DE10225778A1 - Leuchtstoff umgewandelte, Licht emittierende Anordnung - Google Patents
Leuchtstoff umgewandelte, Licht emittierende AnordnungInfo
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung ist auf die US-Patentanmeldung mit Serial No. 09/879627 mit dem Titel "Using Electrophoresis To Produce A Conformally Coated Phosphor-Coated Light Emitting Structure" von William David Collins III et al bezogen, welche gleichzeitig eingereicht und hier durch Literaturhinweis summarisch eingefügt wurde.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Licht emittierende Anordnungen und, im Besonderen, auf Licht emittierende Anordnungen, bei welchen Leuchtstoff eingesetzt wird.
- Blaue, Licht emittierende Dioden (LEDs) werden mit lumineszierenden Materialien (Leuchtstoffen) verwendet, um Licht emittierende Anordnungen vorzusehen, welche scheinbar weißes Licht emittieren. US-Patente 5 813 753 und 5 998 925 offenbaren zum Beispiel Licht emittierende Anordnungen, bei welchen eine blaue LED in einer reflektierenden Schale angeordnet und von Leuchtstoff enthaltendem Material umgeben ist. Fig. 1 zeigt eine Anordnung dieser Art. Ein Teil des von der LED emittierten, blauen Lichts wird von den Leuchtstoffen absorbiert, welche in Reaktion rotes und grünes Licht emittieren. Die Kombination aus dem, von der LED emittierten, unabsorbierten, blauen Licht und dem, von den Leuchtstoffen emittierten, roten und grünen Licht kann dem menschlichen Auge weiß erscheinen.
- Typischerweise weist Licht, welches von Lichtquellen emittiert wird, wie z. B. die in Fig. 1 dargestellte Anordnung, keine gleichmäßige Farbe auf. Oftmals wird weißes Licht in einem zentralen Lichtkonus, welcher von Ringen aus gelbem und blauem Licht mit kreisförmigem Querschnitt umgeben ist, emittiert. Dieser Effekt tritt auf Grund einer Ungleichmäßigkeit der Stärke des die LED umgebenden, Leuchtstoff enthaltenden Materials und einer sich daraus ergebenden, räumlich ungleichmäßigen Absorption von blauem Licht und Emission von rotem und grünem Licht auf. Im Besonderen absorbieren Bereiche aus Leuchtstoff enthaltendem Material, welche eine große Stärke aufweisen, mehr blaues Licht und emittieren mehr rotes und grünes Licht als dünne Bereiche aus Leuchtstoff enthaltendem Material. Damit tendiert das Licht von Bereichen, welche eine große Stärke aufweisen, dazu, gelb, das Licht von den dünnen Bereichen dagegen blau zu erscheinen. Wie in Fig. 1 dargestellt, wandert Licht, welches auf Weg b emittiert wurde, viel weiter durch den Leuchtstoff als Licht, welches auf Weg a emittiert wurde. Sobald Licht auf ein Leuchtstoffteilchen auftrifft, wird das Licht entweder absorbiert und auf einer anderen Wellenlänge wieder emittiert oder durch den Leuchtstoff gestreut. Es ist wahrscheinlicher, dass Licht, welches eine längere Strecke durch den Leuchtstoff zurücklegt, absorbiert und wieder emittiert wird. Umgekehrt ist es wahrscheinlicher, dass Licht, welches eine kürzere Strecke durch den Leuchtstoff zurücklegt, aus der Anordnung gestreut wird, ohne absorbiert und wieder emittiert zu werden. Infolgedessen wird mehr blaues Licht von Bereichen der Anordnung emittiert, welche kurzen Weglängen durch den Leuchtstoff entsprechen und mehr rotes und grünes Licht von Bereichen der Anordnung emittiert, welche langen Weglängen durch den Leuchtstoff entsprechen.
- US-Patent 5 959 316 von Lowery, welches hier durch Literaturhinweis summarisch eingefügt worden ist, schlägt vor, die Ungleichmäßigkeit der Weglänge durch den Leuchtstoff zu eliminieren, indem, wie in Fig. 2 dargestellt, vor Aufbringen eines Leuchtstoff enthaltenden Materials gleichmäßiger Dicke eine transparente Abstandsschicht über der LED und um diese vorgesehen wird. Jedoch sind Form und Dicke des Leuchtstoff enthaltenden Materials, welches typischerweise als Flüssigkeit oder Paste (in einer Flüssigkeit dispergierte Feststoffe) aufgebracht wird, durch die Oberflächenspannung schwer zu steuern. Darüber hinaus muss die Leuchtstoffschicht 66 von der Licht emittierenden Anordnung 60 getrennt sein. Infolgedessen ist die effektive Lichtquellengröße, d. h. die Licht emittierende Anordnung und die Leuchtstoffschicht wesentlich größer als die Größe der Licht emittierenden Anordnung selbst. Da die optischen Bauelemente, welche zur Steuerung des von der Lichtquelle emittierten Lichts verwendet werden, mit der Lichtquellengröße geometrisch wachsen können, kann die von Lowery vorgeschlagene, große Lichtquellengröße Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung mit sich bringen.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Lichtquelle eine Licht emittierende Anordnung, wie z. B. eine Licht emittierende III-Nitrid- Diode, auf, die gleichmäßig mit einer Struktur aus lumineszierendem Material, wie z. B. einer Einzelschicht oder Mehrfachschichten aus Leuchtstoff, versehen ist. Schwankungen der Dicke der Struktur aus lumineszierendem Material liegen unter 10% bzw. entsprechen 10% der Durchschnittsdicke der Struktur aus lumineszierendem Material. In einigen Ausführungsbeispielen macht die Dicke der Struktur aus lumineszierendem Material weniger als 10% einer Querschnittsdimension der Licht emittierenden Anordnung aus. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Struktur aus lumineszierendem Material das einzige lumineszierende Material, durch das Licht, welches von der Licht emittierenden Anordnung emittiert wird, hindurchtritt. In einigen Ausführungsbeispielen weist die Struktur aus lumineszierendem Material eine Dicke zwischen etwa 15 und etwa 100 Mikrometer, vorzugsweise 15-35 Mikrometer, auf. In einigen Ausführungsbeispielen weist die Struktur aus lumineszierendem Material mehrere Arten lumineszierendes Material auf. In einigen Ausführungsbeispielen setzt sich die Struktur aus lumineszierendem Material aus mehreren dünnen Schichten aus lumineszierenden Materialien zusammen.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 eine LED, welche in ein Leuchtstoff enthaltendes Material gekapselt ist;
- Fig. 2 eine LED, welche durch eine transparente Abstandsschicht von einer Leuchtstoffschicht getrennt ist;
- Fig. 3 eine LED gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 4, 5A, 5B und 5C die Schablonierung einer Schicht aus Leuchtstoff auf einer LED;
- Fig. 6 und 7 die elektrophoretische Abscheidung einer Schicht aus Leuchtstoff auf einer LED;
- Fig. 8 eine LED, welche auf einer maskierten, leitenden Montagebasis angebracht ist;
- Fig. 9 eine LED, welche auf einer bedeckten, leitenden Montagebasis angebracht ist.
- Eine erfindungsgemäße, mit Leuchtstoff beschichtete LED ist in Fig. 3 dargestellt. Bei "Leuchtstoff", wie hier verwendet, handelt es sich um ein lumineszierendes Material, welches Licht einer Wellenlänge absorbiert und Licht einer anderen Wellenlänge emittiert. Die "LED" ist durch übereinander angeordnete Halbleiterschichten dargestellt, welche auf einem Substrat mit einem aktiven Bereich, der Licht emittieren kann, und Kontakten, welche auf den Halbleiterschichten angeordnet sind, ausgebildet sind. Bei "Lichtquelle" handelt es sich um die Kombination aus LED und lumineszierenden Materialien mit, sich nicht in direktem Kontakt mit der LED befindenden Leuchtstoffschichten, durch welche das von der LED emittierte Licht hindurchtritt. Die LED in Fig. 3 weist eine n-leitende Zone 16 auf, welche auf einem Substrat 14, wie z. B. Saphir, SiC oder III-Nitrid, ausgebildet ist. Auf der n-leitenden Zone 16 ist eine aktive Zone 18 und auf der aktiven Zone 18 eine p-leitende Zone 22 vorgesehen. Die n-leitende Zone 16, die aktive Zone 18 und die p-leitende Zone 22 sind typischerweise durch Mehrschichtstrukturen aus Materialien mit der allgemeinen Formel AlxGayIn1-x-yN (0 ≤ × ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt, können weiterhin Elemente der Gruppe III, wie z. B. Bor und Thallium, enthalten, wobei ein Teil des Stickstoffs durch Phosphor, Arsen, Antimon oder Bismut ersetzt werden kann. Ein Teil der p-leitenden Zone 22, der aktiven Zone 18 und der n-leitenden Zone 16 wird durch Ätzung abgetragen, um einen Teil der n-leitenden Zone 16 freizulegen. Auf der pleitenden Zone 22 wird ein p-leitender Kontakt 24 und auf dem freigelegten Teil der nleitenden Zone 16 ein n-leitender Kontakt 20 aufgebracht. Die LED wird sodann gewendet und mit Hilfe eines Materials 26, wie z. B. Lötmittel, auf eine Montagebasis 28 montiert. Obgleich in Fig. 3 eine Flip-Chip-LED dargestellt ist, ist die Erfindung nicht auf Flip-Chip- Anordnungen beschränkt und kann ebenfalls bei anderen LED-Strukturen eingesetzt werden. Die LED emittiert, z. B. in dem UV-durchlässigen, blauen Teil des elektromagnetischen Spektrums, Licht.
- Die Struktur 12 aus lumineszierendem Material weist über der Oberseite und in Angrenzung an die vertikalen Seiten der LED eine, im Wesentlichen gleichmäßige Dicke auf. In einem Ausführungsbeispiel betragen Schwankungen der Dicke der Struktur 12 aus lumineszierendem Material weniger als 10% der durchschnittlichen Dicke der Struktur 12 aus lumineszierendem Material und häufig weniger als 5% der Dicke der Struktur 12 aus lumineszierendem Material. Damit weist jeder Lichtweg aus der Struktur 12 aus lumineszierendem Material im Wesentlichen die gleiche Länge auf, wobei die Ungleichmäßigkeit der Farbe des von der Lichtquelle emittierten Lichts reduziert wird. Die Struktur 12 aus lumineszierendem Material weist eine Dicke von etwa 15 Mikrometer (µm) bis etwa 100 µm auf. Die Struktur 12 aus lumineszierendem Material kann mehrere dünne Schichten aus dem gleichen lumineszierenden Material oder aus verschiedenen lumineszierenden Materialien vorsehen und kann ebenfalls Teilchen aufweisen, welche Licht nicht wesentlich absorbieren oder emittieren.
- Die Struktur 12 aus lumineszierendem Material befindet sich nahe genug an der LED und ist im Verhältnis zu den LED-Dimensionen dünn genug, um die Größe der Lichtquelle gegenüber der Größe der LED nicht signifikant zu erhöhen. Typischerweise ist die Struktur 12 aus lumineszierendem Material in Angrenzung an die LED vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Struktur 12 aus lumineszierendem Material weniger als 10% einer Querschnittsdimension der LED, z. B. der Länge der LED. Eine typische Querschnittsdimension einer LED beträgt 1 mm. Damit macht eine Leuchtstoff beschichtete LED gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung keine optischen Bauelemente notwendig, welche wesentlich größer als optische Bauelemente sind, die zur Steuerung des Lichts aus einer nicht Leuchtstoff beschichteten LED erforderlich sind.
- Um die Gleichmäßigkeit der Lichtweglänge durch den Leuchtstoff und folglich die Farbe des von der Lichtquelle emittierten Lichts aufrechtzuerhalten, sollte die Struktur 12 aus lumineszierendem Material der einzige Leuchtstoffweg sein, durch welchen Licht von der LED hindurchtritt. Leuchtstoffbeschichtungen auf Montagebasis 28 von Fig. 3 oder auf optischen Bauelementen, wie z. B. Reflexionsschalen oder Reflexionsebenen, welche die Leuchtstoffschicht auf mehr als 10% einer Querschnittsdimension der LED oder, in welcher Größe auch immer, auf mehr als 100 Mikrometer erweitern, werden vermieden.
- In einigen Ausführungsbeispielen weist die Struktur aus lumineszierendem Material eine oder mehrere Schichten aus dem gleichen oder anderen Leuchtstoffmaterialien auf. Die Leuchtstoffschichten können transparente Verkappungsmaterialien, wie z. B. Silicongel, Solgel und Glas enthalten. Die Verwendung von Solgel als Verkappungsmaterial wird in US-Patentanmeldung Serial No. 09/879.548 mit dem Titel "Light-Emitting Device and Production Thereof", welche am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht und hier durch Literaturhinweis summarisch eingefügt wurde, näher beschrieben. Die transparenten Verkappungsmaterialien können dazu beitragen, die Leuchtstoffschicht zusammenzuhalten und mit der LED zu verbinden. Die transparenten Verkappungsmaterialien können ebenfalls die Brechungsindexphase zwischen der LED und Leuchtstoffpartikeln und unter den Leuchtstoffpartikeln selbst reduzieren, um den Photonenaustrittswinkel zu vergrößern und die Extraktionseffizienz zu erhöhen.
- Die oben beschriebene, Leuchtstoff umgewandelte Lichtquelle kann zum Beispiel durch Schablonierung, Bedampfung im Vakuum, Sprühpulverbeschichtung, elektrostatische Beschichtung oder elektrophoretisches Aufbringen einer gleichmäßigen Leuchtstoffschicht auf einer LED vorgesehen werden. Schablonierung und elektrophoretische Beschichtung werden weiter unten erläutert. Eine Schablonierung ist in EP 1198016 (US-Patentanmeldung 09/688 053, eingereicht am 13. Oktober 2000), mit dem Titel "Stenciling Phosphor Layers on Light Emitting Diodes" näher beschrieben und wurde hier durch Literaturhinweis summarisch eingefügt.
- Die Schablonierung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 5A, 5B und 5C beschrieben. In Fig. 4 sind LEDs 2A-2F in einem Muster auf einer Oberseite 3 von Substrat 4 angeordnet. Obgleich zum Zwecke einer deutlicheren Darstellung 6 LEDs in Fig. 1 dargestellt sind, können mehr oder weniger als 6 LEDs auf Substrat 4 vorgesehen sein. Schablone 6 weist eine Oberseite 5, eine Unterseite 7 sowie durch Schablone 6 hindurchgehende und in der Form den LEDs 2A-2F entsprechende Öffnungen 8A-8F auf. Bei einer Ausführung sind die Öffnungen 8A-8F in Schablone 6 in einem, dem Muster von LEDs 2A-2F auf Substrat 4 entsprechenden Muster verteilt. Bei einer anderen Ausführung ist die Anzahl Öffnungen in Schablone 6 größer als die Anzahl LEDs auf Substrat 4, und eine Teilmenge der Öffnungen in Schablone 6 ist in einem, dem Muster von LEDs 2A-2F entsprechenden Muster verteilt. Schablone 6 wird zum Beispiel aus nicht rostendem Stahlblech hergestellt. Die senkrecht zu ihren planaren Flächen (Tiefe von Öffnungen 8A-8F) gemessene Dicke von Schablone 6 entspricht der Summe der senkrecht zu Substrat 4 gemessenen Höhe einer LED 2A-2F und der ungefähren, gewünschten Dicke eines über LEDs 2A-2F aufzubringenden, lumineszierenden Materials. Gleichermaßen entspricht die Länge bzw. Breite einer Öffnung 8A-8F der Summe der entsprechenden Länge bzw. Breite einer LED 2A-2F und in etwa zweimal der gewünschten Dicke des um LEDs 2A-2F aufzubringenden, lumineszierenden Materials.
- Schablone 6 wird so auf Substrat 4 positioniert, dass Öffnungen 8A-8F mit LEDs 2A-2F ausgerichtet sind und sich die Unterseite 7 von Schablone 6 in Kontakt mit der Oberseite 3 von Substrat 4 befindet. Wie in der Seitenansicht der auf Substrat 4 vorgesehenen Schablone 6 in Fig. 5A dargestellt, werden LEDs 2A-2C zum Beispiel in entsprechenden Öffnungen 8A-8C in Schablone 6 in etwa zentriert angeordnet. Als Nächstes wird eine härtbare, lumineszierende Schablonenzusammensetzung, wie z. B. die unten beschriebene, Leuchtstoff enthaltende Schablonenzusammensetzung, in Öffnungen 8A-8F von Schablone 6 vorgesehen. In einer Ausführung wird die Schablonenzusammensetzung in Öffnungen 8A-8F von Schablone 6 vorgesehen, wobei ein Metallblatt über Oberfläche 5 gezogen wird. Sodann wird Schablone 6 von Substrat 4 entfernt, wobei schablonierte Leuchtstoffschichten, wie z. B. die in den Fig. 5B und 5C dargestellten Leuchtstoffschichten 30A-30C, über und um LEDs 2A-2F verbleiben.
- Die Schritte, wobei Schablone 6 auf Substrat 4 positioniert, eine lumineszierende Schablonenzusammensetzung auf Oberfläche 5 und in Öffnungen 8A-8F zur Ausbildung von Leuchtstoffschichten, wie z. B. Leuchtstoffschichten 30A-30C auf LEDs 2A-2F, vorgesehen und Schablone 6 von Substrat 4 entfernt wird, können mit Hilfe einer konventionellen Schablonierungsvorrichtung hoher Präzision, welche typischerweise eingesetzt wird, um Lötpaste auf Leiterplatten zu schablonieren, ausgeführt werden. Bei der Schablonierungsvorrichtung kann es sich zum Beispiel um eine Ultraprint 1500, hergestellt von MPM Corporation, Franklin, Massachusetts, handeln.
- Nachdem Schablone 6 von Substrat 4 entfernt wurde, werden die auf LEDs 2A-2F vorgesehenen Schichten aus lumineszierendem Material durch Aushärten unter Anwendung von z. B. Wärme oder ultravioletter Strahlung, in einen festen Zustand gebracht. Das Aushärteverfahren kann zum Beispiel eine Vernetzung des polymeren Materials in den Leuchtstoffschichten umfassen. LEDs 2A-2C werden zur Aushärtung der Leuchtstoffschichten 30A-30C zum Beispiel in einem konventionellen Ofen etwa 10 Minuten auf etwa 100°C erwärmt.
- Die auf LEDs 2A-2F vorgesehenen Schichten aus lumineszierendem Material müssen, ohne auseinanderzufallen, ihre schablonierten Formen bis zur Aushärtung im Wesentlichen beibehalten. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die Schichten aus lumineszierendem Material Betriebstemperaturen über etwa 120°C über lange Zeiträume standhalten, ohne dabei ihre chemischen oder physikalischen Eigenschaften zu verändern. Epoxidharze, Urethane und ähnliche organische Harze sind zum Beispiel zur Verwendung in den Leuchtstoffschichten ungeeignet, da diese bei Temperaturen über etwa 120°C oxidieren und gelb werden. Die gelben, organischen Harze absorbieren dann blaues Licht, welches von der LED emittiert wird, wodurch die Leistung der Anordnung beeinträchtigt wird. Die scheinbare Farbe einer Anordnung, welche weißes Licht emittieren soll, würde sich zum Beispiel bei Oxidieren der organischen Harze zum Gelb hin verschieben, und die Leistungsfähigkeit würde dramatisch abnehmen, da das blaue Licht von den gelb gewordenen Harzen, nicht jedoch von den lumineszierenden Materialien absorbiert wird.
- Eine lumineszierende Schablonenzusammensetzung, welche zur Verwendung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird ein Leuchtstoffpulver mit einer konventionellen, härtbaren Siliconpolymerzusammensetzung vermischt. Die härtbare Siliconpolymerzusammensetzung enthält mindestens ein Polymer mit einer chemischen Zusammensetzung, welche abwechselnd Silicium- und Sauerstoffatome (ein Siliconpolymer) und wahlweise ein Härtungsmittel, wie z. B. einen Katalysator, der eine Vernetzung von Siliconpolymeren katalysiert, oder einen Photopolymerisationsinitiator enthält. Die härtbare Siliconpolymerzusammensetzung ist bei Lichtwellenlängen von etwa 350 nm bis etwa 800 nm vorzugsweise im Wesentlichen nicht absorbierend und nicht streuend (optisch klar). Die ungehärtete Schablonenzusammensetzung sollte eine größere Viskosität als etwa 1000 Zentistokes aufweisen, wenn diese ihre schablonierte Form bis zur Härtung beibehalten soll und wenn die Leuchtstoffteilchen in Suspension bleiben sollen statt sich abzuscheiden, sollte jedoch eine geringere Viskosität als etwa 20 000 Zentistokes aufweisen, wenn diese leicht zu schablonieren sein soll. Infolgedessen weist die härtbare Siliconpolymerzusammensetzung vor Härtung vorzugsweise eine Viskosität von etwa 1000 Zentistokes bis etwa 20 000 Zentistokes auf. Darüber hinaus sieht die härtbare Siliconpolymerzusammensetzung vorzugsweise einen größeren Brechungsindex als etwa 1,45 vor, um die Effizienz, mit welcher Licht aus der LED und aus den Leuchtstoffteilchen in die Schablonenzusammensetzung gekoppelt wird, zu erhöhen. Ebenso ist die härtbare Siliconpolymerzusammensetzung vorzugsweise als Flüssigkeit bei Raumtemperatur beständig, bis diese durch Aushärten, z. B. Erwärmen oder Bestrahlen mit ultraviolettem Licht, in einen festen Zustand gebracht wurde.
- Geeignete, härtbare Siliconpolymerzusammensetzungen sind im Handel erhältlich. Bei einer Ausführung ist die härtbare Siliconpolymerzusammensetzung zum Beispiel durch eine konventionelle, thermisch härtbare Zweikomponenten- Siliconpolymerzusammensetzung, erhältlich bei Nye Lubricants, Inc., Fairhaven, Massachusetts, dargestellt, welche eine Viskosität von etwa 1300 Zentistokes aufweist und in etwa 10 Minuten bei 100°C sowie in etwa zwei Wochen bei Raumtemperatur aushärtbar ist.
- Bei einer Ausführung handelt es sich bei dem, mit der konventionellen, härtbaren Siliconzusammensetzung gemischten Leuchtstoffpulver um ein Pulver aus (Y,Gd)3Al5O12 : Ce (Gadolinium und Zer dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) Teilchen, welche als Produkt Nummer QUMK58/F von Phosphor Technology LTD., Nazeing, Essex, England, erhältlich sind. Teilchen dieses Leuchtstoffmaterials weisen einen typischen Durchmesser von etwa 5 Mikrometer (µm) auf, reichen von 1 bis 10 µm, absorbieren Licht mit Wellenlängen von etwa 430 Nanometer (nm) bis etwa 490 nm und emittieren Licht in einem breiten Band von etwa 510 nm bis etwa 610 nm. Die Farbe des Lichts, welche durch eine, mit einer schablonierten Leuchtstoffschicht versehene LED emittiert wird, wird zum Teil durch die Konzentration von Leuchtstoffteilchen in der lumineszierenden Schablonenzusammensetzung bestimmt. Typischerweise werden die Leuchtstoffteilchen mit der härtbaren Siliconpolymerzusammensetzung in Konzentrationen von etwa 20 Gramm Leuchtstoffteilchen je 100 Gramm Siliconpolymerzusammensetzung bis etwa 120 Gramm Leuchtstoffteilchen je 100 Gramm Siliconpolymerzusammensetzung vermischt.
- In einem Ausführungsbeispiel werden Titandioxidteilchen ebenfalls in der Siliconpolymerzusammensetzung in einer Konzentration von etwa 1,5 Gramm Titandioxid je 100 Gramm Siliconpolymerzusammensetzung bis etwa 5,0 Gramm Titandioxid je 100 Gramm Siliconpolymerzusammensetzung dispergiert. Die Titandioxidteilchen, welche in etwa die gleiche Größe wie die Leuchtstoffteilchen aufweisen, erhöhen die Streuung des durch die aktive Zone 14 emittierten Lichts und damit die Absorption des Lichts durch die Leuchtstoffteilchen. Die Gesamtumwandlungseffizienz der LED nimmt jedoch mit zunehmender Titanoxidkonzentration ab.
- Nach Mischen der Leuchtstoffteilchen und optionalen Titandioxidteilchen mit der härtbaren Siliconzusammensetzung werden als Nächstes die fein verteilten Kieselerdeteilchen in dem Gemisch zur Ausbildung eines thixotropen Gels dispergiert. Ein thixotropes Gel weist eine Thixotropie, d. h., eine scheinbare Abnahme der Viskosität auf, wenn dieses einer Scherung unterworfen wird, und sieht eine Rückkehr zu dem ursprünglichen Viskositätsniveau vor, sobald die Scherkraft aufgehoben ist. Infolgedessen reagiert ein thixotropes Gel wie eine Flüssigkeit bei Schütteln, Rühren oder anderweitigem Durcheinanderbringen derselben und verfestigt sich bei Stillstand erneut zu einem Gel. Damit verhält sich eine, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellte, lumineszierende Schablonenzusammensetzung wie eine, auf einer LED schablonierte Flüssigkeit, bildet auf der LED jedoch eine Leuchtstoff enthaltende Schicht, welche bei Nichtdurcheinanderbringen ihre Form nach Entfernen der Schablone beibehält.
- In einem Ausführungsbeispiel sind die Kieselerdeteilchen durch Kieselpuder, eine, durch Verbrennung von Chlorsilan in einem Wasserstoff-Sauerstoff-Ofen hergestellte, kolloidale Form von Kieselerde, dargestellt. Kieselpuder ist bei Temperaturen über 120°C chemisch und physikalisch beständig, durchlässig für sichtbares Licht und verleiht der lumineszierenden Schablonenzusammensetzung zufriedenstellende, thixotrope Eigenschaften bei verhältnismäßig geringen Konzentrationen. Die Beschaffenheit des verwendeten Kieselpuders wird so ausgewählt, dass dieses mit nicht polaren Materialien kompatibel ist. Bei einer Ausführung handelt es sich bei dem Kieselpuder um Güteklasse M-5P, CAB-O- SIL®, unbehandeltes, amorphes Kieselpuder, erhältlich von Cabot Corporation, Boston, Massachusetts. Die Körnung dieses Kieselpuders ist hydrophob und weist eine durchschnittliche Oberfläche je Einheitsmasse von 200 ± 15 m2/g auf. Die Kieselpuderpartikel der Güteklasse M-5P werden in dem Gemisch aus Leuchtstoffteilchen und der Siliconpolymerzusammensetzung mit einem konventionellen Dreiwalzenwerk bei Konzentrationen von etwa 1,5 Gramm Kieselpuder je 100 Gramm Siliconpolymerzusammensetzung bis etwa 4,5 Gramm Kieselpuder je 100 Gramm Siliconpolymerzusammensetzung dispergiert. Mit Erhöhen der Kieselpuderkonzentration wird die Schablonenzusammensetzung thixotroper, d. h. Feststoff ähnlicher als ein nicht durcheinander gebrachtes Gel.
- Bei weiteren Ausführungen wird Kieselpuder mit einer Oberfläche von mehr oder weniger als 200 ± 15 m2/g je Einheitsmasse verwendet. Bei festen Kieselpuderkonzentrationen werden Schablonenzusammensetzungen thixotroper, da die Oberfläche je Einheitsmasse des Kieselpuders vergrößert wird. Damit muss Kieselpuder mit einer geringeren Oberfläche je Einheitsmasse bei höheren Konzentrationen verwendet werden. Die erforderlichen, hohen Konzentrationen von Kieselpuder mit einer geringen Oberfläche je Einheitsmasse können in Schablonenzusammensetzungen resultieren, welche Viskositäten aufweisen, die für eine einfache Schablonierung zu hoch sind. Infolgedessen weist das Kieselpuder vorzugsweise eine größere Oberfläche als etwa 90 m2/g je Einheitsmasse auf. Im Gegensatz dazu nimmt die erforderliche Kieselpuderkonzentration mit Zunahme der Oberfläche je Einheitsmasse des Kieselpuders ab, wobei jedoch das Kieselpuder in der Siliconpolymerzusammensetzung schwerer zu dispergieren ist.
- Die in Fig. 3 dargestellte Struktur 12 aus lumineszierendem Material kann, wie unten beschrieben, ebenfalls elektrophoretisch aufgebracht werden. Zur elektrophoretischen Abscheidung einer Leuchtstoffschicht wird eine elektrisch leitende Schicht zwischen der LED und der Leuchtstoffschicht ausgebildet, deren elektrische Leitfähigkeit X so ausgewählt wird, dass der Strom durch die elektrisch leitende Schicht bei Betrieb der LED höchstens 5% des Stroms durch die Halbleiterschichten der LED ausmacht.
- In der Praxis verbindet die leitende Schicht gewöhnlich die Kontakte der LED miteinander. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Schicht wird so ausgewählt, dass diese so gering ist, dass die Schicht keinen Kurzschluss zwischen den Kontakten der LED hervorruft und sich auf das Funktionieren der LED bzw. die Leistungsfähigkeit, mit welcher Licht erzeugt wird, nicht signifikant nachteilig auswirkt. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Schicht wird so ausgewählt, dass diese hoch genug ist, um bei elektrophoretischem Abscheiden von Leuchtstoffmaterial aus einer entsprechend ausgewählten Suspension als Elektrode zu dienen. Auf diese Weise kann eine, einen engen Kontakt herstellende Leuchtstoffschicht gleichmäßiger Stärke auf sämtlichen Oberflächen der LED auf einfache Weise ausgebildet werden.
- Typischerweise wird die elektrisch leitende Schicht aus einem Material vorgesehen, welches für das von der LED erzeugte Licht durchlässig ist, wie zum Beispiel einem lichtdurchlässigen Oxid, wie z. B. Indiumzinnoxid, Antimonzinnoxid und Zinnoxid, oder einem geeigneten, lichtdurchlässigen, organischen, leitenden Material.
- Elektrophoretisches Aufbringen von Leuchtstoffschichten wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 näher beschrieben. In Fig. 6 kennzeichnet LF eine isolierende Trägerplatte, welche elektrisch leitendes Leiterrahmenmaterial enthält. "A" kennzeichnet eine Baueinheit mit einer, häufig aus einem Metall gefertigten Wärmeableitvorrichtung, welche in einer Öffnung in der isolierenden Trägerplatte LF vorgesehen ist. Auf Baueinheit A ist eine Montagebasis B angeordnet, welche sich oftmals aus einem, mit Aluminium strukturierten, oxidierten Siliciumplättchen zusammensetzt. Die Enden der Montagebasis B sind an jeweilige Bonddrähte angeschlossen, welche jeweils mit der Trägerplatte LF verbunden sind. D kennzeichnet eine LED, welche ein Substrat aufweist, auf dem, wie oben beschrieben, mehrere Epitaxialschichten aus Halbleitermaterialien vorgesehen sind. C kennzeichnet Lötkugeln, welche elektrische Kontakte zwischen LED D und Montagebasis B bilden. ST kennzeichnet ein Tröpfchen einer, lumineszierendes Material enthaltenden Suspension S. Das Tröpfchen ST befindet sich mit einem Teil der Oberfläche der Wärmeableitvorrichtung in Baueinheit A, Montagebasis B, Kontakten C und LED D in Kontakt. Der die Suspension kontaktierende Teil der Oberfläche von Wärmeableitvorrichtung A, Montagebasis B, Kontakten C, Bonddrähten BD und LED D ist mit einer elektrisch leitenden Schicht El versehen, deren elektrische Leitfähigkeit so ausgewählt wird, dass diese höher als diese der Suspension ist. Die Suspension wird mit Hilfe einer Pumpe in eine, durch die Pfeile gekennzeichneten Richtung verschoben, so dass der Teil der Suspension, welcher sich in der Nähe der Oberfläche der LED D befindet, kontinuierlich erneuert wird. Eine Kathode einer Spannungsquelle Vg ist über die Trägerplatte LF und über die Bonddrähte BD mit der elektrisch leitenden Schicht verbunden, so dass diese Schicht eine Kathode bildet, welche sich mit der Suspension in Kontakt befindet. Eine Anode von Spannungsquelle Vg ist mit einer, in der Suspension vorgesehenen Elektrode E verbunden. Unter dem Einfluss einer, von der Spannungsquelle erzeugten Spannung V wird auf sämtlichen Flächen, die sich in elektrischem Kontakt sowohl mit der Suspension als auch mit der elektrisch leitenden Schicht befinden, mit Hilfe einer Elektrophorese eine Schicht aus einem lumineszierendem Material aufgebracht.
- Bei dem in Fig. 6 dargestellten Verfahren besteht die elektrisch leitende Schicht aus Antimonzinnoxid und weist eine Dicke von etwa 50 nm auf. Die elektrisch leitende Schicht wird durch Befeuchten der Oberfläche des optoelektrischen Elements mit einer, Antimonzinnoxid enthaltenden Suspension vorgesehen. Die LED weist ein Saphirsubstrat auf, auf welchem Epitaxialschichten aus III-Nitridmaterialien ausgebildet sind. Die verwendete, lumineszierende Suspension enthält Leuchtstoffe, wie zum Beispiel Strontiumsulfid, Strontiumthiogallat, Yttrium-Aluminium-Granat, dotiert mit Gadolinium, Zer und Praseodym, oder die oben in Bezug auf die Erörterung des Schablonendrucks aus Leuchtstoffen beschriebenen Materialien. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Suspensionen beträgt etwa 300 pS/m. Es hat sich gezeigt, dass unter dem Einfluss einer Spannung von 200 Volt die Oberfläche der LED D durch elektrophoretische Abscheidung in 50 Sekunden mit einer, etwa 50 µm dicken, lumineszierenden Schicht versehen wird.
- In Fig. 7 tragen Teile, welche den in Fig. 6 dargestellten entsprechen, die gleichen Bezugsziffern. Die elektrisch leitende Schicht EL bedeckt die Oberfläche der Wärmeableitvorrichtung in Baueinheit A, Montagebasis B, Kontakten C und LED D. Die elektrische Schicht EL ist wiederum vollständig mit einer lumineszierenden Schicht LU versehen. Infolgedessen ist nicht nur die von der Wärmeableitvorrichtung abgewandte Oberfläche der LED, sondern auch die sich senkrecht zu dieser erstreckenden Seitenflächen mit lumineszierendem Material versehen. Zur Beeinflussung der Richtung, in welche das durch die lumineszierende Schicht erzeugte Licht emittiert wird, ist auf der LED D ein Körper in Form einer Halbkugel vorgesehen, welche mit einer Wand E, die für sichtbares Licht durchlässig ist, sowie mit einer Füllung F versehen ist, welche ebenfalls für sichtbares Licht durchlässig ist. Bei Anlegen einer Spannung zwischen den Enden der die Trägerplatte LF kontaktierenden Bonddrähte erzeugt die LED D eine elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs, welche durch die lumineszierende Schicht LU in sichtbares Licht eines anderen Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. Durch das Vorhandensein der Wand E und der transparenten Füllung F wird das Licht im Wesentlichen in die Richtung der longitudinalen Achse des optoelektrischen Elements emittiert.
- Um unter Anwendung des oben beschriebenen, elektrophoretischen Verfahrens die besten Ergebnisse zu erreichen, muss die LED so leitend sein, dass Leuchtstoff auf der LED aufgebracht wird, und die Montagebasis, auf welcher die LED angebracht ist, muss so schlecht leitend bzw. isolierend sein, dass kein Leuchtstoff auf der Montagebasis vorgesehen wird. Damit können bei LED/Montagebasis-Kombinationen mit einem isolierenden LED-Substrat und/oder einer leitenden Montagebasis mehr Verfahrensschritte als bei LED/Montagebasis-Kombinationen ohne isolierende LED- Substrate und/oder leitende Montagebasen erforderlich sein.
- Zur Ausbildung der elektrisch leitenden Schicht EL auf einer isolierenden LED, um die elektrophoretische Abscheidung zu ermöglichen, wird die LED in eine Suspension getaucht, welche das elektrisch leitende Material, wie oben beschrieben, enthält. Der Tauchvorgang resultiert typischerweise darin, dass die komplette Montagebasis oder ein Teil derselben mit elektrisch leitendem Material versehen wird. Da die Montagebasis nun leitend ist, muss diese, wie unten in Bezug auf die Fig. 8 und 9 beschrieben, gegen eine Leuchtstoffabscheidung geschützt werden.
- Sollte die LED auf einem elektrisch leitenden Substrat, wie z. B. SiC, vorgesehen werden, wird die LED nicht in die Suspension aus elektrisch leitendem Material getaucht, da keine weitere elektrisch leitende Schicht erforderlich ist; daher werden die Isolationsschichten auf der Montagebasis isolierend belassen. Da die Montagebasis isolierend oder schlecht leitend ist, wird während der oben beschriebenen, elektrophoretischen Abscheidung kein lumineszierendes Material auf der Montagebasis aufgebracht.
- Fig. 8 zeigt eine, entweder auf einem leitenden Substrat ausgebildete oder durch eine Beschichtung vor Anbringen an dem Substrat leitend gemachte LED D, welche durch Verbindungsstücke C, wie z. B. Lötkontakthügel, an einer leitenden Montagebasis B befestigt wird. Vor Anbringen der LED D an Montagebasis B wird Letztere zuerst in sämtlichen Bereichen, in welchen Licht von der LED D auf Montagebasis auftreffen kann, mit einem Isolatormaterial IM versehen. Das Isolatormaterial IM wird sodann strukturiert, um Öffnungen auszubilden, durch welche Verbindungsstücke C die LED D und die Montagebasis B verbinden. Durch die Schicht IM aus Isolatormaterial wird während der elektrophoretischen Abscheidung des lumineszierenden Materials auf die Montagebasis B kein lumineszierendes Material aufgebracht. Beispiele isolierender Beschichtungsmaterialien, welche sich zur Verwendung als Schicht IM eignen, umfassen anorganische Beschichtungen, wie z. B. SixNy, SixOy und AlxOy sowie organische Schichten, wie z. B. Polyimid, Teflon, Nylon, zyklische Olefincopolymere und PMMA.
- Fig. 9 zeigt ebenfalls eine, durch Verbindungsstücke C, wie z. B. Lötkontakthügel, an einer leitenden Montagebasis B angebrachten LED D. Montagebasis B ist mit einer isolierenden Kappe IC versehen. Bei dieser kann es sich zum Beispiel um eine Kunststoffkappe handeln. Die isolierende Kappe IC wird so hergestellt, dass die kleinstmögliche Bohrung vorgesehen wird, welche eine effektive Verbindung der LED D mit der Montagebasis B ermöglicht. Während der elektrophoretischen Abscheidung wird kein lumineszierendes Material auf der isolierenden Kappe IC aufgebracht; dieses kann jedoch auf freigelegten Teilen von Montagebasis B zwischen der isolierenden Kappe IC, LED D und dem Bereich, in welchem Leitungen oder Verbindungsstücke C eine Verbindung herstellen, vorgesehen werden. Der Abstand zwischen dem inneren Rand der isolierenden Kappe IC und dem Teil der Montagebasis, welcher mit der LED D versehen ist bzw. sich unterhalb dieser befindet, sollte gleich bzw. geringer als 10% der Länge einer Seite der LED D oder, welche Abmessung auch immer am größten ist, gleich bzw. geringer als 100 Mikrometer sein.
- Weißes Licht kann erhalten werden durch: 1) eine blaue Lichtquelle, welche einen Leuchtstoff aktiviert, der einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt; 2) eine blaue Lichtquelle, welche Leuchtstoffe aktiviert, die einen Teil des blauen Lichts in rotes und grünes Licht umwandeln; sowie 3) eine UV-Lichtquelle, welche Leuchtstoffe aktiviert, um geeignete Kombinationen aus blauem, rotem, grünem oder gelbem Licht zu emittieren.
- Die oben beschriebenen Lichtquellen können an ein, unter der LED vorgesehenes, reflektierendes Element angebracht werden. Das reflektierende Element kann konvex, konkav oder planar sein.
- Obgleich nur einzelne Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, liegt es für Fachkundige auf der Hand, Änderungen und Modifikationen vorzunehmen, ohne dabei von der Erfindung in ihren umfassenderen Erscheinungsformen abzuweichen, weshalb die beigefügten Patentansprüche sämtliche solcher Änderungen und Modifikationen, wie diese unter den Umfang und die Wesensart der vorliegenden Erfindung fallen, mit einschließen.
Claims (25)
einer Licht emittierenden Anordnung, wobei diese übereinander angeordnete Schichten mit einer n-leitenden Zone, einer aktiven Zone und einer p-leitenden Zone aufweist; sowie
einer Struktur aus lumineszierendem Material, welche die Licht emittierende Anordnung bedeckt, wobei Schwankungen der Dicke der Struktur aus lumineszierendem Material weniger als 10% bzw. gleich 10% der Durchschnittsdicke der Struktur aus lumineszierendem Material betragen.
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