DE10238316A1 - Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Weißlichtquelle weist die Schritte auf: Bereitstellen eines ultravioletten Lichtes als Strahlungsquelle, Präparieren von drei Arten von ersten Phosphorverbindungen, die jeweils das ultraviolette Licht empfangen und rotes, grünes bzw. blaues Licht emittieren, und Präparieren wenigstens einer zusätzlichen Phosphorverbindung, um eine Spektraleigenschaft des von den ersten drei Phosphorverbindungen emittierten Lichtes zu modifizieren, um die Helligkeit und die Farbwiedergabeeigenschaft der Weißlichtquelle zu verbessern. Darüber hinaus wird wenigstens eine Phosphorverbindung mit der fluoreszierenden Eigenschaft als das obige zweite Phosphorpulver verwendet, um eine farbveränderliche Lichtquelle zu erhalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle von großer Helligkeit mittels Herstellung einer ultravioletten Lichtquelle und einer Mehrzahl von Phosphorverbindungen.
  • Eine Weißlichtquelle wird im allgemeinen mittels Mischens von Lichtquellen von unterschiedlicher Wellenlänge geschaffen. Beispielsweise kann eine herkömmliche Weißlichtquelle realisiert werden, indem rotes Licht, grünes Licht und blaues Licht mit einem geeigneten Intensitätsverhältnis vermischt werden. Alternativ kann die Weißlichtquelle realisiert werden, indem gelbes Licht und blaues Licht mit einem anderen geeigneten Intensitätsverhältnis vermischt wird. Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung einer Weißlichtquelle kann wie folgt zusammengefasst werden:
    In einer ersten Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik werden drei LED-Chips basierend auf AlInGaP, GaN und GaP in eine Lampe gepackt und emittieren rotes Licht, blaues Licht bzw. grünes Licht. Diese von der Lampe emittierten Lichtwellen können mittels einer Linse zur Erzeugung von weißem Licht gemischt werden.
  • In einer zweiten Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik dienen zwei auf GaN und AlInGaP basierende LED-Chips dazu, blaues Licht und gelb-grünes Licht zu emittieren. Das blaue Licht und das gelb-grüne Licht werden miteinander vermischt, um ein weißes Licht zu liefern. Die Weißlichtquellen gemäß den oben beschriebenen beiden Ansätzen weisen einen Wirkungsgrad von 20 lm/W auf.
  • Eine dritte Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik wird von Nichia Chemical co. vorgeschlagen, wobei eine auf InGaN basierende blaue LED und eine gelbe YAG – Phosphorverbindung verwendet werden, um die Weißlichtquelle zu erzeugen. Diese Weißlichtquelle erfordert zum Erzeugen des weißen Lichtes nur eine einfarbige LED, auf Kosten eines niedrigeren Wirkungsgrades von 15 lm/W. Allerdings ist der Phosphor vollentwickelter Stand der Technik und kommerziell erhältlich, so dass die Herstellungskosten dieser Art von Weißlichtquelle wesentlich geringer sind.
  • Eine vierte Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik, welche eine Weißlicht – LED auf Basis von ZnSe verwendet, wird durch Sumitomo Electric Industries Ltd. vorgeschlagen. Eine dünne CdZnSe – Schicht wird auf der Oberfläche eines kristallinen ZnSe – Substrats ausgebildet und dient zur Emission des blauen Lichts. Das kristalline ZnSe-Substrat emittiert das gelbe Licht nach Empfang des blauen Lichts von der dünnen CdZnSe-Schicht. Das blaue Licht und das gelbe Licht werden zum Liefern eines weißen Lichtes gemischt. In dieser Referenz ist nur ein LED – Chip erforderlich, und dessen Betriebsspannung beträgt 2,7 V, was kleiner als die 3,5 V Betriebsspannung der auf GaN basierenden LED ist. Darüber hinaus ist kein Phosphor erforderlich.
  • In einem fünften Ansatz zum Schaffen einer Weißlichtquelle wird eine ultraviolette LED verwendet, um eine Mehrzahl von Phosphorverbindungen derart anzuregen, dass die Phosphorverbindungen in der Lage sind, Licht unterschiedlicher Farbe zum Erzeugen von weißem Licht zu emittieren. Diese Phosphorverbindungen werden mittels folgender Prozesse hergestellt:
    • 1. Synthetisierung eines Phosphorpulvers mit einer Formel von Y2O3:Eu wie (Y1,9Eu0,1)O3, mittels der Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder Mikroemulsionsverfahrens.
    • 2. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel SrAl2O4:Eu, wie beispielsweise (Sr0,96Eu0,04)Al2O4:Eu, mittels der Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder Mikroemulsionsverfahrens.
    • 3. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von BaMgAl10O17:Eu, Mn, wie beispielsweise (Ba0,9Eu0,1) (Mg0,96Mn0,04)Al10O17 mittels der Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder Mikroemulsionsverfahrens.
    • 4. Messen des Emissionsspektrums der drei in einem vorbestimmten Verhältnis gemischten und mittels eines 396 nm ultravioletten Lichts angeregten Phosphorpulver. Wie in 3 gezeigt ist, emittiert das Phosphorpulver nach Anregung mittels 396 nm ultraviolettem Licht ein Licht, und die Farbe des Lichts wird bezüglich der CIE – Farbtafel (commission internationale del'Eclairage) aus 1931 eingeordnet. Dieses Licht wird an einem Punkt A der Farbtafel markiert, wie in 3 gezeigt ist.
  • Allerdings ist Licht, welches durch Kombination der drei Phosphorpulver gebildet wird, hinsichtlich der Wellenlängenverteilung und Kontinuität nicht so ideal wie natürliches Sonnenlicht. Das so hergestellte Licht weist einen relativ schwachen Farbton auf, welcher, selbst wenn für das menschliche Auge ununterscheidbar, für optisch hochentwickelte Instrumente wie beispielsweise Kameras unterscheidbar ist. Daher ist die Farbwiedergabeeigenschaft und Reproduktionsfähigkeit dieser Weißlichtquelle nicht zufriedenstellend, und sie wird hauptsächlich zur Lichterzeugung unter gewöhnlichen Bedingungen verwendet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle von großer Helligkeit geschaffen, indem eine ultraviolette Lichtquelle und eine Mehrzahl von Phosphorverbindungen gemeinsam integriert werden. Drei erste Phosphorverbindungen können jeweils nach Anregung mittels ultraviolettem Licht rotes, grünes bzw. blaues Licht zur Erzeugung von weißem Licht emittieren. Zusätzlich ist eine zweite Phosphorverbindung vorgesehen, um die spektralen Eigenschaften des weißen Lichts zur Verbesserung von dessen Helligkeit und Farbwiedergabeverhalten zu modifizieren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Herstellen einer farbveränderlichen Lichtquelle geschaffen, wobei wenigstens eine zweite Phosphorverbindung mit fluoreszierenden Eigenschaften einer Mehrzahl von ersten Phosphorpulvern derart hinzugefügt wird, dass die emittierte Farbe bezüglich der verstrichenen Zeit variiert wird. Daher wird durch die vorliegende Erfindung eine farbveränderliche Lichtquelle geschaffen, die wesentlich einfacher als die gemäß dem Stand der Technik ist, welche mehrere LEDs unterschiedlicher Farbe oder Farbfilter und Kappen unterschiedlicher Farbe aufweist.
    •
  • Die diversen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen. Es zeigen:
  • 1 das Spektrum des roten Lichtes von Y2O3:Eu – Phosphor, des grünen Lichtes von SrAl2O4:Eu – Phosphor und des blauen Lichtes von BaMgAl10O17:Eu, zur Ausbildung eines weißen Lichtes gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 das Spektrum des roten Lichtes von Y2O3:Eu – Phosphor, des grünen Lichts von SrAL2O4:Eu – Phosphor, des blauen Lichtes von BaMgAl10O17:Eu – Phosphor und des gelben Lichtes von Y3Al5O12:Ce, Gd – Phosphor um ein weißes Licht gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen;
  • 3 zeigt die Farbtemperatur A für 1 und 8 für 2 in der CIE-Farbtafel; und
  • 4 zeigt die Kontur in der CIE-Farbtafel für das Licht, welches von der Mischung Y2O3:Eu – Phospor, SrAl2O4:Eu, Dy – Phosphor, BaMgAl10O17:Eu – Phosphor und Y3Al5O12:Ce, Gd – Phosphor emittiert wurde, wobei die Mischung mittels eines ultravioletten Lichts belichtet wird und dann das ultraviolette Licht entfernt wird.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird eine Weißlichtquelle mit einer Strahlungsquelle dienenden ultravioletten Lichtquelle und einer Mehrzahl von Phosphorverbindungen als Wellenlängen-Umwandlungsmedium geschaffen. Die ultraviolette Lichtquelle kann mittels der LED, eines Elektronenstrahls oder eines Plasmas erzeugt werden. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt es drei Arten von ersten Phosphorverbindungen. Nach Anregung durch die ultraviolette Strahlungsquelle sollten die ersten Phosphorverbindungen die Wellenlängenbereiche von rotem Licht (585 – 640 nm), grünem Licht (500 – 570 nm) und blauem Licht (430 – 490 nm) abdecken. Darüber hinaus ist ein zusätzliches Pulver einer zweiten Phosphorverbindung vorgesehen, um die Lichteigenschaften wie Helligkeit und Farbton der aus den drei ersten Phosphorverbindungen bestehenden Lichtquelle zu modifizieren. Daher besitzen die mit den vier Phosphorpulvern ausgestattete Weißlichtquelle und das ultraviolette Licht Vorteile hinsichtlich großer Helligkeit und Farbwiedergabeeigenschaften.
  • Die Phosphorpulver gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mittels folgender Schritte hergestellt:
    • 1. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von Y2O3:Eu, wie beispielsweise (Y1,9Eu0,1)O3, mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahren.
    • 2. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von SrAl2O4:Eu, wie beispielsweise (Sr 0,96Eu0,04)Al2O4, mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahrens.
    • 3. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von BaMgAl10O17:Eu, Mn, wie beispielsweise (Ba0,9Eu0,1)(Mg0,96Mn0,4)Al2O, mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahrens.
    • 4. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von Y3Al5O12:Ce, Gd, wie beispielsweise (Y2,1Ce0,05Gd0,65)Al5O12 mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie beispielsweise Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahrens.
    • 5. Messen des Emissionsspektrums einer Mischung der oben genannten vier Phosphorpulver, die in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt und mittels 396 nm ultraviolettem Licht angeregt werden. 2 zeigt das Emissionsspektrum der Mischung, die mittels eines 396 nm ultravioletten Lichts angeregt wird. Die Mischung emittiert nach Anregung mittels eines 396nm ultravioletten Lichts ein Licht, und die Farbkoordinate des Lichtes wird bezüglich der 1931 CIE (commission internationale del'Eclairage) Farbtafel bestimmt, die in 3 als „B" markiert ist.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird auch eine farbveränderliche LED – Lichtquelle geschaffen, wobei mindestens eine zweite Phosphorverbindung mit fluoreszierenden Eigenschaften in einer Mehrzahl erster Phosphorpulver derart zugeführt wird, dass die emittierte Farbe mit der verstrichenen Zeit variiert wird. Das phosphoreszierende Pulver wird aus einer Gruppe ausgewählt, die aus SrAl2O4:Eu, M, CaAl2O4: Eu, M, Sr4Al14O25: Eu, M, Y2O2S: Eu, M und ZnS:Cu,M besteht, wobei M ein Übergangsmetall oder ein Seltene Erde – Element ist. Die Pulver für die farbveränderliche LED-Lichtquelle werden mittels der folgenden Schritte präpariert:
    • 1. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von Y2O3: Eu wie beispielsweise (Y1,9Eu0,1)O3 mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahrens.
    • 2. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von SrAl2O4:Eu, Dy, wie beispielsweise (Sr0,94Eu0,04Dy0,02)Al2O4, mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahrens.
    • 3. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von BaMgAl10O17:Eu, wie beispielsweise (Ba0,9Eu0,1)MgAl10O17 mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahrens.
    • 4. Synthetisieren eines Phosphorpulvers mit einer Formel von Y3Al5O12:Ce, Gd, wie beispielsweise (Y2,3Ce0,05Gd0,65)Al5O12 mittels Festkörperreaktion oder eines Chemosyntheseverfahrens wie Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder eines Mikroemulsionsverfahrens.
    • 5. Messen des Emissionsspektrums einer Mischung der obigen vier Phosphorpulver, die in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt und mittels 396 nm ultraviolettem Licht angeregt werden. 2 zeigt das Emissionsspektrum der mittels 396 nm ultraviolettem Licht angeregten Mischung. Die Mischung wird mittels 396 nm ultraviolettem Licht angeregt und anschließend wird das ultraviolette Licht entfernt. Das von der Mischung emittierte Licht wird gemessen und gemäß 4 in der Farbtafel eingeordnet. Die Farbtemperatur wird gemäß der verstrichenen Zeit von Punkt A zu Punkt B bewegt.
  • Tabelle 1 zeigt den Vergleich zwischen den Weißlichtquellen gemäß dem Stand der Technik und der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der CIE Farbtemperaturkoordinate, der Farbwiedergabeeigenschaft und der Farbtemperatur.
  • Figure 00070001
  • Die vorliegende Erfindung hat folgende Effekte:
    • 1. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist die Weißlichtquelle der ersten bevorzugten Ausführungsform eine Standard – Weißlichtquelle mit einer Temperaturkoordinate bei (0,3120; 0,3285) in der Farbtafel, die ähnlich der Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik mit einer Temperaturkoordinate von (0,3130; 0,3254) ist.
    • 2. Die Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik hat eine Farbwiedergabeeigenschaft von 85 und eine Farbtemperatur von 6524 K, während die Weißlichtquelle gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform eine Farbwiedergabeeigenschaft von 94 und eine Farbtemperatur von 6550 K hat. In der ersten Ausführungsform wird gelbes Phosphorpulver aus Y3Al5O17:Ce, Gd hinzugefügt, um das Spektrum der Weißlichtquelle zu modifizieren. Die Farbwiedergabeeigenschaft der Weißlichtquelle der ersten bevorzugten Ausführungsform wird soweit verbessert, dass sie mit der von echtem Sonnenlicht übereinstimmt.
    • 3. Das Emissionsspektrum der Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels des gelben Phosphorpulvers von Y3Al5O12:Ce, Gd und bläulich-grünem Phosphorpulver von BaMgAl10O17,:Eu, Mn modifiziert (der Bläulichkeitsgrad des Lichtes hängt von dem Verhältnis der Mengen von Eu und Mn ab). Beide Lichtarten sind nahe dem grünen Licht, welches die Farbe darstellt, für die das menschliche Auge am empfindlichsten ist. Daher besitzt die Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung einen besseren Wirkungsgrad.
    • 4. Wie in 4 gezeigt ist, hat die Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung grün phosphoreszierendes Licht (lange Nachleuchtcharakteristik). Daher wird das von der Weißlichtquelle der vorliegenden Erfindung emittierte Licht von weißem Licht zu grünem Licht umgewandelt, nachdem die Anregungsquelle entfernt wurde, und das grüne Licht kann für eine lange Zeit aufrechterhalten werden. Das emittierte Licht wird vielfältiger, wenn zwei oder mehr phosphoreszierende Pulver enthalten sind und mittels der ultravioletten Lichtquelle wie etwa bei 396 nm ultraviolettem Licht angeregt werden. Die Pulver werden zusammengepreßt und anschließend mittels der ultravioletten Lichtquelle für eine Zeitperiode belichtet, so dass eine farbveränderliche LED-Lichtquelle erhalten wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf deren Details beschränkt ist. Diverse Ersetzungen und Modifikationen sind in der vorangehenden Beschreibung vorgeschlagen worden, und andere sind für den Durchschnittsfachmann erkennbar. Beispielsweise liegt auch eine Lichtquelle mit ersten Phosphorpulvern, die Wellenlängenbereiche von rotem Licht (585 – 640 nm), grünem Licht (500 – 570 nm) und blauem Licht (430 – 490 nm) abdeckt sowie wenigstens einem zusätzlichen zweiten Phosphorpulver zum Modifizieren des Spektrums der Weißlichtquelle zum Erreichen der vergleichsweise hohen Helligkeit und der hohen Farbwiedergabeeigenschaft im Bereich der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Erfindung auch das Verfahren zur Herstellung einer farbveränderlichen LED – Lichtquelle, wobei wenigstens eine Phosphorverbindung mit fluoreszierenden Eigenschaften als das obige zweite Phosphorpulver verwendet wird, um eine farbveränderliche Lichtquelle zu erhalten. Daher werden sämtliche Ersetzungen und Modifikationen als von dem Bereich der Erfindung, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist, erfasst angesehen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Weißlichtquelle, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer als Strahlungsquelle dienenden ultravioletten Lichtquelle; Präparieren von drei ersten Phosphorverbindungen zum Empfangen des ultravioletten Lichts und zum Emittieren von erstem farbigen Licht von roter, grüner bzw. blauer Farbe; und Präparieren wenigstens einer zweiten Phosphorverbindung zum Modifizieren einer Spektraleigenschaft des von den drei ersten Phosphorverbindungen emittierten Lichtes, um die Helligkeit und die Farbwiedergabeeigenschaft der Weißlichtquelle zu verbessern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Phosphorverbindung eine mittels des ultravioletten Lichtes oder eines sichtbaren Lichtes optisch anregbare Phosphorverbindung ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Phosphorverbindung nach der Anregung ein grünliches Licht erzeugt, und wobei das grünliche Licht aus einer Gruppe ausgewählt wird, welches aus einem gelblich-grünen Licht von einem Y3Al5O12:Ce, Gd – Pulver und einem bläulich grünen Licht von einem BaMgA110O17:Eu, Mn – Pulver besteht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Phosphorverbindung entweder mittels einer Festkörperreaktion oder einem Chemosyntheseverfahren hergestellt wird, und wobei das Chemosyntheseverfahren entweder Citrat-Solgel, Kopräzipitation oder ein Mikroemulsionsverfahren ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das ultraviolette Licht von einem Element einer Gruppe emittiert wird, welche aus einer LED, einem Elektronenstrahl und einem Plasma besteht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und/oder die zweite Phosphorverbindung eine fluoreszierende Eigenschaft zum Liefern einer Farbvariabilität bezüglich der Zeit aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Phosphorverbindung mit der fluoreszierenden Eigenschaft mittels des ultravioletten oder des sichtbaren Lichtes angeregt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Phosphorverbindung und die zweite Phosphorverbindung mit der fluoreszierenden Eigenschaft aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus SrAl2O4:Eu, M, CaAl2O4:Eu, M, Sr4Al14O25:Eu, M, Y2O2S:Eu, M und ZnS:Cu, M besteht, wobei M ein Übergangsmetall oder ein Seltene Erde – Element ist.
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