DE102022120647B4 - Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung umfassend eine Lichtquelle zur Abgabe von Primärlicht und eine Lichtkonversionseinheit gebildet durch oder umfassend ein Lichtkonversionselement mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei das Lichtkonversionselement dazu eingerichtet ist, auf seiner Vorderseite mit dem Primärlicht beleuchtet zu werden und Sekundärlicht mit einer gegenüber dem Primärlicht veränderten Wellenlänge auf seiner Vorderseite abzugeben, wobei das Lichtkonversionselement eine erste Phase mit einem lichtkonvertierenden keramischen Material umfasst und eine zweite Phase mit einem weiteren keramischen Material umfasst, wobei die zweite Phase eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Phase aufweist, und wobei das Lichtkonversionselement eine Vielzahl von Poren umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Primärlichtquelle und einem Lichtkonversionselement, welches von dem Primärlicht beleuchtet wird und Sekundärlicht mit einer gegenüber dem Primärlicht veränderten Wellenlänge abgibt.
  • Lichtkonversionselemente, insbesondere keramische Konverter, umfassen in der Regel ein bestimmtes Material als Leuchtstoff, beispielsweise Ce-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder Ce-dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG). Der spezifische Leuchtstoff bestimmt insbesondere das Absorptions- und Emissionsspektrum, welche wiederum einen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Lichtkonversionselements haben.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des Konverter-Materials hat einen Einfluss darauf, wie hoch die anregende Lichtleistung bzw. genauer die Leuchtdichte des anregenden Lichts sein darf, bevor aufgrund zu hoher Temperatur des Leuchtstoffs dessen Quanteneffizienz so stark absinkt, dass eine weitere Erhöhung der Lichtleistung zu keiner weiteren Erhöhung der emittierten Leistung bzw. Leuchtdichte mehr führt, d.h. das Bestrahlungsstärkelimit erreicht ist („irradiance limit“).
  • Die Wärmeleitfähigkeit der vielfach genutzten und beschriebenen Ce-dotierten Granat-Keramiken liegt (für Raumtemperatur), je nach genauer Zusammensetzung, ungefähr im Bereich von 5 bis 10 W/mK und ist damit im Vergleich mit anderen Oxiden bereits relativ hoch (viele Oxide oder auch Gläser besitzen eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von nur 1 bis 2 W/mK).
  • Es gibt jedoch einige Oxide, welche verglichen mit den Granaten, eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dazu gehören z.B. Al2O3 (insbesondere Korund) mit ca. 30 W/mK, MgO (Magnesia) mit ca. 40 W/mK, oder BeO mit ca. 300 W/mK. Zu beachten ist, dass diese Literaturwerte für einkristalline Materialien gelten, während die Werte in einem keramischen Gefüge deutlich geringer ausfallen können.
  • Wird nun ein Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als es die Ce-dotierten Granate besitzen mit diesen zu einer Mischkeramik verbunden, so kann diese Mischkeramik unter bestimmten Voraussetzungen eine deutlich höhere „irradiance“ bzw. einen deutlich höheren „light output“ ermöglichen als eine einphasige, gleichartige Keramik mit gleichen Abmessungen unter gleichen Bedingungen.
  • Die Verwendung von Mischkeramiken in Konverter-Elementen sind aus Literatur und Patentanmeldungen generell bekannt. Mitunter werden bestimmte Konverter-Materialien mit bestimmten Volumenanteilen für die Konverter-Keramik oder Korngrößen, Kornformen, Längen von Korngrenzen und dergleichen zur Beschreibung herangezogen.
  • Bisherige Schriften zielen allerdings typischerweise auf transmissive Bauarten, beispielsweise für Anwendungen im Bereich LED Lighting.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Vorteile von Mischkeramiken für effiziente Beleuchtungseinrichtungen mit remissiver Bauart zu nutzen.
  • Dazu offenbart die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung umfassend eine Lichtquelle zur Abgabe von Primärlicht, insbesondere ausgebildet als Laser oder Leuchtdiode, bevorzugt als Laser, und eine Lichtkonversionseinheit.
  • Die Lichtkonversionseinheit ist gebildet durch oder umfassend ein Lichtkonversionselement mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei das Lichtkonversionselement dazu eingerichtet ist, auf seiner Vorderseite mit dem Primärlicht beleuchtet zu werden und Sekundärlicht mit einer gegenüber dem Primärlicht veränderten Wellenlänge auf seiner Vorderseite abzugeben.
  • Optional umfasst die Lichtkonversionseinheit ferner ein Substrat, welches unmittelbar oder mittelbar mit der Rückseite des Lichtkonversionselements verbunden ist und vorzugsweise als Kühlkörper ausgebildet ist.
  • Vorzugsweise besteht das Substrat ganz oder überwiegend aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 30 W/mK bestehen, vorzugsweise größer 100 W/mK, noch bevorzugter größer 150 W/mK, noch bevorzugter größer 350 W/mK und/oder umfasst mindestens eine Keramik und/oder mindestens ein Metall und/oder mindestens einen Keramik-Metall-Verbund. Besonders bevorzugt umfasst das Substrat mindestens ein Metall, vorzugsweise ausgewählt aus Cu, Al, Fe oder Ni, insbesondere Cu, beispielsweise Ni-P- und/oder Aubeschichtetem Cu.
  • Ebenfalls optional umfasst die Lichtkonversionseinheit ferner einen Verbinder, welcher zwischen dem Lichtkonversionselement und dem Substrat befindlich ist und vorzugsweise als organischer Klebstoff, Glas, keramischer Kleber, anorganischer Kleber, gesinterte Sinterpaste und/oder metallische Lotverbindung, vorzugsweise als metallische Lotverbindung oder gesinterte Sinterpaste, bevorzugt als metallische Lotverbindung ausgebildet ist.
  • Das Lichtkonversionselement umfasst eine erste Phase mit einem lichtkonvertierenden keramischen Material und eine zweite Phase mit einem weiteren keramischen Material, wobei die zweite Phase eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Phase aufweist.
  • Ferner umfasst das Lichtkonversionselement eine Vielzahl von Poren. Die Poren dienen insbesondere der Lichtstreuung.
  • Der Grad der optischen Streuung (der Streukoeffizient) beeinflusst (zusammen mit dem Absorptionskoeffizienten) insbesondere wie groß der Anteil der konvertiert rückgestreuten, insbesondere blauen, Anregungsstrahlung ist, und auch wie weit die Anregungsstrahlung innerhalb des Konverters diffundiert bis zur vollständigen Absorption, und auch wie weit das konvertierte Licht innerhalb des Konverters diffundiert bis es den Konverter als Nutzlicht wieder verlässt. Wichtige Kennzahlen wie die Efficacy eines Bauelements, oder die Emissionslichtfleckgröße, werden durch die Streuung beeinflusst. Für remissive (Einstrahlung und Emission auf derselben Seite) Beleuchtungseinrichtungen wird ein hinreichend großer optischer Streukoeffizient angestrebt.
  • Mit dem Lichtkonversionselement umfassend eine Vielzahl von Poren wird in vorteilhafter Weise eine erhöhte Lichtstreuung im Lichtkonversionselement ermöglicht. Dadurch können insbesondere Mischkeramiken effizient im remissiven Modus zum Einsatz kommen, z.B. für SSL (solid state lighting). Insbesondere bei einer Mischkeramik mit Phasen, welche eine geringe Abweichung des Brechungsindex aufweisen, ist eine durch Poren erhöhte Streuung besonders vorteilhaft. Beispielsweise ist der Brechungsindex von Al2O3 mit ca. 1,77 nur geringfügig kleiner als der Brechungsindex von YAG (ca. 1,83). Die optische Streuwirkung aufgrund der Mischkeramik allein ist daher gering und wird durch die Poren deutlich erhöht.
  • Bei bekannten, insbesondere transmissiven, Beleuchtungen wird eine Porosität demgegenüber in der Regel bewusst unterdrückt. Zum Teil werden Verfahren wie Heißpressen (HIP) oder „Spark Plasma Sintering“ erwähnt, um hochdichte Keramiken zu erzielen. Eine verglichen mit der remissiven Beleuchtungseinrichtung geringfügigere Lichtstreuung wird bei transmissiven Geometrien mitunter bereits ausreichend durch weitere Fremdkomponenten hervorgerufen.
  • Optional umfasst die Lichtkonversionseinheit mindestens eine hochreflektierende Beschichtung, wobei die hochreflektierende Beschichtung vorzugsweise eine metallische Beschichtung und/oder eine metallhaltige Beschichtung und/oder eine dielektrische Beschichtung ist, besonders bevorzugt eine Ag- oder Ag-haltige Beschichtung. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Lichtkonversionselement auf seiner Rückseite eine, insbesondere metallische, Verspiegelungsschicht aufweist, vorzugsweise mit oder aus Ag, insbesondere derart, dass die Rückseite des Lichtkonversionselements mit der Verspiegelungsschicht beschichtet ist, und wobei die Verspiegelungsschicht vorzugsweise durch Aufdampfen, Sputtern (Dünnschicht) oder Bedrucken (Dickschicht) auf der Rückseite des Lichtkonversionselements aufgebracht ist.
  • Das Lichtkonversionselement kann auf seiner Rückseite alternativ oder zusätzlich mit einem dielektrischen Schichtsystem verspiegelt sein, welches insbesondere auf maximale Reflexion optimiert ist.
  • Das dielektrische Schichtsystem kann vorzugsweise außenseitig mit einer metallischen Verspiegelungsschicht abgeschlossen sein. Dementsprechend ist die Schichtfolge Konverterelement - dielektrisches Schichtsystem - metallische Spiegelschicht.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer hochreflektierenden Beschichtung auf der Rückseite des Lichtkonversionselements kann das Lichtkonversionselement rückseitig mit einem Spiegel verbunden sein, vorzugsweise mit einem Ag-Spiegel oder mit einem versilberten Substrat, wobei der Spiegel vorzugsweise durch das Substrat gebildet ist oder auf dem Substrat aufgebracht ist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Lichtkonversionseinheit mindestens eine optische Trennschicht umfasst, welche sich vorzugsweise zwischen der mindestens einen hochreflektierenden Schicht und der Rückseite des Lichtkonversionselements befindet, wobei die mindestens eine optische Trennschicht vorzugsweise transparent und/oder einen geringeren Brechungsindex aufweist als der Brechungsindex des Lichtkonversionselements, wobei die mindestens eine optische Trennschicht vorzugsweise SiO2 umfasst oder daraus besteht.
  • Die optische Trennschicht weist vorzugsweise eine Dicke unter 5 µm auf, bevorzugt unter 3 µm, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,5 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 1,2 µm. Die optische Trennschicht kann dazu dienen, die Reflexion und ggf. die Totalreflexion des die Konverterrückseite erreichenden Sekundärlichts an der Konverterrückseite von der Reflexion des die Konverterrückseite passierenden Anteils des Sekundärlichts an einer hochreflektierenden Schicht, insbesondere an einem metallischen Spiegel, zu trennen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass sich zwischen der mindestens einen hochreflektierenden Schicht, bevorzugt einer metallischen Beschichtung oder metallhaltigem Beschichtung, und der optischen Trennschicht eine transparente Haftvermittlerschicht befindet, vorzugsweise umfassend oder bestehend aus einem oder mehreren Oxiden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SnO2, TiO2, Y2O3 und La2O3, bevorzugt Y2O3.
  • Bei dem optional umfassten Verbinder kann es sich um mindestens einen organischen Klebstoff, mindestens ein Glas, mindestens einen keramischen Kleber, mindestens einen anorganischen Kleber, mindestens eine gesinterte Sinterpaste und/oder mindestens eine metallischen Lotverbindung handeln.
  • Der Verbinder kann insbesondere als Verbindungsschicht ausgebildet sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verbindungsschicht aus mindestens einem Klebstoff gebildet. Bei geeigneten Klebstoffen handelt es sich um organische Klebstoffe, welche für die spezielle Anwendung und den speziellen Aufbau des jeweiligen Konverters geeignete Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Transparenz und Aushärtungsverhalten, aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um gefüllte und ungefüllte Epoxidharze und Silikone. Verbindungsschichten auf Basis von Klebstoffen weisen typischerweise eine Schichtdicke von 5 bis 70 µm, bevorzugt 10 bis 60 µm, mehr bevorzugt 20 bis 50 µm und besonders bevorzugt 30 bis 50 µm auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindungsschicht ein Glas, bevorzugt ausgewählt aus einem Lotglas oder einem Dünnglas.
  • Bei einem Lotglas handelt es sich insbesondere um spezielle Gläser einer vergleichsweisen geringen Erweichungstemperatur von kleiner oder gleich 750 °C, bevorzugt kleiner oder gleich 560°C. Grundsätzlich können Glaslote in verschiedene Formen eingesetzt werden, beispielsweise als Pulver, als Paste in einem flüssigen Medium oder eingebettet in einer Matrix, welche auf das Konvertersubstrat oder die Konverterkomponente aufgetragen wird. Das Auftragen kann mittels Ausbringung eines Stranges, per Siebdruck, durch Sprühen oder in loser Pulverform erfolgen. Anschließend werden die einzelnen Komponenten des Konverters zusammengefügt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Paste eingesetzt, welche Glaspulver enthält, beispielsweise ein PbO-, ein Bi2O3- ein ZnO-, ein SOS-, ein B2O3- oder ein silikatbasiertes Glas, besonders bevorzugt um ein silikatbasiertes Glas.
  • Bei Dünnglas im Sinne der vorliegenden Anmeldung handelt es sich um Dünnglas mit einer maximalen Dicke von kleiner oder gleich 50 µm und einer Erweichungstemperatur von kleiner oder gleich 750°C, bevorzugt kleiner oder gleich 560 °C. Derartige Gläser können zwischen Konverterkomponente und Konvertersubstrat platziert werden und bei einer ausreichend hohen Temperatur und einem ausreichend hohen Druck zusammengepresst werden. Geeignete Dünngläser sind unter anderem Borosilikatgläser, beispielsweise erhältlich als D263® von SCHOTT.
  • Verbindungsschichten auf Basis von Glas weisen beispielsweise eine Schichtdicke von 15 bis 70 µm, bevorzugt von 20 bis 60 µm, und besonders bevorzugt 30 bis 50 µm auf.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Lichtkonversionselement mit dem Substrat über einen keramischen Kleber verbunden.
  • Derartige keramische Kleber sind typischerweise im Wesentlichen frei von organischen Bestandteilen und weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Bevorzugt wird ein keramischer Kleber so gewählt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient sowie die mechanischen Eigenschaften, beispielswiese das Youngmodul, der resultierenden Verbindungsschicht an die entsprechenden Eigenschaften des Substrats und/oder des Konverters angepasst sind.
  • Geeignete keramische Kleber werden beispielsweise aus einem anorganischen, bevorzugt pulverförmigen Feststoff und einem flüssigen Medium, bevorzugt Wasser, hergestellt. Bei dem anorganischen Feststoff kann es sich beispielsweise um MgO-, SiO2-, TiO2-, ZrO2- und/oder Al2O3-basierte Feststoffe handeln. Bevorzugt handelt es sich um SiO2- und/oder Al2O3-basierte Feststoffe, besonders bevorzugt um Al2O3-basierte Feststoffe. Der pulverförmige Feststoff kann zusätzlich weitere pulverförmige Komponenten umfassen, welche beispielsweise das Abbinden des keramischen Klebers unterstützen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Borsäure, Borate oder Alkalisilikate, wie Natriumsilikate, handeln.
  • Keramische Kleber können beispielsweise direkt vor der Verwendung aus dem pulverförmigen Feststoff und Wasser angerührt werden und härten bei Raumtemperatur aus.
  • Hierbei weist der Feststoff bevorzugt eine mittlere Korngröße d50 von 1 bis 100 µm, bevorzugt 10 bis 50 µm auf. Bevorzugt weist der keramische Kleber einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 - 15 x 10-6 1/K, besonders bevorzugt von 6 bis 10 x 10-6 1/K auf. Geeignete keramische Kleber werden beispielsweise aus Resbond 920 oder Resbond 940 HT (Polytec PT GmbH) hergestellt.
  • Verbindungsschichten auf Basis von keramischen Kleber weisen beispielsweise eine Schichtdicke von 50 bis 500 µm, bevorzugt von 100 bis 350 µm, und besonders bevorzugt 150 bis 300 µm auf.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Verbinder ein metallisches Lot, vorzugsweise umfassend eine Legierung aus zwei oder mehr Metallen. Geeignete metallische Lotverbindungen weisen einen Schmelzpunkt auf, welcher niedriger als der Schmelzpunkt und/oder der Zersetzungspunkt der einzelnen Bestandteile der Lichtkonversionseinheit ist und/oder höher als die im Betrieb maximal erreichte Temperatur des Lichtkonversionselements am Lot. Der Schmelzpunkt der metallischen Lot-Verbindung liegt bevorzugt zwischen 150°C bis 450°C, mehr bevorzugt zwischen 180°C bis 320°C und besonders bevorzugt zwischen 200 bis 300°C. Geeignete metallische Lotverbinder sind beispielsweise Silber-Lote und Gold-Lote, bevorzugt handelt es sich um Ag/Sn-, Ag/Au und Au/Sn-Lote, besonders bevorzugt Au/Sn-Lote, beispielsweise AuSn8020.
  • In Ausführungsformen, in denen das Lichtkonversionselement rückseitig mit einem Spiegel verbunden ist, vorzugsweise mit einem Ag-Spiegel oder mit einem versilberten Substrat, wobei der Spiegel vorzugsweise durch das Substrat gebildet ist oder auf dem Substrat aufgebracht ist, kann es vorgesehen sein, dass sich zwischen dem Spiegel oder dem verspiegelten Substrat und dem Lichtkonversionselement ein Verbinder befindet, vorzugsweise mit oder aus einem optisch transparenten organischen oder anorganischen Kleber und/oder aus einem transparenten Material mit geringerem Brechungsindex als der Brechungsindex des Lichtkonversionselements, bevorzugt ein optisch transparenter organischer Kleber mit einem geringeren Brechungsindex als der Brechungsindex des Lichtkonversionselements, wobei der Verbinder vorzugsweise eine Dicke im Bereich von nicht mehr als 30 µm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 µm aufweist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche des Lichtkonversionselements teilweise oder vollständig mit einer ein- oder mehrlagigen Antireflex-Beschichtung versehen ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Lichtkonversionselement eine Porosität von zumindest 0,5% auf, vorzugsweise von zumindest 1,5%, besonders bevorzugt von zumindest 3%, nochmals bevorzugter zwischen 3% und 7%, insbesondere bezogen auf das Volumen der Poren in Relation zu dem Gesamtvolumen des Lichtkonversionselements.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Lichtkonversionselement in einem Querschnitt zumindest 200 Poren pro Quadratmillimeter aufweisen, vorzugsweise zumindest 300 Poren pro Quadratmillimeter aufweisen, besonders bevorzugt zumindest 400 Poren pro Quadratmillimeter aufweisen.
  • Ein Querschnitt des Lichtkonversionselements kann insbesondere mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht werden. Ein solcher Querschnitt durch das Lichtkonversionselement kann ferner angeschliffen sein. In dem angeschliffenen Querschnitt (Anschliff) können dann insbesondere die angeschliffenen Poren sichtbar sein, wobei diese wiederum insbesondere mittels REM ermittelbar sein können. Es kann beispielsweise in einem Querschnitt eine Fläche von 61800 µm2 betrachtet und ausgewertet werden.
  • Insbesondere können in einem Querschnitt, z.B. auf einer solchen Fläche von 61800 µm2 des Querschnitts, mindestens 20000 Poren pro cm2, bevorzugt mindestens 30000 Poren pro cm2, besonders bevorzugt mindestens 40000 Poren pro cm2 befindlich sein. Alternativ oder zusätzlich können in einem Querschnitt 20000 bis 200000 Poren pro cm2, bevorzugt 30000 bis 150000 Poren pro cm2, besonders bevorzugt 40000 bis 120000 Poren pro cm2 befindlich sein.
  • Der Median der Durchmesser der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, kann zwischen 100 nm und 3000 nm liegen, vorzugweise zwischen 300 nm und 1500 nm liegen, besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 1200 nm liegen.
  • Der Median teilt einen Datensatz, bzw. eine Stichprobe oder eine Verteilung, im vorliegenden Fall z.B. den Durchmesser der im Querschnitt befindlichen Poren oder der Durchmesser der Kristallite so in zwei gleich große Teile, dass die Werte, also die Porendurchmesser, in der einen Hälfte nicht größer als der Medianwert sind und in der anderen nicht kleiner.
  • Die erste Phase des Lichtkonversionselements kann eine Vielzahl von Kristalliten umfassen, wobei der Median der Durchmesser dieser Kristallite vorzugsweise zwischen 300 nm und 5000 nm liegt, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 3000 nm liegt.
  • Die zweite Phase des Lichtkonversionselements kann eine Vielzahl von Kristalliten umfassen, wobei der Median der Durchmesser dieser Kristallite vorzugsweise zwischen 300 nm und 5000 nm liegt, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 3000 nm liegt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis des Medians der Durchmesser der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, und des Medians der Durchmesser der Kristallite der ersten und/oder zweiten Phase, insbesondere der in dem Querschnitt befindlichen Kristallite der ersten und/oder zweiten Phase, zwischen 0,02 und 10 liegt, vorzugsweise zwischen 0,06 und 5 liegt, besonders bevorzugt zwischen 0,13 und 2,4 liegt.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass vorzugsweise zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 % der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, in der ersten Phase eingeschlossen sind, derart, dass diese Poren lediglich an Material der ersten Phase angrenzen.
  • Vorzugsweise zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 % der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, können in der zweiten Phase eingeschlossen sein, derart, dass diese Poren lediglich an Material der zweiten Phase angrenzen.
  • Es können vorzugsweise zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 % der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase angeordnet sein, derart, dass diese Poren sowohl an Material der ersten Phase als auch an Material der zweiten Phase angrenzen.
  • Die angegebenen %-Werte beziehen sich insbesondere jeweils auf die Anzahl der spezifischen im Querschnitt ermittelten Poren in Relation zu der Gesamtzahl der im Querschnitt ermittelten Poren.
  • Bevorzugt sind die Poren während des Sinterprozesses entstanden, wobei vorzugsweise keine Porenformer verwendet werden, und insbesondere nicht nachträglich z.B. durch selektives Ätzen eingebracht.
  • Die Porosität, insbesondere in einem Querschnitt, die Anzahl der Poren pro Quadratmillimeter, insbesondere in einem Querschnitt, und/oder der Median der Durchmesser der Poren, insbesondere in einem Querschnitt, ist vorzugsweise im Lichtkonversionselement homogen ausgebildet und/oder auf einer Oberfläche des Lichtkonversionselements gleich oder um höchstens 10% unterschiedlich gegenüber einem Querschnitt durch das Innere des Lichtkonversionselements.
  • Die erste Phase des Lichtkonversionselements kann einen Brechungsindex bei 500nm aufweisen, welcher größer oder gleich ist als 1,8, insbesondere zwischen 1,8 und 1,9 liegt.
  • Die zweite Phase des Lichtkonversionselements kann einen Brechungsindex bei 500nm aufweisen, welcher kleiner oder gleich ist als 1,8, insbesondere zwischen 1,7 und 1,8 liegt.
  • Vorzugsweise ist der Brechungsindex der ersten Phase des Lichtkonversionselements bei 500 nm größer oder gleich dem Brechungsindex der zweiten Phase des Lichtkonversionselements bei 500 nm. Vorzugsweise unterscheiden sich der Brechungsindex der ersten Phase und der zweiten Phase des Lichtkonversionselements bei 500 nm um nicht mehr als 0,15, bevorzugt nicht mehr als 0,1, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,7 und weiterhin bevorzugt nicht mehr als 0,5.
  • Die Brechungsindices der ersten und zweiten Phase des Lichtkonversionselements können beispielsweise an beidseitig polierten Proben bekannter Dicke des jeweiligen Materials mittels Ellipsometrie ermittelt werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Streukoeffizient des Lichtkonversionselements für eine Wellenlänge von 600nm größer als 150cm-1, bevorzugt größer als 300cm-1, und liegt besonders bevorzugt zwischen 300cm-1 und 1200cm-1.
  • Die Ermittlung des Streukoeffizienten erfolgt durch Fitten eines in V. Hagemann, A. Seidl, G. Weidmann: Static ceramic phosphor assemblies for high power high luminance SSL-light sources for digital projection and specialty lighting, Proc. of SPIE Vol. 11302 113021N-11, SPIE OPTO, San Francisco 2020, beschriebenen Modells an die tatsächlich gemessenen Rückstreuung bei 600 nm.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann die erste Phase mit der Zusammensetzung (A1-yRy)3 B5O12 beschrieben werden, wobei A ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoiden sowie Y umfasst, R ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoiden umfasst, B ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Al, Ga, In umfasst, wobei y den Anteil der Atome von R auf dem A-Platz des Kristallgitters beschreibt, und 0 < y < 0,02 gilt, bevorzugt 0 < y < 0,012, besonders bevorzugt 0,001 < y < 0,009.
  • In der vorgenannten Ausführungsform kann A aus einem oder mehreren der Elemente Y, Gd, Lu sein und/oder B aus einem oder mehreren der Elemente Al, Ga, In.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Phase des Lichtkonversionselements Aluminiumoxid umfasst oder daraus besteht.
  • Für den Volumenanteil z der zweiten Phase kann gelten: 0,05 < z < 0,95, bevorzugt 0,3 < z < 0,7, besonders bevorzugt 0,45 < z < 0,7.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Lichtkonversionselement eines oder mehrere der Systeme [(Y1-yCey)3Al5O12]1-z[Al2O3]z, [(Lu1-yCey)3Al5O12]1-z[Al2O3]z, [(Y1-x-y Gdx Cey)3 Al5O12]1-z [Al2O3]z, [(Lu1-yCey)3 (Al1-wGaw)3 O12 ]1-z [Al2O3]z, insbesondere für 0 < x < 0,2 und 0 < w < 0,3.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmeleitfähigkeit des Lichtkonversionselements bei Raumtemperatur größer ist als 10 W/mK, bevorzugt größer 12 W/mK, besonders bevorzugt größer 14 W/mK.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Lichtkonversionseinheit gebildet durch oder umfassend ein Lichtkonversionselement mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei das Lichtkonversionselement dazu eingerichtet ist, auf seiner Vorderseite mit Primärlicht beleuchtet zu werden und Sekundärlicht mit einer gegenüber dem Primärlicht veränderten Wellenlänge auf seiner Vorderseite abzugeben.
  • Die Lichtkonversionseinheit umfasst optional ein Substrat, welches unmittelbar oder mittelbar mit der Rückseite des Lichtkonversionselements verbunden ist und vorzugsweise als Kühlkörper ausgebildet ist, und optional einen Verbinder, welcher zwischen dem Lichtkonversionselement und dem Substrat befindlich ist und vorzugsweise als organischer Klebstoff, Glas, keramischer Kleber, anorganischer Kleber, gesinterte Sinterpaste und/oder metallische Lotverbindung, vorzugsweise als metallische Lotverbindung oder gesinterte Sinterpaste, bevorzugt als metallische Lotverbindung ausgebildet ist.
  • Das Lichtkonversionselement umfasst eine erste Phase mit einem lichtkonvertierenden keramischen Material und eine zweite Phase mit einem weiteren keramischen Material, wobei die zweite Phase eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Phase aufweist
  • Das Lichtkonversionselement umfasst eine Vielzahl von Poren, welche insbesondere zur Lichtstreuung dienen.
  • Die vorstehend beschriebene Beleuchtungseinrichtung bzw. Lichtkonversionseinheit kann z.B. im Rahmen von „dynamischen“ Anwendungen (color wheels) oder „statischen“ Anwendungen (dies on heatsink) Einsatz finden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der beigeschlossenen Figuren erläutert. Dabei zeigen:
    • 1: Experimentell ermittelte Reflexionsspektren von Konverterkeramiken mit und ohne Beimischung von Al2O3, bei unterschiedlicher Porosität,
    • 2: Aus der gemessenen Reflektivität berechneter Streukoeffizient von Konverterkeramiken mit und ohne Beimischung von Al2O3, bei unterschiedlicher Porosität,
    • 3: REM-Aufnahme einer Mischkeramik der Zusammensetzung [(Y0,993Ce0,007)3 Al5O12 ]0,46 [Al2O3]0,54, helle Phase: YAG, dunkle Phase: Al2O3 und Poren,
    • 4: Wärmeleitfähigkeit bei 20°C der Materialien von Tab. 2 (Für Porositäten in dieser Größenordnung nimmt die Wärmeleitfähigkeit linear mit steigender Porosität ab; Die Mischkeramik zeigt eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als die reinphasige YAG-Keramik),
    • 5: REM-Aufnahme einer Mischkeramik der Zusammensetzung [(Y0,989Ce0,011)3 Al5O12 ]0,65 [Al2O3]0,35, helle Phase: (Y0,989Ce0,011)3 Al5O12, dunkle Phase: Al2O3, einige sichtbare Poren (ganz dunkel) sind beispielhaft markiert,
    • 6: REM-Aufnahme einer Mischkeramik der Zusammensetzung [(Lu0,9937Ce0,008)3 Al5O12 ]0,5 [Al2O3]0,5,
    • 7: REM-Aufnahme einer Mischkeramik der Zusammensetzung [(Lu0,9937Ce0,008)3 Al5O12]0,5 [Al2O3]0,5 mit Hinweis auf vorhandene, sichtbare Poren (ganz dunkel), helle Phase: (Lu0,9937Ce0,008)3 Al5O12, dunkle Phase: Al2O3,
    • 8: Aus der gemessenen Reflektivität berechneter Streukoeffizient der Konverterkeramiken von Tab. 3. ,
    • 9: Verteilungen von Porendurchmesser in einem Querschnitt (Anschliff), wobei die Durchmesser in nm angegeben sind.
  • Für effiziente remissive Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere SSL (solid state lighting), mit einem Lichtkonversionselement umfassend eine Mischkeramik wird mittels Poren eine hinreichend große Streuung (hinreichend großer Streukoeffizient) ermöglicht. Dies gilt insbesondere für die Materialien Al2O3 und YAG.
  • Die Brechungsindizes der Materialien Al2O3 und YAG weichen nicht erheblich voneinander ab: Der Brechungsindex von Al2O3 ist ca. 1,77, der von YAG ca. 1,83. Die optische Streuwirkung durch eine Mischkeramik allein ist daher ohne Poren verhältnismäßig gering einzuschätzen.
  • Dieser Sachverhalt konnte auch durch eigene Arbeiten experimentell nachgewiesen werden. Es wurden Konverterkeramiken unterschiedlicher Porosität (d.h. mit unterschiedlichen Streueigenschaften) aus Ce:LuAG hergestellt, z.T. ohne, z.T. mit Beimischung von Aluminiumoxid. Aus den theoretischen Dichten ρ1 (hier: von Lu3 Al5O12) und ρ2 (hier: von Al2O3) sowie den Massen m1 und m2 ist die theoretische Dichte ρth der Mischkeramik festgelegt: ρ t h = m 1 + m 2 m 1 ρ 1 + m 2 ρ 2
    Figure DE102022120647B4_0001
  • Die hergestellten Sinterkörper wurden bezüglich ihrer Dichte ρ gemessen, woraus sich eine Porosität P im Sinterkörper ergibt: P = 1 − ρ ρ t h
    Figure DE102022120647B4_0002
    Aus den Sinterkörpern unterschiedlicher Porosität wurden (beidseitig polierte) Proben bestimmter Dicke im Bereich zwischen 100 und 250 µm präpariert. Es wurde die Reflektivität im grün-roten Spektralbereich gemessen (da hier die Absorption vernachlässigbar gering ist). Die so ermittelte Reflektivität umfasst sowohl die Fresnel-Reflexion als auch die Rückstreuung.
  • Es wurde ein Modell angewandt, welches erläutert ist in: V. Hagemann, A. Seidl, G. Weidmann: Static ceramic phosphor assemblies for high power high luminance SSL-light sources for digital projection and specialty lighting. Proc. of SPIE Vol. 11302 113021N-11, SPIE OPTO, San Francisco 2020.
  • Mittels des genannten Modells ist es möglich, diese experimentellen Bedingungen zu simulieren. Da die Absorption in diesem Spektralbereich vernachlässigbar ist, hängt die reflektierte Intensität vom Brechungsindex des beidseitig polierten Plättchens, von dessen Dicke, und vom Streukoeffizienten ab. Da der (ggf. mittlere) Brechungsindex sowie die Dicke bekannt sind ist es möglich, aus solchen Messungen den Streukoeffizienten zu berechnen.
  • 1 zeigt die Reflexionsspektren der so vermessenen 9 beispielhaften Proben.
  • Die Tab. 1 fasst die Ergebnisse von Messung und Simulation zusammen. Tab 1: Experimentell ermittelte Reflektivitäten und daraus berechnete Streukoeffizienten von Konverterkeramiken mit und ohne Beimischung von Al2O3, bei unterschiedlicher Porosität:
    Probe #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9
    Zusammensetzung LuAG LuAG LuAG-Al2O3 LuAG-Al2O3 LuAG-Al2O3 LuAG-Al2O3 LuAG LuAG LuAG-Al2O3
    Volumenanteil Al2O3[Vol.%] - - 5 50 50 50 - - 50
    Porosität [%] 0,9 4,2 0,9 2,3 4,7 5,3 3,2 4,3 4,1
    Probendicke [µm] 215 240 235 235 250 250 215 100 100
    Brechungsindex 1,82 1,82 1,82 1,79 1,79 1,79 1,82 1,82 1,79
    R (bei 600nm) 0,506 0,723 0,533 0,644 0,718 0,743 0,582 0,561 0,562
    Berechneter Streukoeffizient [1/cm] 123 438 131 262 400 471 197 366 357
  • 2 zeigt zum einen, dass bei den vermessenen Materialien der Streukoeffizient grob proportional zur Porosität ansteigt, was auch zu erwarten ist (der Streukoeffizient ist stets proportional zur Anzahl der Streuzentren). Vor allem ist aber zu sehen, dass das Material selbst mit sehr hohem Anteil von Al2O3 nicht signifikant mehr streut als das Material ohne Al2O3.
  • In einer Remissionsgeometrie bei welcher das Licht auf die Vorderseite des Lichtkonversionselements trifft und von dieser Vorderseite auch das Sekundärlicht abgegeben wird, sind, je nach Anwendung, Streukoeffizienten bevorzugt, welche zwischen ca. 150 und ca. 1200 cm-1 liegen. Zur Erzielung solcher Streukoeffizienten sind, unabhängig von der Anwesenheit von Al2O3 im Material, vorzugsweise Porositäten vorgesehen, welche mindestens 1% betragen.
  • Eine remissive Beleuchtungseinrichtung weist insbesondere eine Mischkeramik auf, welche Poren umfasst. Mit anderen Worten kann die Mischkeramik als poröse Mischkeramik hergestellt sein. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise der Streukoeffizient innerhalb eines Bereichs zwischen 150 cm-1 und 1200 cm-1 einstellbar sein. Vorzugsweise kann die zweite des Lichtkonversionselements Al2O3 umfassen.
  • Die Herstellung derartiger poröser Mischkeramiken kann auf verschiedene Art erfolgen.
  • Ein Weg ist es, Pulver der reinen Oxide Yttriumoxid, Lutetiumoxid, Aluminiumoxid, Galliumoxid, Gadoliniumoxid und Ceroxid gemäß der gewünschten Zusammensetzung und Stöchiometrie zu mischen. Das „überstöchiometrisch“ zugemischte Aluminiumoxid ergibt die Al2O3-Phase in der Matrix, der Rest die jeweils gewünschte Granat-Phase. Nach Zusatz von Ethanol (oder Wasser oder einem anderen Fluid), Dispergier- und Presshilfsmitteln wird der Schlicker mit Mahlkugeln versetzt und mittels einer Rollenbank in einem Fass fein gemahlen. Der Schlicker wird anschließend getrocknet und dann in Grünkörper verpresst. Die Grünkörper werden bei über ca. 500°C entbindert, anschließend erfolgt die Reaktionssinterung an Luft, Sauerstoff oder auch im Vakuum bei hinreichend hoher Temperatur von über ca. 1400°C bis zur Erreichung der gewünschten Dichte bzw. Porosität. Sollte die Porosität noch zu hoch sein, können ein oder mehr weitere Sinterungen angeschlossen werden, bis der Zielwert erreicht ist.
  • Ein anderer Weg ist es, Pulver aus vorsynthetisiertem Granat gewünschter Zusammensetzung mit Al2O3-Pulver zu mischen. Falls das Granat-Pulver noch kein Ce enthält, kann auch Ceroxid-Pulver in gewünschter Menge zugegeben werden. Nach Zusatz von Ethanol (oder Wasser oder einem anderen Fluid), Dispergier- und Presshilfsmitteln wird der Schlicker mit Mahlkugeln versetzt und mittels einer Rollenbank in einem Fass fein gemahlen. Der Schlicker wird anschließend getrocknet und dann in Grünkörper verpresst. Die Grünkörper werden bei über ca. 500°C entbindert, anschließend erfolgt die Reaktionssinterung an Luft, Sauerstoff oder auch im Vakuum bei hinreichend hoher Temperatur von über 1400°C bis zur Erreichung der gewünschten Dichte bzw. Porosität. Sollte die Porosität noch zu hoch sein, können ein oder mehr weitere Sinterungen angeschlossen werden, bis der Zielwert erreicht ist.
  • Dies kann erfolgen für jede Zusammensetzung gemäß der Beschreibung [(A1-yRy)3 B5O12]1-z [Al2O3]z, wobei A ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoiden sowie Y umfasst, R ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoiden umfasst, B ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Al, Ga, In umfasst, wobei y den Anteil der Atome von R auf dem A-Platz des Kristallgitters beschreibt, und z den Volumenanteil des Al2O3 im Feststoff der keramischen Matrix (d.h. ohne Berücksichtigung von Poren), mit 0 < y < 0,02 und 0,05 < z < 0,95.
  • Bevorzugt ist A aus einem oder mehreren der Elemente Y, Gd, Lu, und B aus einem oder mehreren der Elemente Al, Ga, sowie 0 < y < 0,012 und 0,3 < z < 0,7.
  • Besonders bevorzugt ist 0,001 < y < 0,009 und 0,45 < z < 0,7 für die Systeme [(Y1-yCey)3 Al5O12 ]1-z [Al2O3]z, [(Lu1-yCey)3 Al5O12]1-z [Al2O3]z, [(Y1-x-yGdxCey)3 Al5O12]1-z [Al2O3]z, [(Lu1-yCey)3 (Al1-wGaw)3 O12]1-z [Al2O3]z für 0 < x < 0, 2 und 0 < w < 0,3 .
  • Insbesondere für den Syntheseweg aus den reinen Oxiden ist es möglich, dass nicht alles Oxid der Komponente R in das Granatgitter eingebaut wird, sondern (mit sehr geringem Volumenanteil) als zweites Oxid neben dem Aluminiumoxid in der keramischen Matrix verbleibt. Je höher der Volumenteil z des Al2O3 ist, umso höher die Wahrscheinlichkeit, dass nicht alles R in den Granat gelangt. Die Löslichkeit der Lanthanide in Al2O3 ist zwar vernachlässigbar gering, es ist aber möglich, dass Spuren der Komponente R im Volumenbereich der zweiten Phase, beispielsweise Al2O3, verbleiben, und nicht in die Phase 1, beispielsweise YAG, eingebaut werden. Dies muss ggf. bei der Berechnung der zuzuwiegenden Oxide berücksichtigt werden. Beispielsweise muss etwas mehr CeO2 zugewogen werden als es die Berechnung unter Annahme vollständigen Einbaus ergibt, um in der Keramik den gewünschten Anteil y im Granatgitter zu erhalten.
  • Die so hergestellten Keramikkörper werden weiter verarbeitet zu den Komponenten für Beleuchtungseinrichtungen, bspw. SSL-Bauelementen.
  • Ausführungsbeispiel 1:
  • 292,0g Y2O3, 715,0g Al2O3 und 3,0g CeO2 wurden in oben beschriebener Weise vermischt und zu Keramikkörpern unterschiedlicher Porosität gesintert. Dieses Mengenverhältnis entspricht rechnerisch, vollständigen Einbau des Ce angenommen, der Zusammensetzung [(Y0,993Ce0,007)3 Al5O12]0,46 [Al2O3]0,54.
  • 3 zeigt die Matrix der so erhaltenen Keramik (hier beispielhaft das Muster 1-4 mit einer gemessenen Porosität von 2%).
  • Tab. 2 listet die hergestellten Varianten und die daran gemessenen Wärmeleitfähigkeiten, zusammen mit Referenzen, welche ohne Beimischung von Al2O3 hergestellt wurden. Die Zumischung des Al2O3 erhöht die Wärmeleitfähigkeit um ca. 60%. Dies ist auch in 3 gezeigt. Tab. 2: Musterproben verschiedener Porositäten vom Typ [(Y0,993Ce0,007)3 Al5O12]0,46 [Al2O3]0,54, und deren Wärmeleitfähigkeit; zum Vergleich einige Messdaten von Referenzen ohne beigemischtes Aluminiumoxid:
    Proben Nr. Materialtyp Al2O3 Volumenanteil z Ce Gehalt y im YAG * Porosität P [%] Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] bei 20°C
    1-1 YAG + Al2O3 0,54 0,007 0 15,2
    1-2 YAG + Al2O3 0,54 0,007 0 14,9
    1-3 YAG + Al2O3 0,54 0,007 6 12,9
    1-4 YAG + Al2O3 0,54 0,007 3 14,1
    Refl YAG 0 0,0035 0 9,4
    Ref2 YAG 0 0,0035 5 8,4
    Ref3 YAG 0 0,0035 7 7,8
    *Annahme: alles Ce ist im YAG
  • Ausführungsbeispiel 2:
  • Es wurden 716,8g Y2O3, 1270,4g Al2O3 und 12,8g CeO2 in oben beschriebener Weise vermischt und zu Keramikkörpern unterschiedlicher Porosität gesintert. Dieses Mengenverhältnis entspricht rechnerisch, den vollständigen Einbau des Ce angenommen, der Zusammensetzung [(Y0,989Ce0,011)3 Al5O12]0,65 [Al2O3]0,35.
  • 5 zeigt die Matrix der so erhaltenen Keramik (hier beispielhaft das Muster 2.3 mit einer gemessenen Porosität von 7%). Einige sichtbare Poren sind durch Kreise markiert.
  • Ausführungsbeispiel 3:
  • Es wurden 482,9g Lu2O3, 617,1g Al2O3 und 3,3g CeO2 in oben beschriebener Weise vermischt und zu Keramikkörpern unterschiedlicher Porosität gesintert. Dieses Mengenverhältnis entspricht rechnerisch, vollständigen Einbau des Ce angenommen, der Zusammensetzung [(Lu0,992Ce0,008)3 Al5O12]0,5 [Al2O3]0,5.
  • 6 und 7 zeigen die Matrix der so erhaltenen Keramik (hier beispielhaft das Muster 3.4 mit einer gemessenen Porosität von 4%).
  • 8 und Tab. 3 zeigen die hergestellten Varianten und die daran gemessenen Streukoeffizienten (siehe dazu auch den Abschnitt „Problemstellung“), zusammen mit Referenzen, welche ohne Beimischung von Al2O3 hergestellt wurden. Die Zumischung des Al2O3 hat keinen signifikanten Einfluss auf den Streukoeffizienten im Fall poröser Keramik. Tab. 3: Musterproben verschiedener Porositäten vom Typ [(Lu0,9937Ce0,008)3 Al5O12]0,5 [Al2O3]0,5, und deren Streukoeffizienten; zum Vergleich einige Messdaten von Referenzen ohne beigemischtes Aluminiumoxid:
    Proben Nr. Materialtyp Al2O3 Volumenanteil z Ce Gehalt y im LuAG * Porosität P [%] Streukoeffizient s [cm-1] bei 600nm
    1-1 LuAG + Al2O3 0,5 0,008 2,3 262
    1-2 LuAG + Al2O3 0,5 0,008 4,1 357
    1-3 LuAG + Al2O3 0,5 0,008 4,7 400
    1-4 LuAG + Al2O3 0,5 0,008 5,3 471
    Ref1 LuAG 0 0,005 0,9 123
    Ref2 LuAG 0 0,005 4,2 438
    *Annahme: alles Ce ist im YAG
  • Ausführungsbeispiel 4:
  • Es wurden REM-Bilder von Querschnitten (Anschliffen) eines Lichtkonversionselements erstellt. Die Vergrößerung wurde 2000fach eingestellt und es wurden jeweils 4 Bilder a 105 µm * 150 µm erstellt. Dies entspricht 0,01575 mm2 pro Bild.
  • Mittels Bildanalyse wurden die Porenflächen bestimmt und daraus eine Auswertung der Porenverteilung vorgenommen. Hierzu wurde jeder Pore ein Durchmesser zugeordnet, welcher einer runden Porenfläche entspricht.
  • 9 zeigt die Verteilung der Porendurchmesser in nm. Ergänzende Daten sind nachfolgend tabellarisch genannt:
    Figure DE102022120647B4_0003
    Betrachtet man die Mediane solcher Verteilungen, so ergibt sich abhängig von der Prozessführung und der Korngrößenverteilung des verwendeten Ausgangspulvers ein bevorzugter Median der Porendurchmesser zwischen 100 nm und 3000 nm, besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 1500 nm, nochmals bevorzugter zwischen 400 nm und 1200 nm. Die Korngrößen von YAG, LuAG und Al2O3 liegen in ähnlicher Größenordnung, jedoch mit breiterer Verteilung und mitunter leicht höheren Medianwerten.

Claims (16)

  1. Beleuchtungseinrichtung umfassend: eine Lichtquelle zur Abgabe von Primärlicht, insbesondere ausgebildet als Laser oder Leuchtdiode, und eine Lichtkonversionseinheit gebildet durch oder umfassend: ein Lichtkonversionselement mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei das Lichtkonversionselement dazu eingerichtet ist, auf seiner Vorderseite mit dem Primärlicht beleuchtet zu werden und Sekundärlicht mit einer gegenüber dem Primärlicht veränderten Wellenlänge auf seiner Vorderseite abzugeben, optional ein Substrat, welches unmittelbar oder mittelbar mit der Rückseite des Lichtkonversionselements verbunden ist und vorzugsweise als Kühlkörper ausgebildet ist, und optional ein Verbinder, welcher zwischen dem Lichtkonversionselement und dem Substrat befindlich ist, wobei das Lichtkonversionselement eine erste Phase mit einem lichtkonvertierenden keramischen Material umfasst und eine zweite Phase mit einem weiteren keramischen Material umfasst, wobei die zweite Phase eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Phase aufweist, und wobei das Lichtkonversionselement eine Vielzahl von Poren umfasst und wobei für den Volumenanteil z der zweiten Phase gilt 0,3 < z < 0,7.
  2. Beleuchtungseinrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei das Lichtkonversionselement eine Porosität von zumindest 0,5% aufweist, vorzugsweise von zumindest 1,5% aufweist, besonders bevorzugt von zumindest 3% aufweist, nochmals bevorzugter zwischen 3% und 7% liegt und/oder wobei das Lichtkonversionselement in einem Querschnitt zumindest 200 Poren pro Quadratmillimeter aufweist, vorzugsweise zumindest 300 Poren pro Quadratmillimeter aufweist, besonders bevorzugt zumindest 400 Poren pro Quadratmillimeter aufweist.
  3. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Median der Durchmesser der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, zwischen 100 nm und 3000 nm liegt, vorzugweise zwischen 300 nm und 1500 nm liegt, besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 1200 nm liegt und/oder wobei die erste Phase eine Vielzahl von Kristalliten umfasst, wobei der Median der Durchmesser dieser Kristallite vorzugsweise zwischen 300 nm und 5000 nm liegt, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 3000 nm liegt und/oder wobei die zweite Phase eine Vielzahl von Kristalliten umfasst, wobei der Median der Durchmesser dieser Kristallite vorzugsweise zwischen 300 nm und 5000 nm liegt, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 3000 nm liegt.
  4. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis des Medians der Durchmesser der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, und des Medians der Durchmesser der Kristallite der ersten und/oder zweiten Phase, insbesondere der in dem Querschnitt befindlichen Kristallite der ersten und/oder zweiten Phase, zwischen 0,02 und 10 liegt, vorzugsweise zwischen 0,06 und 5 liegt, besonders bevorzugt zwischen 0,13 und 2,4 liegt.
  5. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vorzugsweise zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 % der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, in der ersten Phase eingeschlossen sind, derart, dass diese Poren lediglich an Material der ersten Phase angrenzen und/oder wobei vorzugsweise zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 %der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, in der zweiten Phase eingeschlossen sind, derart, dass diese Poren lediglich an Material der zweiten Phase angrenzen und/oder wobei vorzugsweise zumindest 1 %, bevorzugt zumindest 5 %der Poren, insbesondere der in einem Querschnitt befindlichen Poren, zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase angeordnet sind, derart, dass diese Poren sowohl an Material der ersten Phase als auch an Material der zweiten Phase angrenzen.
  6. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Poren während des Sinterprozesses entstanden sind und insbesondere nicht nachträglich z.B. durch selektives Ätzen eingebracht wurden, und/oder wobei die Porosität, die Anzahl der Poren pro Quadratmillimeter und/oder der Median der Durchmesser der Poren im Lichtkonversionselement homogen ausgebildet ist und/oder auf einer Oberfläche des Lichtkonversionselements gleich oder um höchstens 10% unterschiedlich ist gegenüber einem Querschnitt durch das Innere des Lichtkonversionselements.
  7. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Phase einen Brechungsindex bei 500nm aufweist, welcher größer oder gleich ist als 1,8, insbesondere zwischen 1,8 und 1,9 liegt, und/oder wobei die zweite Phase einen Brechungsindex bei 500nm aufweist, welcher kleiner oder gleich ist als 1,8, insbesondere zwischen 1,7 und 1,8 liegt.
  8. Beleuchtungseinreichung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Brechungsindex der ersten Phase des Lichtkonversionselements bei 500 nm größer oder gleich dem Brechungsindex der zweiten Phase des Lichtkonversionselements bei 500 nm ist, vorzugsweise sich der Brechungsindex der ersten Phase bei 500 nm und der Brechungsindex der zweiten Phase bei 500 nm des Lichtkonversionselements sich um nicht mehr als 0,15, bevorzugt nicht mehr als 0,1, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,7 und weiterhin bevorzugt nicht mehr als 0,5 unterscheidet.
  9. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Streukoeffizient des Lichtkonversionselements für eine Wellenlänge von 600nm größer als 150cm-1 ist, bevorzugt größer als 300cm-1, besonders bevorzugt zwischen 300cm-1 und 1200cm-1 liegt.
  10. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Phase mit der Zusammensetzung (A1-yRy)3 B5O12 beschrieben werden kann, wobei A ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoiden sowie Y umfasst, R ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe der Lanthanoiden umfasst, B ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Al, Ga, In umfasst, wobei y den Anteil der Atome von R auf dem A-Platz des Kristallgitters beschreibt, und 0 < y < 0,02 gilt, bevorzugt 0 < y < 0,012, besonders bevorzugt 0,001 < y < 0,009.
  11. Beleuchtungseinrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei A aus einem oder mehreren der Elemente Y, Gd, Lu, ist und B aus einem oder mehreren der Elemente Al, Ga, In.
  12. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Phase Aluminiumoxid umfasst oder daraus besteht.
  13. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für den Volumenanteil z der zweiten Phase gilt 0,45 < z < 0,7.
  14. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eines oder mehrere der Systeme [(Y1-yCey)3 Al5O12]1-z [Al2O3]z, [(Lu1-yCey)3 Al5O12]1-z [Al2O3]z, [(Y1-x-y Gdx Cey)3 Al5O12]1-z [Al2O3]z, [(Lu1-yCey)3(Al1wGaw)3 O12]1-z [Al2O3]z für 0 < x < 0,2 und 0 < w < 0,3.
  15. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Lichtkonversionselements bei Raumtemperatur größer ist als 10 W/mK, bevorzugt größer 12 W/mK, besonders bevorzugt größer 14 W/mK.
  16. Lichtkonversionseinheit gebildet durch oder umfassend: ein Lichtkonversionselement mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei das Lichtkonversionselement dazu eingerichtet ist, auf seiner Vorderseite mit Primärlicht beleuchtet zu werden und Sekundärlicht mit einer gegenüber dem Primärlicht veränderten Wellenlänge auf seiner Vorderseite abzugeben, optional ein Substrat, welches unmittelbar oder mittelbar mit der Rückseite des Lichtkonversionselements verbunden ist und vorzugsweise als Kühlkörper ausgebildet ist, und optional ein Verbinder, welcher zwischen dem Lichtkonversionselement und dem Substrat befindlich ist, wobei das Lichtkonversionselement eine erste Phase mit einem lichtkonvertierenden keramischen Material umfasst und eine zweite Phase mit einem weiteren keramischen Material umfasst, wobei die zweite Phase eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Phase aufweist, und wobei das Lichtkonversionselement eine Vielzahl von Poren umfasst und wobei für den Volumenanteil z der zweiten Phase gilt 0,3 < z < 0,7.
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