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Die
Erfindung ist anwendbar bei der Herstellung konversionslichtemittierender
Elemente auf der Basis von Halbleiterlichtquellen. Sie betrifft
alle auf diesem Wirkprinzip basierenden Lichtquellen, bei denen
sowohl die Halbleiterlichtquelle als auch der Farbstoff zum emittierten
sichtbaren Licht beitragen.
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Da
weiße
LED die wichtigste Anwendung dieses Prinzips darstellen, sind die
Verfahren zur Herstellung und die damit verbundenen Probleme am
ausführlichsten
untersucht. Die folgenden Ausführungen
sind deshalb ohne Beschränkung
der Allgemeinheit für
weiße
LED ausgeführt.
Es sind allgemein zwei unterschiedliche Verfahren bekannt, mit denen
LED hergestellt werden, die für
den Betrachter weiß emittierendes
Licht wahrnehmen lassen. Zum einen erfolgt dieses durch die Verwendung
von drei unterschiedlichen LED-Chips (rot, grün und blau) und zum anderen
durch die Konversion der Strahlung eines LED-Chips mittels eines
Farbstoffes, woraus schließlich
der gewünschte
Farbeindruck, beispielsweise weiß, resultiert.
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Da
die vorgelegte Lösung
auf der Konversion basiert, wird im folgenden der Stand der Technik
auf diesem Gebiet kurz dargestellt.
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Druckschrifliche
Veröffentlichungen
zur Farbkonversion sind beispielsweise durch die
US 884 592 A ;
DE 2 059 909 B gegeben. Der
LED-Chip als eigentliche, primäre
Lichtquelle wandelt die eingeleitete elektrische Energie in Lichtenergie
um und strahlt blaues oder grünes
Licht der Wellenlänge
430 nm bis 520 nm aus (siehe
DE 1 963 8667 A1 ;
JP 07-1 76 794 B2 und
regt hierbei einen Farbstoff, in den meisten Fällen Ce-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat
zur Emission von spektral breit verteiltem Licht mit Maximum bei
550 nm an G. Blasse, A. Bril: A new phosphor for flying-spot cathode-ray
tubes for color television Yellow-emitting Y
3Al
5O
12-Ce
3+,
Appl. Phys. Lett. Vol. 11, Nr. 2, 1967 s. 53–54). Weiterhin ist auch die
Möglichkeit
vielfach beschrieben und im Jahr 2001 zumindest in Labormaßstab umgesetzt
worden, als primäre
Lichtquelle einen Halbleiterchip, der eine Emissionswellenlänge im nahen
UV-Bereich zwischen 300 und 450 nm aufweist (
DE 197 56 360 A1 ;
WO 98/54 929 A2 und
zur Erzeugung des Weißlichteindruckes
ein mehrkomponentiges Lumineszenzfarbstoffgemisch mit verschiedenen
sich zum Teil überlappenden
Emissionsspektren zur Abdeckung eines möglichst breiten Spektralfarbbereiches
und einer möglichst
guten Farbwiedergabe zu verwenden. Bei Verwendung einer UV-Diode
als primäre
Strahlungsquelle entspricht das Wirkprinzip einer weißen LED
im physikalischen Sinn dem der normalen Leuchtstoffröhre (
DE 21 28 065 B ,
US 96 744 A ).
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Bei
dem Prinzip der Lichtkonversion gibt es einige, in der Regel technisch
bedingte Schwierigkeiten, die kommerzielle Produkte teilweise deutlich
von der Idealvorstellung einer weißen Leuchtdiode abweichen lassen.
Anfänglich
(nach 1990) kam es zu starker Degradation in der Helligkeit der
weißen
LED schon nach wenigen hundert bis tausend Betriebsstunden. In der
Regel wird der Lumineszenzfarbstoff direkt an oder auf dem Chip
platziert. Als eine wichtige Ursache für die auftretende Degradation
ist die lokale Erwärmung
des Farbstoffes identifiziert worden. Um dieses Problem zu umgehen,
wurde in vielen Fällen
eine räumliche
Trennung zwischen dem LED-Chip und dem für die Lichtkonversion verwendeten
Farbstoff eingeführt
(
DE 199 19 381 A1 )
oder die Konversion wurde ganz außerhalb der Leuchtdiode durchgeführt (
DE 298 20 384 U1 ;
DE 200 13 605 U1 ).
In der Folgezeit wurde dieses Problem auch dadurch reduziert, dass
der Wirkungsgrad der verwendeten InGaN-LED-Chips deutlich erhöht und damit
die Eigenerwärmung
und somit die Erwärmung
des direkt angrenzenden Farbstoffes verringert ist.
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Bei
der Lichtkonversion wird für
die Generierung des Weiß-Eindruckes
eine Zwei-Komponenten-Mischung
aus dem primären,
meist blauen Licht und dem Lumineszenzlicht des Farbstoffes verwendet.
Durch die Konzentration des Farbstoffes auf dem optischen Lichtweg
wird der Anteil des konvertierten Lichts an der emittierten Lichtmenge
bestimmt. Für
geringe und homogene Konzentrationen (bis 30% Volumenanteil) und kurze
Wege (bis einige mm) gilt in einer linearen Näherung: ISek ≅ ηLum∙CLum∙s∙Iprim, [1]
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Wobei ηLum der Konversionswirkungsgrad des Farbstoffes,
cLum die Konzentration des Farbstoffes und s
der optische Weg des Farbstoffes durch die Farbstoffschicht ist.
Damit ist es prinzipiell möglich,
durch geeignete Wahl der Parameter bei der Herstellung der weißen LED
den Weiß-Eindruck
von blau-weiß über kalt-weiß, rein-weiß, warm-weiß bis zu
gelb-weiß einzustellen.
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2 illustriert
auch den Stand der Technik, es sind die Farborte von weißen LED's aus der Stichprobe einer
Liefereinheit nach einem typischen Herstellungsverfahren im Farbraum
eingetragen. Bei diesem Verfahren (dargestellt durch Kreise in 2)
wurde der Farbstoff in hoher Konzentration (cLum ≥ 15%) in einem
dünnflüssigen Vergussmaterial
direkt auf den Chip aufgebracht. Die benötigten Schichtdicken (s) liegen
im Bereich einiger Mikrometer. Schon durch geringe Variationen der
Konzentration in der Schicht oder durch eine Änderung der Schichtdicke wird
der Anteil konvertierten Lichts verändert (siehe Formel [1]) und
der Farbeindruck verschiebt sich. Durch dieses Herstellungsverfahren
ist eine homogene und konstante Konzentration über dem einem Fertigungslos
nicht zu erreichen. Ordnet man mehrere solche weißen LED
nebeneinander an, fällt
auch dem ungeübten
Betrachter auf, dass die Farbe von Türkisstich, Grünstich bis
Gelbstich alle Nuancen aufweisen kann.
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Eine
Lösung
für diese
Problematik ist, nach [1] den optischen Weg von wenigen Mikrometern
in den Bereich Millimeter zu verlängern. Dabei wird die Konzentration
des Farbstoffes deutlich (c
Lum ≤ 10%) reduziert und
der Farbstoff über
das – im
Vergleich zum Chip – große Volumen
des Vergusses verteilt aufgebracht. Damit haben die produktionsbedingten
Toleranzen einen deutlich geringeren Einfluss auf den Weißeindruck.
Mit einigem Aufwand, beispielsweise eine permanente Homogenisierung
des Vergussmaterials mit dem darin aufgeschlämmten Farbstoff, ist die Konzentration
des Farbstoffes präzise
einstellbar. LED's
nach dieser Herstellungsmethode zeigen über einem Fertigungslos eine
geringe Streuung der spektralen Emissionscharakteristik (
DE 197 56360 A1 ,
DE 196 25622 A1 ,
1), wenn man eine Farbbewertung unter
Messbedingungen nach CIE zur Messung der Lichtstärke, Bedingung A oder B (Commission
Internationale de I'Eclairage, „Measurements
of LED's” CIE 127
(1997)) vornimmt.
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Dieses
zweite Verfahren führt
zum Problem der optischen Weglänge
durch die Farbstoffschicht aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen.
Nach [1] ist der Anteil konvertierten Lichts bei konstanter Konzentration
abhängig
vom optischen Weg durch die Konversionsschicht. Unterschiedliche
Weglängen
führen
dazu, dass sich der Farbeindruck mit dem Betrachtungswinkel ändert. Die
Problematik soll am Beispiel einer SMD-LED der Bauform 1206 (www.osa-opto.de,
Datenblatt zur OLS150) erläutert
werden. Licht welches senkrecht zur Chip- und Bauelementoberfläche emittiert
wird, durchläuft
eine Konversionsschicht der Dicke 600 μm. Licht, welches unter einem
Winkel von 45° zu
dieser Richtung emittiert wird, durchläuft einen Weg von 1100 μm, in der
Raumdiagonalen steigt dieser Wert auf 1400 μm an. Betrachtet man eine solche
LED genauer, so leuchtet das Zentrum einer LED deutlich blaustichig,
während
die Emission über
ihrer Kante eine deutliche Gelbverschiebung aufweist.
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Der
Weißgrad
ist hier als das Abstandsquadrat vom idealen Weißpunkt bei (x/y) = (1/3/1/3)
definiert, wobei der Weißpunkt
den Wert 1 = 100% repräsentiert.
Bei den geringen Abständen
vom Unbuntpunkt (Idealer Weißpunkt
nach CIE) kann man den hier definierten Weißgrad als die Differenz zur
Farbreinheit betrachten:
mit x
MeB und
y
Meß als
gemessenen Farbkoordinaten. Die Abstrahlcharakteristik einer nach
diesem Verfahren hergestellten Diode zeigt die Folge der oben erläuterten
Problematik, man kann erkennen, dass nach oben rein-weißes Licht
und zur Seite hin fast blaues Licht abgestrahlt wird.
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Die
nach dem Stand der Technik bekannten Vergussmaterial-Farbstoffgemische
bestehen aus dem Farbstoff und einem ein- oder zweikomponentigem
Epoxydharz oder einem Silikon als Vergussmaterial, im weiteren als
Träger
bezeichnet. Wenn kein begrenzendes Gefäß, beispielsweise ein Reflektor,
vorhanden ist, verteilen sie sich bei der anschließenden Weiterbearbeitung
auf der Oberfläche
des Basismaterials, so dass die Chipumgebung, jedoch nicht der Chip
vom Farbstoff/Träger-Gemisch
bedeckt ist.
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Durch
die Druckschrift
AT 410
266 B , die eine Lichtquelle mit einem lichtemittierenden
Element betrifft, ist eine Lösung
zu diesem Problemkreis bekannt geworden. in dieser Druckschrift
wird auch die Forderung, eine aus allen Richtungen gleiche Dicke
der Farbkonversionsschicht einzustellen, aufgestellt. Als Lösung wird vorgeschlagen,
auf den Chip eine Polymerlinse oder Polymerscheibe mit kugel- oder
ellipsoidförmigen
Ausnehmungen, die mit Farbstoff-Vergussmasse-Gemisch gefüllt sind,
aufzusetzen, um mit dieser mechanischen Begrenzung die gewünschte isotrope
Weglänge
durch die Konversionsschicht zu erzwingen.
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Die
Realisierung dieser Lösung
ist mit hohem Aufwand verbunden. Hinzu kommt, dass Lufteinschlüsse kaum
vermieden werden können
und Bauelemente mit Einschlüssen
eine Verschiebung der Emissionsfarbe aufweisen und in der Regel
unbrauchbar sind.
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Aus
US 2002/0084745 A1 ist
ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement bekannt, dass in einem
dielektritschen Phospohrpuder (DPP) eingebetet ist. Dieses dielektrische
Phosphorpuder besteht aus einer Mischung aus mikroskopisch kleinen
kugelförmigen
dielektrischen Partikeln, beispielsweise amorphen Siliziumdioxid
und Phosphorpartikeln. Das Halbleiterbauelement ist in einer Vertiefung
angeordnet, wobei die Verkapselung über das Halbleiterbauelement
eingebracht wird und seitlich an den Wänden der Vertiefung anliegt.
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US 6 252 254 B1 zeigt
ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, dass mit einer Verkapselung
versehen ist. Die Verkapselung besteht aus einem Farbstoff-/Trägergemisch.
Diese Verkapselung ist domförmig über das
lichtemittierende Halbleiterelement angeordnet, wobei hier eine
relativ große
Höhe der
Verkapselung über
die Halbleiterbauelemente ein relativ schmaler Rand neben dem Halbleiterbauelement
gegeben ist. Dies führt
nicht zu einer auf den Farbort bezogenen gleichmäßigen radialen Abstrahlcharakteristik.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur
Herstellung konversionslichtemittierender Elemente auf der Basis
von Halbleiterlichtquellen bereitzustellen, welches eine auf den
Farbort bezogene gleichmäßige radiale
Emissionscharakteristik sichert, mit dem eine hohe Konstanz der
Farbkonversionsrate von Bauelement zu Bauelement erreicht wird und
welches ohne mechanische Begrenzung der Konversionsschicht die geforderten
Ergebnisse erreicht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen
gelöst.
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Als
erstes Problem wurde erkannt, dass eine Streuung der Konzentration
des Farbstoffs im Farbstoff/Träger-Gemisch
oder/und eine Streuung der Konversionsschichtdicke zu einer streuenden
Konversionsrate und damit zu streuenden Farben über einer zu betrachtenden
Produktionsmenge führt.
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Als
weiteres Problem ist klar erkannt worden, dass, um eine im Winkel
homogene Farbe zu erhalten, der Chip als Quelle des primären Lichts
möglichst
homogen von einer Farbstoff beinhaltenden Konversionsschicht umhüllt werden
muss.
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Das
Wesen des gattungsgemäßen Verfahrens
besteht hierbei darin, dass durch dem Zusatz von anorganischen oder
organischen Feststoffen, die selbst vom Träger gut benetzt werden und
die Haftungs- und Benetzungseigenschaften
des Trägers
nicht beeinträchtigen,
die Viskosität
und Oberflächenspannung
so erhöht
wird, dass der LED-Chip ohne mechanisch begrenzendes Element homogen
von Vergussmaterial/Leuchtstoff/Additiv-Gemisch umgeben ist und
dass sich die erfindungsgemäße isotrope,
das heißt
radial homogene Farbcharakteristik des Individuums einstellt.
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Die
Oberflächenspannung
und die Viskosität
des Farbstoff/Träger/Additiv-Gemisches
sind so ausgewählt
und aufeinander abgestimmt, dass sie dessen Homogenität stabilisieren
und bei gleichmäßiger Volumendosierung
auf der Halbleiterlichtquelle eine auf das Fertigungslos bezogene
gleiche Konversionsrate und damit emittierte Farbe erreicht wird.
Mit diesem Verfahren wird zugleich eine hohe Qualität bei der
Reproduzierbarkeit der Farbcharakteristika gewährleistet.
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Nach
einem weiteren Merkmal besteht das Additiv aus einem anorganischen
oder einem organischen Feststoff. In einer Abwandlung besteht das
Additiv aus ausgehärtetem
und gemahlenem Träger.
Als Feststoff haben sich besonders wirkungsvoll organische Oxide
optimaler Korngröße wie Aluminiumoxid,
Zinnoxid, Siliziumdioxid und Titandioxid erwiesen. Die alternative
Lösung,
der Zusatz von ausgehärtetem
organischem Träger,
beispielsweise von ausgehärtetem
Epoxydharz in entsprechender Korngröße ermöglicht vergleichbare Ergebnisse.
Die Konzentration des Additivs beträgt 2 bis 65 Vol%, die der verwendeten
Konversionsfarbstoffe 15 bis 80 Vol%.
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Eine
Modifizierung des Verfahrens sieht vor, dass der Farbstoff aus einem
oder mehreren Farbstoffen besteht. Der Träger besteht vorzugsweise aus
einem Epoxydharz. Er kann in einer Abwandlung auch aus einem Silikon
bestehen.
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Ein
weiterer besonderer Effekt des Verfahrens ist darin zu sehen, dass
das Farbstoff/Träger/Additiv Gemisch
die äußere mechanische
Form während
der Weiterverarbeitung, insbesondere bei der thermischen Aushärtung, nicht
oder nur geringfügig ändert. Die
Form dieser Konversionsschicht ähnelt
im Querschnitt einer Gaußschen
Glockenkurve mit breitem oberen Plateau und ist nahezu rotationssymmetrisch
zur Symmetrieachse des Chips. Sie stellt sich in einem Selbstorganisationseffekt
ein und bleibt auch in einem nachfolgenden Aushärteprozess erhalten. Eventuell
eingeschlossene Gasblasen zerplatzen bei der nachfolgenden Aushärtung und
die noch flüssige
Matrix heilt diese Inhomogenitäten
problemlos wieder aus.
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Schließlich wurde überraschenderweise
festgestellt, dass das das Halbleiterbauelement umhüllende Farbstoff-Träger-Additiv
Gemisch auf Grund seiner Oberflächenspannung
und Viskosität
während
der Verarbeitung die häufig
beobachtete Entmischung der Vergussmaterial-Farbstoffgemische nicht
ausweist. Damit zeichnen sich die nach diesem Verfahren hergestellten
Bauelemente bei entsprechend präziser
Dosierung der Menge an Farbstoff-Träger-Additiv Gemisch dadurch
aus, dass sie eine geringe Streuung der Farbeigenschaften innerhalb
der Produktionschargen aufweisen.
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Das
Halbleiterbauelement, auf das das Farbstoff/Träger/Additiv-Gemisch aufgebracht
wird, kann eine würfelförmige, eine
quaderförmige
oder jede andere geometrische Form aufweisen. Das heißt, eine
bestimmte äußere geometrische
Form eines Bauelementes ist für
das Verfahren unerheblich.
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Ein
optional im Anschluss auf diese ausgehärtete und damit auch gegenüber mechanischen
Einflüssen
formstabile Konversionsschicht aufgebrachter zweiter Verguss aus
klarem oder diffus eingefärbtem
Material bildet den geometrischen Abschluss gegenüber der
Umwelt und schützt
vor stärkeren
chemischen, mechanischen und physikalischen Einflüssen.
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Das
nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiterbauelement zeichnet
sich dadurch aus, dass das das Halbleiterbauelement umhüllende Farbstoff/Träger/Additiv-Gemisch
auf Grund seiner Oberflächenspannung
und seiner Viskosität
eine äußere geometrische
Form aufweist, die im Querschnitt einer Gaußschen Glockenkurve mit breitem
oberen Plateau ähnelt
und rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse des Chips ist.
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Die
Erfindung soll an folgendem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen
zeigen:
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1a:
den Chip montiert auf Basismaterial mit einer Umhüllung aus
dem Farbstoff/Träger/Additiv-Gemisch;
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1b:
den Chip montiert auf Basismaterial mit zusätzlichem Reflektor mit einer
Umhüllung
aus dem Farbstoff/Träger/Additiv-Gemisch;
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2:
Wiedergabe gemessener Farborte weißer LED nach der vorgeschlagenen
Lösung;
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3:
die Farbcharakteristik der vorgeschlagenen Lösung;
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Auf
einer Basisfläche 1,
zum Beispiel eine Leiterplatte, mit einer als Reflektor 4 dienenden
Strukturierung werden als LED-Chips ausgebildete Halbleiterbauelemente 2 der
Emissionswellenlänge
460 nm montiert. Für
den Vergoss wird ein Gemisch 3 aus zweikomponentigem Epoxydharz,
20 bis 60 Vol% YAG-Farbstoff und 10 bis 25 Vol% Titandioxid der
Korngröße 1 bis
0,01 μm
hergestellt und innig vermischt.
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Wie
aus den 1a und 1b ersichtlich,
wird auf das als Chip ausgebildete Halbleiterbauelement 2 mit üblichen,
hinreichend präzisen
Dosiervorrichtungen eine Menge von 5 bis 20 μl Gemisch 3 abgeschieden. Nach
dem Aushärten
ist das Chip vom Verguss-Farbstoff-Additiv-Gemisch 3 umgeben.
Die so hergestellten Bauelemente weisen eine isotrope, das heißt radial
homogene weiße
Lichtemission auf. Die Streuung über
einem Fertigungslos ist deutlich reduziert. Durch die reduzierte
Streuung über
dem Fertigungslos weist das nach dem Verfahren hergestellte Halbleiterbauelement 2 qualitativ
stabile Parameter auf, wodurch das Bauelement auch und besonders
für solche
Einsatzzwecke geeignet ist, bei denen es bezogen auf unterschiedliche
Betrachtungsstandpunkte stets ein konstanter weißer Farbeindruck erzeugt wird.
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2 veranschaulicht
die Lokalisierung der Farborte nach der vorgeschlagenen Lösung. Zur
Verdeutlichung der Unterschiede wurden auch die Farborte nach dem
Stand der Technik dargestellt. Diese Lösung zeichnet sich vor allem
dadurch aus, dass das die Halbleiterlichtquelle umhüllende Farbstoff/Träger/Additiv-Gemisch
auf Grund seiner Oberflächenspannung
und Viskosität
während
der Verarbeitung die häufig
beobachtete Entmischung der Vergussmaterial-Farbstoffgemische nicht
aufweist. Das heißt,
dass die nach diesem Verfahren hergestellten Bauelemente eine geringe
Streuung der Farbeigenschaften innerhalb der Produktionschargen
aufweisen.
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3 veranschaulicht
die Farbcharakteristik der vorgeschlagenen Lösung. Die Anzahl der Meßpunkte,
die im Bereich von einem Weißgrad
von nahe 100% liegen ist besonders deutlich im Vergleich mit der
Anzahl der Meßpunkte
nach dem Stand der Technik. Damit wird zugleich auch die radial
homogene Farbcharakteristik des Bauelementes dokumentiert.
