DE102018205464A1 - Beleuchtungsvorrichtung und verwendung einer beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung zur Emission einer roten Gesamtstrahlung angegeben. Die Beleuchtungsvorrichtung weist auf:
- eine Halbleiterschichtenfolge, die zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung eingerichtet ist;
- ein Konversionselement, das einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] : Eu, in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert, umfasst und zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert, wobei
- das Konversionselement einen zweiten Leuchtstoff umfasst, der zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert und/oder
- die Beleuchtungsvorrichtung eine über dem Konversionselement angeordneten Spiegel oder Filter umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung.
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der PCT-Anmeldung PCT/ EP2017/078913 deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Für Rück- oder Bremslichter in Fahrzeugen und Ampelanwendungen werden lichtemittierende Dioden (LEDs), die eine rote Gesamtstrahlung emittieren, benötigt. Hierzu werden üblicherweise Konversions-LEDs mit einem blau emittierenden Halbleiterchip und einem roten Leuchtstoff eingesetzt, der die blaue Primärstrahlung des Halbleiterchips vollständig in eine rote Sekundärstrahlung konvertiert und als Gesamtstrahlung von der Konversions-LED emittiert wird. Diese Vollkonversion führt allerdings zu einem Effizienzverlust, da üblicherweise ein hoher Leuchtstoffgehalt eingesetzt werden muss, was zu Streuverlusten führt. Um einen Farbort der Gesamtstrahlung mit einem gesättigten Rot zu erhalten, sollte die Dominanzwellenlänge der Gesamtstrahlung bei über 590 nm liegen. Bekannte Leuchtstoffe, die eine Emission mit einer Dominanzwellenlänge über 590 nm aufweisen, zeigen nachteiliger Weise eine breite Emission, die sich bis in den infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums erstreckt. Dadurch wird zum einen die visuelle Effizienz erniedrigt und zum anderen trägt die Emission im infraroten Bereich nicht zu dem Farbort der Gesamtstrahlung bei, wodurch sich die Menge an benötigtem Leuchtstoff erhöht.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, die effizient eine Gesamtstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Beleuchtungsvorrichtung für Rück-oder Bremslichter in Fahrzeugen und Ampelanwendungen zu verwenden.
  • Diese Aufgabe wird beziehungsweise diese Aufgaben werden durch eine Beleuchtungsvorrichtung und die Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
  • Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung zur Emission einer roten Gesamtstrahlung angegeben. Die Beleuchtungsvorrichtung emittiert somit insbesondere eine Gesamtstrahlung, die aus dem roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausgewählt ist.
  • Als roter Bereich des elektromagnetischen Spektrums kann der Bereich zwischen 590 nm und 780 nm verstanden werden.
  • Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Halbleiterschichtenfolge, die zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung eingerichtet ist und ein Konversionselement, das einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert, umfasst. Der erste Leuchtstoff konvertiert zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Insbesondere ist der erste Leuchtstoff Sr [Al2Li2O2N2] :Eu2+.
  • Hier und im Folgenden 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.
  • Die Kristallstruktur des ersten Leuchtstoffs Sr [Al2Li2O2N2] : Eu in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kann zwar als Überstruktur von UCr4C4 beschrieben werden, allerdings sind die Bravais-Gittertypen dieser Strukturen unterschiedlich. Daher kristallisiert der hier beschriebene erste Leuchtstoff nicht in der Kristallstruktur von UCr4C4. Der UCr4C4-Typ kann in der Raumgruppe I4/m beschrieben werden.
  • Bei der Einkristallröntgenstrukturanalyse sind, je nach Symmetrie der untersuchten Kristallstruktur, nicht immer alle theoretisch möglichen Reflexe auch wirklich zu beobachten. Im hier vorliegenden Fall gilt auf Grund der Raumgruppe I4/m bei der UCr4C4-Struktur, dass ein Reflex mit dem Index 100 nicht zu beobachten sein dürfte, da 1 + 0 + 0 ungerade ist (entspricht der symmetriebedingten integralen Auslöschungsbedingungen h + k + 1 ≠ 2n (ungerade)für I-zentrierte Gitter). Da man diesen Reflex bei dem ersten Leuchtstoff beobachten kann und dieser ebenfalls in einer tetragonalen Raumgruppe kristallisiert, steht fest, dass die Kristallstruktur nicht die gleiche Raumgruppe aufweist wie die UCr4C4-Struktur.
  • Im Vergleich zu einem Leuchtstoff, welcher die Raumgruppe von UCr4C4 aufweist, zeigt das primitive Gitter des hier beschriebenen ersten Leuchtstoffes keine derartigen Auslöschungsbedingungen und führt zum Auftreten zusätzlicher Reflexe, zum Beispiel mit dem Index 100 bei ungefähr 11,11° 2 θ (für Kupfer-Kαl-Strahlung) mit einem Netzebenenabstand (d-Wert) von ungefähr 7,96 Ä.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der erste Leuchtstoff nicht in der Raumgruppe I4/m oder der Kristallstruktur vom UCr4C4-Typ.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Leuchtstoff mit der Formel SrLi2Al2N2O2:Eu die Gitterparameter von beispielsweise a = 7,952 (2) Å, c = 3,1843 (12) Å auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der erste Leuchtstoff eine Sekundärstrahlung 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.
  • Die Dominanzwellenlänge ist eine Möglichkeit, nichtspektrale (polychromatische) Lichtmischungen durch spektrales (monochromatisches) Licht, welches eine ähnliche Farbtonwahrnehmung erzeugt, zu beschreiben. Im CIE-Farbraum kann die Linie, die einen Punkt für eine bestimmte Farbe und den Punkt CIE-x = 0.333, CIE-y = 0.333 verbindet, so extrapoliert werden, dass sie den Umriss des Raums in zwei Punkten trifft. Der Schnittpunkt, der näher an der besagten Farbe liegt, repräsentiert die Dominanzwellenlänge der Farbe als Wellenlänge der reinen spektralen Farbe an diesem Schnittpunkt. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die von dem menschlichen Auge wahrgenommen wird.
  • Beispielsweise emittiert der erste Leuchtstoff der Formel SrLi2Al2O2N2:Eu, der in der Raumgruppe P42/m kristallisiert bei Anregung mit einer Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 460 nm im roten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums mit einer Dominanzwellenlänge zwischen einschließlich 590 nm und einschließlich 620 nm und zeigt eine schmalbandige Emission, das heißt eine Emission mit einer geringen Halbwertsbreite, vorzugsweise mit einer Halbwertsbreite von kleiner als 50 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.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Leuchtstoff eine Sekundärstrahlung 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.
  • Als „Peakwellenlänge“ kann vorliegend die Wellenlänge im Emissionsspektrum bezeichnet werden, bei der die maximale Intensität im Emissionsspektrum liegt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbwertsbreite des ersten Leuchtstoffs kleiner als 55 nm, bevorzugt kleiner als 50 nm, beispielsweise kleiner oder gleich 45 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement einen zweiten Leuchtstoff, der zumindest teilweise, bevorzugt teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert. Das Konversionselement kann auch aus dem ersten und dem zweiten Leuchtstoff bestehen. Der erste und der zweite Leuchtstoff können die Primärstrahlung teilweise oder vollständig in eine Sekundärstrahlung konvertieren. So ist es möglich, dass der erste als auch der zweite Leuchtstoff die Primärstrahlung teilweise konvertieren, die Primärstrahlung aber durch beide Leuchtstoffe vollkonvertiert wird und somit nicht an der Gesamtstrahlung beteiligt ist. Es ist auch möglich, dass der zweite Leuchtstoff zusätzlich teilweise die Sekundärstrahlung des ersten Leuchtstoffs absorbiert und konvertiert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement einen dritten Leuchtstoff, der zumindest teilweise, bevorzugt teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert. Das Konversionselement kann auch aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten Leuchtstoff bestehen. Der erste, der zweite und der dritte Leuchtstoff können die Primärstrahlung teilweise oder vollständig in eine Sekundärstrahlung konvertieren. So ist es möglich, dass der erste als auch der zweite und der dritte Leuchtstoff die Primärstrahlung teilweise konvertieren, die Primärstrahlung aber durch die drei Leuchtstoffe vollkonvertiert wird und somit nicht an der Gesamtstrahlung beteiligt ist. Es ist auch möglich, dass der zweite oder der dritte Leuchtstoff zusätzlich teilweise die Sekundärstrahlung des ersten Leuchtstoffs absorbiert und konvertiert.
  • Durch den zweiten oder den zweiten und den dritten Leuchtstoff kann der Farbort der Gesamtstrahlung mit Vorteil nach Bedarf angepasst werden. Beispielsweise können dadurch Farborte die innerhalb der ECE Norm für Rück-und Bremslichter für Fahrzeuge liegen oder innerhalb der Norm für rote Ampellichter liegen, erreicht werden. Ferner wird dadurch eine besonders hohe Farbsättigung und Effizienz erreicht, die durch die Verwendung nur eines Leuchtstoff üblicherweise nicht erzielt werden kann. Insbesondere kann durch ein geeignetes Mischungsverhältnis der Leuchtstoffe die Gesamtstrahlung hinsichtlich dem Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve und somit der Effizienz und der Lage des Farborts optimiert werden.
    Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Menge an ersten Leuchtstoff in dem Konversionselement bezogen auf die gesamte Menge an ersten und zweiten oder ersten, zweiten und dritten Leuchtstoff zwischen einschließlich 5 und einschließlich 95 Gewichtsprozent, beispielweise zwischen einschließlich 20 und einschließlich 95 Gewichtsprozent, zwischen einschließlich 50 und einschließlich 95 Gewichtsprozent, zwischen einschließlich 75 und einschließlich 95 Gewichtsprozent oder zwischen einschließlich 80 und einschließlich 95 Gewichtsprozent. Durch das Mischungsverhältnis der Leuchtstoffe kann insbesondere der Farbort nach Bedarf angepasst werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Großteil der konvertierten Photonen der Gesamtstrahlung von dem ersten Leuchtstoff gebildet. Beispielsweise beträgt der Anteil an konvertierten Photonen des ersten Leuchtstoffs zwischen 40 und 98 Prozent.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass ein zweiter oder ein zweiter und ein dritter Leuchtstoff neben dem bereits sehr effizienten ersten Leuchtstoff, der in der Raumgruppe P42/m kristallisiert, zu einer unerwartet hohen Lumineszenzeffizienz und Farbsättigung der roten Gesamtstrahlung der Beleuchtungsvorrichtung führt. Durch die schmalbandige Sekundärstrahlung des ersten Leuchtstoffs weist dessen Sekundärstrahlung einen hohen Überlapp mit der Augenempfindlichkeitskurve auf, weshalb die Effizienz sehr hoch ist. Durch den zweiten oder den zweiten und den dritten Leuchtstoff wird die Effizienz und zudem die Farbsättigung der Gesamtstrahlung nochmals erhöht.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem zweiten Leuchtstoff oder dem zweiten und dem dritten Leuchtstoff kann die Beleuchtungsvorrichtung einen über dem Konversionselement angeordneten Spiegel oder Filter umfassen. Der Spiegel, insbesondere ein dichroitischer Spiegel oder Bragg Spiegel oder Filter ist dazu eingerichtet die Primärstrahlung zu reflektieren oder zu filtern, so dass diese nicht aus dem Spiegel oder Filter und somit aus der Beleuchtungsvorrichtung heraustritt. Insbesondere ist der Spiegel oder Filter also nicht durchlässig für die Primärstrahlung und durchlässig für die Sekundärstrahlung ausgebildet, so dass die Gesamtstrahlung, die nach außen abgestrahlt wird der Sekundärstrahlung des ersten Leuchtstoffs oder des ersten Leuchtstoffs und der weiteren Leuchtstoffe entspricht. Durch den Spiegel wird die Primärstrahlung insbesondere zurückreflektiert. Insbesondere umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Spiegel oder Filter, wenn der erste oder der erste und die weiteren Leuchtstoffe die Primärstrahlung nur teilweise in eine Sekundärstrahlung konvertieren.
  • Der Spiegel oder Filter ist gemäß zumindest einer Ausführungsform auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Hauptoberfläche des Konversionselements angeordnet. Die Hauptoberfläche des Konversionselements erstreckt sich dabei insbesondere parallel zur Haupterstreckungsebene des Konversionselements oder der Halbleiterschichtenfolge. Möglich ist auch, dass der Spiegel oder Filter zusätzlich über den Seitenflächen des Konversionselements angeordnet ist. Bevorzugt steht der Spiegel oder der Filter in direktem mechanischen Kontakt zu dem Konversionselement. Der Spiegel oder Filter kann teilweise oder vollflächig, bevorzugt vollflächig auf der, der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Hauptoberfläche des Konversionselements angeordnet sein. Beispielweise können bei einer teilweisen Anordnung des Spiegels oder des Filters, die Seitenränder der Hauptoberfläche des Konversionselements nicht mit dem Filter oder Spiegel bedeckt sein.
    Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement oder die Beleuchtungsvorrichtung nur den ersten Leuchtstoff und damit insbesondere keinen weiteren Leuchtstoff. Die Beleuchtungsvorrichtung enthält weiter einen über dem Konversionselement angeordneten Spiegel oder Filter. Durch das Herausfiltern der Primärstrahlung durch den Filter bzw. das Zurückreflektieren der Primärstrahlung durch den Spiegel liegt die Gesamtstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, selbst wenn die Primärstrahlung durch den ersten Leuchtstoff nur teilkonvertiert wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel M1-0, 5zZz [AaBbCcDdEeN4-nOn] : ESx, REy auf, wobei
    M = Ca, Sr und/oder Ba;
    Z = Na, K ,Rb, Cs und/oder Ag;
    A = Mg, Mn und/oder Zn;
    B = B, Al und/oder Ga;
    C = Si, Ge, Ti, Zr und/oder Hf;
    D = Li und/oder Cu;
    E = P, V, Nb und/oder Ta;
    ES = Ce3+;
    RE = Eu2+, Eu3+, Yb2+ und/oder Yb3+;
    0 ≤ x ≤ 0,2; 0 ≤ y ≤ 0,2; 0 < x+y ≤ 0,4; 0 ≤ z ≤ 1; 0 ≤ n ≤ 4, ; 0 ≤ a ≤ 4; 0 ≤ b ≤ 4; 0 ≤ c ≤ 4; 0 ≤ d ≤ 4; 0 ≤ e ≤ 4; a + b + c + d + e = 4 und 2a+3b+4c+d+5e = 10-n+z. Bevorzugt kristallisiert der zweite Leuchtstoff in der Raumgruppe I4/m.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel M1-0, 5zZz [AaBbCcDdEeN4-nOn] : ESx, REy auf, wobei
    M = Ca, Sr und/oder Ba;
    Z = Na, K ,Rb, Cs und/oder Ag;
    A = Mg, Mn und/oder Zn;
    B = B, Al und/oder Ga;
    C = Si, Ge, Ti, Zr und/oder Hf;
    D = Li und/oder Cu;
    E = P, V, Nb und/oder Ta;
    ES = Ce3+;
    RE = Eu2+, Eu3+, Yb2+, Yb3+;
    0 ≤ x ≤ 0,2; 0 ≤ y ≤ 0,2; 0 < x+y ≤ 0,2; 0 ≤ z ≤ 0,9 oder 0 ≤ z ≤ 0,5; 0 ≤ n ≤ 4; 0 ≤ a ≤ 4; 0 ≤ b ≤ 4; 0 ≤ c ≤ 4; 0 ≤ d ≤ 4; 0 ≤ e ≤ 4; a + b + c + d + e = 4 und 2a+3b+4c+d+5e = 10-n+z. Bevorzugt kristallisiert der zweite Leuchtstoff in der Raumgruppe I4/m.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel M(1-y) [BbDdN4-nOn] :REy auf, wobei
    M = Ca, Sr und/oder Ba;
    B = B, Al und/oder Ga;
    D = Li und/oder Cu;
    RE = EU2+;
    0 < y ≤ 0,2; 0 ≤ n ≤ 4; 0 ≤ b ≤ 4; 0 ≤ d ≤ 4 und b + d = 4. Bevorzugt kristallisiert der zweite Leuchtstoff in der Raumgruppe I4/m.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu, bevorzugt Sr [Al2Li2O2N2] :Eu2+ auf und kristallisiert in der Raumgruppe I4/m. Die Kombination des ersten Leuchtstoffs Sr [Al2Li2O2N2] :Eu2+, der in der Raumgruppe P42/m kristallisiert mit einem zweiten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] Eu, der in der Raumgruppe I4/m kristallisiert, hat überraschenderweise als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Effizienz und der Farbsättigung der Gesamtstrahlung erwiesen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel M*x*A*y* [B*z*C*f*D*g*E*h*Oa*Fb*] :Mn4+ auf, wobei
    A* = Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag und/oder NH4;
    M* = Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn und/oder Sn;
    B* = Si, Ge, Sn, Ti, Zr und/oder Hf;
    C* =Al, Ga, In, Gd, Y, Sc, La, Tb, Bi und/oder Cr;
    D* = Nb, Ta und/oder V;
    E* = W und/oder Mo;
    2x+y = -(4z + 3f + 5g+ 6h+ 4c - 2+ a-b);
    0 ≤ x*; 0 ≤ y*; 0 ≤ z*; 0 ≤ f*; 0 ≤ g*; 0 ≤ h*; 0 ≤ a*; 0 ≤ b*; x*+y*+z*+f*+g*+h* > 0 und a*+b* > 0.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel A*2B*F6:Mn4+ auf, wobei
    A* = Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag und/oder NH4 und
    B* = Si, Ge, Sn, Ti, Zr und/oder Hf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel Na2SiF6:Mn4+, K2TiF6:Mn4+ oder K2SiF6:Mn4+ auf. Bevorzugt ist der zweite Leuchtstoff K2SiF6:Mn4+. Durch die schmalbandige Emission insbesondere von K2SiF6:Mn4+ als zweiten Leuchtstoff und die schmalbandige Emission des ersten Leuchtstoffs, liegt die Sekundärstrahlung nicht oder nur geringfügig im infraroten Bereich, so dass hier keine oder nur geringfügig Strahlung verloren geht und die Sekundärstrahlung vollständig oder nahezu vollständig zu dem Farbort der Gesamtstrahlung beiträgt, so dass die Menge an benötigtem Leuchtstoff gering gehalten werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel (4-x)MgO·xMgF2·GeO2:Mn4+, A2Ge4O9:Mn4+ oder A3A' Ge8O18:Mn4+ auf, wobei 0 ≤ x ≤ 4;
    A = Li, K, Na und/oder Rb und
    A' = Li, K, Na und/oder Rb. Bevorzugt ist der zweite Leuchtstoff ausgewählt aus Mg4GeO3:Mn4+, K2Ge4O9:Mn4+, Rb2Ge4O9:Mn4+ oder Li3RbGe8O18:Mn4+.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ausgewählt aus Sr4Al14O25:Mn4+, Mg2TiO4:Mn4+, CaZrO3 :Mn4+, Gd3Ga5O12:Mn4+, Al2O3:Mn4+, GdAlO3:Mn4+, LaAlO3:Mn4+, LiAl5O8:Mn4+, SrTiO3:Mn4+, Y2Ti2O7:Mn4+, Y2Sn2O7:Mn4+, CaAl12O19:Mn4+, MgO:Mn4+ und Ba2LaNbO6:Mn4+.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ausgewählt aus Quantenpunkten umfassend ein halbleitendes Material. Das halbleitende Material kann ausgewählt sein aus CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, InN, AlN und Kombinationen daraus. Die Quantenpunkte können beispielweise einen Kern aus dem halbleitenden Material aufweisen, wobei der Kern von einer Hülle aus einem anorganischen Material umgeben, vorzugsweise vollständig umgeben ist. Möglich ist auch, dass es sich um Quantenpunkte mit einer Alloy Struktur handelt. Quantenpunkte mit einer Alloy Struktur weisen einen Kern, eine erste Hülle und eine zweite Hülle auf, wobei die erste Hülle den Kern und die zweite Hülle die erste Hülle teilweise oder vollständig umgibt. Die erste Hülle ist dabei aus dem Material des Kerns und dem Material der zweiten Hülle gebildet. Beispielsweise ist der Kern aus CdSe, die erste Hülle aus Cd2SSe und die zweite Hülle aus CdS gebildet.
  • Durch die schmalbandige Emission von Quantenpunkten und die schmalbandige Emission des ersten Leuchtstoffs, liegt die Sekundärstrahlung nicht oder nur geringfügig im infraroten Bereich, so dass hier keine oder nur geringfügig Strahlung verloren geht und die Sekundärstrahlung vollständig oder nahezu vollständig zu dem Farbort der Gesamtstrahlung beiträgt, so dass die Menge an benötigtem Leuchtstoff gering gehalten werden kann. Der Einsatz von Quantenpunkten als zweiter Leuchtstoff hat sich damit als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Leuchtstoff ausgewählt aus Halbleiterperovskiten. Die Halbleiterperovskite weisen bevorzugt die allgemeine Formel ZMX3 mit
    Z = Cs, CH3NH3, CH (NH2)2 und/oder (CH3)3NH;
    M = Pb, Sn, Ge, Mn, Cd und/oder Zn und
    X = Br, I und/oder SCN oder
    die allgemeine Formel AI 2MIIMIIIX6 mit
    AI = Cs, CH3NH3, CH (NH2)2 und/oder (CH3)3NH;
    MI = Ag, K, Tl und/oder Au;
    MIII = Sb, Bi, As und/oder Sn und
    X = Br, I und/oder SCN auf. Als Halbleiterperovskite können auch Cs3Sb2I9, (CH3NH3)3Sb2I9 oder Cs2SnI6 verwendet werden.
  • Umfasst das Konversionselement einen dritten Leuchtstoff kann der dritte Leuchtstoff aus denselben Leuchtstoffen ausgewählt sein wie der zweite Leuchtstoff. Insbesondere sind der zweite und der dritte Leuchtstoff unterschiedliche Leuchtstoffe.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement den ersten Leuchtstoff, einen zweiten und einen dritten Leuchtstoff. Der zweite Leuchtstoff weist die Formel M(1-0,5z) Zz [AaBbCcDdEeN4-nOn] : ESx, REy, bevorzugt M(1-y) [BbDdN4-nOn] : REy, besonders bevorzugt Sr [Al2Li2O2N2] : Eu auf und kristallisiert in der Raumgruppe I4/m. Der dritte Leuchtstoff weist die allgemeine Formel M*x*A*y*[B*z*C*f*D*g*E*h*Oa*Fb*] :Mn4+ auf. Besonders bevorzugt ist der dritte Leuchtstoff A*2B*F6:Mn4+, besonders bevorzugt K2SiF6:Mn4+.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge zumindest ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial auf. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn1-n-mGamN, oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn1-n-mGamP, oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn1-n-mGamAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge aus InGaN geformt.
  • Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder das Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 360 nm und einschließlich 550 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 500 nm, insbesondere zwischen einschließlich 420 nm und einschließlich 480 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Beleuchtungsvorrichtung um eine Leuchtdiode, kurz LED, insbesondere eine Konversions-LED.
  • In Kombination mit dem in der Beleuchtungsvorrichtung vorhandenen ersten und zweiten Leuchtstoff oder ersten, zweiten und dritten Leuchtstoff ist die Beleuchtungsvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet, in Vollkonversion eine rote Gesamtstrahlung zu emittieren.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist in Kombination mit dem in der Beleuchtungsvorrichtung vorhandenen ersten, ersten und zweiten oder ersten, zweiten und dritten Leuchtstoff und dem Spiegel oder Filter die Beleuchtungsvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet, in Teilkonversion und Filterung eine rote Gesamtstrahlung zu emittieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform konvertieren der erste Leuchtstoff oder der erste Leuchtstoff und die weiteren Leuchtstoffe die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise in elektromagnetische Sekundärstrahlung. Dies kann auch als Teilkonversion bezeichnet werden. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinrichtung einen über dem Konversionselement angeordneten Spiegel oder Filter. So kann gewährleistet werden, dass die nach außen abgestrahlte Gesamtstrahlung keine oder kaum Primärstrahlung enthält.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen der erste und die weiteren Leuchtstoffe in einer Matrix vor. Als Matrix können Silikone und/oder Siloxane verwendet werden. Alternativ kann eine Glasmatrix verwendet werden, die Glasmatrix kann insbesondere aus Phosphaten, Silikaten, Boraten, Aluminaten, Sulfaten und Kombinationen daraus ausgewählt sein. Beispielsweise kann die Glasmatrix aus SiO2, Al2O3, Al3PO4 und Kombinationen daraus ausgewählt sein.
  • Alternativ können die Leuchtstoffe auch in einer Konverterkeramik vorliegen. Hierzu kann das Konversionselement aus den Leuchtstoffen bestehen oder die Leuchtstoffe können in eine keramische Matrix eingebracht sein. Die keramische Matrix kann zum Beispiel Al2O3, (Y,Lu,Sc)Al5O12, AlN, Si3N4, bevorzugt (Ba,Sr,Ca)Si2O2N2, (Li,Mg,Ca,Y)xSi12-m-nAlm+nOnN16-n mit v = Valenz von M, 0,001 ≤ x ≤0,1 und 0,5 ≤ m = 2n ≤ 3,5 (α-SiAlON), β-Si6-zAlzOzN8-z mit 0,1 ≤ z ≤ 2) (β-SiAlON), Nitridoorthosilikate wie AE2-xRExSi1-yO4-x-2y Nx:Eumit x = 0 - 2, RE = Sc, Y, La, Lu und AE= Ca, Sr, Ba und/oder Mg,, Sr3Si13Al3O2N21 oder Ba3Si6O12N2 sein. Bevorzugt können oxinitridische keramische Matrixmaterialien ein Kation aus der Gruppe der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle oder der Lanthanoide aufweisen und das Kristallgerüst ist aus den Elementen Al, Si, Li und/oder Nb und O und N aufgebaut.
  • Das Konversionselement kann direkt oder beabstandet auf der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht sein. Das Konversionselement kann quadratisch oder rechteckig ausgeführt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsvorrichtung als Leuchte, insbesondere als Leuchte für ein Kraftfahrzeug oder eine Ampel, besonders bevorzugt als Rückleuchte und/oder Bremsleuchte für ein Kraftfahrzeug ausgeformt.
  • Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung. Insbesondere gelten alle Ausführungen und Definitionen für die Beleuchtungsvorrichtung auch für die Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung und umgekehrt. Die Beleuchtungsvorrichtung wird insbesondere als Leuchte für ein Kraftfahrzeug oder eine Ampel, besonders bevorzugt als Rückleuchte und/oder Bremsleuchte für ein Kraftfahrzeug verwendet.
  • Der erste Leuchtstoff kann mittels Festkörperreaktion hergestellt werden. Dazu können die Edukte des 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 erste Leuchtstoff auch mit einer Festkörpersynthese in einer zugeschweißten Tantalampulle erzeugt werden. Dazu können die Edukte, wie beispielsweise im Falle des 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 Leuchtstoff erzeugt ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Edukte des ersten Leuchtstoffs als Pulver vor.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt nach dem Heizschritt ein Abkühlvorgang, wobei das Gemenge auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Unter Raumtemperatur kann insbesondere eine Temperatur von 20 °C oder 25 °C verstanden werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Temperatur für 1 Stunde bis 400 Stunden, beispielsweise 100 Stunden, auf diesem Wert gehalten. Insbesondere erfolgt die Glühung des Leuchtstoffs in diesem Zeitraum.
  • 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.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Die 1A zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert und einen zweiten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu, der in der Raumgruppe I4/m kristallisiert. Der zweite Leuchtstoff liegt zu 5 bis 10 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtleuchtstoffmenge vor.. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten und dem zweiten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste und der zweite Leuchtstoff konvertieren die Primärstrahlung vollständig in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Sekundärstrahlung der Gesamtstrahlung der Konversions-LED entspricht. Der Farbort der Gesamtstrahlung liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) im CIE-Farbraum ist in 1B gezeigt. Aus 1B ist ersichtlich, dass der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) in dem roten ECE Farbbereich für Automobilanwendungen und auch innerhalb des Farbbereichs für die Ampel-Norm EN 12368 liegt. Bei der ECE-Regelung handelt es sich um ECE-R48. Überraschenderweise kann durch die Kombination des ersten und des zweiten Leuchtstoffs eine besonders hohe Farbsättigung und Effizienz der Gesamtstrahlung erreicht werden. Eine so hohe Farbsättigung und Effizienz der Gesamtstrahlung lässt sich bei dem Einsatz nur eines der beiden Leuchtstoffe nicht erzielen. Mit Vorteil kann der Farbort durch eine Änderung der Gewichtsprozent der beiden Leuchtstoffe bezogen auf die Gesamtleuchtstoffmenge nach Bedarf angepasst werden. Nach gegenwärtigen Stand der Technik kann mit keinem anderen Eu dotiertem Leuchtstoff mit einer Emission in diesem Farbbereich eine gleichwertige spektrale Effizienz erzielt werden.
  • Die 2A zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert und einen zweiten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu, der in der Raumgruppe I4/m kristallisiert. Der zweite Leuchtstoff liegt zu 5 bis 10 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtleuchtstoffmenge vor. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten und dem zweiten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste und der zweite Leuchtstoff konvertieren die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Gesamtstrahlung einer Mischstrahlung aus Sekundärstrahlung und Primärstrahlung entspricht. Der Farbort der Gesamtstrahlung (FOG) liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, allerdings nicht innerhalb des roten ECE Farbbereichs für Automobilanwendungen. Um den Farbort zu verschieben, umfasst die Konversions-LED einen Filter oder einen Spiegel, der über dem Konversionselement angeordnet ist und der für die Primärstrahlung nicht durchlässig ist, die somit aus der Mischstrahlung herausgefiltert wird, so dass die Gesamtstrahlung, die nach außen abgestrahlt wird, der Sekundärstrahlung entspricht. Der Farbort der über den Spiegel oder den Filter abgestrahlten Gesamtstrahlung (FOGF ) der Konversions-LED liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und innerhalb des roten ECE Farbbereichs für Automobilanwendungen. Das Emissionsspektrum der über den Spiegel oder den Filter abgestrahlten Gesamtstrahlung der Konversions-LED ist in 2B gezeigt. Die Farborte der Gesamtstrahlung FOG und FOGF im CIE-Farbraum sind 2C gezeigt. Durch die Verwendung des Filters oder Spiegels kann der Farbort der Gesamtstrahlung unter Erhalt der Effizienz in den roten ECE Farbbereich verschoben werden.
  • In 3A ist ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED gezeigt, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert, einen zweiten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu, der in der Raumgruppe I4/m kristallisiert und einen dritten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten, dem zweiten Leuchtstoff und dem dritten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste, der zweite und der dritte Leuchtstoff konvertieren die Primärstrahlung vollständig in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Sekundärstrahlung der Gesamtstrahlung der Konversions-LED entspricht. Der Farbort der Gesamtstrahlung liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) im CIE-Farbraum ist in 3B gezeigt. Aus 3B ist erkennbar, dass der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) in dem roten ECE Farbbereich für Automobilanwendungen liegt (ECE-R48). Überraschenderweise kann durch die Kombination des ersten, des zweiten und des dritten Leuchtstoffs eine besonders hohe Farbsättigung und Effizienz der Gesamtstrahlung erreicht werden. Eine so hohe Farbsättigung der Gesamtstrahlung lässt sich bei dem Einsatz nur eines der drei Leuchtstoffe nicht erzielen. Die Effizienz der Gesamtstrahlung mit nur K2SiF6:Mn4+ als Leuchtstoff kann zwar höher sein, allerdings ist die Verwendung von K2SiF6:Mn4+ aufgrund des geringen Absorptionsvermögens von K2SiF6:Mn4+ zur Vollkonversion nicht möglich, da hierfür zu hohe Mengen an dem Leuchtstoff benötigt werden, die in konventionellen Konversions-LEDs nicht eingebracht werden können. Mit Vorteil kann der Farbort durch eine Änderung der Gewichtsprozente der drei Leuchtstoffe bezogen auf die Gesamtleuchtstoffmenge nach Bedarf angepasst werden. Nach gegenwärtigen Stand der Technik kann mit keinem anderen Eu dotiertem Leuchtstoff mit einer Emission in diesem Farbbereich eine gleichwertige spektrale Effizienz erzielt werden.
  • Die 4A zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert, einen zweiten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu, der in der Raumgruppe I4/m kristallisiert und einen dritten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten, dem zweiten Leuchtstoff und dem dritten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste, der zweite und der dritte Leuchtstoff konvertieren die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Gesamtstrahlung einer Mischstrahlung aus Sekundärstrahlung und Primärstrahlung entspricht. Der Farbort der Gesamtstrahlung (FOG) liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, allerdings nicht innerhalb des roten ECE Farbbereichs für Automobilanwendungen. Um den Farbort zu verschieben umfasst die Konversions-LED einen Filter oder einen Spiegel, der über dem Konversionselement angeordnet ist und der für die Primärstrahlung nicht durchlässig ist, die somit aus der Michstrahlung herausgefiltert wird, so dass die Gesamtstrahlung, die nach außen abgestrahlt wird, der Sekundärstrahlung entspricht. Der Farbort der über den Spiegel oder den Filter abgestrahlten Gesamtstrahlung (FOGF ) der Konversions-LED liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und innerhalb des roten ECE Farbbereichs für Automobilanwendungen. Das Emissionsspektrum der über den Spiegel oder den Filter abgestrahlten Gesamtstrahlung der Konversions-LED ist in 4B gezeigt. Die Farborte der Gesamtstrahlung FOG und FOGF im CIE-Farbraum sind in 4C gezeigt. Durch die Verwendung des Filters oder Spiegels kann der Farbort der Gesamtstrahlung unter Erhalt der Effizienz in den roten ECE Farbbereichs verschoben werden.
  • Die 5A zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste Leuchtstoff konvertiert die Primärstrahlung vollständig in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Sekundärstrahlung der Gesamtstrahlung der Konversions-LED entspricht. Der Farbort der Gesamtstrahlung liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) im CIE-Farbraum ist in 5B gezeigt. Aus 5B ist erkennbar, dass der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) in dem roten ECE Farbbereich für Automobilanwendungen und auch innerhalb des Farbbereichs für die Ampel-Norm EN 12368 liegt. Bei der ECE-Regelung handelt es sich um den ECE-R48.
  • Die 6A zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert und einen zweiten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten und dem zweiten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste und der zweite Leuchtstoff konvertieren die Primärstrahlung teilweise in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Gesamtstrahlung einer Mischstrahlung aus Sekundärstrahlung und Primärstrahlung entspricht. Der Farbort der Gesamtstrahlung (FOG) liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, allerdings nicht innerhalb des roten ECE Farbbereichs für Automobilanwendungen. Um den Farbort zu verschieben umfasst die Konversions-LED einen Filter oder einen Spiegel, der über dem Konversionselement angeordnet ist und der für die Primärstrahlung nicht durchlässig ist, die somit aus der Michstrahlung herausgefiltert wird, so dass die Gesamtstrahlung, die nach außen abgestrahlt wird, der Sekundärstrahlung entspricht. Der Farbort der über den Spiegel oder den Filter abgestrahlten Gesamtstrahlung (FOGF ) der Konversions-LED liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und innerhalb des roten ECE Farbbereichs für Automobilanwendungen. Das Emissionsspektrum der über den Spiegel oder den Filter abgestrahlten Gesamtstrahlung der Konversions-LED ist in 6B gezeigt. Die Farborte der Gesamtstrahlung FOG und FOGF im CIE-Farbraum sind in 6C gezeigt. Durch die Verwendung des Filters oder Spiegels kann der Farbort der Gesamtstrahlung unter Erhalt der Effizienz in den roten ECE Farbbereichs verschoben werden.
  • Die 7A zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert und einen zweiten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten und dem zweiten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste und der zweite Leuchtstoff konvertieren die Primärstrahlung vollständig in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Sekundärstrahlung der Gesamtstrahlung der Konversions-LED entspricht. Der größere Anteil an der Gesamtstrahlung hat in dieser Ausführungsform die Sekundärstrahlung des ersten Leuchtstoffs Sr[Al2Li2O2N2] :Eu. Der Farbort der Gesamtstrahlung liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) im CIE-Farbraum ist in 7B gezeigt. Aus 7B ist ersichtlich, dass der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) in dem roten ECE Farbbereich für Automobilanwendungen liegt. Überraschenderweise kann durch die Kombination des ersten und des zweiten Leuchtstoffs eine besonders hohe Farbsättigung und Effizienz der Gesamtstrahlung erreicht werden. Eine so hohe Farbsättigung und Effizienz der Gesamtstrahlung lässt sich bei dem Einsatz nur eines der beiden Leuchtstoffe nicht erzielen. Mit Vorteil kann der Farbort durch eine Änderung der Gewichtsprozente der beiden Leuchtstoffe bezogen auf die Gesamtleuchtstoffmenge nach Bedarf angepasst werden. Nach gegenwärtigen Stand der Technik kann mit keinem anderen Eu dotiertem Leuchtstoff mit einer Emission in diesem Farbbereich eine gleichwertige spektrale Effizienz erzielt werden.
  • Die 8A zeigt ein Emissionsspektrum der Gesamtstrahlung einer Konversions-LED, die einen Halbleiterchip umfasst, der eine Primärstrahlung im blauen Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Weiter umfasst die Konversions-LED einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert und einen zweiten Leuchtstoff der Formel K2SiF6:Mn4+. Die Konversions-LED enthält neben dem ersten und dem zweiten Leuchtstoff keinen weiteren Leuchtstoff. Der erste und der zweite Leuchtstoff konvertieren die Primärstrahlung vollständig in eine Sekundärstrahlung im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Sekundärstrahlung der Gesamtstrahlung der Konversions-LED entspricht. Der größere Anteil an der Gesamtstrahlung hat in dieser Ausführungsform die Sekundärstrahlung des zweiten Leuchtstoffs K2SiF6:Mn4+. Der Farbort der Gesamtstrahlung liegt im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) im CIE-Farbraum ist in 8B gezeigt. Aus 8B ist erkennbar, dass der Farbort der Gesamtstrahlung der Konversions-LED (FOG) in dem roten ECE Farbbereich für Automobilanwendungen und auch innerhalb des Farbbereichs für die Ampel-Norm EN 12368 liegt. Überraschenderweise kann durch die Kombination des ersten und des zweiten Leuchtstoffs eine besonders hohe Farbsättigung und Effizienz der Gesamtstrahlung erreicht werden. Eine so hohe Farbsättigung und Effizienz der Gesamtstrahlung lässt sich bei dem Einsatz nur eines der beiden Leuchtstoffe nicht erzielen. Mit Vorteil kann der Farbort durch eine Änderung der Gewichtsprozent der beiden Leuchtstoffe bezogen auf die Gesamtleuchtstoffmenge nach Bedarf angepasst werden.
  • Die 9 bis 11 zeigen jeweils schematische Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen von hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen, insbesondere Konversions-LEDs.
  • Die Konversions-LEDs der 9 bis 11 weisen zumindest einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu auf, der in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert. Zusätzlich können ein zweiter oder ein zweiter und ein dritter Leuchtstoff vorhanden sein.
  • Die Konversions-LED gemäß 9 weist eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf, die auf einem Substrat 10 angeordnet ist. Das Substrat 10 kann beispielsweise reflektierend ausgebildet sein. Über der Halbleiterschichtenfolge 2 ist ein Konversionselement 3 in Form einer Schicht angeordnet. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine aktive Schicht auf (nicht gezeigt), die im Betrieb der Konversions-LED eine Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 500 nm emittiert. Das Konversionselement 3 ist im Strahlengang der Primärstrahlung S angeordnet. Das Konversionselement 3 umfasst ein Matrixmaterial, wie beispielsweise ein Silikon und Partikel des ersten Leuchtstoffs und des zweiten Leuchtstoffs oder Partikel des ersten Leuchtstoffs, des zweiten Leuchtstoff und des dritten Leuchtstoffs. Alternativ oder zusätzlich zu dem zweiten oder dem zweiten und dritten Leuchtstoff kann über dem Konversionselement ein Filter oder ein Spiegel (hier nicht gezeigt) angeordnet sein, der dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung zu filtern, so dass keine Primärstrahlung aus dem Filter oder Spiegel heraustritt.
  • Beispielsweise weist der erste oder der erste und der zweite oder der erste, der zweite und der dritte Leuchtstoff eine mittlere Korngröße von 10 µm auf. Die Leuchtstoffe sind dazu befähigt, die Primärstrahlung S im Betrieb der Konversions-LED teilweise oder vollständig in eine Sekundärstrahlung SA im roten Spektralbereich zu konvertieren. Der erste oder der erste und der zweite oder der erste, der zweite und der dritte Leuchtstoff sind in dem Konversionselement 3 in dem Matrixmaterial im Rahmen der Herstellungstoleranz homogen verteilt.
  • Alternativ können die Leuchtstoffe auch mit einem Konzentrationsgradienten in dem Matrixmaterial verteilt sein.
  • Alternativ kann das Matrixmaterial auch fehlen, sodass der erste oder der erste und der zweite oder der erste, der zweite und der dritte Leuchtstoff 4 als Keramikkonverter ausgeformt ist.
  • Das Konversionselement 3 ist über der Strahlungsaustrittsfläche 2a der Halbleiterschichtenfolge 2 und über den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 vollflächig aufgebracht und steht mit der Strahlungsaustrittsfläche 2a der Halbleiterschichtenfolge 2 und den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 in direktem mechanischen Kontakt. Die Primärstrahlung S kann auch über die Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 austreten.
  • Das Konversionselement 3 kann beispielsweise durch Spritzguss-, Spritzpress- oder durch Spraycoating-Verfahren aufgebracht werden. Zudem weist die Konversions-LED elektrische Kontaktierungen (hier nicht gezeigt) auf, deren Ausbildung und Anordnung dem Fachmann bekannt ist.
  • Alternativ kann das Konversionselement auch vorgefertigt sein und mittels eines sogenannten Pick-and-Place-Prozesses auf die Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht werden.
  • In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Konversions-LED 1 gezeigt. Die Konversions-LED 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Substrat 10 auf. Auf der Halbleiterschichtenfolge 2 ist das Konversionselement 3 ausgeformt. Das Konversionselement 3 ist als Plättchen ausgeformt. Das Plättchen kann aus zusammengesinterten Partikeln des ersten Leuchtstoffs, des ersten und des zweiten Leuchtstoffs oder des ersten, des zweiten und des dritten Leuchtstoffs bestehen und somit ein keramisches Plättchen sein, oder das Plättchen weist beispielsweise Glas, Silikon, als Matrixmaterial mit darin eingebetteten Partikeln des ersten Leuchtstoff oder der Leuchtstoffe auf. Besteht das Konversionselement 3 aus zusammengesinterten Partikeln des ersten Leuchtstoffs, ist dieser dazu eingerichtet, die Primärstrahlung nur teilweise in eine rote Sekundärstrahlung zu konvertieren und über dem Konversionselement 3 ein Spiegel oder Filter angeordnet (nicht gezeigt), der dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung zu filtern, so dass keine oder nur geringfügig Primärstrahlung aus dem Filter oder Spiegel heraustritt.
  • Das Konversionselement 3 ist über der Strahlungsaustrittsfläche 2a der Halbleiterschichtenfolge 2 vollflächig aufgebracht. Insbesondere tritt keine Primärstrahlung S über die Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 aus, sondern überwiegend über die Strahlungsaustrittsfläche 2a. Das Konversionselement 3 kann mittels einer Haftschicht (nicht gezeigt), beispielsweise aus Silikon, auf der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht sein.
  • Die Konversions-LED 1 gemäß der 11 weist ein Gehäuse 11 mit einer Ausnehmung auf. In der Ausnehmung ist eine Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet, die eine aktive Schicht aufweist (nicht gezeigt). Die aktive Schicht emittiert im Betrieb der Konversions-LED eine Primärstrahlung S mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 460 nm.
  • Das Konversionselement 3 ist als Verguss der Schichtenfolge in der Ausnehmung ausgeformt und umfasst ein Matrixmaterial wie beispielsweise ein Silikon und einen ersten Leuchtstoff, einen ersten und zweiten Leuchtstoffs oder einen ersten, einen zweiten und einen dritten Leuchtstoff. Der erste Leuchtstoffs oder die Leuchtstoffe konvertieren die Primärstrahlung S im Betrieb der Konversions-LED 1 zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung SA. Bei einer teilweisen Konversion ist über dem Konversionselement 3 ein Filter oder ein Spiegel angeordnet (nicht gezeigt). Alternativ konvertieren die Leuchtstoffe die die Primärstrahlung S vollständig in Sekundärstrahlung SA. Enthält das Konversionselement 3 nur den ersten Leuchtstoff, ist dieser dazu eingerichtet, die Primärstrahlung nur teilweise in eine rote Sekundärstrahlung zu konvertieren und über dem Konversionselement 3 ein Spiegel oder Filter angeordnet (nicht gezeigt), der dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung zu filtern, so dass keine Primärstrahlung aus dem Filter oder Spiegel heraustritt.
  • Möglich ist auch, dass der erste Leuchtstoff oder die Leuchtstoffe in den Ausführungsbeispielen der 9 bis 11 in dem Konversionselement 3 räumlich von der Halbleiterschichtenfolge 2 oder der Strahlungsaustrittsfläche 2a beabstandet angeordnet ist. Dies kann beispielsweise durch Sedimentation oder durch Aufbringen der Konversionsschicht auf dem Gehäuse erreicht werden.
  • Beispielsweise kann im Gegensatz zu der Ausführungsform der 11 der Verguss lediglich aus einem Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, bestehen, wobei auf dem Verguss beabstandet zu der Halbleiterschichtenfolge 2 das Konversionselement 3 als Schicht auf dem Gehäuse 11 und auf dem Verguss aufgebracht wird.
  • Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele 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.
  • 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
    Beleuchtungsvorrichtung oder Konversions-LED
    2
    Halbleiterschichtenfolge oder Halbleiterchip
    2a
    Strahlungsaustrittsfläche
    3
    Konversionselement
    10
    Substrat
    11
    Gehäuse
    S
    Primärstrahlung
    SA
    Sekundärstrahlung
    LED
    lichtemittierende Diode
    FOG
    Farbort der Gesamtstrahlung
    FOGF
    Farbort der Gesamtstrahlung gefiltert
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2017/078913 [0002]

Claims (15)

  1. Beleuchtungsvorrichtung (1) zur Emission einer roten Gesamtstrahlung, aufweisend - eine Halbleiterschichtenfolge (2), die zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung (S) eingerichtet ist; - ein Konversionselement (3), das einen ersten Leuchtstoff der Formel Sr [Al2Li2O2N2] : Eu, in der tetragonalen Raumgruppe P42/m kristallisiert, umfasst und zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung (S) in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung (SA) im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert, wobei - das Konversionselement (3) einen zweiten Leuchtstoff umfasst, der teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung (S) in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung (S) im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert und/oder - die Beleuchtungsvorrichtung (1) eine über dem Konversionselement (3) angeordneten Spiegel oder Filter umfasst.
  2. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel M(1-0,5z) Zz [AaBbCcDdEeN4-nOn] : ESx, REy aufweist, wobei M = Ca, Sr und/oder Ba; Z = Na, K ,Rb, Cs und/oder Ag; A = Mg, Mn und/oder Zn; B = B, Al und/oder Ga; C = Si, Ge, Ti, Zr und/oder Hf; D = Li und/oder Cu; E = P, V, Nb und/oder Ta; ES = Ce3+; RE = Eu2+, Eu3+, Yb2+ und/oder Yb3+; 0 ≤ x ≤ 0,2; 0 ≤ y ≤ 0,2; 0 < x+y ≤ 0,2; 0 ≤ z ≤ 0,9 oder 0 ≤ z ≤ 0,5; 0 ≤ n ≤ 4; 0 ≤ a ≤ 4; 0 ≤ b ≤ 4; 0 ≤ c ≤ 4; 0 ≤ d ≤ 4; 0 ≤ e ≤ 4; a + b + c + d + e = 4 und 2a+3b+4c+d+5e = 10-n+z.
  3. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel M(1-y) [BbDdN4-nOn] : REy aufweist, wobei M = Ca, Sr und/oder Ba; B = B, Al und/oder Ga; D = Li und/oder Cu; RE = EU2+; 0 < y ≤ 0,2; 0 ≤ n ≤ 4; 0 ≤ b ≤ 4; 0 ≤ d ≤ 4 und b + d = 4
  4. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der zweite Leuchtstoff in der Raumgruppe I4/m kristallisiert.
  5. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der zweite Leuchtstoff die Formel Sr[Al2Li2O2N2] :Eu aufweist.
  6. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel M*x*A*y* [B*z*C*f*D*g*E*h*Oa*Fb*] :Mn4+ aufweist, wobei A* = Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag und/oder NH4; M* = Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn und/oder Sn; B* = Si, Ge, Sn, Ti, Zr und/oder Hf; C* =Al, Ga, In, Gd, Y, Sc, La, Tb, Bi und/oder Cr; D* = Nb, Ta und/oder V; E* = W und/oder Mo; 2x+y = -(4z + 3f + 5g+ 6h+ 4c - 2+ a-b); 0 ≤ x*; 0 ≤ y*; 0 ≤ z*; 0 ≤ f*; 0 ≤ g*; 0 ≤ h*; 0 ≤ a*; 0 ≤ b*; x*+y*+z*+f*+g*+h* > 0 und a*+b* > 0.
  7. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel A*2B*F6:Mn+4, wobei A* = Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag und/oder NH4 und B* = Si, Ge, Sn, Ti, Zr und/oder Hf.
  8. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Leuchtstoff die allgemeine Formel (4-x) MgO ·xMgF2 ·GeO2:Mn4+, A2Ge4O9 :Mn4+ oder A3A' Ge8O18 :Mn4+ aufweist, wobei A = Li, K, Na oder Rb und A' = Li, K, Na oder Rb.
  9. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Leuchtstoff ausgewählt ist aus Sr4Al14O25 :Mn4+, Mg2TiO4:Mn4+, CaZrO3:Mn4+, Gd3Ga5O12:Mn4+, Al2O3:Mn4+, GdAlO3:Mn4+, LaAlO3:Mn4+, LiAl5O8:Mn4+, SrTiO3:Mn4+, Y2Ti2O7 :Mn4+, Y2Sn2O7 :Mn4+, CaAl12O19 :Mn4+, MgO: Mn4+, Ba2LaNbO6 :Mn4+.
  10. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Leuchtstoff ausgewählt ist aus Quantenpunkten umfassend ein halbleitendes Material.
  11. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das halbleitende Material ausgewählt ist aus CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, InN, AlN und Kombinationen daraus.
  12. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Leuchtstoff ausgewählt ist aus Halbleiterperovskiten der allgemeine Formel ZMX3 mit Z = Cs, CH3NH3, CH(NH2)2 und/oder (CH3)3NH; M = Pb, Sn, Ge, Mn, Cd und/oder Zn und X = Br, I und/oder SCN oder der allgemeinen Formel AI 2MIIMIIIX6 mit AI = Cs, CH3NH3, CH(NH2)2 und/oder (CH3)3NH; MI = Ag, K, Tl und/oder Au; MIII = Sb, Bi, As und/oder Sn und X = Br, I und/oder SCN.
  13. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Konversionselement (3) einen dritten Leuchtstoff umfasst, der teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung (S) in elektromagnetische Sekundärstrahlung (SA) im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums konvertiert und die allgemeine Formel M*x*A*y* [B*z*C*f*D*g*E*h*Oa*Fb*] :Mn4+ aufweist, wobei A* = Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag und/oder NH4; M* = Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn und/oder Sn; B* = Si, Ge, Sn, Ti, Zr und/oder Hf; C* =Al, Ga, In, Gd, Y, Sc, La, Tb, Bi und/oder Cr; D* = Nb, Ta und/oder V; E* = W und/oder Mo; 2x+y = -(4z + 3f + 5g+ 6h+ 4c - 2+ a-b); 0 ≤ x*; 0 ≤ y*; 0 ≤ z*; 0 ≤ f*; 0 ≤ g*; 0 ≤ h*; 0 ≤ a*; 0 ≤ b*; x*+y*+z*+f*+g*+h* > 0 und a*+b* > 0.
  14. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die als Leuchte für ein Kraftfahrzeug ausgeformt ist.
  15. Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für eine Rück- oder Bremsleuchte eines Kraftfahrzeugs oder als Leuchte für eine Ampel.
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