwiedergabe bei Verwendung in einem optoelektronischen Bauelement zu erzeugen.
Außerdem soll ein optoelektronisches Bauelement mit erhöhter Effizienz und verbesserter Farbwiedergabe angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch eine Leuchtstoffmischung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Leuchtstoffmischung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5, durch ein Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 und durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 18 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Leuchtstoffmischungen, des Konversionselements und des optoelektronischen Bauelements sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Leuchtstoffmischung einen ersten Leuchtstoff, der ein Emissionsspektrum mit einer Halbwertsbreite, im Folgenden „FWHM-Breite“ genannt, (kurz für Englisch „Full Width Half Maximum-Breite“) zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 150 Nanometer aufweist. Der erste Leuchtstoff sendet bevorzugt elektromagnetische Strahlung aus dem grünen Spektralbereich aus.
Bei dem Emissionsspektrum handelt es sich in der Regel um ein Diagramm, bei dem die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom pro Wellenlängenintervall („spektrale Intensität / spektraler Lichtstom“) des von dem Leuchtstoff oder einem anderen Element ausgesandten Lichts in Abhängigkeit der Wellenlänge λ dargestellt ist. Mit anderen Worten stellt das Emissionsspektrum eine Kurve dar, bei der auf der x-Achse die Wellenlänge und auf der y-Achse die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom aufgetragen ist. Das Emissionsspektrum einer LED oder eines Einzelleuchtstoffes weist in der Regel ein Maximum bei einer Peakwellenlänge auf. Der Begriff FWHM-Breite bezieht sich auf eine Kurve mit einem Maximum, wie etwa das Emissionsspektrum, wobei die FWHM-Breite derjenige Bereich auf der x-Achse ist, der zu den beiden y-Werten korrespondiert, die der Hälfte des Maximums entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Leuchtstoffmischung einen zweiten Leuchtstoff, der ein Emissionsspektrum mit einer FWHM-Breite zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 40 Nanometer aufweist. Bevorzugt weist der zweite Leuchtstoff eine FWHM-Breite zwischen einschließlich 24 Nanometer und einschließlich 40 Nanometer auf. Der zweite Leuchtstoff sendet bevorzugt elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Leuchtstoffmischung einen dritten Leuchtstoff, der ein Emissionsspektrum mit einer FWHM-Breite zwischen einschließlich 25 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer aufweist. Der dritte Leuchtstoff sendet besonders bevorzugt elektromagnetische Strahlung aus dem orange-roten Spektralbereich aus.
Gemäß einer Ausführungsform sendet die Leuchtstoffmischung bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung eines Anregungsspektrums elektromagnetische Strahlung eines Gesamtkonversionsspektrums aus, das sich aus den Emissionsspektren der Leuchtstoffe in der Leuchtstoffmischung zusammensetzt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leuchtstoffmischung einen ersten, grünen Leuchtstoff, der ein Emissionsspektrum mit einer FWHM-Breite zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 150 Nanometer aufweist, sowie einen zweiten, roten Leuchtstoff, der ein Emissionsspektrum mit einer FWHM-Breite zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 40 Nanometer aufweist, und einen dritten, orange-roten Leuchtstoff, der ein Emissionsspektrum mit einer FWHM-Breite zwischen einschließlich 25 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer aufweist.
Besonders bevorzugt ist hierbei die FWHM-Breite des zweiten, roten Leuchtstoffs vergleichsweise klein gegenüber der FWHM-Breite des ersten, grünen Leuchtstoffs und des dritten, orange-roten Leuchtstoffs. Der dritte, orange-rote Leuchtstoff, der elektromagnetische Strahlung aus dem orange-roten Spektralbereich aussendet, verbreitert hierbei mit Vorteil das schmale Emissionsspektrum des zweiten, roten Leuchtstoffs und füllt somit das Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung mit Vorteil auf, ohne zu viel elektromagnetische Strahlung im schlecht augenbewerteten langwelligen Bereich mit Wellenlängen größer 635 Nanometer zu erzeugen. Dies erhöht die Farbwiedergabe der Leuchtstoffmischung bei gleichzeitig hoher Effizienz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Leuchtstoffmischung ist der erste, grüne Leuchtstoff ein Aktivator-basierter Leuchtstoff und der zweite, rote Leuchtstoff ein Quantenpunkt-Leuchtstoff.
Der rot emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoff weist den Vorteil auf, nur wenig Licht im nicht-sichtbaren, infraroten Spektralbereich zu erzeugen. Darüber hinaus verbessert der schmalbandige Quantenpunkt-Leuchtstoff mit Emissionswellenlängen im langwelligen roten Bereich die Effizienz der Leuchtstoffmischung.
Der Aktivator-basierte Leuchtstoff umfasst bevorzugt ein kristallines, beispielsweise keramisches, Wirtsgitter, in das Fremdionen als Aktivatoren eingebracht sind. Der Aktivator verleiht dem Aktivator-basierten Leuchtstoff die wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Der Aktivator verändert die elektronische Struktur des Wirtsgitters derart, dass elektromagnetische Strahlung der Anregungswellenlänge in dem Material absorbiert wird und einen elektronischen Übergang in dem Aktivator-basierten Leuchtstoff anregt, der unter Aussenden von elektromagnetischer Strahlung mit dem Emissionsspektrum wieder in den Grundzustand übergeht.
Beispielsweise können Aktivator-basierte Leuchtstoffe in Partikelform mit Korngrößen zwischen 1 Mikrometer und 30 Mikrometer vorliegen.
Im Unterschied hierzu sind Quantenpunkt-Leuchtstoffe sehr kleine halbleitende Partikel mit einer Größe im Nanometerbereich, deren konvertierende Eigenschaften aufgrund ihrer begrenzten Dimension entstehen.
Quantenpunkt-Leuchtstoffe können einen Kern und eine Schale umfassen („core-shell quantum dot“), wobei sowohl der Kern als auch die Hülle ein Halbleitermaterial umfassen oder aus einem Halbleitermaterial gebildet sind. Die Bandlücke der Schale ist über das Material und die Größe in der Regel so eingestellt, dass die Schale die elektromagnetische Strahlung der Anregungswellenlänge absorbiert. Der Kern des Quantenpunkt-Leuchtstoffs ist über das Material und die Größe in der Regel so eingestellt, dass er zumindest einen Teil der mit der elektromagnetischen Strahlung der Anregungswellenlänge absorbierten Energie als elektromagnetische Strahlung des Emissionsspektrums wieder aussendet.
Kern oder Kern und Schale eines Partikels des Quantenpunkt-Leuchtstoffs weist beispielsweise einen Durchmesser zwischen einschließlich 2 Nanometer und einschließlich 20 Nanometer auf.
Außerdem kann der Quantenpunkt-Leuchtstoff noch eine oder mehrere Hüllen aufweisen. Die Hülle ist bevorzugt dazu vorgesehen, die Materialien von Kern und/oder Hülle vor dem Einfluss äußerer Stoffe, wie Sauerstoff oder Wasser zu schützen, die zu einer Oxidation der Materialien dieser Element führen können. Außerdem kann die Hülle geeignet sein, eine Agglomeration der Quantenpunkt-Leuchtstoffe zumindest zu verringern. Die Hülle kann ein Harz oder ein Glas enthalten oder aus einem Harz oder einem Glas bestehen. Ein Korn eines Quantenpunkt-Leuchtstoffs mit einer Hülle kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen einschließlich 50 Nanometer und einschließlich 20 Mikrometern aufweisen. Hierbei ist es auch möglich, dass die Hülle eines Korns mehrere Partikel eines Quantenpunkt-Leuchtstoffs umfasst.
In der Regel weisen Quantenpunkt-Leuchtstoffe ein Emissionsspektrum mit einer deutlich kleineren FWHM-Breite auf als Aktivator-basierte Leuchtstoffe. Insbesondere durch die schmalbandige Emission im roten bis orangen Spektralbereich ermöglichen Quantenpunkt-Leuchtstoffe vergleichsweise hohe Wirkungsgrade beim Einsatz in optoelektronischen Bauelementen, die weißes oder warmweißes Licht emittieren. Hierbei ermöglichen Quantenpunkt-Leuchtstoffe mit Vorteil einen Wirkungsgrad, der über 10 % bis 20 % oberhalb des Wirkungsgrades von Aktivator-basierten Leuchtstoffen liegt.
Eine Idee, auf der die vorliegende Leuchtstoffmischung basiert, ist es, das schmale Emissionsspektrum des zweiten, roten Leuchtstoffs, der bevorzugt als Quantenpunkt-Leuchtstoff ausgebildet ist, durch den dritten, orange-rot emittierenden Leuchtstoff mit einem Emissionsspektrum mit einer größeren FWHM-Breite auszufüllen und so ein kontinuierlicheres Gesamtkonversionsspektrum zu erhalten. Dies verbessert die Farbwiedergabe der Leuchtstoffmischung gegenüber einer Leuchtstoffmischung ohne den dritten, orange-roten Leuchtstoff.
Besonders bevorzugt wird das Verhältnis von drittem, orangerotem Leuchtstoff zu zweitem, rotem Quantenpunkt-Leuchtstoff so angepasst, dass die Effizienz der Leuchtstoffmischung optimiert ist.
Beispielsweise umfasst der zweite, rote Quantenpunkt-Leuchtstoff eines der folgenden Materialien oder ist aus einem der folgenden Materialien gebildet: CdSe, CdS, CdTe, InP, InAs, Cl(Z)S, AlS, Zn₃N₂, Si, ZnSe, ZnO, GaN.
In der Regel weist der rote Quantenpunkt-Leuchtstoff Kadmium auf. Da Kadmium umweltschädlich ist, ist der gesetzlich vorgegebene Anteil an Kadmium in optoelektronischen Bauelementen durch die EU-Richtlinie 2011/65/EU (RoHS-Richtlinie kurz für „Restriction of Hazardous Substances“) begrenzt.
Die teilweise Ersetzung des roten Quantenpunkt-Leuchtstoffs durch einen dritten, orange-roten Aktivator-basierten Leuchtstoff verringert mit Vorteil den Kadmiumanteil an der Leuchtstoffmischung und vereinfacht die Einhaltung der RoHS-Richtlinie.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leuchtstoffmischung weist der dritte Leuchtstoff eine FWHM-Breite zwischen einschließlich 40 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer auf. Besonders bevorzugt weist der dritte Leuchtstoff eine FWHM-Breite zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 90 Nanometer auf. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem dritten, orange-roten Leuchtstoff bevorzugt um einen Aktivator-basierten Leuchtstoff.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Leuchtstoffmischung liegt die FWHM-Breite des Emissionsspektrums des dritten, orange-roten Leuchtstoffs zwischen einschließlich 25 Nanometer und einschließlich 45 Nanometer. Besonders bevorzugt ist die FWHM-Breite des dritten, orange-roten Leuchtstoffs kleiner als 30 Nanometer. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem dritten, orange-roten Leuchtstoff bevorzugt um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Leuchtstoffmischung kann die FWHM-Breite des Emissionsspektrums des dritten, orange-roten Leuchtstoffs zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 90 Nanometer liegen. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem dritten, orange-roten Leuchtstoff besonders bevorzugt um einen Aktivator-basierten Leuchtstoff. Bei dem zweiten, roten Leuchtstoff handelt es sich bei dieser Ausführungsform besonders bevorzugt um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff mit einem Emissionsspektrum mit einer vergleichsweise kleinen FWHM-Breite.
Gemäß einer Ausführungsform der Leuchtstoffmischung weist der zweite, rote Leuchtstoff eine Peakwellenlänge zwischen einschließlich 610 Nanometer und einschließlich 635 Nanometer auf
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Leuchtstoffmischung weist der dritte, orange-rote Leuchtstoff eine Peakwellenlänge zwischen einschließlich 580 Nanometer und einschließlich 620 Nanometer, bevorzugt zwischen einschließlich 600 Nanometer und einschließlich 610 Nanometer auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Leuchtstoffmischung weist das Emissionsspektrum des dritten, orange-roten Leuchtstoffs eine Peakwellenlänge auf, die einen spektralen Abstand zu der Peakwellenlänge des Emissionsspektrums des zweiten, roten Leuchtstoffs zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 30 Nanometer aufweist. Auf diese Art und Weise kann die Lücke im Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung zwischen dem Emissionsspektrum des ersten, grünen Leuchtstoffs und dem Emissionsspektrum des zweiten, roten Leuchtstoffs besonders gut geschlossen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leuchtstoffmischung handelt es sich bei dem zweiten, roten Leuchtstoff und auch dem dritten, orange-roten Leuchtstoff jeweils um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff, während der erste, grüne Leuchtstoff ein Aktivator-basierter Leuchtstoff ist.
Beispielsweise weist der dritte, orange-rote Leuchtstoff, der als Quantenpunkt-Leuchtstoff ausgebildet ist, eines der folgenden Materialien auf oder ist aus einem der folgenden Materialien gebildet: CdSe, CdS, CdTe, InP, InAs, Cl(Z)S, AlS, Zn₃N₂, Si, ZnSe, ZnO, GaN.
Weiterhin ist es auch möglich, dass es sich bei dem zweiten, roten Leuchtstoff um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt, während der erste, grüne Leuchtstoff und der dritte, orange-rote Leuchtstoff jeweils ein Aktivator-basierter Leuchtstoff ist.
Der dritte, orange-rote, Aktivator-basierter Leuchtstoff kann ein Material enthalten oder aus einem Material bestehen, das Al(Al_aM_1-a)SX₂AX₂NX₆: D aufweist, wobei

- Al zumindest ein zweiwertiges metallisches Element ist,
- M ein anderes zweiwertiges metallisches Element als Al ist,
- D eines, zwei oder mehrere Elemente aus der Gruppe Mn, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm Alkalimetalle und Yb ist,
-SX zumindest ein vierwertiges Element enthält oder mindestens ein vierwertiges Element ist,
-AX zumindest ein dreiwertiges Element enthält oder mindestens ein dreiwertiges Element ist,
-NX zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe N, 0, F, Cl enthält oder eines dieser Element ist,
- der Parameter a zwischen einschließlich 0,6 und einschließlich 1,0, bevorzugt zwischen einschließlich 0,8 und einschließlich 1,0 liegt.

Weiterhin kann der dritte, orange-rote, Aktivator-basierter Leuchtstoff Sr_xCa_1-xAlSiN₃:Eu aufweisen oder aus diesem Material bestehen, wobei zwischen einschließlich 0,1 % und einschließlich 5 % der Sr-Ca-Gitterplätze und/oder der Sr/Ca-Gitterplätze durch Eu ersetzt sind.
Außerdem kann der dritte, orange-rote, Aktivator-basierter Leuchtstoff (M''')_2-2x'''EU_2x'''Si₅N₈ aufweisen oder aus diesem Material bestehen, mit M''' = Sr, Ca und/oder Ba und 0,001 ≤ x''' ≤ 0,2, bevorzugt 0,01 ≤ x ≤ 0,1.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Leuchtstoffmischung einen vierten Leuchtstoff, dessen Emissionsspektrum eine FWHM-Breite zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 60 Nanometer aufweist. Der vierte Leuchtstoff sendet bevorzugt elektromagnetische Strahlung aus dem cyanfarbenen Spektralbereich aus.
Bevorzugt weist der vierte, cyanfarbene Leuchtstoff ein Emissionsspektrum mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 470 Nanometer und einschließlich 520 Nanometer auf.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem vierten, cyanfarbene Leuchtstoff um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff.
Beispielsweise weist der vierte, cyanfarbene Leuchtstoff, bei dem es sich um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt, eines der folgenden Materialien auf oder ist aus einem der folgenden Materialien gebildet: CdSe, CdS, CdTe, InP, Zn₃N₂, ZnSe, ZnO, GaN.
Der vierte, cyanfarbene Leuchtstoff kann weiterhin ein Aktivator-basierter Leuchtstoff sein. Beispielsweise ist ein Material, dass einer der folgenden Formeln gehorcht, als vierter, cyanfarbener Aktivator-basierter Leuchtstoff geeignet: AE_2-xL_xSiO_4-xN_x:RE und/oder AE_2-xL_xSi_1-yO_4-x-2yN_x:RE und/oder AE₂SiO₄:RE, wobei AE ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Mg, Ca, Sr, Ba enthält oder aus einem oder mehreren dieser Elemente besteht und RE ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Seltenerdmetallen, bevorzugt mindestens Eu enthält oder aus Eu besteht, und L ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Seltenerdmetallen unterschiedlich zu RE enthält oder aus einem solchen Element besteht, mit 0 < x ≤0,1, bevorzugt 0,003 ≤ x ≤ 0,02 und 0 < y ≤ 0,1, bevorzugt 0,002 ≤ y ≤ 0,02.
Mit Hilfe des vierten, cyanfarbenen Leuchtstoffs kann besonders bevorzugt das Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung in den kurzwelligen, sichtbaren Spektralbereich erstreckt werden, so dass mit Vorteil eine Lücke zwischen dem Gesamtkonversionsspektrum und dem Anregungsspektrum eines Halbleiterchips, der in einem optoelektronischen Bauelement die elektromagnetische Strahlung mit dem Anregungsspektrum erzeugen kann, geschlossen wird. Dies verbessert die Farbwiedergabe des Gesamtemissionsspektrums erheblich. Außerdem kann die Effizienz in der Regel verbessert werden, da auf der langwelligen Seite des Gesamtspektrums weniger rotes Licht benötigt wird um den gewünschten Farbort zu erzielen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn nicht sämtliche elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums von der Leuchtstoffmischung in elektromagnetische Strahlung mit anderen Emissionsspektren umgewandelt wird, sondern ein Teil der elektromagnetischen Strahlung des Anregungsspektrums das Bauelement unkonvertiert verlässt und zu einem Gesamtspektrum des Bauelements beiträgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der erste, grüne Leuchtstoff ein Emissionsspektrum mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 560 Nanometer auf. Beispielsweise weist der erste, grüne Leuchtstoff ein Emissionsspektrum mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 500 Nanometer und 530 Nanometer auf. Die Verwendung eines kurzwelligen grünen Leuchtstoffs mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 500 Nanometer und 530 Nanometer weist den Vorteil auf, wie der cyanfarbene, vierte Leuchtstoff auch, das Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung in den kurzwelligen Spektralbereich zu erstrecken und so eine Lücke zwischen dem blauen Anregungsspektrum und dem kurzwelligen Teil des Gesamtkonversionsspektrums der Leuchtstoffmischung zu schließen.
Der erste, grüne Leuchtstoff kann beispielsweise ein beta-SiAlON enthalten oder aus einem beta-SiAlON bestehen. Das beta-SiAlON kann beispielsweise der folgenden chemischen Formale gehorchen: Si_6-zAl_zO_zN_8-z:RE, wobei bevorzugt gilt: 0 < z ≤ 6, und 0,001 ≤ y ≤ 0,2 und RE ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Seltenerdmetallen ist, bevorzugt mindestens Eu und/oder Yb.
Weiterhin ist es auch möglich, dass der erste, grüne Leuchtstoff Y₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂: Ce aufweist oder aus diesem Material besteht, wobei der Anteil an Ga 0,2 ≤ x ≤ 0,6, bevorzugt 0,3 ≤ x ≤ 0,5, besonders bevorzugt 0,35 ≤ x ≤ 0,45 beträgt.
Außerdem kann der erste, grüne Leuchtstoff (Gd,Y)₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂:Ce, oder (Tb,Y)₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂:Ce aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen, mit einem Cer-Anteil von 1,5 Mol% bis 5 Mol%, bevorzugt 2,5 Mol% bis 5 Mol% und einem Gallium-Anteil x von 0 bis 0,5, bevorzugt x von 0 bis 0,1.
Weiterhin ist es auch möglich, dass der erste, grüne Leuchtstoff Lu₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂: Ce oder (Lu, Y)₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂: Ce aufweist oder aus einem dieser Materialien besteht, mit einem Cer-Anteil von 0,5 Mol% bis 5 Mol%, bevorzugt 0,5 Mol% bis 2 Mol% jeweils bezogen auf die Seltenerdmetalle und einem Gallium-Anteil x zwischen 0 und 0,5, bevorzugt zwischen 0,15 und 0,3.
Insbesondere ist die vorliegend beschriebene Leuchtstoffmischung dazu geeignet, Teil eines Konversionselements zu sein. Beispielsweise umfasst das Konversionselement ein Harz, wie ein Silikon, in das die Leuchtstoffe eingebracht sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Konversionselements ist der Kadmium-Gehalt des Konversionselements nicht größer als 0,01 Gew%. Ein derartig niedriger Kadmium-Gehalt ist insbesondere in Einklang mit der derzeit geltenden RoHS-Richtlinie.
Weiterhin sind die Leuchtstoffmischung und das Konversionselement mit der Leuchtstoffmischung zur Anwendung in einem optoelektronischen Bauelement geeignet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, der elektromagnetische Strahlung mit einem Anregungsspektrum aussendet. Insbesondere ist die elektromagnetische Strahlung mit einem Anregungsspektrum dazu geeignet, einen, bevorzugt alle, Leuchtstoffe der Leuchtstoffmischung anzuregen.
Das Anregungsspektrum des Halbleiterchips weist bevorzugt eine Peakwellenlänge zwischen einschließlich 435 Nanometer und einschließlich 460 Nanometer auf.
Die FWHM-Breite des Anregungsspektrums des Halbleiterchips weist bevorzugt einen Wert zwischen einschließlich 10 Nanometer und einschließlich 30 Nanometer auf.
Das optoelektronische Bauelement sendet besonders bevorzugt mischfarbiges Licht mit einem Gesamtspektrum aus, das sich aus elektromagnetischer Strahlung des Anregungsspektrums und der elektromagnetischen Strahlung der Leuchtstoffmischung mit dem Gesamtkonversionsspektrum zusammensetzt. Besonders bevorzugt sendet das optoelektronische Bauelement mischfarbiges Licht mit einem Farbort im weißen, besonders bevorzugt im warmweißen Bereich, beispielsweise entsprechend der Farbnorm ANSI C78-377 aus. Bevorzugt erreicht das mischfarbige Licht einen Farbwiedergabeindex Rf > 80, besonders bevorzugt Rf > 90 nach der Farbnorm IES TM-30-15 oder der Farbnorm CIE TC 1-90(2016) aus. Dies ist insbesondere durch die Verwendung von Quantenpunkt-Leuchtstoffen möglich.
Elemente, Ausführungsformen und Merkmale, die vorliegend in Verbindung mit der Leuchtstoffmischung offenbart sind, können ebenfalls bei dem Konversionselement sowie bei dem optoelektronischen Bauelement ausgebildet sein sowie jeweils umgekehrt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leuchtstoffmischung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 2 bis 5 zeigen Gesamtkonversionsspektren von Leuchtstoffmischungen zusammen mit einem Anregungsspektrum gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel.
Die 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein Konversionselement gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß 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.
Die Leuchtstoffmischung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 umfasst einen ersten Leuchtstoff 1, der ein Emissionsspektrum 2 mit einer FWHM-Breite 3 zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 150 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem grünen Spektralbereich aussendet. Weiterhin umfasst die Leuchtstoffmischung einen zweiten Leuchtstoff 4, der elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich aussendet und der ein Emissionsspektrum 5 mit einer FWHM-Breite 6 zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 40 Nanometer aufweist. Darüber hinaus umfasst die Leuchtstoffmischung gemäß der 1 einen dritten Leuchtstoff 7, der elektromagnetische Strahlung aus dem orange-roten Spektralbereich aussendet und dessen Emissionsspektrum 13 bevorzugt eine FWHM-Breite 8 zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 90 Nanometer aufweist.
Außerdem weist die Leuchtstoffmischung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 darüber hinaus auch noch einen vierten, cyanfarbenen Leuchtstoff 9 auf, der elektromagnetische Strahlung aus dem cyanfarbenen Spektralbereich aussendet. Ein Emissionsspektrum 10 des vierten, cyanfarbenen Leuchtstoffs 9 weist vorliegend eine FWHM-Breite 11 zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 60 Nanometer auf.
2 zeigt schematisch ein Gesamtkonversionsspektrum einer Leuchtstoffmischung zusammen mit einem Anregungsspektrum 12 und dem daraus resultierenden Gesamtspektrum eines optoelektronischen Bauelements. Hierbei ist die spektrale Intensität I oder der spektrale Lichtstrom Φ der emittierten Strahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge λ dargestellt.
Das Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 weist ein Emissionsspektrum 2 des ersten, grünen Leuchtstoffs 1 mit einer FWHM-Breite 3 zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 150 Nanometer auf. Das Emissionsspektrum 2 des ersten, grünen Leuchtstoffs 1 ist vergleichsweise breit ausgebildet. Darüber hinaus weist das Gesamtkonversionsspektrum gemäß der 2 ein Emissionsspektrum 5 eines zweiten, roten Leuchtstoffs 4 auf. Besonders bevorzugt wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel für den ersten, grünen Leuchtstoff 1 ein Aktivator-basierter Leuchtstoff und für den zweiten, roten Leuchtstoff 4 ein Quantenpunkt-Leuchtstoff verwendet.
Weiterhin weist die Leuchtstoffmischung mit dem Gesamtkonversionsspektrum der 2 einen dritten, orange-roten Leuchtstoff 7 auf, dessen Emissionsspektrum 13 eine vergleichsweise große FWHM-Breite 8 aufweist. Der dritte, orange-rote Leuchtstoff 7 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besonders bevorzugt Aktivator-basiert ausgebildet. Der dritte, orange-rote Leuchtstoff 7 schließt eine Lücke in dem Gesamtkonversionsspektrum zwischen dem Emissionsspektrum 2 des ersten, grünen Leuchtstoffs 1 und dem Emissionsspektrum 5 des zweiten, roten Leuchtstoffs 4. Auf diese Art und Weise kann das Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung mit Vorteil kontinuierlicher gestaltet werden, so dass die Farbwiedergabe erhöht ist. Außerdem ist es möglich, die Menge an rotem Quantenpunkt-Leuchtstoff zu verringern, da ein Teil des von der Leuchtstoffmischung emittierten, roten Lichts von dem Aktivator-basierten dritten, orange-roten Leuchtstoff 7 erzeugt wird. Dies ermöglicht es, den Kadmiumanteil der Leuchtstoffmischung mit Vorteil zu verringern.
Weiterhin zeigt 2 ein Anregungsspektrum 12, das beispielsweise von einem blauen Leuchtdiodenchip 14 erzeugt wird.
Das Gesamtspektrum 15 eines optoelektronischen Bauelements aus Anregungsspektrum 14 und dem Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung ist in der 2 gestrichelt dargestellt.
Bei der Leuchtstoffmischung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 ist neben dem ersten, grünen Leuchtstoff 1 und dem zweiten, roten Quantenpunkt-basierten Leuchtstoff 4, wie sie bereits anhand der 2 beschrieben wurden, weiterhin ein dritter, vorliegend ebenfalls Quantenpunkt-basierter, Leuchtstoff 7 umfasst. Der dritte Leuchtstoff 7 sendet elektromagnetische Strahlung aus dem orange-roten Spektralbereich aus. Der dritte, orange-rote Quantenpunkt-basierte Leuchtstoff 7 schließt ebenfalls die Lücke zwischen dem Emissionsspektrum 2 des ersten, grünen Aktivator-basierten Leuchtstoff 1 und dem Emissionsspektrum 5 des zweiten, roten Quantenpunkt-basierten Leuchtstoffs 4.
Die Leuchtstoffmischung mit dem Gesamtkonversionsspektrum gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 weist im Unterschied zu der Leuchtstoffmischung mit dem Gesamtkonversionsspektrum gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 einen ersten, grünen Leuchtstoff 1 auf, dessen Peakwellenlänge λ_peak zu kürzeren Wellenlängen verschoben ist. Besonders bevorzugt liegt die Peakwellenlänge λ_peak des ersten, grünen Leuchtstoffes 1 bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 530 Nanometer. Weiterhin ist in 4 die FWHM-Breite 18 des Anregungsspektrums 12 eingezeichnet.
Die Leuchtstoffmischung mit dem Gesamtkonversionsspektrum gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5 weist neben dem ersten, grünen Leuchtstoff 1 und dem zweiten, roten Leuchtstoff 4, wie sie bereits anhand der 2 beschrieben wurden, weiterhin einen vierten, cyanfarbenen Leuchtstoff 9 auf, der vorliegend Quantenpunkt-basiert ist. Das Emissionsspektrum 10 des vierten, cyanfarbenen Quantenpunkt-Leuchtstoffs 9 füllt hierbei mit Vorteil die Lücke zwischen dem Gesamtkonversionsspektrum der Leuchtstoffmischung und dem Anregungsspektrum 12. Dies führt mit Vorteil ebenfalls zu einem besonders kontinuierlichen Gesamtspektrum 15 mit guter Farbwiedergabe. Ein derartiger vierter, cyanfarbener Quantenpunkt-Leuchtstoff 9 kann ebenfalls bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 4 vorhanden sein.
Das Konversionselement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 umfasst eine Leuchtstoffmischung, wie sie beispielsweise anhand der 1 bereits beschrieben wurde. Die Leuchtstoffmischung kann hierbei Aktivator-basierte Leuchtstoffe in Partikelform und Quantenpunkt-basierte Leuchtstoffe umfassen. Beispielsweise ist die Leuchtstoffmischung in eine Silikonmatrix 16 eingebracht. Das Konversionselement kann als Verguss oder auch als Konversionsplättchen ausgebildet sein.
Das optoelektronische Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7 weist einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, bevorzugt einen Leuchtdiodenchip 14 auf, der elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrum 12 aussendet, wobei das Anregungsspektrum 12 eine Peakwellenlänge λ_peak zwischen einschließlich 435 Nanometer und einschließlich 460 Nanometer aufweist. Ausführungsformen des Anregungsspektrums 12 sind etwa in den 2 bis 5 schematisch dargestellt. Der Halbleiterchip 14 ist vorliegend in die Ausnehmung eines Bauelementgehäuses 17 eingebracht. Die Ausnehmung des Bauelementgehäuses 17 ist mit einem Konversionselement gefüllt, das als Verguss ausgebildet ist. Die Leuchtstoffmischung, die in dem Konversionselement enthalten sein kann, ist etwa anhand der 1 oder auch in Verbindung mit der 6 bereits beschrieben. Das Bauelement sendet warmweiße elektromagnetische Strahlung aus, die sich aus konvertierter Strahlung der Leuchtstoffmischung und unkonvertierter Strahlung des Halbleiterchips 14 zusammensetzt.
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.
Bezugszeichenliste

1: erster Leuchtstoff
2: Emissionsspektrum des ersten Leuchtstoffs
3: FMHM-Breite des ersten Leuchtstoffs
4: zweiter Leuchtstoff
5: Emissionsspektrum des zweiten Leuchtstoffs
6: FWHM-Breite des zweiten Leuchtstoffs
7: dritter Leuchtstoff
8: FWHM-Breite des dritten Leuchtstoffs
9: vierter Leuchtstoff
10: Emissionsspektrum des vierten Leuchtstoffs
11: FWHM-Breite des vierten Leuchtstoffs
12: Anregungsspektrum
Φ: Intensität
λ: Wellenlänge
13: Emissionsspektrum des dritten Leuchtstoffs
14: Leuchtdiodenchip
15: Gesamtspektrum
λ_peak: Peakwellenlänge
16: Silikonmatrix
17: Bauelementgehäuse
18: FWHM-Breite des Anregungsspektrums

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ken T. Shimizu et al., Photonic Research Vol. 5, Nr. 2, April 2017 [0002]

Claims

Leuchtstoffmischung umfassend: - einen ersten Leuchtstoff (1), der ein Emissionsspektrum (2) mit einer FWHM-Breite (3) zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 150 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem grünen Spektralbereich aussendet, - einen zweiten Leuchtstoff (4), der ein Emissionsspektrum (5) mit einer FWHM-Breite (6) zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 40 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich aussendet, und - einen dritten Leuchtstoff (7), der ein Emissionsspektrum (13) mit einer FWHM-Breite (8) zwischen einschließlich 25 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem orange-roten Spektralbereich aussendet.
Leuchtstoffmischung nach dem vorherigen Anspruch, die einen vierten Leuchtstoff (9) aufweist, dessen Emissionsspektrum (10) eine FWHM-Breite (11) zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 60 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem cyanfarbenen Spektralbereich aussendet.
Leuchtstoffmischung nach dem vorherigen Anspruch, bei der der vierte, cyanfarbene Leuchtstoff (9) ein Emissionsspektrum mit einer Peakwellenlängen (λ_Peak) zwischen einschließlich 470 Nanometer und einschließlich 520 Nanometer aufweist.
Leuchtstoffmischung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, bei der der vierte, cyanfarbene Leuchtstoff (9) ein Quantenpunkt-Leuchtstoff ist.
Leuchtstoffmischung umfassend: - einen ersten Leuchtstoff (1), der ein Emissionsspektrum (2) mit einer FWHM-Breite (3) zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 150 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem grünen Spektralbereich aussendet, - einen zweiten Leuchtstoff (4), der ein Emissionsspektrum (5) mit einer FWHM-Breite (6) zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 40 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich aussendet, und - einen vierten Leuchtstoff (9), der ein Emissionsspektrum (10) mit einer FWHM-Breite (11) zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 60 Nanometer aufweist und elektromagnetische Strahlung aus dem cyanfarbenen Spektralbereich aussendet.
Leuchtstoffmischung nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die FWHM-Breite (8) des Emissionsspektrums (13) des dritten, orange-roten Leuchtstoffs (7) zwischen einschließlich 40 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer liegt.
Leuchtstoffmischung nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die FWHM-Breite (8) des Emissionsspektrums (13) des dritten, orange-roten Leuchtstoffs (5) zwischen einschließlich 70 Nanometer und einschließlich 90 Nanometer liegt.
Leuchtstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die FWHM-Breite (8) des Emissionsspektrums (13) des dritten, orange-roten Leuchtstoffs (5) zwischen einschließlich 25 Nanometer und einschließlich 45 Nanometer liegt.
Leuchtstoffmischung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Emissionsspektrum (13) des dritten, orange-roten Leuchtstoffs (7) eine Peakwellenlänge (λ_Peak) aufweist, die einen spektralen Abstand zu der Peakwellenlänge (λ_Peak) des Emissionsspektrums (5) des zweiten, roten Leuchtstoffs (4) zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 30 Nanometer aufweist.
Leuchtstoffmischung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Emissionsspektrum (13) des dritten, orange-roten Leuchtstoffs (7) eine Peakwellenlänge (λ_Peak) zwischen einschließlich 580 Nanometer und einschließlich 620 Nanometer aufweist.
Leuchtstoffmischung nach einem der obigen Ansprüche, bei der der erste, grüne Leuchtstoff (1) ein Emissionsspektrum (2) mit einer Peakwellenlänge (λ_Peak) zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 560 Nanometer aufweist.
Leuchtstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der erste, grüne Leuchtstoff (1) ein Emissionsspektrum (2) mit einer Peakwellenlänge (λ_Peak) zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 530 Nanometer aufweist.
Leuchtstoffmischung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Emissionsspektrum (13) des zweiten roten Leuchtstoffs (4) eine Peakwellenlänge (λ_Peak) zwischen einschließlich 610 Nanometer und einschließlich 635 Nanometer aufweist.
Leuchtstoffmischung nach einem der obigen Ansprüche, bei der der zweite, rote Leuchtstoff (4) und der dritte, orange-rote Leuchtstoff (7) jeweils ein Quantenpunkt-Leuchtstoff ist, während der erste, grüne Leuchtstoff (1) ein Aktivator-basierter Leuchtstoff ist.
Leuchtstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der zweite, rote Leuchtstoff (4) ein Quantenpunkt-Leuchtstoff ist, während der erste, grüne Leuchtstoff (1) und der dritte, orange-rote Leuchtstoff (7) jeweils ein Aktivator-basierter Leuchtstoff ist.
Konversionselement mit einer Leuchtstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Konversionselement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Kadmium-Gehalt nicht größer ist als 0,01 Gew%.
Optoelektronisches Bauelement mit: - einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip (14), der elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums (12) aussendet, wobei das Anregungsspektrum (12) eine Peakwellenlänge (λ_Peak) zwischen einschließlich 435 Nanometer und einschließlich 460 Nanometer aufweist, und - einer Leuchtstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, das mischfarbiges, warmweißes Licht aussendet.