DE102020204429A1 - Schmalbandiger grüner leuchtstoff - Google Patents

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Simon Peschke
Philipp Schmid
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/18—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the nature or concentration of the activator

Abstract

Es wird ein Leuchtstoff angegeben. Der Leuchtstoff weist die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiC>4)4: E auf, wobei- v+x+y+z+w = 4;- 0 < v < 4;- 0 < x < 4;- 0 < y < 4;- 0 < z < 4;- 0 < w < 4 und- E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff und eine Beleuchtungsvorrichtung, die insbesondere den Leuchtstoff umfasst.
  • Im Bereich der Unterhaltungselektronik sind die Hersteller bestrebt Alleinstellungsmerkmale zu finden, um ihre Produkte zu verkaufen. Bei vielen Geräten mit Displays, wie Fernsehern, Computermonitoren, Tablets und Smartphones, sind leuchtende und naturgetreue Farben für die Kunden besonders wichtig.
  • In Lichtquellen für den Einsatz in der Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays und den meisten anderen Anzeigetypen werden die Farben durch Hinzufügen von drei Primärfarben (rot, blau und grün) wiedergegeben. Der Bereich der Farben, der auf einer solchen Anzeige dargestellt werden kann (Farbraum), ist daher auf das Dreieck beschränkt, das durch die Farbpunkte der drei Primärfarben gebildet werden kann. Diese werden durch drei Farbfilter aus dem Spektrum der Hintergrundbeleuchtung extrahiert. Der Bereich der von diesen Filtern durchgelassenen Wellenlängen ist jedoch recht breit. Dies erfordert eine Lichtquelle mit einem Spektrum, das aus drei schmalbandigen Emissionspeaks besteht, um den maximalen Farbraum zu erhalten.
  • Bei LEDs für Hintergrundbeleuchtungsanwendungen wird ein geeignetes Emissionsspektrum in der Regel durch die Kombination eines blau emittierenden LED-Chips mit einem grünen und einem roten Phosphor mit möglichst schmalbandigen Emissionspeaks erzielt. Die Emissionspeaks stimmen im Idealfall vollständig mit den Durchlassbändern der Farbfilter überein, um möglichst wenig Licht zu verschwenden und eine maximale Effizienz zu erreichen und Überlappungen/Übersprechen zwischen den verschiedenen Farbkanälen zu minimieren, was eine Reduktion des erreichbaren Farbraums zur Folge hat.
  • Es besteht Bedarf an Leuchtstoffen, die schmalbandig im grünen Spektralbereich emittieren.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Leuchtstoff anzugeben, der im grünen Spektralbereich Strahlung emittiert und eine kleine Halbwertsbreite aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung mit dem hier beschriebenen vorteilhaften Leuchtstoff anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff und eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
  • Es wird ein Leuchtstoff angegeben. Der Leuchtstoff ist mit einem Aktivator E dotiert, wobei E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn. Insbesondere ist der Aktivator für die Emission von Strahlung des Leuchtstoffs verantwortlich. Der Leuchtstoff weist die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4) 4: E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 0 < v < 4;
    • - 0 < x < 4;
    • - 0 < y < 4;
    • - 0 < z < 4;
    • - 0 < w < 4 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • 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 höchstens 1 Promille oder 100 ppm (parts per million) oder 10 ppm aufweisen sollten.
  • Die Schreibweise der Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4)4:E, bei der Lithium zweimal aufgeführt ist, ist einem Fachmann auf dem Gebiet der anorganischen Chemie allgemein bekannt. Insbesondere verdeutlicht diese Summenformel dem Fachmann, dass das Lithium innerhalb der Kristallstruktur des Leuchtstoffs unterschiedliche Positionen besetzen kann. Eine alternative Schreibweise der allgemeinen Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO4)4: ist NavKxRbyCswLil2+.Si4016:E.
  • Den Erfindern ist es vorliegend gelungen einen effizienten Leuchtstoff zu synthetisieren, der fünf unterschiedliche Alkalimetalle enthält.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4) 4: E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 0 < v ≤ 3;
    • - 0 < x ≤ 3;
    • - 0 < y ≤ 3;
    • - 0 < z ≤ 3;
    • - 0 < w ≤ 3 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • Überraschenderweise weisen die Leuchtstoffe mit der Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO>4)4:E, die fünf unterschiedliche Alkalimetallionen enthalten, bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung eine Emission bzw. Sekundärstrahlung im grünen Spektralbereich auf und zeigen eine geringe Halbwertsbreite. Die erfindungsgemäßen Leuchtstoffe weisen mit Vorteil nur eine Emissionsbande bzw. nur einen Emissionspeak auf. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Farbort der emittierten Strahlung der Leuchtstoffe bei Änderung der Temperatur höchstens geringfügig verschoben wird. Insbesondere ist die Verschiebung des Farborts deutlich weniger ausgeprägt wie bei einem Leuchtstoff mit zwei Emissionsbanden, die noch dazu ein unterschiedliches Quenching-Verhalten besitzen.
  • Unter der Halbwertsbreite wird hier und im Folgenden die spektrale Breite auf halber Höhe des Maximums eines Emissionspeaks bzw. einer Emissionsbande, kurz FWHM oder Full-width at half maximum, verstanden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4) 4: E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 0 < v ≤ 2;
    • - 0 < x ≤ 2;
    • - 0 < y ≤ 2;
    • - 0 < z ≤ 2;
    • - 0 < w ≤ 2 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO4)4:E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 0,05 ≤ v ≤ 1,50;
    • - 0,05 ≤ x ≤ 1,50;
    • - 0,05 ≤ y ≤ 1,50;
    • - 0,05 ≤ z ≤ 1,50;
    • - 0,05 ≤ w ≤ 1,50 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • Der Leuchtstoff der Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4) 4: E weist mit Vorteil eine Peakwellenlänge im Bereich zwischen einschließlich 529 nm bis 539 nm auf und die Halbwertsbreite liegt zwischen 40 nm und 45 nm. Insbesondere zeigt das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs nur einen Emissionspeak und zeigt somit insbesondere keine Doppelemission. Mit anderen Worten weist die Emission des Leuchtstoffs insbesondere kein relatives Maximum, sondern nur ein absolutes Maximum auf, welches der Peakwellenlänge entspricht. Dadurch wird eine sehr hohe Farbreinheit und eine sehr hohe Lichtausbeute (LER) erreicht.
  • Als „Peakwellenlänge“ wird vorliegend die Wellenlänge im Emissionsspektrum eines Leuchtstoffs bezeichnet, bei der die maximale Intensität im Emissionsspektrum bzw. einer Emissionsbande liegt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4) 4: E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 0,50 ≤ v ≤ 1,50;
    • - 0,50 ≤ x ≤ 1,50;
    • - 0,50 ≤ y ≤ 1,50;
    • - 0,50 ≤ z ≤ 1,50;
    • - 0,05 ≤ w ≤ 0,5 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • Bekannte Leuchtstoffe der Summenformel A4(Li3SiO4)4:E, bei denen A für zwei unterschiedliche Alkalimetallionen steht, weisen auch bereits Peakwellenlängen im grünen Spektralbereich auf und zeigen eine geringe Halbwertsbreite. Rb2Li2 (Li3SiO4)4:Eu2+ und Rb2Na2 (Li3SiO4) 4:Eu2+ sind Beispiele für schmalbandige grüne Leuchtstoffe mit nur einem Emissionspeak, die Peakwellenlängen liegen bei 530 nm und die Halbwertsbreiten bei 42 nm (Ming Zhao et al., Advanced Materials, 2018, 1802489, „Next-Generation Narrow-Band Green-Emitting RbLi(Li3SiO4)2: Eu2+ Phosphor for Backlight Display Application“; Hongxu Liao et al., Advanced Functional Materials 2019, 1901988, „Polyhedron Transformation toward Stable Narrow-Band Green Phosphors for Wide-Color-Gamut Liquid Crystal Display“).
  • Es gibt auch Beispiele für Leuchtstoffe der Summenformel A4(Li3SiO4)4:E, bei denen A für zwei unterschiedliche Alkalimetallionen steht, die schmalbandig mit einer Peakwellenlänge im blauen Spektralbereich emittieren. Ein Beispiel für einen solchen Leuchtstoff ist RbNa3(Li3SiO4)4:Eu2+ mit einer Peakwellenlänge bei 471 nm und einer Halbwertsbreite von nur 22,4 nm (Hongxu Liao et al., Angewandte Chemie, 2018, 130, p 1-5, „Learning from a Mineral Structure toward an Ultra-Narrow-Band Blue-Emitting Silicate Phosphor RbNa3 (Li3SiO4) 4: Eu2+") .
  • Allerdings gibt es auch Beispiele bekannter Leuchtstoffe der Summenformel A4(Li3SiO4)4:E, bei denen A für zwei unterschiedliche Alkalimetallionen steht, die eine unerwünschte Doppelemission mit einem Emissionspeak im blauen und einem Emissionspeak im grünen Spektralbereich aufweisen. Beispiele sind (Na0.5K0.5)4 (Li3SiO4)4:Eu, das einen Emissionspeak bei 486 nm und einem Emissionspeak bei 530 nm zeigt und NaK7(Li3SiO4)8:Eu, das einen Emissionspeak bei 515 nm und einem Emissionspeak bei 598 nm aufweist (Ming Zhao et al., Light: Science & Applications, 2019, „Emerging ultra-narrow-band cyan-emitting phosphor for white LEDs with enhanced color rendition"; Daniel Dutzler et al., Angewandte Chemie Int. Ed. 2018, 57, 1 - 6, „Alkali Lithosilicates: Renaissance of a Reputable Substance Class with Surprising Luminescence Properties").
  • Erhöht man die Anzahl an Alkalimetallionen A in der Summenformel A4(Li3SiO4)4:E auf drei oder vier unterschiedliche Alkalimetallionen, zeigen die Leuchtstoffe ausschließlich Doppelemissionen. So weist der Leuchtstoff Cs4-x-y-zRbxNayLiz[Li3SiO4]4:Eu einen Emissionspeak bei 473 nm und einen Emissionspeak bei 531 nm (F. Ruegenberg et al., Chemistry, A European Journal, 2020, 26, 1-8, „A Double-Band Emitter with Ultranarrow-Band Blue and Narrow-Band Green Luminescence"; 10), der Leuchtstoff
    CsKNa1.98-yLiy(Li3SiO4)4:0,02EU2+ mit 0 ≤ y ≤ 1 einen Emissionspeak bei 485 nm und einen Emissionspeak bei 526 nm (Wei Wang et al., Chemistry of Materials 2019, „Photoluminescence Control of UCr4C4-Typed Phosphors with Superior Luminous Efficiency and High Color Purity via Controlling Site-Selection of Eu2+ Activators") und die Leuchtstoffe RbNa2K (Li3SiO4) 4:Eu2+ und CsNa2K (Li3SiO4) 4:Eu2+ jeweils einen Emissionspeak bei ca. 480nm/485 nm und einen Emissionspeak bei ca 531 nm auf (Ming Zhao et al., Advanced Optical Materials, 2018, „Discovery of New Narrow-Band Phosphors with the UCr4C4-Related Type Structure by Alkali Cation Effect").
  • Aus den bekannten Leuchtstoffen der Summenformel A4(Li3SiO4)4:E ist ein klarer Trend zur Doppelemission und damit eine Zunahme der Emission im blauen Spektralbereich zu erkennen, je mehr unterschiedliche Alkalimetallionen in dem Leuchtstoff vorhanden sind. Gerade für Hintergrundbeleuchtungsanwendungen werden aber schmalbandige Leuchtstoffe mit nur einem Emissionspeak im grünen Spektralbereich benötigt, um möglichst wenig Licht zu verschwenden, eine maximale Effizienz zu erreichen und Überlappungen/Übersprechen zwischen den verschiedenen Farbkanälen zu minimieren.
  • Umso überraschender ist, dass das Emissionsspektrum des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs der allgemeinen Formel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO4)4:E, bei denen also A in A4(Li3SiO4)4:E für fünf unterschiedliche Alkalimetallionen steht, also Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium, nur einen Emissionspeak im grünen Spektralbereich und somit mit Vorteil keine Doppelemission aufweist. Mit anderen Worten weist die Emission des Leuchtstoffs insbesondere kein relatives Maximum, sondern nur ein absolutes Maximum auf, welches der Peakwellenlänge entspricht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4) 4: E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 1,00 ≤ v ≤ 1,40;
    • - 0,80 ≤ x ≤ 1,20;
    • - 0,80 ≤ y ≤ 1,20;
    • - 0,60 ≤ z ≤ 1,00;
    • - 0,05 ≤ w ≤ 0,30 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw (Li3SiC>4) 4: E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 1,08 ≤ v ≤ 1,28;
    • - 0,86 ≤ x ≤ 1,06;
    • - 0,82 ≤ y ≤ 1,02;
    • - 0,72 ≤ z ≤ 0,92;
    • - 0,05 ≤ w ≤ 0,22 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die allgemeine Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO4)4:E auf, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 1,16 ≤ v ≤ 1,20;
    • - 0,94 ≤ x ≤ 0,98;
    • - 0,90 ≤ y ≤ 0,94;
    • - 0,80 ≤ z ≤ 0,84;
    • - 0,10 ≤ w ≤ 0,14 und
    • - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist E = Eu oder Eu2+. Es hat sich gezeigt, dass mit Eu2+ als Aktivator besonders effiziente Leuchtstoffe vorliegen.
  • Der Aktivator E kann gemäß einer Ausführungsform in Mol%-Mengen zwischen 0,1 Mol% bis 20 Mol%, 1 Mol% bis 10 Mol%, 0,5 Mol% bis 5 Mol%, 2 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 oder Eu2+, insbesondere als Mol%-Angaben bezogen auf die Molanteile von Li, K, Na, Rb und/oder Cs in dem Leuchtstoff verstanden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff mit einer Primärstrahlung zwischen 330 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen 340 nm und 460 nm, besonders bevorzugt zwischen 360 und 450 nm, anregbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff in einem tetragonalen Kristallsystem bzw. in einer tetragonalen Kristallstruktur.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff in der Raumgruppe I4/m. Bevorzugt liegen die Gitterparameter a, b, und c bei 10,9 Ä ≤ a ≤ 11,1 Ä, 10,9 Ä ≤ b ≤ 11,1 Ä und 6,2 Ä ≤ c ≤ 6,4 A. Besonders bevorzugt liegen die Gitterparameter a, b, c bei: a = b = 11,0063(5) Ä and c = 6,3336(3) Ä.
  • Gemäß zumindest einer Ausführunform weist der Leuchtstoff die Summenformel Na1, 18K0, 96Rb0, 92Li0, 82CS0,12 (Li3SiO4) 4: Eu auf.
  • Der Leuchtstoff Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82Cs0,12 (Li3SiO4)4:Eu zeichnet sich durch seine im grünen Spektralbereich liegende Peakwellenlänge bei 534 nm und seiner Schmalbandigkeit mit einer Halbwertsbreite von ca. 42 nm aus. Durch die sehr geringe Halbwertsbreite und der Eigenschaft, dass das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs nur einen Emissionspeak aufweist, zeigt der Leuchtstoff im Vergleich zu bekannten grünen Leuchtstoffen eine extrem hohe Farbreinheit und eine extrem hohe Lichtausbeute. Die Dominanzwellenlänge des Leuchtstoffs liegt bei ca. 543 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.
  • Während beispielsweise die Leuchtstoffe RbNa2K(Li3SiO4)4:Eu2+ und CsNa2K (Li3SiO4) 4:Eu2+ eine Doppelemission mit einer Emission im blauen und einer Emission im grünen Spektralbereich aufweisen, zeigt der erfindungsgemäße Leuchtstoff NA1,18K0,96Rb0,92Li0,82Cs0,12(Li3SiO4)4: Eu2+ überraschenderweise nur einen Emissionspeak und somit keine Doppelemission.
  • Die Erfinder haben somit erkannt, dass ein neuartiger grüner Leuchtstoff mit überraschend vorteilhaften Eigenschaften bereitgestellt werden kann.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Leuchtstoffs ist im Vergleich zu vielen anderen Herstellungsverfahren für Leuchtstoffe sehr einfach durchzuführen. Die Synthese erfolgt bei moderaten Temperaturen im Bereich zwischen 650 °C - 900 °C, insbesondere 700 °C bis 850 °C oder 750 °C bis 800 °C 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 Erfindung betrifft ferner eine Beleuchtungsvorrichtung. Insbesondere weist die Beleuchtungsvorrichtung den Leuchtstoff auf. Dabei gelten alle Ausführungen und Definitionen des Leuchtstoffs auch für die Beleuchtungsvorrichtung und umgekehrt.
  • Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung angegeben. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst einen Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO4)4:E, wobei
    • - v+x+y+z+w = 4;
    • - 0 < v < 4;
    • - 0 < x < 4;
    • - 0 < y < 4;
    • - 0 < z < 4;
    • - 0 < w < 4 und
    E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn, bevorzugt E = Eu allein oder in Kombination mit Ce, Yb und/oder Mn, besonders bevorzugt E = Eu.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beleuchtungsvorrichtung eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge ist zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung eingerichtet.
  • 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, 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, Ga, In und N, 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 Emissionsmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 330 nm und einschließlich 500 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 340 nm und einschließlich 460 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 360 und einschließlich 450 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Wellenlänge oder das Emissionsmaximum der Primärstrahlung im ultravioletten Bereich zwischen einschließlich 330 nm und 400 nm, bevorzugt einschließlich 360 nm und 400 nm oder im blauen Bereich zwischen einschließlich 400 nm und einschließlich 460 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 400 nm und 450 nm. Es hat sich gezeigt, dass der Leuchtstoff mit einer Primärstrahlung in diesen Bereichen besonders effizient angeregt werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Beleuchtungsvorrichtung um eine Leuchtdiode, kurz LED, insbesondere eine Konversions-LED. Die Beleuchtungsvorrichtung ist dann bevorzugt dazu eingerichtet, weißes oder grünes Licht zu emittieren.
  • In Kombination mit dem in der Beleuchtungsvorrichtung vorhandenen Leuchtstoff ist die Beleuchtungsvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet, in Vollkonversion grünes Licht und in Teilkonversion weißes Licht zu emittieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsvorrichtung dazu eingerichtet in Vollkonversion grünes Licht zu emittieren. Die Beleuchtungsvorrichtung kann den Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO4)4:E als einzigen Leuchtstoff ausweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung dieser Ausführungsform eignet sich insbesondere für Anwendungen bei denen eine gesättigte grüne Emission benötigt wird, wie zur Videoprojektion, beispielweise im Kino, Büro oder Zuhause, Head-Up Displays, für Lichtquellen mit einstellbarem Farbwiedergabeindex oder einstellbarer Farbtemperatur, Lichtquellen mit an die Anwendung angepassten Spektrum, wie Ladenbeleuchtung oder FCI-Lampen („feeling of contrast index“). FCI-Lampen sind Beleuchtungsvorrichtungen, die darauf ausgerichtet sind, ein Weißlicht mit einem besonders hohen Farbkontrastindex zu erzeugen. Geeignet sind Konversions-lichtemittierende Dioden oder Beleuchtungsvorrichtungen dieser Ausführungsform auch für farbige Spotlights, Wandbeleuchtungen oder Bewegungsscheinwerfer, insbesondere in der Bühnenbeleuchtung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beleuchtungsvorrichtung ein Konversionselement auf. Insbesondere umfasst das Konversionselement den Leuchtstoff oder besteht daraus. Der Leuchtstoff konvertiert zumindest teilweise oder vollständig die elektromagnetische Primärstrahlung in elektromagnetische Sekundärstrahlung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Gesamtstrahlung der Beleuchtungsvorrichtung eine weiße Mischstrahlung. Die Beleuchtungsvorrichtung oder das Konversionselement dieser Ausführungsform kann zusätzlich zu dem Leuchtstoff einen roten Leuchtstoff umfassen. Beleuchtungsvorrichtung dieser Ausführungsform eignet sich insbesondere für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigeelementen, wie Displays.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform konvertiert der Leuchtstoff die elektromagnetische Primärstrahlung teilweise in elektromagnetische Sekundärstrahlung. Dies kann auch als Teilkonversion bezeichnet werden. Die aus der Beleuchtungsvorrichtung austretende Gesamtstrahlung ist dann aus der Primär- und Sekundärstrahlung zusammengesetzt, insbesondere weiße Mischstrahlung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement neben dem Leuchtstoff einen zweiten und/oder dritten Leuchtstoff auf. Beispielsweise sind die Leuchtstoffe in einem Matrixmaterial eingebettet. Alternativ können die Leuchtstoffe auch in einer Konverterkeramik vorliegen.
  • Die Beleuchtungsvorrichtung kann einen zweiten Leuchtstoff zur Emission von Strahlung aus dem roten Spektralbereich aufweisen.
  • Ausführungsbeispiel
  • Das Ausführungsbeispiel AB mit der Summenformel Na1, 18K0, 96Rb0, 92Li0, 82Cs0,12(Li3SiO4) 4: Eu wurde wie folgt hergestellt: Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Rb2CO3, Cs2CO3, SiO2 und Eu2O3 wurden in den in Tabelle 1 gezeigten Mengen gemischt und die Mischung in einem offenen Nickel Tiegel auf eine Temperatur von 750 °C unter einer Formiergasatmosphäre (N2:H2 = 80:20) für vier Stunden erhitzt. Alternativ kann das Erhitzen unter einer 100 % H2 Atmosphäre oder in einer Formiergasatmosphäre mit bis zu 20 % N2, Rest H2 erfolgen. Nach dem Abkühlen wird ein Agglomerat an grünen Einkristallen des Leuchtstoffs erhalten, die in einem Achatmörser voneinander getrennt wurden
    Edukt Masse / g
    CS2CO3 1.493
    Rb2CO3 1.058
    K2CO3 0.633
    Na2CO3 0.486
    Li2CO3 4.086
    SiO2 2.210
    Eu2O3 0.032
  • Der Leuchtstoff zeigt eine Emission im grünen Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums. Durch Einkristalldiffraktometrie kann dem Leuchtstoff die Summenformel Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82Cs0,12(Li3SiO4) 4:Eu2+ zugewiesen werden. Aufgrund des vernachlässigbaren Streubeitrags des Eu bei der eingesetzten Aktivatorkonzentration wurde Eu bei der Verfeinerung nicht gesondert berücksichtigt.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
    • 1 zeigt einen Ausschnitt der Kristallstruktur eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs.
    • 2 zeigt eine Rietveld-Verfeinerung des Röntgenbeugungspulverdiffraktogramms eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs.
    • 3 zeigt ein Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs.
    • 4 zeigt die Kubelka-Munk-Funktion eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs.
    • 5 zeigt ein Emissionsspektrum von zwei Vergleichsbeispielen.
    • 6 zeigt das thermische Quenchverhalten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs.
    • 7 bis 9 zeigen schematische Schnittdarstellung von Beleuchtungsvorrichtungen.
    • 10 zeigt ein Emissionsspektrum eines Vergleichsbeispiels.
  • 1 zeigt die tetragonale Kristallstruktur des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs mit der Summenformel Na1, 18K0, 96Rb0, 92Li0, 82CS0,12 (Li3SiO4) 4:Eu2+. Die ausgefüllten Kreise stellen Rb-Atome (88,3%) und Cs-Atome (11,7%), die nicht ausgefüllten Kreise Rb-Atome (4,1%) und K-Atome (95,9%), die linierten nicht ausgefüllten Kreise Li-Atome (33,0%) und die linierten ausgefüllten Kreise Li-Atome (7,8%) und Na-Atome (59,2%) dar. Die diagonal schraffierten und größer dargestellten Polyeder sind LiO4-Tetraeder und die kariert schraffierten, kleiner dargestellten Polyeder sind SiO4-Tetraeder. Die (Li3SiO4)-Baueinheiten weisen SiO4- und LiO4-Tetraeder auf, wobei Sauerstoff die Ecken und Li bzw. Si die Mitte der Tetraeder besetzen. Die (Li3SiO4) -Baueinheiten bilden eine (Li3SiO4)-Substruktur, die der (Li3SiO4)--Substruktur von bekannten Lithosilikaten entspricht (J. Hofmann, R. Brandes, R. Hoppe, Neue Silicate mit „Stuffed Pyrgoms”: CsKNaLi9{Li[SiO4] }4, CsKNa2Li8{Li[SiO4] }4, RbNa3Li8{Li[SiO4] }4, und RbNaLi4{Li[SiO4] }4, Z. Anorg. Allg. Chem., 1994, 620, 1495 - 1508.), allerdings unterscheidet sich der Leuchtstoff von bekannten Lithosilikaten in der unterschiedlichen Besetzung der zwei Arten von Kanälen. Die (Li3SiO4)-Substruktur bildet zwei Arten von Kanälen entlang der kristallographischen c-Achse. Die erste Art von Kanälen ist mit den schwereren Alkalimetallen Cs, Rb und K besetzt. Dabei sind K und Rb alternierend angeordnet, wobei Rb teilweise durch Cs substituiert ist (11,7%) und K teilweise durch Rb substituiert ist (4,1 %). Die zweite Art von Kanälen ist mit den leichteren Alkalimetallen Na und Li besetzt. In der zweiten Art von Kanälen sind nicht alle Na- und Li-Positionen vollständig besetzt, die Na-Position ist von Na zu 59,2% und Li zu 7,8% besetzt und die Li-Position ist zu 33% mit Li besetzt. Die Summe der Besetzung der zweiten Art von Kanälen wurde bei der Verfeinerung auf 100% gesetzt, um Ladungsneutralität zu gewährleisten. Diese neuartige Kristallstruktur von Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82Cs0,12 (Li3SiO4)4:Eu2+ ist bislang nicht bekannt. Die Kristallstruktur ist isostrukturell zu der Kristallstruktur von CsNaKLi(Li3SiO4)4 und CsNaRbLi(Li3SiO4)4 ((J. Hofmann, R. Brandes, R. Hoppe, Neue Silicate mit „Stuffed Pyrgoms": CsKNaLig{Li[SiO4] }4, CsKNa2Li8{Li[SiO4] }4, RbNa3Li8{Li[SiO4] }4, und RbNaLi4{Li[SiO4]}4, Z. Anorg. Allg. Chem., 1994, 620, 1495-1508.). Wie beschrieben besetzt Li in der Kristallstruktur zum einen Positionen innerhalb der (Li3SiO4)-Substruktur und zum anderen innerhalb der von der (Li3SiO4)-Substruktur gebildeten Kanäle, aufgrund dessen ist eine bevorzugte Schreibweise der Summenformel
    Na1, 18K0,96Rb0, 92Li0, 82Cs0,12(Li3SiO4) 4: Eu2+, wobei auch Na1,18K0,96Rb0,92Cs0,12Li12,82Si4O16:Eu2+ verwendet werden kann. Der Leuchtstoff kristallisiert in der Raumgruppe I4/m. Die Kristallstruktur wurde mittels Einkristall- (Details in nachfolgenden Tabellen 2, 3 und 4) und Pulverröntgenbeugungsexperimente (2) bestimmt.
  • In Tabelle 2 sind die kristallographischen Daten von Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82CS0,12 (Li3SiO4) 4:Eu2+ gezeigt. Tabelle 2:
    Summenformel Cs0.12Rb0.92K0.96Na1.18Li0.82 (Li3SiO4) 4:Eu
    Molare Masse / g × mol-1 308.30 (ohne Eu)
    Kristallsystem tetragonal
    Raumgruppe I4/m (no 87)
    a / Å 11.0063(5)
    b / Å 11.0063(5)
    c / Å 6.3336(3)
    Zellvolumen / Å3 767.24 (8)
    Dichte / g × cm-3 2.669
    T / K 296
    Strahlung Cu-Kα (A = 1.542 Ä)
    Messbereich 5.7 < θ < 74.3
    -13 ≤ h ≤ 13
    -13 ≤ k ≤ 13
    -7 ≤ 1 ≤ 7
    Reflexe gesamt 3550
    Unabhängige Reflexe 423
    Anzahl der Parameter 32
    Rint, Rσ 0.0346, 0.0222
    Δρmax, Δρmin /eÅ -3 0.42/-0.44
    R1 (obs/all) 0.026/0.027
    wR2 (obs/all) 0.066/0.066
    GooF (obs/all) 1.14/1.14
  • In Tabelle 3 sind die Atomlagen von
    Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82CS0,12 (Li3SiO4) 4:Eu2+ gezeigt. Tabelle 3:
    Atom × y z Besetzung Uiso
    Rb01 ½ ½ 0 0.883 (11) 0.0176 (3)
    Cs01 ½ ½ 0 0.117 (11) 0.0176 (3)
    K002 ½ ½ ½ 0.959(8) 0.0120(6)
    Rb02 ½ ½ ½ 0.041(8) 0.0120 (6)
    Si03 0.21585 (8) 0.42217 (8) ½ 1 0.0060(3)
    Na04 0 ½ ¾ 0.592 (13) 0.0113 (12)
    Li04 0 ½ ¾ 0.078 (13) 0.0113 (12)
    0005 0.0996 (2) 0.3307 (2) ½ 1 0.0106 (5)
    0006 0.29593(15) 0.40548(16) 0.2842(3) 1 0.0110 (4)
    0007 0.1631 (2) 0.5621 (2) ½ 1 0.0093 (5)
    Li08 0.0749(6) 0.7118 (6) ½ 1 0.0124 (13)
    Li09 0.3857 (4) 0.2575(5) 0.2574 (7) 1 0.0173 (10)
    Li10 0 ½ ½ 0.33(5) 0.022 (11)
  • In Tabelle 4 sind die anisotropen Auslenkungsparameter von von Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82CS0,12 (Li3SiO4) 4:Eu2+ gezeigt. Tabelle 4:
    Atom U11 U22 U33 U23 U13 U12
    Rb01 0.0199(3) 0.0199(3) 0.0131 (4) 0 0 0
    Cs01 0.0199(3) 0.0199(3) 0.0131 (4) 0 0 0
    K002 0.0107(6) 0.0107 (6) 0.0146(9) 0 0 0
    Rb02 0.0107(6) 0.0107 (6) 0.0146(9) 0 0 0
    Na04 0.0109 (13) 0.0109(13) 0.012(2) 0 0 0
    Li04 0.0109 (13) 0.0109(13) 0.012(2) 0 0 0
  • 2 zeigt eine Rietveld-Verfeinerung des Röntgenbeugungspulverdiffraktogramms von
    Na1,18K0, 96Rb0, 92Li0, 82CS0,12(Li3SiO4) 4:Eu. Anhand des gemessenen Röntgenpulverdiffraktogramms ist die hohe Reinheit des Leuchtstoffs ersichtlich. Im oberen Diagramm ist dabei die Überlagerung der gemessenen Reflexe mit den berechneten Reflexen dargestellt. Im unteren Diagramm sind die Unterschiede der gemessenen und der berechneten Reflexe dargestellt.
  • 3 zeigt das Emissionsspektren von
    Na1, 18K0, 96Rb0, 92Li0, 82Cs0,12(Li3SiO4) 4:Eu2+. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge in Nanometern aufgetragen und auf der y-Achse die relative Intensität in Prozent. Zur Messung des Emissionsspektrums wurde ein Pulver des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs mit einer Primärstrahlung einer Wellenlänge von 400 nm angeregt. Der Leuchtstoff weist eine Peakwellenlänge von 534 nm und eine Dominanzwellenlänge von 543 nm auf. Die Halbwertsbreite liegt bei 42,3 nm und der Farbpunkt im CIE-Farbraum bei den Koordinaten CIE-x: 0,259 und CIE-y: 0,697. Wie ersichtlich zeigt das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs nur einen Emissionspeak. Die Peakwellenlänge stellt somit nicht nur das absolute Maximum, sondern auch das einzige Maximum innerhalb des Emissionsspektrums dar.
  • Bei Anregung eines Pulvers des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs mit einer Primärstrahlung einer Wellenlänge von 460 nm (nicht gezeigt) zeigt der Leuchtstoff eine Peakwellenlänge von 534 nm und eine Dominanzwellenlänge von 542,7 nm auf. Die Halbwertsbreite liegt bei 43,5 nm und der Farbpunkt im CIE-Farbraum bei den Koordinaten CIE-x: 0,257 und CIE-y: 0,702. Auch hier weist das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs nur einen Emissionspeak auf und die Peakwellenlänge stellt das absolute und einzige Maximum dar.
  • Dagegen zeigt das in 10 gezeigte Emissionsspektrum des Leuchtstoffs Cs4-x-y-zRbxNayLiz[Li3SiO4] 4:Eu zwei Emissionspeaks und damit eine unerwünschte Doppelemission.
  • Die Emission des Leuchtstoffs zeigt eine große Überlappung mit dem Transmissionsbereich eines Standard-Grünfilters, so dass nur wenig Licht verlorengeht und der erreichbare Farbraum groß ist. Deshalb eignet sich der Leuchtstoff Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82CS0,12 (Li3SiO4)4:Eu2+
    insbesondere für Konversions-LEDs für Hintergrundbeleuchtungsanwendungen für Displays.
  • 4 zeigt eine normierte Kubelka-Munk-Funktion (KMF), aufgetragen gegen die Wellenlänge λ in nm, für Na1, 18K0, 96Rb0, 92Li0, 82Cs0,12(Li3SiO4) 4:Eu2+. KMF wurde dabei wie folgt berechnet:
    KMF = (1-Rinf)2/2Rinf' wobei Rinf der diffusen Reflexion (Remission) des Leuchtstoffs entspricht.
  • Aus 4 ist ersichtlich, dass der Leuchtstoff effizient mit einer Primärstrahlung zwischen 330 nm und 500 nm angeregt werden kann. Hohe KMF-Werte bedeuten eine hohe Absorption in diesem Bereich.
  • 5 zeigt die Emissionsspektren von den bekannten Leuchtstoffen Lu3(Al,Ga)5O12:Ce (G2) und (Sr,Ba)2SiO4:Eu (OS2).
  • Tabelle 5 zeigt einen Vergleich der spektralen Daten des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs
    Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82CS0,12 (Li3SiO4)4:Eu2+ (AB) mit den bekannten Leuchtstoffen Lu3(Al,Ga)5O12:Ce (G2) und (Sr,Ba)2SiO4:Eu (OS2).
  • Tabelle 5:
    AB G2 OS2
    CIE-x 0.259 0.287 0.263
    CIE-y 0.697 0.536 0.645
    λpeak /nm 534.0 537.4 536.3
    λdom / nm 543.0 541.3 541.5
    FWHM / nm 42.3 102.0 65.3
    LER / Im • Wapt -1 570.9 418.6 490.8
    Farbreinheit / % 90.2 49.0 75.3
  • Alle drei Leuchtstoffe zeigen eine ähnliche Dominanzwellenlänge. Der erfindungsgemäße Leuchtstoff AB zeigt jedoch eine deutlich höhere Lichtausbeute (LER) und eine deutlich höhere Farbreinheit. Dies führt zu einer besseren Farbreinheit und zu einer besseren Gesamteffizienz.
  • In 6 ist das thermische Quenchverhalten des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs
    Na1, 18K0, 96Rb0, 92Li0, 82Cs0,12(Li3SiO4) 4:Eu2+ dargestellt. Der Leuchtstoff wurde mit einer Primärstrahlung mit einer Wellenlänge von 400 nm bei verschiedenen Temperaturen von 25 bis 225 °C angeregt und seine Emissionsintensität wurde dabei aufgezeichnet. Der erfindungsgemäße Leuchtstoff zeigt nur einen geringen Verlust an Emissionsintensität bei typischen Temperaturen, die in einer Konversions-LED herrschen, insbesondere Temperaturen über 140 °C. Sogar bei 200 °C liegt der Verlust nur bei 10 %. Damit ist das thermische Quenchverhalten sogar besser als das von Lu3Al5O12:Ce. Mit Vorteil kann der Leuchtstoff damit auch bei höheren Betriebstemperaturen in Konversions-LEDs eingesetzt werden.
  • Die 7 bis 9 zeigen jeweils schematische Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen von hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen, insbesondere Konversions-LEDs.
  • Die Konversions-LEDs der 7 bis 9 weisen zumindest einen hier beschriebenen erfindungsgemäßen Leuchtstoff auf. Zusätzlich kann ein weiterer Leuchtstoff oder eine Kombination von Leuchtstoffen in der Konversions-LED vorhanden sein. Die zusätzlichen Leuchtstoffe sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht explizit erwähnt.
  • Die Konversions-LED gemäß 7 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 340 nm bis 460 nm emittiert. Das Konversionselement 3 ist im Strahlengang der Primärstrahlung S angeordnet. Das Konversionselement 3 umfasst ein Matrixmaterial, wie beispielsweise ein Silikon, Epoxidharz oder Hybridmaterial, und Partikel des erfindungsgemäßen Leuchtstoffs 4.
  • Der Leuchtstoff 4 ist dazu befähigt, die Primärstrahlung S im Betrieb der Konversions-LED zumindest teilweise oder vollständig in eine Sekundärstrahlung SA im grünen Spektralbereich, insbesondere mit einer Peakwellenlänge zwischen einschließlich 529 nm bis 539 nm zu konvertieren. Der Leuchtstoff 4 ist in dem Konversionselement 3 in dem Matrixmaterial im Rahmen der Herstellungstoleranz homogen verteilt.
  • Alternativ kann der Leuchtstoff 4 auch mit einem Konzentrationsgradienten in dem Matrixmaterial verteilt sein.
  • Alternativ kann das Matrixmaterial auch fehlen, sodass der 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 mechanischem 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 8 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 erfindungsgemäßen Leuchtstoffs 4 bestehen und somit ein keramisches Plättchen sein, oder das Plättchen weist beispielsweise Glas, Silikon, ein Epoxidharz, ein Polysilazan, ein Polymethacrylat oder ein Polycarbonat als Matrixmaterial mit darin eingebetteten Partikeln des Leuchtstoffs 4 auf.
  • 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 9 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 340 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 Leuchtstoff 4, beispielsweise Na1,18K0,96Rb0,92Li0,82CS0,12 (Li3SiO4) 4: Eu. Der Leuchtstoff 4 konvertiert die Primärstrahlung S im Betrieb der Konversions-LED 1 zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung SA. Alternativ konvertiert der Leuchtstoff die Primärstrahlung S vollständig in Sekundärstrahlung SA.
  • Möglich ist auch, dass der Leuchtstoff 4 in den Ausführungsbeispielen der 7 bis 9 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 9 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.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Beleuchtungsvorrichtung oder Konversions-LED
    2
    Halbleiterschichtenfolge oder Halbleiterchip
    2a
    Strahlungsaustrittsfläche
    3
    Konversionselement
    4
    Leuchtstoff
    10
    Substrat
    11
    Gehäuse
    S
    Primärstrahlung
    SA
    Sekundärstrahlung
    LED
    lichtemittierende Diode
    LER
    Lichtausbeute
    W
    Watt
    Im
    Lumen
    λdom
    Dominanzwellenlänge
    ppm
    Parts per Million
    AB
    Ausführungsbeispiel
    g
    Gramm
    IR
    relative Intensität
    Mol%
    Molprozent
    KMS
    Kubelka-Munk-Funktion
    K
    Kelvin
    cm
    Zentimeter
    nm
    Nanometer
    °2θ
    Grad 2 Theta
    T
    Temperatur
    °C
    Grad Celsius
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Hongxu Liao et al., Angewandte Chemie, 2018, 130, p 1-5, „Learning from a Mineral Structure toward an Ultra-Narrow-Band Blue-Emitting Silicate Phosphor RbNa3 (Li3SiO4) 4: Eu2+”) [0021]
    • Ming Zhao et al., Light: Science & Applications, 2019, „Emerging ultra-narrow-band cyan-emitting phosphor for white LEDs with enhanced color rendition” [0022]
    • Daniel Dutzler et al., Angewandte Chemie Int. Ed. 2018, 57, 1 - 6, „Alkali Lithosilicates: Renaissance of a Reputable Substance Class with Surprising Luminescence Properties” [0022]
    • F. Ruegenberg et al., Chemistry, A European Journal, 2020, 26, 1-8, „A Double-Band Emitter with Ultranarrow-Band Blue and Narrow-Band Green Luminescence” [0023]
    • Wang et al., Chemistry of Materials 2019, „Photoluminescence Control of UCr4C4-Typed Phosphors with Superior Luminous Efficiency and High Color Purity via Controlling Site-Selection of Eu2+ Activators” [0023]
    • Ming Zhao et al., Advanced Optical Materials, 2018, „Discovery of New Narrow-Band Phosphors with the UCr4C4-Related Type Structure by Alkali Cation Effect” [0023]
    • J. Hofmann, R. Brandes, R. Hoppe, Neue Silicate mit „Stuffed Pyrgoms” [0056]

Claims (14)

  1. Leuchtstoff (4) mit der allgemeinen Summenformel NavKxRbyLizCsw(Li3SiO4) 4:E, wobei - v+x+y+z+w = 4; - 0 < v < 4; - 0 < x < 4; - 0 < y < 4; - 0 < z < 4; - 0 < w < 4 und - E = Eu, Ce, Yb und/oder Mn.
  2. Leuchtstoff (4) nach Anspruch 1, wobei - 0 < v ≤ 3; - 0 < x ≤ 3; - 0 < y ≤ 3; - 0 < z ≤ 3 und - 0 < w ≤ 3.
  3. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - 0 < v ≤ 2; - 0 < x ≤ 2; - 0 < y ≤ 2; - 0 < z ≤ 2 und - 0 < w ≤ 2.
  4. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - 0,05 ≤ v ≤ 1,50; - 0,05 ≤ x ≤ 1,50; - 0,05 ≤ y ≤ 1,50; - 0, 05 ≤ z ≤ 1,50 und - 0, 05 ≤ w ≤ 1,50.
  5. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - 0,50 ≤ v ≤ 1,50; - 0,50 ≤ x ≤ 1,50; - 0,50 ≤ y ≤ 1,50; - 0,50 ≤ z ≤ 1,50 und - 0, 05 ≤ w ≤ 0,5.
  6. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - 1,00 ≤ v ≤ 1,40; - 0,80 ≤ x ≤ 1,20; - 0,80 ≤ y ≤ 1,20; - 0,60 ≤ z ≤ 1,00 und - 0, 05 ≤ w ≤ 0,30.
  7. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - 1,08 ≤ v ≤ 1,28; - 0,86 ≤ x ≤ 1,06; - 0,82 ≤ y ≤ 1,02; - 0,72 ≤ z ≤ 0,92 und - 0, 05 ≤ w ≤ 0,22.
  8. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - 1,16 ≤ v ≤ 1,20; - 0,94 ≤ x ≤ 0,98; - 0,90 ≤ y ≤ 0,94; - 0,80 ≤ z ≤ 0,84 und - 0,10 ≤ w ≤ 0,14.
  9. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Kristallstruktur tetragonal ist.
  10. Leuchtstoff (4) nach Anspruch 9, der in der Raumgruppe I4/m kristallisiert.
  11. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Peakwellenlänge im Bereich zwischen einschließlich 529 nm bis 539 nm aufweist.
  12. Leuchtstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Halbwertsbreite zwischen 40 nm und 45 nm aufweist.
  13. Beleuchtungsvorrichtung (1) umfassend einen Leuchtstoff (4) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 13 aufweisend - eine Halbleiterschichtenfolge (2), die zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung (S) eingerichtet ist und - ein Konversionselement (3), das den Leuchtstoff (4) umfasst und zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung (S) in elektromagnetische Sekundärstrahlung (SA) konvertiert.
DE102020204429.5A 2020-04-06 2020-04-06 Schmalbandiger grüner leuchtstoff Pending DE102020204429A1 (de)

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