DE102018108842A1 - Leuchtstoffkombination, Konversionselement, optoelektronische Vorrichtung - Google Patents

Leuchtstoffkombination, Konversionselement, optoelektronische Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Es wird eine Leuchtstoffkombination (10) angegeben, die einen ersten Leuchtstoff (1) und einen zweiten Leuchtstoff (2) umfasst, wobei es sich bei dem zweiten Leuchtstoff um einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt. Außerdem wird ein Konversionselement (20) und eine optoelektronische Vorrichtung (30) angegeben, die jeweils die Leuchtstoffkombination (10) umfassen.

Description

  • Es werden eine Leuchtstoffkombination, ein Konversionselement und eine optoelektronische Vorrichtung angegeben.
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der PCT-Patentanmeldung PCT/ EP2017/078913 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Wege bekannt, um mit optoelektronischen Vorrichtungen, wie etwa Leuchtdioden, Licht zu erzeugen, das Anteile von verschiedenen Wellenlängenbereichen des sichtbaren Spektrums enthält. Eine wichtige Anwendung ist die Erzeugung von weißem Licht.
  • Einen Weg um mit einer optoelektronischen Vorrichtung Licht zu erzeugen, das verschiedene Wellenlängenbereiche des sichtbaren Spektrums abdeckt, stellt der Einsatz von zwei oder mehr Halbleiterchips dar, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Beispielsweise kann eine optoelektronische Vorrichtung einen blau emittierenden Halbleiterchip und einen rot emittierenden Halbleiterchip enthalten. Falls weißes Licht erzeugt werden soll, kann der blaue Halbleiterchip zudem mit einem oder mehreren Leuchtstoffen kombiniert werden, welche die blaue Strahlung in längerwellige Strahlung des sichtbaren Spektrums zum Beispiel zu grünem Licht konvertieren. Die emittierte Strahlung von bekannten rot emittierenden Halbleiterchips ändert sich jedoch im Hinblick auf ihre Dominanzwellenlänge und Intensität in Abhängigkeit von der Temperatur und dem angelegten Strom. Der Einsatz von rot emittierenden Halbleiterchips zusätzlich zu blau emittierenden Halbleiterchips macht folglich eine zusätzliche Ansteuerung innerhalb der optoelektronischen Vorrichtung erforderlich.
  • Alternativ dazu ist es auch möglich Licht zu erzeugen, dass verschiedene Wellenlängenbereiche des sichtbaren Spektrums abdeckt, indem ein einziger, z.B. blau emittierender, Halbleiterchip mit einem oder mehreren Leuchtstoffen kombiniert wird, wobei die Leuchtstoffe die vom Halbleiterchip emittierte Strahlung in längerwellige Strahlung des sichtbaren Spektrums konvertieren. Zu diesem Zweck werden für gewöhnlich Leuchtstoffkombinationen (bzw. Leuchtstoffmischungen) verwendet, die sich aus konventionellen Leuchtstoffen zusammensetzen. Beispielsweise kann weißes Licht erzeugt werden, indem blaues Licht, das von einem Halbleiterchip emittiert wird, mit Hilfe einer Leuchtstoffmischung teilweise in grünes, gelbes und rotes Licht konvertiert wird. Durch die Überlagerung von Licht verschiedener Wellenlängen kann in der Summe weißes Licht erhalten werden.
  • Für optoelektronische Vorrichtungen, die Licht erzeugen, das Anteile mit verschiedenen Wellenlängenbereichen im sichtbaren Spektrum abdeckt, wie etwa bei weißem Licht, spielt sowohl die Effizienz als auch die Farbqualität eine entscheidende Rolle.
  • Sowohl die Effizienz als auch die Farbqualität (bzw. Farbwiedergabe) werden in erheblichem Maße von der Leuchtstoffmischung bestimmt, welche die vom Halbleiterchip emittierte Strahlung konvertiert.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kombination von Leuchtstoffen - sprich eine Leuchtstoffkombination - anzugeben, die insbesondere dazu geeignet ist, eine hohe Effizienz in Verbindung mit einer guten Farbwiedergabe bei Verwendung in einer optoelektronischen Vorrichtung zu ermöglichen. Weiterhin soll ein Konversionselement angegeben werden, das ebenfalls insbesondere dazu geeignet ist, eine hohe Effizienz mit einer guten Farbwiedergabe bei Verwendung in einer optoelektronischen Vorrichtung zu ermöglichen. Schließlich soll eine optoelektronische Vorrichtung angegeben werden, die die Leuchtstoffkombination enthält.
  • Diese Aufgaben werden durch eine Leuchtstoffkombination mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 und durch eine optoelektronische Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 18 gelöst.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leuchtstoffkombination angegeben, die zumindest einen ersten Leuchtstoff und zumindest einen zweiten Leuchtstoff umfasst, wobei es sich bei dem zweiten Leuchtstoff um einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt.
  • Unter einer Leuchtstoffkombination ist hierbei eine Kombination aus verschiedenen Leuchtstoffen zu verstehen. Bevorzugt handelt es sich bei der Leuchtstoffkombination um eine Leuchtstoffmischung, also eine Mischung des ersten und zweiten Leuchtstoffes und gegebenenfalls eines dritten oder gegebenenfalls noch weiterer Leuchtstoffe miteinander. Beispielsweise können die Leuchtstoffe in Partikelform vorliegen. Beispielsweise kann die Leuchtstoffkombination neben den Leuchtstoffen noch andere Materialien enthalten, etwa ein Matrixmaterial, in das die Leuchtstoffe eingebettet sind bzw. in dem die Leuchtstoffe verteilt sind.
  • Unter dem ersten Leuchtstoff ist insbesondere ein Leuchtstoff zu verstehen, der dazu geeignet ist z.B. UV-Strahlung und/oder blaues Licht in längerwellige Strahlung des sichtbaren Spektrums zu konvertieren. Das heißt, der erste Leuchtstoff absorbiert z.B. UV-Strahlung oder blaues Licht und emittiert längerwellige Strahlung des sichtbaren Spektrums, z.B. emittiert der erste Leuchtstoff grünes Licht. Der erste Leuchtstoff kann Wellenlängen absorbieren, die eine kürzere Wellelnlänge aufweisen, als die eigene Emission des ersten Leuchtstoffs. Der erste Leuchtstoff kann beispielsweise ein sehr breites Absorptionsspektrum aufweisen, und neben UV-Strahlung und/oder blauem Licht auch cyan- und grün-farbiges Licht absorbieren und schließlich grünes Licht emittieren.
  • Unter blauem Licht wird hier und im Folgenden bevorzugt Licht mit einer Wellenlänge von 420 bis 490 nm weiter bevorzugt Licht mit einer Wellenlänge von 430 bis 470 nm verstanden.
  • Unter grünem Licht wird hier und im Folgenden bevorzugt Licht mit einer Wellenlänge von 490 bis 570 nm verstanden.
  • Unter einem Quantenpunkt-Leuchtstoff werden hier und im Folgenden halbleitende Partikel (sogenannte „Quantendots“, kurz QD) verstanden, die einen mittleren Durchmesser im Nanometer-Bereich aufweisen, d.h. einen mittleren Durchmesser (d50) von größer oder gleich 1 nm und kleiner 1 µm. Quantenpunkte können sich teilweise zu Agglomeraten zusammenballen.
  • Für die Bestimmung des mittleren Durchmessers ist hier und im Folgenden aber jeweils der einzelne Quantenpunkt maßgeblich.
  • Der Quantenpunkt-Leuchtstoff der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination ist ein rot emittierender Quantenpunkt-Leuchtstoff. Das heißt, der Quantenpunkt-Leuchtstoff ist insbesondere dazu geeignet UV-Strahlung oder blaues Licht in Licht im roten Wellenlängenbereich zu konvertieren, er absorbiert also UV-Strahlung oder blaues Licht und emittiert rotes Licht.
  • Die erfindungsgemäße Leuchtstoffkombination zeichnet sich durch eine verbesserte Effizienz und zugleich eine gute Farbqualität aus.
  • Herkömmliche Leuchtstoffkombinationen - die für die Erzeugung von Licht dienen, das Anteile mit verschiedenen Wellenlängenbereichen im sichtbaren Spektrum aufweist, wie insbesondere weißes Licht - sind im Hinblick auf ihre Farbwiedergabe und Effizienz einer Vielzahl von Limitierungen unterworfen.
  • Für die Verbesserung der Farbwiedergabe und Effizienz einer Leuchtstoffkombination bei ihrer Verwendung in einer optoelektronischen Vorrichtung, spielen vor allem die rot emittierenden Leuchtstoffe eine wichtige Rolle, da die im roten Spektralbereich abnehmende Augenempfindlichkeit die spektrale Effizienz (LER) deutlich limitiert. Gleichzeitig ist ein wohl definierter rot-Anteil für die Farbqualität, insbesondere von weißem Licht, erforderlich.
  • LER steht für den englisch sprachigen Ausdruck „luminous efficacy of radiation“ und wird auch als photometrisches Strahlungsäquivalent einer Lichtquelle bezeichnet. Hierbei handelt es sich um den Quotient aus Lichtstrom (ϕv in lm) und Strahlungsleistung (ϕe in mW). Für die Ermittlung der LER wird ein Spektrum entsprechend der menschlichen Augenempfindlichkeit gewichtet. Sie gibt letztlich an, wie „effizienz-günstig“ ein Spektrum ausgeformt ist.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein gewünschter wohl-definierter rot-Anteil durch den Einsatz rot emittierender Quantenpunkt-Leuchtstoffe, besonders gut erreicht werden kann, was sich positiv auf die Farbqualität auswirkt. Quantenpunkt-Leuchtstoffe weisen aufgrund ihrer Größe im Nanometerbereich besondere Absorptions- und Emissionseigenschaften auf. Sie besitzen ein besonders schmalbandiges Emissionsspektrum. Herkömmliche Leuchtstoffe weisen dagegen zumeist breite Emissionsbandbreiten mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von 60 bis 120 nm auf. Demgegenüber weisen Quantenpunkt-Leuchtstoffe schmalere Emissionsbandbreiten auf, die in der Regel bezogen auf die Halbwertsbreite (FWHM) kleiner als 60 nm, oftmals kleiner als 50 nm oder gar 40 nm sind, z.B. zwischen 20 nm bis 40 nm.
  • Unter der Halbwertsbreite wird hier und im Folgenden die spektrale Breite auf halber Höhe des Maximums des Emissionspeaks, kurz FWHM oder Full Width at Half Maximum, verstanden. Als Emissionspeak wird der Peak mit der maximalen Intensität verstanden.
  • Die wohl-definierte schmalbandige Emission führt nicht nur zu einer guten Farbqualität, sondern bewirkt durch weniger schwach augenbewertete tiefrote Anteile auch einen spektralen Effizienzvorteil (Spektrale Effizienz, kurz LER).
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben zudem festgestellt, dass durch die Verwendung von Quantenpunkt-Leuchtstoffen in einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination die gesamte Effizienz einer optoelektronischen Vorrichtung, die die Leuchtstoffkombination aufweist, gesteigert werden kann. Die gesamte Effizienz bzw. Lichtausbeute (mit der Einheit LPW = Abkürzung für „Lumen pro Watt“) ergibt sich aus dem Quotienten von Lichtstrom (ϕv in lm) und aufgenommener elektrischer Leistung (P in W).Die Effizienz von herkömmlichen optoelektronischen Vorrichtungen (z.B. weißes Licht emittierende LEDs), aufweisend herkömmliche Leuchtstoffkombinationen, wird durch eine Reihe von Verlustpfaden reduziert.
  • Neben der schon erwähnten spektralen Effizienz (LER) ist für die Effizienz von optoelektronischen Vorrichtungen die Effizienz der Konversionsprozesse der jeweiligen Leuchtstoffe bedeutsam. Die Leuchtstoffe wirken als Konverter, da sie kürzerwelliges, z.B. blaues Licht, das von einem Halbleiterchip emittiert wird, in längerwelliges Licht konvertieren. Verluste treten etwa auf, wenn die Quanteneffizienz (QE) des jeweiligen Leuchtstoffes Werte kleiner als 100% aufweist. Ein typischer Leuchtstoff besitzt eine Quanteneffizienz von etwa 90%, d.h. von 100 absorbierten Photonen werden 90 konvertierte Photonen emittiert.
  • Ein weiterer Verlustpfad wird durch Streuung verursacht, welche Photonen in einer herkömmlichen optoelektronischen Vorrichtung durch Leuchtstoffpartikel erfahren. Aufgrund der Größe der Partikel von konventionellen Leuchtstoffen, die üblicherweise im Bereich einiger µm liegt, sowie aufgrund des Brechungsindexunterschieds der Leuchtstoffpartikel im Vergleich zum Matrixmaterial, das die Partikel üblicherweise umgibt, findet Streuung statt. Gestreutes Licht wird dann oftmals an nicht ideal reflektierenden Oberflächen innerhalb der optoelektronischen Vorrichtung absorbiert.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass nicht nur das Emissionsverhalten, sondern auch das Absorptionsverhalten von konventionellen rot emittierenden Leuchtstoffen für einige der genannten Verlustpfade eine wichtige Rolle spielt. Herkömmliche Leuchtstoffmischungen, die konventionelle rote Leuchtstoffe aufweisen, besitzen eine breite Absorption, die vom kurzwelligen, blauen Bereich des Spektrums bis hin zum Bereich der eigenen Emission des Leuchtstoffes im roten Spektralbereich reicht (vgl. 5A). Konventionelle rote Leuchtstoffe absorbieren folglich nicht nur blaues Licht, wie es von einem Halbleiterchip emittiert wird, sondern sie emittieren zum Teil auch Photonen etwa aus dem grünen Spektralbereich und konvertieren auch diese in rotes Licht. Daraus ergeben sich gleich zwei Verlustprozesse:
  • Erstens wird dadurch ein gewisser Anteil an roten Photonen durch einen zweistufigen Konversionsprozess erzeugt, d.h. es findet ein erster Konversionsschritt von blau nach grün und ein zweiter Konversionsschritt von grün nach rot statt. Rotes Licht, das auf diesem Wege entsteht erfährt einen zweifachen Verlust bezogen auf die Quanteneffizienz. Statt 90% beträgt die Quanteneffizienz eines solchen zweistufigen Prozesses nur 90%*90% = 81% (vgl. 6A).
  • Zweitens nimmt in einer derartigen konventionellen Leuchtstoffkombination immer ein Teil des grünen Leuchtstoffs die Rolle eines „Opferleuchtstoffes“ ein. Damit ist gemeint, dass ein Teil des grünen Leuchtstoffes gar nicht grünes Licht emittiert, sondern rotes Licht. Dieser Teil des Leuchtstoffes trägt also keine grünen Photonen zum Spektrum bei, sondern wird lediglich zur Erzeugung von roten Photonen gebraucht. Diese spektral für eine optimale Farbwiedergabe eigentlich unnötige Menge an Opferleuchtstoff trägt aber zu Streuverlusten bei. In herkömmlichen Leuchtstoffkombinationen werden diese Verluste zum Teil durch den Einsatz größerer Leuchtstoffpartikel reduziert, was aber technologisch limitiert und daher nur in gewissen Grenzen möglich ist.
  • Herkömmliche Leuchtstoffkombinationen, die keinen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff aufweisen, sondern stattdessen ausschließlich konventionelle rot emittierende Leuchtstoffe besitzen, leiden also besonders unter Verlusten, die jeweils auf die ungewollte Absorption der herkömmlichen roten Leuchtstoffe vor allem im grünen Spektralbereich zurückzuführen sind. Bei derartigen konventionellen Leuchtstoffkombinationen wird zuweilen versucht die erwähnte, unerwünschte Doppelkonversion dadurch zu reduzieren, dass die verschiedenen Leuchtstoffe der Leuchtstoffkombination räumlich voneinander getrennt werden, sodass eine Doppelkonversion durch diese Trennung beim Einsatz der Leuchtstoffkombination in einer optoelektronischen Vorrichtung nicht mehr möglich ist. Dies erfordert aber zusätzliche aufwendige Schritte bei der Herstellung entsprechender Leuchtstoffkombinationen bzw. optoelektronischer Vorrichtungen. Außerdem führt diese Trennung oftmals zu Schwierigkeiten bei der Farbortsteuerung und der Gewährleistung eines isotropen Spektrums.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass Leuchtstoffkombinationen in denen konventionelle rot emittierende Leuchtstoffe teilweise oder vollständig durch einen rot-emittierenden Quantenleuchtstoff ersetzt werden, es ermöglichen die zuvor genannten Verlustpfade zu reduzieren und so die Effizienz zu verbessern.
  • In dieser Anmeldung bezeichnet der Begriff herkömmlicher oder konventioneller Leuchtstoff einen Leuchtstoff, der weder ein Quantenpunkt-Leuchtstoff ist, noch ein Leuchtstoff der die Merkmale des weiter unten beschriebenen dritten Leuchtstoffs zeigt.
  • Quantenpunkt-Leuchtstoffe weisen ein Absorptionsverhalten auf, das sich von dem konventioneller Leuchtstoffe unterscheidet. Während typische, konventionelle rot emittierende Leuchtstoffe Absorption in einem sehr breiten Bereich des Spektrums zeigen, absorbieren Quantenpunkt-Leuchtstoffe nahezu ausschließlich im kurzwelligen, insbesondere im blauen Bereich des Spektrums (5B). Dies ist besonders stark ausgeprägt für Quantenpunkt-Leuchtstoffe mit einer Kern-Hülle-Strukture. Letztere absorbieren nahezu ausschließlich im Bereich der Emission von blauen Halbleiterchips. Quantenpunkt-Leuchtstoffe zeigen allgemein deutlich weniger Absorption im längerwelligen Bereich, als herkömmliche Leuchtstoffe. Rot emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoffe absorbieren insbesondere nicht im Bereich der eigenen roten Emission. Das bedeutet, dass bei einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination umfassend einen ersten, konventionellen Leuchtstoff und einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff der rot-Anteil im Spektrum, der durch den Quantenpunkt-Leuchtstoff erzeugt wird, überwiegend direkt durch die Konversion von blauem zu rotem Licht entsteht. Ein unerwünschter zweistufiger Konversionsprozess wird dagegen weitgehend vermieden. Außerdem treten in diesem Fall keine nennenswerten Anteile des ersten Leuchtstoffs als Opferleuchtstoff in Erscheinung.
  • So können auch auf den Opferleuchtstoff zurückzuführende Streuungsverluste vermieden werden. Weiterhin kommt hinzu, dass Quantenpunkt-Leuchtstoffe aufgrund ihrer geringen Größe im Nanometerbereich selber keine nennenswerte Streuung verursachen, sodass zu der schon erwähnten indirekten Reduzierung der Streuverluste aufgrund einer Vermeidung des unnötigen Opferleuchtstoffes auch eine direkte Reduzierung von Streuverlusten aufgrund der geringen Streuung von Quantenpunkt-Leuchtstoffen kommt.
  • Da sich durch den Einsatz von rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffen die genannten Verlustpfade deutlich reduzieren lassen, ermöglicht eine erfindungsgemäße Leuchtstoffkombination höhere Konversionseffizienzen. Der Einsatz von rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffen bietet also Vorteile sowohl bezüglich der spektralen Effizienz wie auch der Konversionseffizienz, sodass die Verwendung entsprechender Leuchtstoffkombinationen in optoelektronischen Vorrichtungen in der Summe zu einer verbesserten gesamten elektrischen Effizienz führt.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass bei erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombinationen beide Beiträge betreffend der spektralen Effizienz und Konversionseffizienz entgegen der ursprünglichen Erwartung positiv sind und somit überraschend eine Steigerung der Gesamteffizienz erlauben. Der Vorteil durch weniger Streuung kann so groß sein, dass selbst dann noch ein Nettogewinn für die Konversionseffizienz erreicht wird, sollte die Quanteneffizienz des betreffenden Quantenpunkt-Leuchtstoffs kleiner als die eines ersetzten konventionellen rot emittierenden Leuchtstoffes sein. Dies wurde von den Erfindern rechnerisch und experimentell bestätigt (7 und 8).
  • Im Folgenden werden bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombinationen angegeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform absorbiert der Quantenpunkt-Leuchtstoff blaues Licht und emittiert rotes Licht. Bevorzugt absorbiert der Quantenpunkt-Leuchtstoff blaues Licht mit einer Peakwellenlänge zwischen 420 und 490 nm, weiter bevorzugt zwischen 430 und 470 nm. Bevorzugt emittiert der Quantenpunkt-Leuchtstoff Licht mit einer Peakwellenlänge im Bereich von 590 bis 650 nm, weiter bevorzugt in einem Bereich von 600 nm bis 640 nm, beispielsweise 610 nm bis 650 nm, oder 620 nm bis 640 nm.
  • Als „Peakwellenlänge“ kann vorliegend die Wellenlänge im Emissionsspektrum bezeichnet werden, bei der die maximale Intensität im Emissionsspektrum liegt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Quantenpunkt-Leuchtstoff rotes Licht, wobei die Emissionsbandenbreite bei einer Halbwertsbreite (FWHM) zwischen 10 nm und 60 nm, insbesondere zwischen 15 und 50 nm, bevorzugt zwischen 20 und 40 nm beträgt.
  • Gemäß zumindest einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination um eine Leuchtstoffmischung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Leuchtstoffkombination um eine Leuchtstoffmischung, die weiterhin ein Matrixmaterial aufweist, in die der erste Leuchtstoff und der rot emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoff sowie ggf. ein dritter und/oder weitere Leuchtstoffe eingebettet sind. Die Leuchtstoffe können insbesondere gleichmäßig in dem Matrixmaterial verteilt sein. Insbesondere handelte es sich bei dem Matrixmaterial um ein transparentes Matrixmaterial, beispielsweise ein Matrixmaterial umfassend oder bestehend aus einem Harz, einem Silikon, Glas oder einem Hybridmaterial bzw. Kombinationen davon.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Leuchtstoffkombination weiterhin einen dritten Leuchtstoff auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem dritten Leuchtstoff um einen rot emittierenden Leuchtstoff.
  • Beispielsweise kann es sich bei dem dritten Leuchtstoff ebenfalls um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff handeln. Durch einen weiteren Quantenpunkt-Leuchtstoff lassen sich weitere Bereiche des sichtbaren Spektrums durch eine wohl-definierte schmalbandige Emission gezielt abdecken und zugleich Effizienzverluste vermeiden. Beispielsweise kann es sich bei dem dritten Leuchtstoff ebenfalls um einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff handeln. In diesem Fall ist es möglich als zweiten Leuchtstoff einen Quantenpunkt-Leuchtstoff zu wählen, der im kurzwelligen roten Bereich emittiert und als dritten Leuchtstoff einen Quantenpunkt-Leuchtstoff zu wählen, der im langwelligen roten Bereich emittiert. Der dritte Leuchtstoff emittiert dann also in einem längerwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums als der zweite Leuchtstoff. Eine derartige Leuchtstoffkombination zeichnet sich durch eine hohe Effizienz und gute Farbwiedergabe aus.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem dritten Leuchtstoff um einen rot emittierenden Leuchtstoff, der frei ist von Quecksilber (Hg) und/oder Cadmium (Cd). Eine Reihe von kommerziel erhältlichen Quantenpunk-Leuchtstoffen weisen Schwermetalle wie Hg oder Cd auf, deren Konzentration unter den Regulierungen des RoHS (Beschränkung gefährlicher Stoffe, „reduction of hazardous substances“, EU-Richtlinie 2011/65/EU) in kommerziellen Elektro- und Elektronikgeräten limitiert ist. Dadurch, dass als dritter Leuchtstoff ein rot emittierender Leuchtstoff gewählt wird, der frei von Hg und/oder Cd ist, lässt sich der Anteil eines gegebenenfalls Hg und/oder Cd aufweisenden zweiten Leuchtstoffs, bei dem es sich um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt, mengenmäßig so begrenzen, dass die Vorgaben der EU-Richtlinie 2011/65/EU eingehalten werden können. Derartige Leuchtstoffkombinationen genügen hohen Anforderungen an die Farbqualität. Zugleich weisen sie eine hohe Effizienz auf und erfüllen die Regulierungen des RoHS.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Leuchtstoff um einen grün emittierenden Leuchtstoff. Bevorzugt absorbiert der erste Leuchtstoff blaues Licht, beispielsweise Licht mit einer Peakwellenlänge zwischen 430 und 470 nm und emittiert grünes Licht, insbesondere grünes Licht mit einer Peakwellenlänge zwischen 490 bis 570 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Leuchtstoff um einen konventionellen Leuchtstoff. Damit ist insbesondere gemeint, dass es sich bei dem ersten Leuchtstoff nicht um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt. Die Leuchtstoffmischung weist dann also zumindest einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff als zweiten Leuchtstoff auf und einen nicht Quantenpunkt-Leuchtstoff als ersten Leuchtstoff.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass vor allem die Absorptions- und Emissionseigenschaften des rot emittierenden Leuchtstoffes entscheidend für die Farbqualität und die Effizienz sind. Die übrigen Leuchtstoffe müssen daher nicht notwendigerweise Quantenpunkt-Leuchtstoffe sein. Bevorzugt weist der erste Leuchtstoff kein Hg und/oder Cd auf und trägt somit zur Erfüllung der Regulierungen des RoHS bei.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Leuchtstoffmischung im Einklang mit der zuvor erwähnten RoHS-Richtlinie.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Leuchtstoff eine Partikelform auf. Bevorzugt weist der erste Leuchtstoff Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 0,1 µm bis 1000 µm, weiter bevorzugt von 1 µm bis 1000 µm auf. Insbesondere bevorzugt weist der erste Leuchtstoff Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 1 µm bis 50 µm, beispielsweise von 5 µm bis 50 µm auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Leuchtstoff um einen grünen Leuchtstoff, der ein beta-SiAlON enthält oder aus einem beta-SiAlON besteht. Das beta-SiAlON kann beispielsweise der folgenden chemischen Formel gehorchen: Si6-zAlzOzN8-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 Leuchtstoff ein grüner Leuchtstoff ist, der die Formel Y3 (Al1-xGax)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 Leuchtstoff ein grüner Leuchtstoff sein, der (Gd,Y)3(Al1-xGax)5O12:Ce, oder (Tb, Y)3(Al1-xGax)5O12:Ce aufweist oder aus einem dieser Materialien besteht, 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 Leuchtstoff ist und Lu3 (Al1-xGax)5O12:Ce oder (Lu, Y)3(Al1-xGax)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.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination weist der rot emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoff einen mittleren Partikeldurchmesser (d50) von 1 nm bis 300 nm auf, bevorzugt von 1 nm bis 100 nm, weiter bevorzugt von 1 nm bis 30 nm und insbesondere bevorzugt von 2 nm bis 50 nm, beispielsweise von 2 nm bis 20 nm. Nanopartikel dieser Größenordnung besitzen eine wohl definierte Bandlücke und zeichnen sich durch ein besonders wohl-definiertes Absorptions- und Emissionsverhalten aus. Die Emissionswellenlänge resultiert dabei aus der Bandlücke des Halbleitermaterials und der Quantisierung durch die jeweilige Größe des Quantenpunkt-Leuchtstoffs.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Partikelform des Quantenpunkt-Leuchtstoffes kugelförmig. Die Partikelform kann aber grundsätzlich auch länglich sein, also von einer idealen Kugelform abweichen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der rot emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoff der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination zumindest eines der Halbleitermaterialien, das aus der Gruppe der folgenden Halbleitermaterialien ausgewählt ist: CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, InN, AlN, sowie deren Mischkristalle oder Kombinationen davon. Denkbar sind neben binären auch ternäre und quarternäre Mischkristalle. Beispielsweise kann der Quantenpunkt-Leuchtstoff genau eines, genau zwei, genau drei oder genau vier der genannten Halbleitermaterialien enthalten oder daraus bestehen.
  • Gemäß zumindest einer anderen Ausführungsform weist der Quantenpunkt-Leuchtstoff ein Material auf, das eine Perowskit-Struktur besitzt.
  • Im Gegensatz zu typischen, konventionellen roten Leuchtstoffen, die keine Quantenpunkt-Leuchtstoffe sind, wie z.B. Eu2+ dotierte Nitride, wie etwa CaAlSiN3:Eu2+, (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+, oder Eu2+ dotierte Sulfide, weisen Quantenpunkt-Leuchtstoffe eine deutlich geringere Emissionshalbwertsbreite auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Quantenpunkt-Leuchtstoff eine Kern-Hülle-Struktur (Engl. core-shellstructure) auf. Bevorzugt, weisen dabei Kern und Hülle voneinander verschiedene Halbleitermaterialien auf. Auf diesem Wege lassen sich Absorption und Emission spektral voneinander trennen. Beispielsweise kann die Absorption überwiegend oder ausschließlich durch die Hülle erfolgen, während die Emission überwiegend oder ausschließlich durch den Kern erfolgt. Dies ist möglich auf der Basis unterschiedlicher Bandlücken der für den Kern und die Hülle gewählten Halbleitermaterialien.
  • In zumindest einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kern CdSe oder besteht daraus und die Hülle umfasst CdS oder besteht daraus.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Quantenpunkt-Leuchtstoff eine sogenannte „Alloy-Struktur“ auf. Damit sind Quantenpunkt-Leuchtstoffe gemeint, die zwar eine andere Zusammensetzung im inneren bzw. Kern aufweisen, als an ihrer Oberfläche bzw. Hülle. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kern-Hülle-Struktur, weisen sie jedoch keine scharfe Begrenzung zwischen Kern und Hülle auf, sondern die Übergänge sind fließend. Mit anderen Worten, weist der Quantenpunkt-Leuchtstoff zumindest zwei Halbleitermaterialien auf, etwa zumindest zwei der oben aufgelisteten Halbleitermaterialien, und außerdem weist der Quantenpunkt-Leuchtstoff einen Gradienten in der Zusammensetzung dieser zumindest zwei Halbleitermaterialien von innen nach außen auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination weist der rot-emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoff einen Kern mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 100 nm, bevorzugt 2 bis 10 nm und eine Hülle mit einer mittleren Dicke von bis zu 200 nm, bevorzugt bis zu 20 nm, beispielsweise zwischen 1 und 200 nm oder zwischen 1 und 20 nm, wie etwa 1 bis 10 nm auf. Beispielsweise ist die Dicke der Hülle zwischen 2 und 20 nm, wie etwa 5 bis 20 nm. Die Hülle ermöglicht eine besonders maßgeschneiderte und zielgerichtete Absorption. Eine zu dünne Hülle führt zu einer Verminderung der Absorptionsvorteile.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination weist der Quantenpunkt-Leuchtstoff eine SiO-Umhüllung auf. Das bedeutet, dass jeweils ein oder mehrere Quantenpunkte des Leuchtstoffes von einer Umhüllung umfassend oder bestehend aus SiO umgeben sind. Beispielsweise weist der Quantenpunkt-Leuchtstoff eine Kern-Hülle-Struktur auf und zusätzlich eine SiO-Umhüllung. In diesem Fall weist der Quantenpunt Leuchtstoff also neben dem Kern mehrere Hüllen auf, wobei die erste Hülle ein Halbleitermaterial umfasst, während die weitere Hülle eine SiO-Hülle sein kann und folglich eine SiO-Umhüllung bildet. Die SiO-Umhüllung ist dazu geeignet eine Agglomeration der Quantenpunkt-Leuchtstoffe zu vermindern oder zu verhindern und um die Quantenpunkt-Leuchtstoffe zu schützen z.B. vor Sauerstoff oder Wasser.
  • Gemäß zumindest einer Weiterbildung weist die SiO-Umhüllung einen Durchmesser von 1 µm bis 20 µm auf.
    Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt der Anteil des rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffs bezogen auf die gesamte Menge an Leuchtstoff weniger als 60 Gew.%, bevorzugt weniger als 30 Gew.%, weiter bevorzugt weniger als 20 Gew.%, insbesondere bevorzugt weniger als 10 Gew.%, noch weiter bevorzugt weniger als 5 Gew.% oder gar weniger als 2 Gew.%. Beispielsweise beträgt der Anteil des Quantenpunkt-Leuchtstoffs bezogen auf die gesamte Menge an Leuchtstoff in der Leuchtstoffkombination zwischen 0,1 und 60 Gew.%, 0,1 und 30 Gew.%, 0,1 und 20 Gew.% oder 0,1 und 10 Gew.%, beispielsweise zwischen 0,1 und 5 Gew.%, wie etwa 1 bis 2 Gew.%.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Leuchtstoffkombination einen dritten Leuchtstoff, wobei der dritte Leuchtstoff die Formel (MB) (TA)3-2x (TC)1+2xO4-4xN4x: E aufweist.
  • TA ist aus einer Gruppe von monovalenten Metallen ausgewählt. Insbesondere ist TA aus einer Gruppe ausgewählt, die die monovalenten Metalle Lithium, Natrium, Kupfer, Silber und Kombinationen daraus umfasst. Bevorzugt ist TA Lithium.
  • MB ist aus einer Gruppe von divalenten Metallen ausgewählt. Insbesondere ist MB aus einer Gruppe ausgewählt, die die divalenten Metalle Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Zink und Kombinationen daraus umfasst. Vorzugsweise ist MB Kalzium, Strontium, Barium oder eine Kombination daraus. Bevorzugt ist MB Strontium.
  • TC ist aus einer Gruppe von trivalenten Metallen ausgewählt. Insbesondere ist TC aus einer Gruppe ausgewählt, die die trivalenten Metalle Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Yttrium, Eisen, Chrom, Scandium, Seltenerdmetalle und Kombinationen daraus umfasst. Bevorzugt ist TC Aluminium.
  • E ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Europium, Mangan, Cer, Ytterbium und Kombinationen daraus umfasst. Bevorzugt handelt es sich bei E um Eu3+, Eu2+, Ce3+, Yb3+, Yb2+ und/oder Mn4+. Weiter bevorzugt handelt es sich bei E um Eu2+.
  • Es gilt 0 < x < 0,875. Bevorzugt gilt: 0,45 < x < 0,55. Weiter bevorzugt gilt: x = 0,5.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass eine Leuchtstoffkombination umfassend einen ersten Leuchtstoff, einen zweiten Leuchtstoff, bei dem es sich um einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt, und einen dritten Leuchtstoff, mit der allgemeinen Formel (MB) (TA)3-2x (TC)1+2xO4-4xN4x: E, eine besonders gute Farbqualität mit einer hohen Effizienz verbindet und somit bei der Verwendung in einer optoelektronischen Vorrichtung einen spektralen Vorteil bietet. Zusätzlich ist eine solche Leuchtstoffkombination umweltfreundlicher, als eine Leuchtstoffkombination, die einen Quantenpunkt-Leuchtstoff als einzigen rot emittierenden Leuchtstoff aufweist. Durch die Verwendung eines dritten Leuchtstoffs der allgemeinen Formel (MB) (TA)3-2x (TC)1+2xO4-4xN4x: E, ist es möglich bei gleichbleibendem Farbort und bei gleichbleibender Lichtqualität weniger Hg und/oder Cd aufweisenden Quantenpunkt-Leuchtstoff zu verwenden, womit erreicht werden kann, dass die Leuchtstoffkombination den Erfordernissen der RoHS Regulierung genügt.
  • Die Verwendung von (MB) (TA)3-2x (TC)1+2xO4-4xN4x: E als dritter Leuchtstoff hat zudem den Vorteil, dass dieser rot emittierende Leuchtstoff eine schmalbandigere Emission besitzt, als herkömmliche rot emittierende Leuchtstoffe. Dies ist positiv für die Farbwiedergabe und die spektrale Effizienz.
  • In der Summe führt die beschriebene Leuchtstoffkombination aufweisend einen dritten Leuchtstoff der hier beschriebenen Art zu einer Verringerung der Doppelkonversion und Streuung. Dies ermöglicht es die Gesamtmenge der Leuchtstoffe in der Leuchtstoffkombination zu reduzieren. Diese Reduktion ermöglicht eine weitere Verringerung der Streuung. Somit erlaubt die Verwendung derartiger Leuchtstoffkombinationen in einer optoelektronischen Vorrichtung eine deutliche Steigerung der gesamten elektrischen Effizienz.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der dritte Leuchtstoff die Formel (MB) Li3-2xAl1+2xO4-4xN4x: E auf. MB ist aus einer Gruppe von divalenten Metallen ausgewählt. Insbesondere ist MB aus einer Gruppe ausgewählt, die Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Zink und Kombinationen daraus umfasst. Vorzugsweise ist MB Kalzium, Strontium, Barium oder eine Kombination daraus. Insbesondere ist MB Strontium. E ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Europium, Mangan, Cer, Ytterbium und Kombinationen daraus umfasst. Insbesondere handelt es sich bei E um Eu3+, Eu2+, Ce3+, Yb3+, Yb2+ und/oder Mn4+. Es gilt 0 < x < 0,875. Insbesondere gilt 0,45 < x < 0,55. Vorzugsweise ist x = 0,5.
  • Hier und in der gesamten Anmeldung werden Leuchtstoffe anhand von Summenformeln beschrieben. Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente, etwa in Form von Verunreinigungen, aufweist, wobei diese Verunreinigungen zusammengenommen bevorzugt höchstens einen Gewichtsanteil an dem Leuchtstoff von 1 ‰ oder 100 ppm (Parts per Million) oder 10 ppm aufweisen.
  • Durch Verwendung der Aktivatoren Eu, Ce, Yb und/oder Mn, insbesondere Eu oder Eu in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, können besonders gut der Farbort des dritten Leuchtstoffs im CIE-Farbraum, dessen Peakwellenlänge λpeak beziehungsweise Dominanzwellenlänge λdom, und die Halbwertsbreite eingestellt werden.
  • Der Aktivator E kann gemäß einer weiteren Ausführungsform in Mol%-Mengen von 0,1 Mol% bis 20 Mol%, 1 Mol% bis 10 Mol%, 0,5 Mol% bis 5 Mol%, vorhanden sein. Zu hohe Konzentrationen an E können zu einem Effizienzverlust durch Konzentrationsquenching führen. Hier und im Folgenden werden Mol%-Angaben für den Aktivator E, insbesondere Eu, insbesondere als Mol%-Angaben bezogen auf den Molanteil von MB im dritten Leuchtstoff verstanden.
  • MB kann gemäß einer weiteren Ausführungsform in Mol%-Mengen von 80 Mol% bis 99,9 Mol% vorhanden sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der dritte Leuchtstoff in der tetragonalen Raumgruppe P42/m. Leuchtstoffe, die in dieser Raumgruppe kristallisieren weisen eine besonders schmalbandige Emission auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist x = 0,5. Es ergibt sich der dritte Leuchtstoff mit der Formel (MB) Li2Al2O2N2:E, wobei MB aus einer Gruppe von divalenten Metallen ausgewählt ist, die Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Zink oder Kombinationen daraus umfasst, wobei E aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Europium, Mangan, Cer, Ytterbium und Kombinationen daraus umfasst.
  • Besonders bevorzugt ist der dritte Leuchtstoff SrLi2Al2O2N2:Eu. Der dritte Leuchtstoff ist also besonders bevorzugt ein europiumdotierter Lithiumoxonitridoaluminatleuchtstoff. Dieser Leuchtstoff besitzt eine besonders schmalbandige Emission. Die genannten Vorteile sind für diesen Leuchtstoff als drittem Leuchtstoff besonders prägnant.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der dritte Leuchtstoff elektromagnetische Strahlung aus dem roten Spektralbereich. Insbesondere emittiert der Leuchtstoff Strahlung mit einer Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 590 nm und einschließlich 620 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 595 nm und einschließlich 615 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 600 nm und einschließlich 610 nm.
  • Beispielsweise emittiert der Leuchtstoff der Formel SrLi2Al2O2N2:Eu bei Anregung mit einer Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von z.B. 460 nm im roten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums und zeigt eine schmalbandige Emission, das heißt eine Emission mit einer geringen Halbwertsbreite, vorzugsweise mit einer Halbwertsbreite von kleiner als 55 nm auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der dritte Leuchtstoff ein Emissionsspektrum mit einer maximalen Peakwellenlänge von 614 nm +/- 10 nm, 9 nm, 8 nm, 7 nm, 6 nm, 5 nm, 4 nm, 3 nm, 2 nm oder 1 nm und/oder einer Halbwertsbreite von kleiner als 70 nm, kleiner als 65 nm oder kleiner als 60 nm, insbesondere kleiner als 55 nm, bevorzugt kleiner als 50 nm, beispielsweise 48 nm, auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbwertsbreite kleiner als 55 nm, bevorzugt kleiner als 50 nm, beispielsweise kleiner oder gleich 45 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der dritte Leuchtstoff nicht in der Raumgruppe I4/m oder der Kristallstruktur vom UCr4C4-Typ.
  • Gemäß einer davon verschiedenen Ausführungsform kristallisiert der dritte Leuchtstoff in der Raumgruppe I4/m oder der Kristallstruktur vom UCr4C4-Typ.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der dritte Leuchtstoff mit einer Primärstrahlung aus dem UV- und/oder blauen Spektralbereich anregbar. Beispielsweise ist der Leuchtstoff mit einer Wellenlänge von 430 bis 470 nm, z.B. 460 nm +/-10 % anregbar.
  • Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Anteil des dritten Leuchtstoffs bezogen auf die gesamte Menge an Leuchtstoff weniger als 60 Gew.%, bevorzugt weniger als 30 Gew.%, weiter bevorzugt weniger als 20 Gew.%, insbesondere bevorzugt weniger als 10 Gew.%. Beispielsweise beträgt der Anteil des dritten Leuchtstoffs bezogen auf die gesamte Menge an Leuchtstoff in der Leuchtstoffmkombination zwischen 0,1 und 60 Gew.%, 0,1 und 30 Gew.%, 0,1 und 20 Gew.% oder 0,1 und 10 Gew.%.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt der Anteil des dritten Leuchtstoffs bezogen auf die gesamte Menge an Leuchtstoff der Leuchtstoffkombination mindestens 10 Gewichtsprozent, bevorzugt mindestens 20 Gewichtsprozent.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Leuchtstoffkombination zumindest einen weiteren Leuchtstoff, wobei es sich bevorzugt um einen vom ersten, zweiten und dritten Leuchtstoff verschiedenen Leuchtstoff handelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem weiteren Leuchtstoff um einen Leuchtstoff der allgemeinen Formel: M(1-x-y-z) Zz [AaBbCcDdEeN4-nOn] : ESxREy,
    • - M ist dabei ausgewählt aus der Gruppe der Elemente Ca, Sr, Ba.
    • - Z ist dabei ausgewählt aus der Gruppe der Elemente Na, K, Rb, Cs, Ag.
    • - A ist dabei ausgewählt aus der Gruppe der Elemente Mg, Mn, Zn.
    • - B ist dabei ausgewählt aus der Gruppe der Elemente B, Al, Ga.
    • - C ist dabei ausgewählt aus der Gruppe der Elemente Si, Ge, Ti, Zr, Hf.
    • - D ist dabei ausgewählt aus der Gruppe der Elemente Li und Cu.
    • - E ist dabei ausgewählt aus der Gruppe der Elemente P, V, Nb, Ta.
    • - ES ist dabei Ce3+.
    • - RE ist dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eu2+, Eu3+, Yb2+, Yb3+.
    Dabei gilt:
    • - 0 ≤ x ≤ 0,2
    • - 0 ≤ y ≤ 0,2
    • - 0 ≤ x+y ≤ 0,4
    • - 0 ≤ z < 1, bevorzugt gilt: z ≤ 0,9, z.B. gilt: z ≤ 0,5
    • - 0 ≤ n ≤ 0,5
    • - 0 ≤ a ≤ 4, z.B. gilt: 2 ≤ a ≤ 3
    • - 0 ≤ b ≤ 4
    • - 0 ≤ c ≤ 4
    • - 0 ≤ d ≤ 4
    • - 0 ≤ e ≤ 4
    • - a+b+c+d+e = 4
    • - 2a+3b+4c+d+5e = 10-y-n+z
    Besonders bevorzugt gilt: x+y+z ≤ 0,2.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Leuchtstoff ausgewählt aus der Liste der folgenden Leuchtstoffe:
    • - Ce3+ Granate, beispielsweise:
      • -- Y3 (Al1-xGax)5O12: Ce3+,
      • -- (Gd,Y)3 (Al1-xGax)5O12:Ce3+,
      • -- (Tb,Y)3 (Al1-xGax)5O12:Ce3+,
      • -- Lu3 (Al1-xGax) 5O12:Ce3+,
      • -- (Lu,Y)3 (Al1-xGax)5O12:Ce3+,
    • - Ce3+ dotierte (Oxy)Nitride, beispielsweise:
      • -- (La,Y)3Si6N11:Ce3+,
      • -- (La1-xCax)3Si6(N1-yOy)11:Ce3+,
      mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1- Eu2+ Oxide, (Oxy)Nitride, beispielsweise:
      • -- (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+,
      • -- Sr(Sr,Ca)Si2Al2N6:Eu2+,
      • -- (Ca,Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+,
      • -- SrAlSi7N4:Eu2+,
      • -- Sr[Al3LiN4]:Eu2+,
      • -- Ca[Al3LiN4]:Eu2+,
      • -- Ca8Mg(SiO4)4C12:EU2+
    • - Eu2+ dotierte Sulfide, beispielswiese
      • -- CaS: Eu2+
      • -- SrGa2S4: Eu2+
    • - Mn4+ dotierte Leuchtstoffe, wobei als Wirtsstruktur beispielsweise K2SiF6, Na2SiF6, K2TiF6 dienen können. Als Mn4+ dotierte Leuchtstoffe können allgemein fluoridische und oxyfluoridische Leuchtstoffe zum Einsatz kommen etwa Leuchtstoffe der allgemeinen Formel: EAxAy[BzCfDgEhOaFb]:Mn4+ c
      • -- wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag, NH4 oder Kombinationen davon,
      • -- wobei EA ausgewählt ist aus der Gruppe der Elemente bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn oder Kombinationen davon,
      • -- wobei B ausgewählt ist aus der Gruppe der Elemente bestehend aus Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Hf
      • -- wobei C ausgewählt ist aus der Gruppe der Elemente bestehend aus Al, Ga, In, Gd, Y, Sc, La, Bi, Cr
      • -- wobei D ausgewählt ist aus der Gruppe der Elemente bestehend aus Nb, Ta, V
      • -- wobei E ausgewählt ist aus der Gruppe der Elemente bestehend aus W, Mo oder Kombinationen davon
      Dabei ergibt sich die Partialladung d aus [EAxAy]d aus (2*x+y) und entspricht dem Invers der Partialladung e von [[BzCfDgEhOaFb]:Mn4+ c]e, welche sich auch as (4*z+3*f+5*g+6*h+4*c-2*a-b) zusammensetzt. Ebenso kann Mg4GeO3,5F als Wirtssktuktur verwendet werden, wobei der Aktivatorgehalt bevorzugt ≤ 3 At.%, besonders bevorzugt ≤ 1 At.% beträgt. Der weitere Leuchtstoff kann die allgemeine Formel (4-x)MgO*xMgF2*GeO2:Mn4+ aufweisen. Ebenso kann Mn4+ dotiertes A2Ge4O9 bzw. A3A'Ge8O18, wobei A und A' jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe der Elemente Li, K, Na, Rb, als weiterer Leuchtstoff dienen, beispielsweise Mn4+ dotiertes K2Ge4O9, Rb2Ge4O9 oder Li3RbGe8O18. Ebenso kann Mn4+ dotiertes Sr4Al14O25, Mg2TiO4, CaZrO3, Gd3Ga5O12, Al2O3, GdAlO3, LaAlO3, LiAl5O8, SrTiO3, Y2Ti2O7, Y2Sn2O7, CaAl12O19, MgO, Ba2LaNbO6 als weiterer Leuchtstoff verwendet werden.
    • - Außerdem können Leuchtstoffe aus der Klasse der (nanopartikulären) Halbleitermaterialien als weiterer Leuchtstoff dienen, beispielsweise Leuchtstoffe der allgemeinen Zusammensetzung ZMX3,
      • -- wobei Z ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cs, CH3NH3, CH (NH2)2, (CH3)3NH,
      • -- wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb, Sn, Ge, Mn, Cd, Zn,
      • -- wobei X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Br, I, SCN.
    • - Außerdem können Leuchtstoffe der allgemeinen Formel AI 2MIMIIIX6 als weiterer Leuchtstoff dienen,
      • -- wobei AI ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cs, CH3NH3, CH(NH2)2, (CH3)3NH,
      • -- wobei MI ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ag, K, Tl, Au
      • -- wobei MIII ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sb, Bi, As, Sn,
      • -- wobei X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Br, I, SCN.
      Beispielsweise Leuchtstoffe der Formeln Cs3Sb2I9, (CH3NH3)3Sb2I9, Cs2SnI6.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein Konversionselement aufweisend eine Leuchtstoffkombination gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement zumindest eine Schicht auf. Die Leuchtstoffkombination liegt bevorzugt in der Schicht vor.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement zumindest eine zweite Schicht und/oder dritte Schicht neben der ersten Schicht auf. Beispielsweise kann die zweite Schicht auf der ersten Schicht angeordnet sein. Die dritte Schicht kann auf der zweiten Schicht angeordnet sein. Die Leuchtstoffe der Leuchtstoffkombination können auf die einzelnen Schichten verteilt sein. Beispielsweise kann jeder Leuchtstoff in einer eigenen Schicht vorliegen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement zumindest ein Matrixmaterial auf. Beispielsweise sind die Leuchtstoffe in das Matrixmaterial eingebettet oder darin verteilt. Insbesondere können die Leuchtstoffe als Partikel gleichmäßig in dem Matrixmaterial verteilt sein.
  • Die Erfindung betrifft nach einem dritten Aspekt eine optoelektronische Vorrichtung, umfassend
    • - einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert,
    • - eine Leuchtstoffkombination gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
  • Erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtungen zeichnen sich durch eine besonders gute Farbwiedergabe und Effizienz aus.
  • Bei dem Halbleiterchip kann es sich insbesondere um einen UV-Strahlung und/oder blaues Licht emittierenden Halbleiterchip handeln. Bevorzugt emittiert der Halbleiterchip Licht aus dem blauen Bereich des Spektrums. Weiter bevorzugt emittiert der Halbleiterchip Licht mit einer Peakwellenlänge zwischen 430 nm und 470 nm.
  • Gemäß zumindest einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leuchtstoffkombination im Strahlengang des Halbleiterchips angeordnet. Beispielsweise ist die Leuchtstoffkombination auf einer Hauptstrahlenaustrittsfläche des Halbleiterchips angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Leuchtstoffkombination in einem auf dem Halbleiterchip angeordneten Konversionselement vorhanden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Leuchtstoffkombination als Verguss über dem Halbleiterchip angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung um eine Leuchtdiode (LED), bevorzugt um eine Weißlicht emittierende LED.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende 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, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • 1A zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination 10, mit einem ersten Leuchtstoff 1 und einem zweiten Leuchtstoff 2, bei dem es sich um einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt. Bevorzugt liegt zudem ein dritter Leuchtstoff 3 vor, beispielsweise der rot emittierende Leuchtstoff SrLi2Al2O2N2:Eu. Wie in 1A dargestellt handelt es sich bei der Leuchtstoffkombination 10 bevorzugt um eine Leuchtstoffmischung 10.
  • 1B zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination 10, wobei im Falle von 1B die Leuchtstoffe nicht miteinander vermischt sind. Die Leuchtstoffkombination ist zwar bevorzugt eine Leuchtstoffmischung, es ist aber auch möglich, dass die Leuchtstoffe nicht miteinander vermischt vorliegen.
  • 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Konversionselements 20, das die Leuchtstoffkombination 10 aufweist. Bevorzugt weist das Konversionselement die Leuchtstoffkombination als Leuchtstoffmischung auf. Das Konversionselement kann ein Matrixmaterial 4 aufweisen in das die Leuchtstoffe eingebettet sind.
  • 3A und 3B zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht von Ausführungsformen erfindungsgemäßer optoelektronischer Vorrichtungen 30. Sie weisen jeweils einen Halbleiterchip 50 auf in dessen Strahlengang sich die erfindungsgemäße Leuchtstoffkombination befindet. Im Falle von 3A ist ein erfindungsgemäßes Konversionselement 20 aufweisend die Leuchtstoffkombination auf dem Halbleiterchip angeordnet. 3B zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 30 mit einem Halbleiterchip 50 und einem Verguss 40. In dem Vergussmaterial, wobei es sich z.B. um ein Silikon oder ein Harz handeln kann, ist die erfindungsgemäße Leuchtstoffkombination enthalten. Die optoelektronischen Vorrichtungen können zudem ein Gehäuse 60 aufweisen.
  • 4 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau des zweiten Leuchtstoffs. Der Quantenpunkt-Leuchtstoff kann in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination eine Kern-Hülle-Struktur mit einem Kern 2a und einer Hülle 2b aufweisen. Zum Beispiel enthält oder besteht der Kern 2a aus CdSe und die Hülle 2b aus CdS.
  • 5A zeigt die Absorptionseigenschaften (A) und Emissionseigenschaften (E) eines konventionellen rot emittierenden Leuchtstoffes. Die Absorption reicht vom blauen Bereich des Spektrums, bis hin zur eigenen roten Emission. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass eine derart breite Absorption zu einem erheblichem Maße zu den Effizienzverlusten führt.
  • 5B zeigt die Absorptionseigenschaften (A) und Emissionseigenschaften (E) eines rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffes (QD). Quantenpunkt-Leuchtstoffe absorbieren nahezu ausschließlich im gewünschten blauen Bereich des Spektrums. Die Bereiche der Absorption und Emission sind somit voneinander getrennt. Unerwünschte Doppelkonversion kann so weitgehend vermieden werden.
  • 6A zeigt das Emissionsspektrum einer Leuchtdiode mit einem blauen Halbleiterchip und einer herkömmlichen Leuchtstoffkombination. Der blaue Halbleiterchip emittiert blaues Licht. Das blaue Licht wird teilweise von einem ersten Leuchtstoff absorbiert und als grünes Licht (G) emittiert. Das blaue Licht wird weiterhin teilweise von einem zweiten Leuchtstoff absorbiert und als rotes Licht emittiert (R).
  • Weiterhin wird ein Teil des grünen Lichts ebenfalls vom zweiten Leuchtstoff absorbiert und in rotes Licht emittiert (R). Hierbei handelt es sich um eine unerwünschte zweistufige Konversion (bzw. Doppelkonversion). Da bei jedem der Konversionsschritte die Quanteneffizienz (QE) ca. 90% beträgt, beträgt die Quanteneffizienz im Falle einer Doppelkonversion insgesamt nur 90%*90% = 81%. Die Doppelkonversion führt also zu Verlusten bei der Quanteneffizienz. Außerdem trägt ein beachtlicher Teil des ersten, grün emittierenden Leuchtstoffes nur zur Produktion von rotem Licht, nicht aber zur Erzeugung von grünem Licht bei. Dieser als „Opferleuchtstoff“ wirkende Anteil des ersten Leuchtstoffes ist somit für das gewünschte Spektrum entbehrlich. Durch seine Anwesenheit führt er aber zu zusätzlichen Streuungsverlusten. Das insgesamt emittierte weiße Spektrum (W) wird somit nur unter erheblichen Einbußen betreffend die gesamte elektrische Effizienz erhalten.
  • 6B zeigt hingegen dass Emissionsspektrum (W QD) einer Leuchtdiode mit einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination. Auch hier wird das blaue Licht des Halbleiterchips von einem konventionellen grünen Leuchtstoff absorbiert. Da es sich bei dem zweiten Leuchtstoff jedoch nicht um einen konventionellen rot emittierenden Leuchtstoff mit breiter Absorption handelt, sondern um einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff (R QD) mit schmaler Absorption, findet kaum Doppelkonversion statt. Unerwünschte Verluste bei der Quanteneffizienz (QE) wegen Doppelkonversion können so deutlich reduziert werden. Außerdem kann eine z.T. beachtliche Menge des ersten, grünen Leuchtstoffes eingespart werden, da weniger grüner Leuchtstoff (G) als Opferleuchtstoff wirkt. Die Einsparung kann z.T. mehr als 30% betragen, z.B. 35%. Folglich findet an dieser eingesparten Menge an erstem Leuchtstoff keine Streuung mehr statt. Außerdem streuen auch die Quantenpunkte des zweiten Leuchtstoffes kaum. In der Summe findet also auch deutlich weniger Streuung statt als bei konventionellen Leuchtstoffkombinationen. Die Leuchtstoffkombination kann optional auch noch einen dritten Leuchtstoff enthalten. In 6B ist ein dritter Leuchtstoff gezeigt, der ebenfalls rot emittiert (R), aber kein Quantenpunkt-Leuchtstoff ist. Auf diesem Wege ist nur eine begrenzte Menge des Quantenpunkt-Leuchtstoffs (R QD) erforderlich, was es erleichtert die RoHS-Regulierungen zu erfüllen, während zugleich eine hoch effiziente optoelektronische Vorrichtung erhalten wird.
  • 7 erläutert rechnerisch, wie bei optoelektronischen Vorrichtungen, die die erfindungsgemäße Leuchtstoffkombination nutzen, die relativen Effizienzgewinne zustande kommen.
  • 8A fasst Messergebnisse an einer erfindungsgemäßen LED und einer Referenz-LED zusammen und zeigt auf, inwieweit Gewinne bei der Lichtausbeute auf die verbesserte Konversionseffizienz und auf die verbesserte spektrale Effizienz zurückzuführen sind.
  • 8B erläutert, welche Leuchtstoffkombinationen der in den Messungen von 8A verwendeten LEDs zum Einsatz kommen. Die Referenz-LED weist eine herkömmliche Leuchtstoffkombination auf, die neben einem grün emittierenden Granat Leuchtstoff zwei konventionelle rot emittierende Nitrid Leuchtstoffe aufweist. Demgegenüber enthält die erfindungsgemäße LED eine Leuchtstoffkombination mit 1 Gew.% eines rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffes. Es wird also ein Teil des konventionellen rot emittierenden Leuchtstoffes durch einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff ersetzt. Weil dessen rot-Emission direkt aus der blauen Halbleiterchip-Emission konvertiert wird - und nicht wie im konventionellen Fall teilweise auch über Photonen des grünen Leuchtstoffes - wird in der Summe deutlich weniger vom grünen Leuchtstoff benötigt. Dies erlaubt es den Anteil an grün emittierendem Granat Leuchtstoff um 35% zu reduzieren, was zu deutlich weniger Streuverlusten führt. Die Gewichtsprozentangaben der Leuchtstoffe beziehen sich in 8B jeweils auf die Summe des Gesamtgewichts der Leuchtstoffe und des Matrixmaterials. Die Leuchtstoffkombinationen genügen zudem hohen Standards im Hinblick auf die Farbqualität. Es wird eine Farbtemperatur von ca. 3000 K erreicht, ein CRI-Wert von jeweils über 90 und ein R9-Wert von jeweils über 50. Die erfindungsgemäße LED ermöglicht es diese hohen Farbqualitäten bei gleichzeitiger Effizienzsteigerung zu erreichen.
  • 9 zeigt die simulierten Emissionsspektren einer Reihe von Einzelleuchtstoffen. Gezeigt ist die blaue Emission eines Halbleiterchips. Gezeigt ist weiterhin die grüne Emission des LuAGaG:Ce Leuchtstoffs, der als erster Leuchtstoff einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination verwendet werden kann. Gezeigt ist außerdem die rote Emission eines konventionellen Sr(Sr,Ca)Si2Al2N6:Eu2+ Leuchtstoffes. Schließlich wir die Emission eines schmalbandig emittierenden Sr[Al2Li2O2N2]:Eu2+ Leuchtstoffes gezeigt, der als dritter Leuchtstoff einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination verwendet werden kann. Außerdem ist die besonders schmalbanidge Emission eines CdS/CdSe Quantenpunkt-Leuchtstoffes gezeigt, welcher als zweiter Leuchtstoff einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffkombination dienen kann.
  • 10 zeigt Simulationen von Weißlicht-LED Emissionsspektren basierend auf verschiedenen Leuchtstoffkombinationen (Beispiele 1-3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2).
  • 11 zeigt eine Tabelle, welche die Zusammensetzung der Leuchtstoffkombinationen zusammenfasst. Die Tabelle vergleicht die jeweiligen Leuchtstoffkombinationen im Hinblick auf die Farbkoordinaten Cx, Cy, die Farbtemperatur (CCT), den Farbwiedergabeindex (CRI-Wert), den R9-Wert (Referenzfarbe 9, Rotwiedergabe), sowie die spektrale Effizienz (LER). Aus den Simulationen geht klar hervor, dass sämtliche Leuchtstoffkombinationen, mit einem ersten grün emittierenden LuAGaG:Ce3+ Leuchtstoff und einem rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff als zweitem Leuchtstoff eine besonders hohe spektrale Effizienz (LER) mit besonders guten Farbwiedergabeeigenschaften kombinieren (Beispiele 1-3). Während Beispiel 1 die beste Effizienz aufweist, stellt Beispiel 2 die beste Kombination von Effizienz und Umweltfreundlichkeit dar. Zwar zeigt Beispiel 1 die beste Effizienz, ist aber nicht im Einklang mit den RoHS-Regulierungen. Beispiel 2 ermöglicht aufgrund der Anwesenheit von Sr[Al2Li2O2N2]:Eu2+ als drittem Leuchtstoff die Erfüllung der RoHS-Regulierungen bei gleichzeitig exzellenten Farbwiedergabe- und Effizienzeigenschaften.
  • Ausführungsbeispiele können auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
  • Im Folgenden wird angegeben, wie erfindungsgemäße Leuchtstoffmischungen bereit gestellt werden können. Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Leuchtstoffmischung wird zunächst der erste und zweite und gegebenenfalls der dritte Leuchtstoff bereitgestellt:
  • Als erster Leuchtstoff kommen beliebige konventionelle Leuchtstoffe, bevorzugt grün emittierende Leuchtstoffe, wie etwa die zuvor erwähnten Leuchtstoffe Si6-zAlzOzN8-z:RE, Y3(Al1-xGax)5O12:Ce, (Gd,Y)3(Al1-xGax)5O12:Ce, (Tb, Y)3(Al1-xGax)5O12:Ce, Lu3 (Al1-xGax) 5O12:Ce oder (Lu, Y)3(Al1-xGax) 5O12:Ce in Betracht. Die Herstellung dieser Leuchtstoffe ist dem Fachmann bekannt. Sie sind zudem kommerziell erhältlich.
  • Für die Synthese von rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffen sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl verschiedener Synthesen bekannt. Eine Reihe von rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffen sind zudem kommerziell erhätlich.
  • Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des dritten Leuchtstoffs erläutert:
  • Der dritte Leuchtstoff kann mittels Festkörperreaktion hergestellt werden. Dazu können die Edukte des dritten Leuchtstoffes vermengt werden. Beispielsweise können Strontiumnitrid (Sr3N2), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Lithiumnitrid (Li3N) und Europiumoxid (Eu2O3) zur Herstellung von SrLi2Al2O2N2:Eu verwendet werden. Die Edukte werden in einem entsprechenden Verhältnis miteinander vermengt. Die Edukte können beispielsweise in einen Nickeltiegel eingebracht werden. Anschließend kann das Gemenge auf eine Temperatur zwischen 700 °C und 1000 °C, vorzugsweise 800 °C, aufgeheizt werden. Zusätzlich kann das Aufheizen in einem Formiergasstrom erfolgen, wobei die Temperaturen über 1 bis 400 Stunden gehalten werden. Der Anteil des Wasserstoffs (H2) im Stickstoff (N2) kann beispielsweise 7,5 % sein. Die Aufheiz- und Abkühlraten können beispielsweise bei 250 °C pro Stunde liegen.
  • Alternativ zu dem oben beschriebenen Verfahren kann der dritte Leuchtstoff auch mit einer Festkörpersynthese in einer zugeschweißten Tantalampulle erzeugt werden. Dazu können die Edukte, wie beispielsweise im Falle des dritten Leuchtstoffes SrLi2Al2N2O2:Eu, Sr3Al2O6, Li(Flux), LiN3 und Eu2O3, in einem entsprechenden Mischungsverhältnis miteinander vermengt werden und in eine Tantalampulle eingebracht werden. Es erfolgt beispielsweise ein Aufheizen von Raumtemperatur auf 800 °C, ein anschließendes Halten der Temperatur für beispielsweise 100 Stunden, wobei anschließend das System wieder auf Raumtemperatur abkühlt wird und der dritte Leuchtstoff erzeugt ist. Die Edukte des dritten Leuchtstoffs liegen beispielsweise als Pulver vor. Nach dem Heizschritt kann ein Abkühlvorgang erfolgen, wobei das Gemenge auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Unter Raumtemperatur wird insbesondere eine Temperatur von 20 °C oder 25 °C verstanden. Die Synthese erfolgt bei moderaten Temperaturen und ist daher sehr energieeffizient. Die Anforderungen beispielsweise an den verwendeten Ofen sind damit gering. Die Edukte sind kostengünstig kommerziell erhältlich und nicht toxisch.
    Die Leuchtstoffmischung ergibt sich schließlich aus einer Kombination der genannten ersten und zweiten Leuchtstoffe und optional des dritten Leuchtstoffes. Beispielsweise können Pulver der Leuchtstoffe miteinander vermengt werden. Beispielsweise können die Leuchtstoffe auch jeweils in ein Matrixmaterial eingebracht und darin dispergiert werden. Es ist aber auch möglich jeden der Leuchtstoffe in ein eigenes Matrixmaterial einzubringen. Die Leuchtstoffmischung worunter eine Kombination der Leuchtstoffe zu verstehen ist ergibt sich in diesem Fall aus einer Kombination der verschiedenen Matrixmaterialien umfassend die jeweiligen Leuchtstoffe.
  • Die erfindungsgemäße Leuchtstoffkombination kann beispielsweise durch ein Mischen von Pulvern der oben genannten Leuchtstoffe mit oder ohne einem zusätzlichen Matrixmaterial erhalten werden.
  • 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
    zweiter Leuchtstoff = Quantenpunkt-Leuchtstoff
    2a
    Kern
    2b
    Hülle
    3
    dritter Leuchtstoff
    4
    Matrixmaterial
    10
    Leuchtstoffkombination
    20
    Konversionselement
    30
    Optoelektronische Vorrichtung
    40
    Verguss
    50
    Halbleiterchip
    60
    Gehäuse
    A
    Absorption
    E
    Emission
    QD
    Quantenpunkt-Leuchtstoff („Quantumdot“)
    W
    Weißes Licht
    G
    Grüner Leuchtstoff
    R
    Roter Leuchtstoff
    QE
    Quanteneffizienz
  • 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 Patentliteratur
    • EP 2017/078913 [0002]

Claims (19)

  1. Leuchtstoffkombination (10) umfassend - einen ersten Leuchtstoff (1) und - einen zweiten Leuchtstoff (2), wobei es sich bei dem zweiten Leuchtstoff (2) um einen rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt.
  2. Leuchtstoffkombination (10) gemäß dem vorherigen Anspruch, weiterhin aufweisend einen dritten Leuchtstoff (3), wobei es sich bei dem dritten Leuchtstoff (3) bevorzugt um einen rot emittierenden Leuchtstoff handelt.
  3. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem ersten Leuchtstoff (1) um einen grün emittierenden Leuchtstoff handelt.
  4. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem ersten Leuchtstoff (1) nicht um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff handelt.
  5. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Leuchtstoff (1) Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1 µm bis 1000 µm aufweist, bevorzugt von 5 µm bis 50 µm.
  6. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der rot emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoff (2) einen mittleren Partikeldurchmesser von 1 nm bis 300 nm aufweist, bevorzugt von 2 nm bis 50 nm.
  7. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der rot emittierene Quantenpunkt-Leuchtstoff (2) zumindest eines der Halbleitermaterialien enthält, das aus der Gruppe der folgenden Halbleitermaterialien ausgewählt ist: CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, InN, AlN, sowie deren Mischkristalle oder Kombinationen davon.
  8. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoff (2) eine Kern-Hülle Struktur (2a,2b) aufweist.
  9. Leuchtstoffkombination (10) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei der rot-emittierende Quantenpunkt-Leuchtstoff (2) einen Kern mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 200 nm, bevorzugt 2 bis 10 nm aufweist und eine Hülle mit einer mittleren Dicke von bis zu 200 nm, bevorzugt bis zu 20 nm aufweist.
  10. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Anteil des rot emittierenden Quantenpunkt-Leuchtstoffs (2) bezogen auf die gesamte Menge an Leuchtstoff der Leuchtstoffkombination (10) höchstens 60 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens 10 Gewichtsprozent aufweist.
  11. Leuchtstoffkombination (10) gemäß Anspruch 2, wobei der dritte Leuchtstoff (3) die Formel (MB) (TA)3-2x (TC)1+2xO4-4xN4x:E aufweist, wobei: - TA aus einer Gruppe von monovalenten Metallen ausgewählt ist, die Li, Na, Cu, Ag und Kombinationen daraus umfasst, - MB aus einer Gruppe von divalenten Metallen ausgewählt ist, die Mg, Ca, Sr, Ba, Zn und Kombinationen daraus umfasst, - TC aus einer Gruppe von trivalenten Metallen ausgewählt ist, die B, Al, Ga, In, Y, Fe, Cr, Sc, Seltenerdmetalle und Kombinationen daraus umfasst, - E ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Eu, Mn, Ce, Yb und Kombinationen daraus umfasst, und wobei gilt: 0 < x < 0,875.
  12. Leuchtstoffkombination (10) gemäß Anspruch 11, wobei der dritte Leuchtstoff (3) in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert.
  13. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei x=0,5 ist, so dass der dritte Leuchtstoff (3) die Formel (MB) Li2Al2O2N2:E aufweist, wobei MB aus einer Gruppe von divalenten Metallen ausgewählt ist, die Mg, Ca, Sr, Ba, Zn oder Kombinationen daraus umfasst, und wobei E aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Eu, Mn, Ce, Yb und Kombinationen daraus umfasst.
  14. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der dritte Leuchtstoff (3) die Formel SrLi2Al2O2N2:Eu2+ aufweist.
  15. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 11 bis 14, wobei der Anteil des dritten Leuchtstoffs (3) bezogen auf die gesamte Menge an Leuchtstoff der Leuchtstoffkombination (10) mindestens 10 Gewichtsprozent, bevorzugt mindestens 20 Gewichtsprozent beträgt.
  16. Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend zumindest einen weiteren Leuchtstoff.
  17. Konversionselement (20) aufweisend eine Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
  18. Optoelektronische Vorrichtung (30) umfassend - einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip (50), der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert, - eine Leuchtstoffkombination (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
  19. Optoelektronische Vorrichtung (30) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Leuchtstoffkombination (10) in einem auf dem Halbleiterchip (50) angeordneten Konversionselement (20) oder in einem auf dem Halbleiterchip befindlichen Verguss (40) vorhanden ist.
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