DE102017123097A1

DE102017123097A1 - Konversionsmaterial und Strahlung emittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE102017123097A1
Application number: DE102017123097.1A
Authority: DE
Inventors: Rebecca Roemer; Ivar Tångring
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2037-10-06
Also published as: DE102017123097B4; WO2019068478A1

Abstract

Es wird ein Konversionsmaterial angegeben, umfassend ein Matrixmaterial 30, Partikel eines ersten Leuchtstoffs 10, die in dem Matrixmaterial 30 eingebettet sind, und Partikel eines zweiten Leuchtstoffs 20, die in dem Matrixmaterial 30 eingebettet sind, wobei die Partikel des zweiten Leuchtstoffs 20 kleiner als die Partikel des ersten Leuchtstoffs 10 sind und/oder eine geringere Dichte aufweisen und wobei die Partikel des zweiten Leuchtstoffs 20 eine Beschichtung 25 aufweisen. Es wird weiterhin ein Strahlung emittierendes Bauelement enthaltend das Konversionsmaterial angegeben.

Description

Es wird ein Konversionsmaterial angegeben sowie ein Strahlung emittierendes Bauelement, das das Konversionsmaterial enthält.
Typische Konversionsmaterialien für Strahlung emittierende Bauelemente, wie beispielsweise weiße LEDs, enthalten zwei, drei oder mehrere verschiedene Leuchtstoffe. Diese Leuchtstoffe können aus einem breiten Spektrum vorhandener Leuchtstoffe ausgewählt werden. Die ausgewählten Leuchtstoffe haben untereinander verschiedene Dichten und Kristallmorphologien und unterschiedliche Korn- bzw. Partikelgrößen, in denen sie herstellbar sind. Eine Leuchtstoffmischung mit gewünschten spektralen Eigenschaften, kann somit aus Leuchtstoffen bestehen, die sehr unterschiedliche Dichten und Korngrößen aufweisen. Dies führt zu großen Unterschieden der Sedimentationsgeschwindigkeiten der einzelnen Leuchtstoffe in der Leuchtstoffmischung.
Unterschiede in den Sedimentationsgeschwindigkeiten können verschiedene Probleme verursachen. Beispielsweise werden bei der Verarbeitung der Leuchtstoffe diese gewöhnlich mit Silikonen und gegebenenfalls Lösungsmitteln gemischt in einer großen Kartusche gelagert und von dort auf ein LED-Package aufgebracht. Dies kann beispielsweise mittels Dispensieren oder Sprühen geschehen. Während der Lagerung der Leuchtstoffe in der Kartusche sedimentieren die verschiedenen Leuchtstoffe unterschiedlich schnell, sodass die Leuchtstoffmischung, die aus der Kartusche auf eine LED aufgebracht wird, nicht gleichmäßig gemischt ist, was in einem nicht gewollten Farbdrift der hergestellten LED resultiert.
Eine Sedimentation der Leuchtstoffe in einer Leuchtstoffmischung, die beispielsweise in einer Kavität über einer LED angeordnet ist, ist andererseits gewünscht, da sie zu einer gewissen Stabilität des Bauelements im Vergleich zu einer Leuchtstoffmischung, die gleichmäßig über das ganze Volumen der Kavität verteilt ist, führen kann. Wenn jedoch Leuchtstoffe mit unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeiten gemischt werden und sedimentieren, kann eine ungewollte Leuchtstoffseparation auftreten, wenn z. B. Leuchtstoffe, die eine hohe Hitzeentwicklung aufweisen, von der LED aus gesehen über Leuchtstoffen mit einer geringeren Hitzeentwicklung abgelagert werden. Die Leuchtstoffe mit der höheren Hitzeentwicklung sind dann weiter weg von der Wärmesenke (dem LED-Chip) angeordnet, was zu einer verminderten Stabilität des Bauelements führt.
Ein weiterer Nachteil, der durch Sedimentation verursacht wird, tritt auf, wenn relativ wenig Leuchtstoffmaterialien vorhanden sind und durch die Sedimentation eine unvollständige Bedeckung des LED-Chips auftritt. Eine vollständige Bedeckung ist jedoch wünschenswert, insbesondere bei Volumenemittern, um in jedem Winkel eine gute und gleichmäßige Farbqualität zu erzeugen.
Aufgabe mindestens einer Ausführungsformen ist es, ein Konversionsmaterial mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Strahlung emittierendes Bauelement mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch ein Konversionsmaterial und ein Strahlung emittierendes Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterentwicklungen und weitere Ausführungsformen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Es wird ein Konversionsmaterial angegeben. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Konversionsmaterial ein Matrixmaterial, Partikel eines ersten Leuchtstoffs, die in dem Matrixmaterial eingebettet sind, und Partikel eines zweiten Leuchtstoffs, die in dem Matrixmaterial eingebettet sind.
Unter Konversionsmaterial ist ein Material zu verstehen, welches elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge umwandeln kann. Aus einem solchen Konversionsmaterial kann beispielsweise eine Konversionsschicht für eine LED gebildet sein.
Unter Partikeln eines ersten beziehungsweise zweiten Leuchtstoffs sind Teilchen einer gewissen Größe zu verstehen, die aus dem jeweiligen Leuchtstoff gebildet sind. Solche Partikel können auch als Körner bezeichnet werden, ihre Größe auch als Korngröße. Im Folgenden wird der Begriff Partikel des ersten Leuchtstoffs bzw. Partikel des zweiten Leuchtstoffs gleichbedeutend mit erste Leuchtstoffpartikel und zweite Leuchtstoffpartikel verwendet.
Dass die Partikel in dem Matrixmaterial eingebettet sind, bedeutet, dass sie von Matrixmaterial umgeben sind, sich zumindest teilweise aber auch gegenseitig berühren können.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Partikel des zweiten Leuchtstoffs kleiner als die Partikel des ersten Leuchtstoffs und/oder weisen eine geringere Dichte auf als die Partikel des ersten Leuchtstoffs. Mit anderen Worten haben die Partikel des zweiten Leuchtstoffs eine geringere Korngröße als die Partikel des ersten Leuchtstoffs und/oder eine geringere Dichte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Partikel des zweiten Leuchtstoffs eine Beschichtung auf. Unter Beschichtung ist in diesem Zusammenhang nicht ausschließlich eine homogene Schicht auf der Oberfläche des Partikels zu verstehen, sondern dieser Begriff umfasst auch eine ungleichmäßige Verteilung von Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche des Partikels. Das bedeutet, dass Bereiche der Oberfläche des Partikels auch frei von Beschichtung sein können und dass die Dicke der Beschichtung nicht überall gleich sein muss. Die Beschichtung dient somit allein zur Volumenvergrößerung der Partikel und gegebenenfalls zur Erhöhung ihrer Dichte.
Durch die Beschichtung können somit größere Partikel des zweiten Leuchtstoffs bereitgestellt werden, als sie durch gewöhnliche Synthesen hergestellt werden können. Dadurch kann eine Streuung in der LED vermieden und die Helligkeit des Strahlung emittierenden Bauelements erhöht werden.
Es wird ein Konversionsmaterial angegeben, das ein Matrixmaterial, Partikel eines ersten Leuchtstoffs, die in dem Matrixmaterial eingebettet sind, und Partikel eines zweiten Leuchtstoffs, die in dem Matrixmaterial eingebettet sind, umfasst. Die Partikel des zweiten Leuchtstoffs sind dabei kleiner als die Partikel des ersten Leuchtstoffs und/oder weisen eine geringere Dichte auf. Die Partikel des zweiten Leuchtstoffs weisen weiterhin eine Beschichtung auf.
Das Hinzufügen einer gegebenenfalls dicken und dichten Beschichtung zu den kleineren und/oder weniger dichten Partikeln des zweiten Leuchtstoffs kann deren Sedimentationsgeschwindigkeit zu einem gewünschten Wert steigern. Bei solchen kleinen und/oder weniger dichten Partikeln des zweiten Leuchtstoffs kann es sich beispielsweise um rot emittierende Leuchtstoffe (Ca, Sr) AlSiN₃:Eu²⁺ (SCASN), Sr (Ca, Sr) Al₂Si₂N₆:Eu²⁺ und M₂Si₅N₈:Eu²⁺ mit M = Ca, Ba oder Sr handeln. Die Beschichtung kann aber auch auf andere Leuchtstoffpartikel aufgebracht werden.
Wenn eine gewisse Beschichtungsdicke und -dichte gewählt wird, kann die Sedimentationsgeschwindigkeit der kleineren und/oder wenigen dichten Partikel des zweiten Leuchtstoffs derart an die Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des ersten Leuchtstoffs angepasst werden, dass entweder eine Mischung der Partikel des ersten Leuchtstoffs und des zweiten Leuchtstoffs in dem Matrixmaterial erzielt wird oder eine gewünschte Schichtbildung bzw. gewünschte Konzentrationsgradienten der Partikel der Leuchtstoffe durch Sedimentation in dem Matrixmaterial auftritt, ohne die Korngröße der größeren und/oder dichteren Partikel des ersten Leuchtstoffs zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Matrixmaterial einen ersten Brechungsindex auf, die Partikel des zweiten Leuchtstoffs einen zweiten Brechungsindex und die Beschichtung einen dritten Brechungsindex, wobei der dritte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist oder zwischen dem ersten und dem zweiten Brechungsindex liegt.
Das bedeutet, dass das Material der Beschichtung derart ausgewählt wird, dass sein Brechungsindex an den Brechungsindex der zweiten Leuchtstoffpartikel angepasst ist oder einen Wert hat, der zwischen dem Wert des Brechungsindex der zweiten Leuchtstoffpartikel und des Matrixmaterials liegt. Damit können Fresnel-Reflexionen der Strahlung, die von den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs emittiert wird, vermieden oder mindestens minimiert werden. Bevorzugt ist der Brechungsindex der Beschichtung gleich der Wurzel aus dem Produkt der Brechungsindizes der zweiten Leuchtstoffpartikel und der Matrix.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung eine Dichte auf, die größer oder gleich der Dichte der Partikel des zweiten Leuchtstoffs ist. Damit kann die Gesamtdichte der Partikel des zweiten Leuchtstoffs, die die Beschichtung aufweisen, erhöht werden und somit auch die Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des zweiten Leuchtstoffs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des zweiten Leuchtstoffs aufweisend die Beschichtung größer oder gleich der Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des ersten Leuchtstoffs. Unter „gleich“ ist in diesem Zusammenhang eine hohe oder eine exakte Übereinstimmung der Sedimentationsgeschwindigkeiten zu verstehen, wobei geringe Abweichungen in beide Richtungen mit umfasst sein sollen. So ist unter „gleich“ auch eine Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des zweiten Leuchtstoffs, die geringfügig kleiner als die der Partikel des ersten Leuchtstoffs ist, zu verstehen. Wenn die Sedimentationsgeschwindigkeiten der Partikel des ersten und des zweiten Leuchtstoffs gleich groß sind, kann eine Mischung der ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel in dem Matrixmaterial erzielt werden. Ist die Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des zweiten Leuchtstoffs größer als die des ersten Leuchtstoffs, kann eine Schichtbildung der Leuchtstoffe in dem Matrixmaterial erzeugt werden, wobei die Partikel des zweiten Leuchtstoffs unter den Partikeln des ersten Leuchtstoffs angeordnet werden.
Unter „Schichtbildung der Leuchtstoffe“ ist hier und im Folgenden nicht die Ausbildung von komplett getrennten Schichten zu verstehen. Vielmehr ist darunter die Ausbildung von Konzentrationsgradienten in dem Konversionsmaterial zu verstehen, wodurch in einem Bereich vorwiegend erste Leuchtstoffpartikel (eine erste Schicht) und in einem anderen Bereich vorwiegend zweite Leuchtstoffpartikel (eine zweite Schicht) vorzufinden sind. Somit soll hier und im Folgenden unter einer durch die ersten Leuchtstoffpartikel gebildete „erste Schicht“ ein Bereich verstanden werden, in dem die ersten Leuchtstoffpartikel eine deutlich größere Konzentration als die zweiten Leuchtstoffpartikel aufweisen, und unter einer durch die zweiten Leuchtstoffpartikel gebildete „zweite Schicht“ ein Bereich, in dem die zweiten Leuchtstoffpartikel eine deutlich größere Konzentration als die ersten Leuchtstoffpartikel aufweisen.
Die Sedimentationsgeschwindigkeiten können somit durch die Anpassung oder Veränderung der Größe der Partikel des zweiten Leuchtstoffs und/oder die Gesamtdichte der Partikel des zweiten Leuchtstoffs an die oder gegenüber der Größe und/oder Dichte der Partikel des ersten Leuchtstoffs für spezielle Anforderungen angepasst werden. So kann eine Mischung der ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel in dem Matrixmaterial erreicht werden und somit eine ungewünschte Separation der ersten von den zweiten Leuchtstoffpartikeln, wenn das Konversionsmaterial beispielsweise in einer Kartusche aufbewahrt wird, verhindert werden.
Weiterhin kann durch gezielte Sedimentation auch eine gewünschte Schichtbildung der ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel erreicht werden. Wenn der zweite Leuchtstoff so gewählt wird, dass er einen größeren Stokes Shift als der erste Leuchtstoff aufweist, kann beispielsweise die Beschichtung auf den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs bewirken, dass sich die zweiten Leuchtstoffpartikel aufgrund ihrer höheren Sedimentationsgeschwindigkeit vorwiegend unter den ersten Leuchtstoffpartikeln anordnen. Das kann, wenn das Konversionsmaterial in einem Strahlung emittierenden Bauelement zum Einsatz kommt, zu einer Erhöhung der Helligkeit und einer verbesserten Lebensdauer führen. Auch ein Quenchen der Leuchtstoffemission bedingt durch hohe Strahlungsdichten der anregenden Strahlung kann reduziert werden und damit die Helligkeit erhöht werden, wenn die Leuchtstoffpartikel mit einem hohen Intensitäts-Quenching durch gezielte Sedimentation über Leuchtstoffpartikel mit geringerem Intensitäts-Quenching gelagert werden und somit nur noch einer geringeren Strahlungsdichte der anregenden Strahlung ausgesetzt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jeweils ein Partikel des zweiten Leuchtstoffs eine Beschichtung auf und/oder mehrere Partikel des zweiten Leuchtstoffs weisen gemeinsam eine Beschichtung auf. Das bedeutet, dass nicht nur die Sedimentationsgeschwindigkeit eines zweiten Leuchtstoffpartikels, der mit einer Beschichtung versehen ist, erhöht werden kann, sondern dieses Ziel kann auch erreicht werden, wenn zwei oder mehrere im Vergleich zu den ersten Leuchtstoffpartikeln kleinere und/oder weniger dichte zweite Leuchtstoffpartikel in dem Konversionsmaterial mittels einer Beschichtung zu einem großen Partikel zusammengeklebt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung eine thermische Leitfähigkeit auf, die größer als eine thermische Leitfähigkeit des Matrixmaterials ist. Ein typisches Matrixmaterial wie beispielsweise Silikon weist eine thermische Leitfähigkeit von 0,1 bis 0,2 W/mK auf. Wird also für die Beschichtung ein Material gewählt, das eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist, kann diese helfen, die Temperatur in den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs zu reduzieren. Hitze, die in den lumineszierenden Zentren der zweiten Leuchtstoffpartikel erzeugt wird, kann somit sehr effektiv von den Zentren abgeleitet und über ein großes Kornvolumen verteilt werden. Zudem wird durch die Beschichtung die Oberfläche der Partikel des zweiten Leuchtstoffs durch die nicht-konvertierende Beschichtung vergrößert und damit auch die Oberfläche, über welche Hitze zu dem Matrixmaterial abgeleitet werden kann.
Wenn die Peak-Temperatur des beschichteten zweiten Leuchtstoffpartikels reduziert wird, wird auch die Streuung an dem Partikel des zweiten Leuchtstoffs reduziert, da der Brechungsindex eines typischen polymeren Matrixmaterials temperaturabhängig ist und mit steigender Temperatur fällt. Damit wird der Brechungsindexkontrast zwischen den zweiten Leuchtstoffpartikeln und dem Matrixmaterial erhöht. Durch eine Temperaturerniedrigung und somit eine Verringerung des Brechungsindexkontrastes zwischen Leuchtstoffpartikeln und Matrix wird die Helligkeit des Strahlung emittierenden Bauelements aufgrund geringerer Streuung in einer das Konversionsmaterial enthaltenden Konversionsschicht bzw. Konversionselement und damit verbundenen geringeren Rückstreuverlusten erhöht. Zudem wird die Lebensdauer des Konversionsmaterials erhöht, wenn die Peak-Temperaturen an den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs reduziert sind, da die Lebenszeit durch temperaturbedingte Matrix- beispielsweise Silikondegradation limitiert ist.
Wird das Konversionsmaterial für die Konversionsschicht eines Strahlung emittierenden Bauelements, wie einer LED, eingesetzt, wird die Lebenszeit der LED am meisten erhöht, wenn die die Beschichtung aufweisenden Partikel des zweiten Leuchtstoffs die höchste Hitzeerzeugung unter den Leuchtstoffpartikeln aufweisen. Zudem führt eine reduzierte mittlere Temperatur in dem Konversionsmaterial zu einer erhöhten Quanteneffizienz aller Leuchtstoffpartikel, da alle Leuchtstoffe ein thermisches Quenchen der Quanteneffizienz aufweisen. Aufgrund der verringerten Quanteneffizienzverluste wird auch die Helligkeit erhöht und die Lebenszeit verlängert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung eine thermische Leitfähigkeit auf, die größer ist als eine thermische Leitfähigkeit der Partikel des zweiten Leuchtstoffs. Damit wird die gesamte thermische Leitfähigkeit des Konversionsmaterials erhöht und die Temperatur der Partikel des zweiten Leuchtstoffs reduziert, da Hitze, die durch die Konversion in dem zweiten Leuchtstoff erzeugt wird, schneller von dem konvertierenden Material zu der Beschichtung abgeführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung zumindest stellenweise eine Dicke auf, die > 100 nm, bevorzugt > 500 nm ist. Eine solche Dicke der Beschichtung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die thermische Leitfähigkeit der Beschichtung größer als die des Matrixmaterials und/oder des zweiten Leuchtstoffs ist, da die thermische Leitfähigkeit von dünnen Schichten gewöhnlich niedriger ist als im Bulk-Material, während die thermische Leitfähigkeit von dicken Schichten ähnlich hoch oder gleich wie in dem Bulk-Material ist. Eine hohe Dicke der Beschichtung kann auch die Partikel des zweiten Leuchtstoffs vor mechanischen Beanspruchungen schützen. Insbesondere Partikel von Leuchtstoffen, die eine Schutzschicht aufweisen, um sie beispielsweise feuchtigkeitsstabil zu machen (zum Beispiel SCASN), können durch eine dicke, und insbesondere weiche Beschichtung vor mechanischer Beanspruchung während der Prozessierung geschützt werden und eine Zerstörung der Schutzschicht somit vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs und der Beschichtung eine Schutzschicht angeordnet. Eine solche Schutzschicht kann die Partikel des zweiten Leuchtstoffs beispielsweise vor Feuchtigkeit schützen und/oder eine Reaktion des Materials der Beschichtung mit dem Material der Partikel des zweiten Leuchtstoffs verhindern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf der Beschichtung eine Anti-Reflexionsschicht angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Schicht handeln, die eine Dicke von λ/4n aufweist. „λ“ bezeichnet dabei die Peak-Wellenlänge der beschichteten Leuchtstoffpartikel und „n“ den Brechungsindex der Beschichtung. Damit ist eine Anti-Reflexionsschicht auf der Beschichtung der Partikel des zweiten Leuchtstoffs vorhanden, die es ermöglicht, Licht, das in den zweiten Leuchtstoffpartikeln erzeugt wird, ohne Reflexionsverlust in das Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, auszukoppeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Partikel des ersten Leuchtstoffs eine erste Schicht und die Partikel des zweiten Leuchtstoffs eine zweite Schicht in dem Matrixmaterial, wobei die erste Schicht auf der zweiten Schicht angeordnet ist. Dazu weisen die Partikel des zweiten Leuchtstoffs eine größere Sedimentationsgeschwindigkeit als die Partikel des ersten Leuchtstoffs auf, was durch das Vorhandensein der Beschichtung bedingt ist. Aufgrund der größeren Sedimentationsgeschwindigkeit sinken die Partikel des zweiten Leuchtstoffs schneller nach unten, sodass sich eine Schicht der Partikel des zweiten Leuchtstoffs unter der ersten Schicht bildet. Wird das Konversionsmaterial beispielsweise auf einer LED aufgebracht, ist die zweite Schicht näher an der LED angeordnet als die erste Schicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Partikel des ersten Leuchtstoffs und die Partikel des zweiten Leuchtstoffs gemischt in dem Matrixmaterial verteilt. In diesem Fall weisen die Partikel des ersten Leuchtstoffs und die Partikel des zweiten Leuchtstoffs gleiche oder zumindest ähnliche Sedimentationsgeschwindigkeiten auf, was durch das Vorhandensein der Beschichtung auf den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs bedingt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Konversionsmaterial weiterhin Partikel eines dritten Leuchtstoffs auf, die eine Beschichtung aufweisen. Damit kann auch die Größe und/oder Dichte und damit die Sedimentationsgeschwindigkeit der dritten Leuchtstoffpartikel an die Größe, Dichte und Sedimentationsgeschwindigkeit der ersten und/oder zweiten Leuchtstoffpartikel angepasst werden. Sämtliche oben in Bezug auf die Beschichtung bzw. auf die zweiten Leuchtstoffpartikel, auf der die Beschichtung vorhanden ist, genannten Merkmale gelten auch für die dritten Leuchtstoffpartikel bzw. für die Beschichtung der dritten Leuchtstoffpartikel.
Es wird weiterhin ein Strahlung emittierendes Bauelement angegeben, das eine aktive Schichtenfolge umfasst, die elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert. Das Bauelement enthält weiterhin eine Konversionsschicht, die im Strahlengang der Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs angeordnet ist und eine Konversionsmaterial gemäß einem der oben genannten Merkmale enthält. Sämtliche in Bezug auf das Konversionsmaterial genannten Merkmale gelten somit auch für das Strahlung emittierende Bauelement und umgekehrt. Bei dem Strahlung emittierenden Bauelement kann es sich beispielsweise um eine LED, insbesondere eine weiß emittierende LED handeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform konvertiert die Konversionsschicht die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in Strahlung zumindest eines zweiten und dritten Wellenlängenbereichs. Enthält das Konversionsmaterial mehr als zwei Leuchtstoffarten, kann die Konversionsschicht die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise auch in Strahlung eines vierten, fünften usw. Wellenlängenbereichs konvertieren. Für einen äußeren Betrachter erscheint die emittierte Strahlung des Bauelements als eine Mischung der Strahlung des ersten, zweiten, dritten und gegebenenfalls weiteren Wellenlängenbereichs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Partikel des zweiten Leuchtstoffs eine zweite Schicht und sind auf der der aktiven Schichtenfolge zugewandten Seite der Konversionsschicht angeordnet. Die Partikel des ersten Leuchtstoffs bilden eine erste Schicht und sind auf der von der aktiven Schichtenfolge abgewandten Seite der zweiten Schicht in der Konversionsschicht angeordnet. In diesem Fall kann es sich bei den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs um rot emittierende Leuchtstoffe handeln, die eine hohe Hitzeerzeugung aufweisen. Die Partikel des ersten Leuchtstoffs weisen dagegen eine geringere Hitzeerzeugung auf.
In Bezug auf die Figuren und Ausführungsbeispiele wird die Erfindung noch näher erläutert.

1 zeigt ein Bild eines Strahlung emittierenden Bauelements,
2 zeigt das typische thermische Quenchen der Quanteneffizienz einiger Leuchtstoffe,
3 zeigt in schematischer Seitenansicht das Sedimentationsverhalten eines Konversionsmaterials,
4 zeigt in schematischer Seitenansicht das Sedimentationsverhalten eines Konversionsmaterials,
5 zeigt in schematischer Seitenansicht das Sedimentationsverhalten eines Konversionsmaterials gemäß eines Ausführungsbeispiels,
6 zeigt in schematischer Seitenansicht das Sedimentationsverhalten eines Konversionsmaterials gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
7 zeigt in schematischer Seitenansicht das Sedimentationsverhalten eines Konversionsmaterials gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiel.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Werden zwei oder mehr verschiedene Leuchtstoffe für ein Konversionsmaterial gemischt und in einem Matrixmaterial wie beispielsweise Silikon eingebettet, weisen diese gewöhnlich unterschiedliche Korngrößen, Dichten und Kristallmorphologien auf. Dies kann zu unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeiten der Leuchtstoffpartikel führen und zu einem ungewollten Separieren der Leuchtstoffe in dem Konversionsmaterial führen. Eine solche ungewollte Separation ist in 1 gezeigt. Hier ist ein Bild einer LED gezeigt, wobei auf dem Chip ein Konversionsmaterial aufgebracht ist. Es ist zu erkennen, dass ein Leuchtstoff sich auf der Unterseite, angrenzend an den LED-Chip, gesammelt hat, der andere darüber angeordnet ist. In diesem Fall handelt es sich bei dem unteren Leuchtstoff um einen grünen Granat-Leuchtstoff, bei dem darüber angeordneten Leuchtstoff um einen roten SCASN-Leuchtstoff. Aufgrund der höheren Hitzeerzeugung des roten SCASN-Leuchtstoffs wäre es wünschenswert, wenn dieser unterhalb des grünen Leuchtstoffmaterials angeordnet wäre.

Typische Leuchtstoffe, welche in Konversionsmaterialien eingesetzt werden können und deren Größen und/oder Dichten untereinander mittels einer wie oben beschriebenen Beschichtung angepasst werden können, sind zusammen mit ihren typischen Dichten p, typischen mittleren Korngrößen d₅₀ und typischen Kornmorphologien in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

Leuchtstoff	Emission sfarbe	ρ [g/cm³]	d₅₀ [µm]	Typische Kornmorpho logie
A₃B₅O₁₂:Ce³⁺ (A=Lu,Y,Tb; B=Al, Ga)	grün bis gelb	4,6 - 7,0	5 - 25	sphärisch
(Ca,Sr) AlSiN₃: Eu²⁺ (SCASN)	rot	3,2 - 3,8	9 - 15	Plättchen
Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂ N₆:Eu²⁺	rot	4,2	9 - 20	Plättchen
(Ca, Ba, Sr)₂Si₅N₈ :Eu²⁺	orange bis rot	3,5 - 4,6	8 - 17	Quader, Plättchen
Sr₄Al₁₄O₂₅: Eu²⁺	cyan	3,7	10 - 15
β-SiAlON, Eu_xSi_6-zAl_zO_zN_8-z	grün	3,2	12 - 20	Stäbchen, Quader
α-SiAlON M_xSi_12-m-n Al_m+nO_nN_16-n: Eu²⁺	gelb bis orange	3,21 (für Ca_0,8Si_9,2Al_2,8 O_1,2N_14,8)	6 - 15	Stäbchen
M₂SiO₄:Eu²⁺ (M=Ba, Sr, Ca, Mg)	grün bis orange	3,0 - 5,5	10 - 20	Quader
K₂SiF₆:Mn⁴⁺ (KSF)	rot	2,6 - 2,7	26 - 28	große Vielecke
MSi₂N₂O₂: Eu²⁺ (M=Ba,Sr,Ca)	cyan bis gelb	3,7 - 4,5	6 - 15	Plättchen, Quader

Bei einer Kombination von Partikeln von verschiedener dieser Leuchtstoffe sollten die Größen und/oder Dichten der einzelnen Leuchtstoffpartikel so aneinander angepasst sein, um entweder eine Mischung der Leuchtstoffpartikel in einem Matrixmaterial zu erzielen oder um eine bestimmte Schichtbildung der Leuchtstoffpartikel in dem Matrixmaterial zu erzeugen.
Die Sedimentationsgeschwindigkeit nur über die Korngröße der Leuchtstoffpartikel anzupassen, ist jedoch schwierig. Wird beispielsweise ein grün emittierender LuYAG-Leuchtstoff mit einer Dichte von 6,4 g/cm³ und einer Korngröße von 22 µm und ein rot emittierender M₂Si₅N₈-Leuchtstoff mit einer Dichte von 4,3 g/cm³ und einer Korngröße von 15 µm in einem Konversionsmaterial kombiniert, führt das zu großen Problemen bei der Prozessierung, da sich unter anderem die roten emittierenden und grün emittierenden Leuchtstoffpartikel in dem Vorratsbehälter für Sprüh- oder Dispensverfahren über die Prozessdauer separieren und somit über die Prozessdauer am Auslass des Vorratsbehälters unterschiedliche Mischungsverhältnisse der Leuchtstoffe und des Matrixmaterials vorliegen. Wird die Korngröße der LuYAG-Leuchtstoffpartikel auf 12 µm reduziert, um die Sedimentationsgeschwindigkeit an diejenige der M₂Si₅N₈-Leuchtstoffpartikel anzupassen, wird auch die Helligkeit einer LED, auf welche ein solches Konversionsmaterial aufgebracht ist, um etwa 3 % aufgrund erhöhter Streuverluste reduziert.
Wenn eine Schichtbildung der rot emittierenden Leuchtstoffpartikel unter den grün emittierenden Leuchtstoffpartikeln gewünscht ist, muss die Sedimentationsgeschwindigkeit der grün emittierenden Leuchtstoffpartikel um das Zwei- bis Dreifache reduziert werden, die Korngröße des LuYAG also auf 8,5 µm oder 6 µm reduziert werden. Solche kleinen Korngrößen würden die Streuverluste weiterhin erhöhen und einen weiteren Helligkeitsverlust mit sich bringen. Andererseits ist eine Erhöhung der Korngröße der M₂Si₅N₈-Partikel auf 27 µm synthetisch nicht mehr realisierbar, da dieser Leuchtstoff nach den im Stand der Technik beschriebenen Synthesemethoden nur mit einer mittleren Korngröße von etwa 15 - 17 µm herstellbar ist.
Ein Vergleich der Dichten p, Korngrößen d₅₀ und des Produkts r²ρ als Maß für die Sedimentationsgeschwindigkeit der beiden Leuchtstoffe ist in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Leuchtstoff Dichte ρ [g/cm³] d₅₀ [µm] r²ρ

LuYAG 6,4 22 0,774

LuYAG 6,4 12 0,230

LuYAG 6,4 8 0,102

LuYAG 6,4 6 0,058

M₂Si₅N₈ 4,3 15 0,242

M₂Si₅N₈ 4,3 27 0,784
Um also eine Anpassung der Sedimentationsgeschwindigkeiten erster 10 und zweiter Leuchtstoffpartikel 20 in einem Konversionsmaterial zu erreichen, wird einer der beiden Leuchtstoffe, und zwar derjenige, dessen Partikel kleiner und/oder weniger dicht sind (zweite Leuchtstoffpartikel 20), mit einer Beschichtung 25 versehen. Die Beschichtung 25 kann eine höhere Dichte als die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 aufweisen und einen Brechungsindex der dem Brechungsindex des die Leuchtstoffpartikel 10,20 umgebenden Matrixmaterials 30 entspricht oder zwischen demjenigen des Matrixmaterials 30 und der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 liegt.
Mögliche Wege, Partikel des zweiten Leuchtstoffs 20 mit einer Beschichtung 25 zu versehen, werden im Folgenden aufgezeigt.

- Partikel des zweiten Leuchtstoffs 20 werden mit einem keramischen Precursor und einem Binder oder Lösungsmittel gemischt und Partikel in gewünschter Größe mittels Sprühtrocknens oder Sprühgefriertrocknens, anschließendem Tempern oder Aufheizen auf Raumtemperatur, um den Binder oder das Lösungsmittel zu entfernen, und anschließendem Glühen zur Herstellung der keramischen Beschichtung 25 hergestellt. Dieses Verfahren eignet sich beispielsweise für Granate, die mit undotierten Granaten, Al₂O₃, Lu₂O₃ oder Y₂O₃ versehen sind.

Weiterhin eignet sich dieses Verfahren für Nitrid-Leuchtstoffe, die beispielsweise mit undotierten Nitrid-Leuchtstoffen, Si₃N₄, AlN oder BN beschichtet werden.

- Weiterhin können Partikel des zweiten Leuchtstoffs 20 mit einem Precursor beschichtet werden und anschließend eine Reaktion des Precursors herbeigeführt werden, um eine Beschichtung zu erhalten. Dazu kann beispielsweise Tetraethylortosilikat (TEOS) als Precursor für SiO₂ oder Barium(II)hydro-tri(1-pyrazolyl)borat als Precursor für BaB₂O₄ eingesetzt werden. Auch denkbar ist eine Materialmischung von Precursoren, beispielsweise Y₂O₃ + Al₂O₃ für YAG oder Ba(OH)₂ + B(OH)₃ für BaB₂O₄, die anschließend reagieren um die Beschichtung 25 zu bilden.
- Auf die Partikel des zweiten Leuchtstoffs 20 kann auch zunächst eine dünne Schutzschicht, beispielsweise mittels ALD (Atomic Layer Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) oder PVD (Physical Vapor Deposition) aufgebracht werden und anschließend ein Beschichtungsmaterial 25 aufgebracht werden, welches ohne Schutzschicht mit dem Leuchtstoffmaterial reagieren würde. Beispielsweise werden Nitride erst mit einer nitridischen Schutzschicht aus Si₃N₄, AlN oder dem undotierten Leuchtstoffmaterial beschichtet und anschließend mit einer Beschichtung 25 aus einem oxidischen Material versehen. Während des Temperns des oxidischen Materials reagiert dann das Oxid mit der Schutzschicht und bildet eine Si-O-N- oder Al-O-N-Phase, ohne das Material der darunter liegenden zweiten Leuchtstoffpartikel 20 anzugreifen.
- Die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 können auch mit einem Reaktionsmittelzusatz synthetisiert werden, der als Kleber für die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 dient oder die Bildung einer Kleberschicht zwischen mehreren Leuchtstoffpartikeln 20 unterstützt. Beispielsweise können M₂Si₅N₈-Leuchtstoffpartikel mit einer Kombination aus LiF und Li₂B₄O₇ hergestellt und zu größeren, mehrere Partikel umfassenden Einheiten verklebt werden.
- Zweite Leuchtstoffpartikel 20, die K₂SiF₆:Mn⁴⁺ (KSF:Mn) enthalten oder daraus bestehen, können mit undotiertem K₂SiF₆ oder M₂SiF₆ (M = Li, Na, K, Rb, Cs alleine oder in Mischung) beschichtet werden. Dies kann beispielsweise durch Aufwachsen der undotierten Verbindungen M₂SiF₆ (M = Li, Na, K, Rb, Cs alleine oder in Mischung) auf K₂SiF₆:Mn⁴⁺ Leuchtstoffpartikel (Impfkristalle) in einer gesättigten Lösung enthaltend M₂SiF₆ (M = Li, Na, K, Rb, Cs alleine oder in Mischung) geschehen. Die Beschichtungsschritte können mehrere Male wiederholt werden, um die Größe der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 an den gewünschten Wert anzupassen.
- Zweite Leuchtstoffpartikel 20 können auch mit Glasmaterialien beschichtet werden. Dazu wird der entsprechende Leuchtstoff mit einem sehr feinen Glaspulver sowie einem Binder oder Lösungsmittel gemischt, Partikel in gewünschter Größe mittels Sprühtrocknens oder Sprühgefriertrocknens hergestellt, anschließend getempert oder auf Raumtemperatur aufgeheizt, um den Binder oder das Lösungsmittel zu entfernen, und anschließend geglüht, um eine Beschichtung 25 aus Glas zu erzeugen.

Zweite Leuchtstoffpartikel 20 können auch mit Silikonen, Polysilazanen oder Siloxanen und mit Nanopartikel gefüllten Silikonen beschichtet werden. Herstellungsmethoden für diese beschichteten Partikel, die einen oder mehrere zweite Leuchtstoffpartikel 20 enthalten, können beispielsweise auf Sprühtrocknen, Gefriersprühtrocknen, Sprühpyrolyse oder Herstellung von Partikeln in Emulsionen basieren.

Mögliche Beschichtungsmaterialien für die Beschichtung 25 sind in Tabelle 3 genannt. Das Material für die Beschichtung wird je nach Anforderungen an Dichte p, Brechungsindex RI und thermische Leitfähigkeit ausgewählt. Die Beschichtungsmaterialien können als Beschichtung 25 für alle in Tabelle 1 genannten Leuchtstoffe entsprechend ihrer chemischen Kompatibilität eingesetzt werden und gemeinsam mit einem weiteren Leuchtstoff aus Tabelle 1, der keine Beschichtung 25 aufweist in einem Konversionsmaterial kombiniert werden. Der Leuchtstoff für die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 wird entsprechend so gewählt, dass er kleinere und/oder weniger dichte Partikel aufweist als die Partikel des ersten Leuchtstoffs 10, der mit den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs 20 kombiniert wird. Tabelle 3

Beschichtungsmaterial	ρ [g/cm³]	RI	Thermische Leitfähigkeit [W/mK]
KCl	1,98	1,48	6,5 - 7,2
LiCl	2,07	1,66	6 - 7
h-BN(Graphitstruktur)	2,1	1,8	ca. 30
Fused Silica	2,1	1,45	1,4
NaCl	2,17	1,54	7,2
a-Si₃N₄/b-Si₃N₄	2,3 - 3,5	1,9 - 2,4	10 - 43
LiB₃O₅	2,47	1,57 - 1,61	3,5
LiF	2,64	1,38	11,3 - 16,1
SiO₂ (α-Quarz)	2,65	1,54	6,8 - 12
CaCO₃	2,75	1,65	4,6 - 5,5
MgF₂	3,15	1,38	21 - 34
CaF₂	3,18	1,43	9,71
AlN (Wurtzit-Typ)	3,26	1,9 - 2,2	285
c-BN (Diamant-Struktur)	3,45	2,1	ca. 30
MgO	3,56	1,72	30 - 60
Diamant	3,52	2,42	1.000
BaB₂O₄	3,85	1,66	1,24 - 1,65
Sc₂O₃	3,86	1,99	16,5
Al₂O₃ (Saphir)	3,95	1,72 - 1,75	30
SrF₂	4,24	1,48	1,42
TiO₂ (Rutil)	4,26	2,58	8 - 13
YAG (undotiert)	4,6	1,82	7 - 8, 11
Nb₂O₅	4,6	2,34
BaF₂	4,89	1,47	11,72
ZrO₂	5,0 - 6,15	2,14	1,7 - 2,7
Y₂O₃	5,01	1,92	13,6
SrTiO₃	5,12	2,38	11 - 12
ZnO (Wurtzit)	5,6	1,96	37 - 147
TeO₂	6	2, 61	30
BaTiO₃	6,02	2,34	6
LuAG (undotiert)	6,71	1,84	8,3
LiTaO₃	7,45	2,17 - 2,18	46
Ta₂O₅	8,2	2,15	2 - 3
Yb₂O₃	9,17	1,94
Lu₂O₃	9,42	1,93	12,5
HfO₂	9,68	2,09	1,1

Eine solche Beschichtung 25 auf den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs 20 führt beispielsweise dazu, dass die mittlere Temperatur des Konversionsmaterials reduziert wird, wenn die thermische Leitfähigkeit der Beschichtung 25 größer als die des Matrixmaterials 30 in dem Konversionsmaterial ist. Eine reduzierte mittlere Temperatur des Konversionsmaterials erhöht die Quanteneffizienz der ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel 10,20, da alle Leuchtstoffe ein thermisches Quenchen der Quanteneffizienz aufweisen. 2 zeigt das thermische Quenchverhalten einiger beispielhafter Leuchtstoffe. Auf die x-Achse ist die Temperatur T in °C gezeigt, auf der y-Achse die Quanteneffizienz bei einer bestimmten Temperatur T im Verhältnis zur Quanteneffizienz bei 25°C (QE(T)/QE(25 °C)).
3 zeigt in schematischer Seitenansicht das Sedimentationsverhalten eines Konversionsmaterials.
Links im Bild ist das Konversionsmaterial mit dem Matrixmaterial 30, den ersten Leuchtstoffpartikeln 10 und den zweiten Leuchtstoffpartikeln 20 vor der Sedimentation gezeigt. Nach der Sedimentation, die durch einen Pfeil angedeutet wird, resultiert das rechts im Bild gezeigte Konversionsmaterial. Zur besseren Übersichtlichkeit ist jeweils nur ein erster 10 und ein zweiter Leuchtstoffpartikel 20 mit einem Bezugszeichen versehen. Diese allgemeine Beschreibung gilt für die folgenden 4 bis 7 analog.
Hier sind erste Leuchtstoffpartikel 10 und zweite Leuchtstoffpartikel 20 in einem Matrixmaterial 30 eingebettet. Bei dem ersten Leuchtstoff 10 handelt es sich um einen grün emittierenden LuYAG:Ce mit einer Größe d₅₀ von 13 µm und einer Dichte ρ von 6,4 g/cm³. Die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 sind aus M₂Si₅N₈:Eu (M = Ca, Sr, Ba) gebildet mit einer Größe d₅₀ von 15 µm und einer Dichte ρ von 4,3 g/cm³. Beide Leuchtstoffpartikel 10, 20 weisen ähnliche Sedimentationsgeschwindigkeiten auf, da die ersten Leuchtstoffpartikel 10 mit der höheren Dichte eine relativ kleine Größe aufweisen, sodass eine sedimentierte Schicht der ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel 10, 20 resultiert, die ähnlich gemischt sind wie die ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel 10, 20, bevor die Sedimentation (angedeutet durch einen Pfeil) beginnt. Die ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel 10, 20 liegen dann kompakter, ohne ihre relative Ordnung zueinander zu verändern. Aufgrund der relativ kleinen Größe der ersten Leuchtstoffpartikel 10 enthaltend LuYAG:Ce weist das Konversionsmaterial jedoch eine große Streuung auf, die bei Verwendung des Konversionsmaterials in einem Strahlung emittierenden Bauelement zu einem Lichtverlust von etwa 3 % im Vergleich zu einem Bauelement mit einem Konversionsmaterial mit ersten Leuchtstoffpartikeln 10 enthaltend LuYAG:Ce mit einem d₅₀ von 22 µm führt.
Um die Streuung zu reduzieren und 3 % an Helligkeit zu gewinnen, kann die Größe der ersten Leuchtstoffpartikel 10 enthaltend LuYAG:Ce auf 22 µm erhöht werden. Der Effekt von dieser Veränderung ist in 4 in schematischer Seitenansicht gezeigt. Die Partikel des ersten und zweiten Leuchtstoffs 10, 20 haben dann unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeiten, wobei die ersten Leuchtstoffpartikel 10 drei Mal schneller sedimentieren als die zweiten Leuchtstoffpartikel 20. Aufgrund des erhöhten Volumens der ersten Leuchtstoffpartikel 10 ändert sich für das gleiche Volumen an Konversionsmaterial auch die Anzahl der ersten Leuchtstoffpartikel 10 um etwa ein Drittel. Das Ergebnis der höheren Sedimentationsrate der ersten Leuchtstoffpartikel 10 ist eine Schichtbildung der ersten Leuchtstoffpartikel vornehmlich unter den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs 20. Somit wird der grün emittierende Leuchtstoff in diesem Beispiel unter dem rot emittierenden Leuchtstoff, der die höhere thermische Energie erzeugt, angeordnet. Bei Anordnung dieses Konversionsmaterials auf einer LED liegt somit der die meiste thermische Energie erzeugende Leuchtstoff am weitesten weg von der Wärmesenke. Dadurch wird auch ein Effizienzverlust bedingt, wobei die meisten der rot emittierten Photonen durch Doppelkonversion erzeugt werden. Wird das Konversionsmaterial auf einer blau emittierenden LED angeordnet, wird blaues Licht erst in grünes und dann in rotes Licht konvertiert, wodurch zuerst die Konversionsverluste des ersten Leuchtstoffpartikels 10 und anschließend die Konversionsverluste des zweiten Leuchtstoffpartikels 20 anfallen (QE(erster Leuchtstoffpartikel 10)*QE(zweiter Leuchtstoffpartikel 20)).
Die zweiten, rot emittierenden Leuchtstoffpartikel 20, die über den ersten, grün emittierenden Leuchtstoffpartikeln 10 angeordnet sind, absorbieren dann das Licht, das von den ersten Leuchtstoffpartikeln 10 emittiert wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel des ersten Leuchtstoffs 10 wird somit eine ungewünschte Schichtbildung erzeugt.

Wird den zweiten Leuchtstoffpartikeln 20, in diesem Fall M₂Si₅N₈:Eu, eine Beschichtung 25 hinzugefügt, kann ihre Sedimentationsgeschwindigkeit erhöht werden, bis sie entweder gleich oder sogar größer als die Sedimentationsgeschwindigkeit der ersten Leuchtstoffpartikel 10 ist. Beispiele von geeigneten Beschichtungsmaterialien, Beschichtungsdicken r_B und Beschichtungsdichten ρ_B, um eine gleiche Sedimentationsgeschwindigkeit, beschrieben durch das Produkt r²ρ, der ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel 10, 20 zu erhalten, sind in Tabelle 4 zusammen mit den Leuchtstoffen, deren Dichten ρ und Korngrößen d₅₀ angegeben. Mit diesen Beschichtungen 25 wird eine Separation der ersten 10 und zweiten Leuchtstoffpartikel 20 in dem Konversionsmaterial verhindert und eine Mischung der ersten und zweiten Leuchtstoffpartikel 10, 20 nach der Sedimentation erzielt, wenn diese in einer Konversionsschicht auf einer LED aufgebracht werden. Dickere Beschichtungen 25 würden zu einer höheren Sedimentationsgeschwindigkeit der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 im Vergleich zu den ersten Leuchtstoffpartikeln 10 führen, womit dann die rot emittierenden zweiten Leuchtstoffpartikel 20 unter den grün emittierenden, ersten Leuchtstoffpartikeln 10 angeordnet werden würden. Tabelle 4

Leucht stoff	ρ [g/cm³]	d₅₀ [µm]	Beschich tungsmat erial	ρ_B [g/cm³]	r_B [µm]	r²ρ [g/cm]
LuYAG: Ce	6,4	22	-	-	-	7,744 *10^-6
M₂Si₅N₈ :Eu	4,3	15	-	-	-	2,419 *10^-6
M₂Si₅N₈ :Eu	4,3	15	Si₃N₄	2,9	8,446	7,744 *10^-6
M₂Si₅N₈ :Eu	4,3	15	ZrO₂	5,58	4,615	7,744 *10^-6
M₂Si₅N₈ :Eu	4,3	15	LiTaO₃	7,45	3,464	7,744 *10^-6

In diesem Beispiel werden alle drei Beschichtungsmaterialien für die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 enthaltend M₂Si₅N₈:Eu so gewählt, dass ihr Brechungsindex RI zwischen den typischen Brechungsindizes von Silikon-Matrixmaterialien (1,4 - 1,56) und dem Brechungsindex der zweiten Leuchtstoffpartikeln (2,4 - 2,5) liegt: Si₃N₄ hat einen Brechungsindex RI von 1,9 - 2,4, ZrO₂ hat einen Brechungsindex RI von 2,14 und LiTaO₃ hat einen Brechungsindex RI von 2,2. Weiterhin haben alle drei Beschichtungsmaterialien eine thermische Leitfähigkeit, die größer ist als die von typischen Silikonmaterialien (0,1 - 0,2 W/mK): Si₃N₄ hat eine thermische Leitfähigkeit von 10 - 43 W/mK, ZrO₂ hat eine thermische Leitfähigkeit von 1,7 - 2,7 W/mK und LiTaO₃ hat eine thermische Leitfähigkeit von ca. 46 W/mK.
Das Beispiel mit der Beschichtung 25 aus LiTaO₃ ist zudem in 5 in schematischer Seitenansicht gezeigt. In dem gemischten Konversionsmaterial nach der Sedimentation (angedeutet durch den Pfeil) liegen die ersten Leuchtstoffpartikel 10 aus LuYAG:Ce mit einer Korngröße d₅₀ von 22 µm und einer Dichte ρ von 6,4 g/cm³ und die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 aus M₂Si₅N₈:Eu mit einer Korngröße d₅₀ von 15 µm, einer Dichte ρ von 4,3 g/cm³ und einer Beschichtung aus LiTaO₃ in derselben Mischung wie vor der Sedimentation vor. Die Beschichtung weist eine mittlere Dicke von 3,5 µm und eine Dichte ρ von 7,45 g/cm³ auf.
Durch die Beschichtung 25 wird auch das Streuverhalten der Partikel des zweiten Leuchtstoffs 20 verbessert, was zu einem Helligkeitsanstieg in einem Bauelement führt. Weiterhin kann die thermische Leitfähigkeit der Konversionsschicht, die das Konversionsmaterial enthält, erhöht werden, da die thermische Leitfähigkeit von LiTaO₃ etwa drei bis vier Mal höher ist als die der zweiten Leuchtstoffpartikel 20. Weiterhin hilft die Beschichtung 25, bei der Konversion erzeugte Hitze von den zweiten Leuchtstoffpartikeln 20 über eine Fläche, die zwei Mal größer als ohne Beschichtung ist, abzuleiten, was zu einer Verringerung der Temperatur sowohl in den Leuchtstoffpartikeln 20 selbst als auch in dem umgebenden beispielsweise polymeren Matrixmaterial führt. Die gesamte Konversionsschicht aus dem Konversionsmaterial wird durch die Erhöhung der Größe der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 durch die Beschichtung 25 größer, aber die Peak-Temperatur, die für das Alterungsverhalten des Matrixmaterials, beispielsweise Silikon, kritisch ist, wird reduziert. Durch eine reduzierte Temperatur in dem Leuchtstoff wird auch durch geringeres thermisches Quenchen eine erhöhte Effizienz erreicht.
Soll die Sedimentationsgeschwindigkeit der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 größer als die der ersten Leuchtstoffpartikel 10 werden, kann in diesem Beispiel die Größe der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 weiter auf 29 µm erhöht werden, indem die Beschichtung 25 aus LiTaO₃ eine Dicke von 7 µm aufweist. Ein solches Beispiel ist in 6 in schematischer Seitenansicht gezeigt. Aufgrund der erhöhten Sedimentationsgeschwindigkeit der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 bildet sich eine Schicht der rot emittierenden, zweiten Leuchtstoffpartikel 20 am Boden und damit näher an der Wärmesenke in einer LED, wenn das Konversionsmaterial für die Konversionsschicht einer LED verwendet wird. Das verhindert auch, dass die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 zu viel von der emittierten Strahlung der ersten Leuchtstoffpartikel 10 absorbieren. In diesem Beispiel erhöht sich die Gesamtdicke einer Konversionsschicht signifikant, da die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 mit Beschichtung 25 nun etwa sieben Mal größer sind als ohne Beschichtung 25.
Der gleiche Effekt kann erreicht werden, wenn anstatt einer höheren Schichtdicke der Beschichtung 25 eine kleinere Größe der Partikel des ersten Leuchtstoffs 10 gewählt würde.
Ein solches Beispiel ist in 7 gezeigt, wieder in schematischer Seitenansicht. Hier haben die ersten Leuchtstoffpartikel 10 einen Durchmesser d₅₀ von 12 µm und die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 wiederum eine Beschichtung 25 aus LiTaO₃ mit einer Dicke von 3,5 µm. Auch hier bildet sich nach der Sedimentation wieder eine Schicht aus zweiten Leuchtstoffpartikeln 20 am Boden und eine Schicht aus ersten Leuchtstoffpartikeln 10 über den zweiten Leuchtstoffpartikeln 20. Aufgrund der verringerten Größe der ersten Leuchtstoffpartikel 10 wird zwar die Streuung dieses Leuchtstoffs wieder erhöht, aber da das blaue Licht, das von einer LED emittiert wird, zunächst an den zweiten Leuchtstoffpartikeln 20 vorbei muss und ein großer Teil davon konvertiert wird, bleibt nicht viel blaues Licht übrig, das an den ersten Leuchtstoffpartikeln 10 gestreut werden könnte. Im Falle einer Streuung passiert es zumindest teilweise abermals die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 und erhält somit eine zweite Gelegenheit, konvertiert zu werden. Der Helligkeitsverlust von 3 %, wie er in 3 gezeigt wurde, ist in diesem Beispiel somit signifikant reduziert, da die meisten auf Streuung beruhenden Verlustmechanismen blaues Licht betreffen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird für die ersten Leuchtstoffpartikel 10 ein LuAGaG:Ce-Leuchtstoff und für die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 ein SCASN:Eu-Leuchtstoff eingesetzt. Ohne eine zusätzliche Beschichtung 25 der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 würden diese Leuchtstoffpartikel 10, 20 separieren, wobei die ersten Leuchtstoffpartikel 10 aufgrund ihrer höheren Sedimentationsgeschwindigkeit schneller sedimentieren und sich somit am Boden anlagern würde. Mit einer zusätzlichen Beschichtung 25 der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 kann deren Sedimentationsgeschwindigkeit erhöht werden, um entweder eine gleiche oder sogar größere Sedimentationsgeschwindigkeit als die der ersten Leuchtstoffpartikel 10 zu erhalten. Beispiele von Beschichtungsmaterialien und deren Dichten ρ_B und Dicken r_B, um gleiche Sedimentationsgeschwindigkeiten zu erhalten, also eine Separation der Leuchtstoffpartikel 10, 20 zu vermeiden, sind in Tabelle 5 angegeben. Weiterhin sind als Maß für die Sedimentationsgeschwindigkeiten das Produkt r²ρ der Leuchtstoffpartikel angegeben. Dickere Beschichtungen 25 würden zu einer höheren Sedimentationsgeschwindigkeit der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 führen und damit zu einer Schichtbildung mit den zweiten Leuchtstoffpartikeln 20 unter den ersten Leuchtstoffpartikeln 10. Tabelle 5

Leucht stoff	ρ [g/cm³]	d₅₀ [µm]	Beschich tungsmat erial	ρ_B [g/cm³]	r_B [µm]	r²ρ [g/cm]
LuAGaG :Ce	7,0	17	-	-	-	5,058 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	-	-	-	1,775 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	Si₃N₄	2,9	6,339	5,058 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	AlN	3,2	5,791	5,058 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	Lu₂O₃	9,42	1,966	5,058 *10^-6

Alle drei Beschichtungsmaterialien sind so gewählt, dass ihr Brechungsindex RI zwischen dem typischen Brechungsindex für Silikon-Matrixmaterialien (1,4 - 1,56) und dem Brechungsindex der zweiten Leuchtstoffpartikel 20 (2,1) liegt: Si₃N₄ hat einen Brechungsindex RI von 1,9 - 2,4, AlN hat einen Brechungsindex RI von 1,9 - 2,2 und Lu₂O₃ hat einen Brechungsindex von 1,93. Weiterhin haben alle drei Beschichtungsmaterialien eine thermische Leitfähigkeit, die größer ist als die von typischen Silikonmaterialien (0,1 - 0,2 W/mK). Si₃N₄ hat eine thermische Leitfähigkeit von 10 - 42 W/mK, AlN hat eine thermische Leitfähigkeit von 285 W/mK und Lu₂O₃ hat eine thermische Leitfähigkeit von 12 - 13 W/mK.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel soll eine Mischung eines LuAGaG:Ce-Leuchtstoffs (erste Leuchtstoffpartikel 10) und eines YAG:Ce-Leuchtstoffs mit einem RI von 1,82 und mit derselben Korngröße d₅₀ von 17 µm (zweite Leuchtstoffpartikel 20) erreicht werden und eine Schichtbildung dieser Mischung aus ersten und zweiten Leuchtstoffpartikeln 10, 20 oberhalb eines SACSN-Leuchtstoffs mit einem RI von 2,1 und einem d₅₀ von 13 µm (dritte Leuchtstoffpartikel) erzeugt werden. Um die Mischung der ersten 10 und zweiten Leuchtstoffpartikel 20 zu erreichen, können die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 entweder mit einer 2,4 µm dicken Beschichtung 25 aus Al₂O₃ (RI = 1,73, 30 W/mK), einer 2,0 µm dicken Beschichtung 25 von undotiertem YAG (RI = 1,82, 7 - 11 W/mK) oder einer 1,8 µm dicken Beschichtung 25 aus Y₂O₃ (RI = 1,92, 13 - 14 W/mK) beschichtet werden. Um eine Sedimentationsgeschwindigkeit für die dritten Leuchtstoffpartikel zu erreichen, die größer ist als die der ersten 10 und zweiten Leuchtstoffpartikel 20, können die dritten Leuchtstoffpartikel entweder mit einer mehr als 6,4 µm dicken Beschichtung 25 aus Si₃N₄ (RI = 1,9 - 2,4, 10 - 43 W/mK), einer mehr als 5,8 µm dicken Beschichtung 25 aus AlN (RI = 1,9 - 2,2, 285 W/mK) oder einer mehr als 3,4 µm dicken Beschichtung 25 aus BN (RI = 2,1, 30 W/mK) beschichtet werden. Die Leuchtstoffe, ihre Dichten ρ und Dicken d₅₀ sowie die zugehörigen Beschichtungen mit deren Dichten ρ_B und Dicken r_B sind in Tabelle 6 gezeigt. Weiterhin ist als Maß für die Sedimentationsgeschwindigkeiten das Produkt r²ρ der Leuchtstoffpartikel angegeben. Tabelle 6

Leucht stoff	ρ [g/cm³]	d₅₀ [µm]	Beschich tungsmat erial	ρ_B [g/cm³]	r_B [µm]	r²ρ [g/cm]
LuAGaG :Ce	7,0	17	-	-	-	5,058 *10^-6
YAG:Ce	4,6	17	-	-	-	3,302 *10^-6
YAG:Ce	4,6	17	Al₂O₃	3,95	2,419	5,058 *10^-6
YAG:Ce	4,6	17	YAG	4,6	2,004	5,058 *10^-6
YAG:Ce	4,6	17	Y₂O₃	5,01	1,805	5,058 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	-	-	-	1,775 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	Si₃N₄	2,9	6,339	5,058 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	AlN	3,2	5,791	5,058 *10^-6
SCASN: Eu	4,2	13	BN	3,45	5,399	5,058 *10^-6

In einem weiteren Ausführungsbeispiel soll eine Schichtbildung erreicht werden, wobei zu unterst eine Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu (d₅₀ = 15 µm) Leuchtstoffschicht (dritte Leuchtstoffpartikel) angeordnet sein soll und darüber eine Mischung der Leuchtstoffe KSF mit einem d₅₀ von 27 µm (erste Leuchtstoffpartikel 10) und β-SiAlON mit einem d₅₀ von 15 µm (zweite Leuchtstoffpartikel 20). Um so eine Schichtbildung zu erreichen, werden die dritten Leuchtstoffpartikel mit einer Beschichtung 25 versehen, die mehr als 2,8 µm dickes SrTiO₂ enthält. Um gleiche Sedimentationsgeschwindigkeiten r²ρ für die Partikel der ersten 10 und zweiten Leuchtstoffpartikel 20 zu erhalten, können die zweiten Leuchtstoffpartikel 20 mit einer 3,9 µm dicken Beschichtung 25 aus Al₂O₃ beschichtet werden. Diese Leuchtstoffmischung und die jeweiligen Beschichtungen 25 sind in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7

Leucht stoff	ρ [g/cm³]	d₅₀ [µm]	Beschich tungsmat erial	ρ_B [g/cm³]	r_B [µm]	r²ρ [g/cm]
KSF:Mn	2,65	27	-	-	-	4,830 *10^-6
β-SiAlON :Eu	3,2	15	-	-	-	1,800 *10^-6
β-SiAlON :Eu	3,2	15	Al₂O₃	3,95	3,872	4,830 *10^-6
Sr₄Al₁₄ O₂₅: Eu	3,7	15	-	-	-	2,081 *10^-6
Sr₄A1₁₄ O₂₅: Eu	3,7	15	SrTiO₃	5,12	2,782	4,830 *10^-6

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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

10: Partikel des ersten Leuchtstoffs
20: Partikel des zweiten Leuchtstoffs
25: Beschichtung
30: Matrixmaterial
T: Temperatur
QE(T)/QE(25°C): thermisches Quenchen der Quantenausbeute
QE: normiert auf die Quantenausbeute bei 25°C

Claims

Konversionsmaterial, umfassend - ein Matrixmaterial (30), - Partikel eines ersten Leuchtstoffs (10), die in dem Matrixmaterial (30) eingebettet sind, und - Partikel eines zweiten Leuchtstoffs (20), die in dem Matrixmaterial (30) eingebettet sind, wobei die Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) kleiner als die Partikel des ersten Leuchtstoffs (10) sind und/oder eine geringere Dichte aufweisen und wobei die Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) eine Beschichtung (25) aufweisen.
Konversionsmaterial nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Matrixmaterial (30) einen ersten Brechungsindex aufweist, die Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) einen zweiten Brechungsindex aufweisen und die Beschichtung (25) einen dritten Brechungsindex aufweist, wobei der dritte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist oder zwischen dem ersten und dem zweiten Brechungsindex liegt.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (25) eine Dichte aufweist, die größer oder gleich der Dichte der Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) ist.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) aufweisend die Beschichtung (25) größer oder gleich der Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel des ersten Leuchtstoffs (10) ist.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils ein Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) eine Beschichtung (25) aufweist und/oder mehrere Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) gemeinsam eine Beschichtung (25) aufweisen.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (25) eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die größer als eine thermische Leitfähigkeit des Matrixmaterials (30) ist.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (25) eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die größer ist als eine thermische Leitfähigkeit der Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20).
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (25) zumindest stellenweise eine Dicke aufweist, die größer als 100 nm, bevorzugt größer als 500 nm ist.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Partikeln des zweiten Leuchtstoffs (20) und der Beschichtung (25) eine Schutzschicht angeordnet ist.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Beschichtung (25) eine Antireflexionsschicht angeordnet ist.
Konversionsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel des ersten Leuchtstoffs (10) eine erste Schicht und die Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) eine zweite Schicht in dem Matrixmaterial (30) bilden und die erste Schicht auf der zweiten Schicht angeordnet ist.
Konversionsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Partikel des ersten Leuchtstoffs (10) und die Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) gemischt in dem Matrixmaterial (30) verteilt sind.
Konversionsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin aufweisend Partikel eines dritten Leuchtstoffs, die eine Beschichtung (25) aufweisen.
Strahlung emittierendes Bauelement umfassend eine aktive Schichtenfolge, die elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, und eine Konversionsschicht, die im Strahlengang der Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs angeordnet ist und ein Konversionsmaterial gemäß einem der vorherigen Ansprüche enthält.
Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Konversionsschicht die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise in Strahlung zumindest eines zweiten und dritten Wellenlängenbereichs konvertiert.
Bauelement nach einem der Ansprüche 14 und 15, wobei die Partikel des zweiten Leuchtstoffs (20) eine zweite Schicht bilden und auf der der aktiven Schichtenfolge zugewandten Seite der Konversionsschicht angeordnet sind, und die Partikel des ersten Leuchtstoffs (10) eine erste Schicht bilden und auf der von der aktiven Schichtenfolge abgewandten Seite der zweiten Schicht in der Konversionsschicht angeordnet sind.