DE10319091A1

DE10319091A1 - Leuchtstoff zum Umwandeln einer Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung

Info

Publication number: DE10319091A1
Application number: DE2003119091
Authority: DE
Inventors: Ute Dr. Liepold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff (6) zum Umwandeln einer Primärstrahlung (4) in eine Sekundärstrahlung (5). Daneben wird eine Lichtquelle (1) mit einer LED zum Aussenden der Primärstrahlung und dem Leuchtstoff zum Umwandeln der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung angegeben. Der Leuchtstoff weist die formale Zusammensetzung Ca¶(2-x)¶Eu¶x¶SiO¶4¶ auf, wobei x aus dem Bereich von 0,005 bis 0,5 und vorzugsweise aus dem Bereich von 0,01 bis 0,1 ausgewählt ist. Der Leuchtstoff zeichnet sich durch eine breite Absorptionsbande im UV-Spektralbereich aus, die bis in den blauen Spektralbereich reicht. Der Leuchtstoff emittiert grüne Sekundärstrahlung. Das Emissionsmaximum liegt bei etwa 508 nm. Als Quelle für die Primärstrahlung kommt insbesondere eine UV-LED in Frage. Der Leuchtstoff zeichnet sich durch eine hohe thermodynamische Stabilität aus, was sich in einer guten Reproduzierbarkeit der Herstellung des Leuchtstoffs widerspiegelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff zum Umwandeln einer Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung. Daneben wird eine Lichtquelle mit einer LED und dem Leuchtstoff angegeben.

Ein derartiger Leuchtstoff und eine derartige Lichtquelle sind beispielsweise aus US 6 504 179 B1 bekannt. Die Lichtquelle wird als Lumineszenzkonversions-LED bezeichnet. Die LED (Light Emitting Diode) der Lichtquelle weist als aktive Schicht beispielsweise eine Halbleiterschicht aus Galliumindiumnitrid (GaInN) auf. Durch elektrische Ansteuerung wird von dieser aktiven Schicht eine Primärstrahlung aus einem ersten, kurzwelligen Wellenlängenbereich ausgesandt. Die LED emittiert blaues Licht. Ein Intensitätsmaximum der Primärstrahlung liegt bei etwa 460 nm. Die Primärstrahlung wird mit Hilfe des Leuchtstoffs in eine Sekundärstrahlung aus einem zweiten, längerwelligeren Wellenlängenbereich umgewandelt. Der Leuchtstoff ist ein mit Europium (Eu²⁺) und Mangan (Mn²⁺) dotierter Chlorosilikat-Leuchtstoff. Eine formale Zusammensetzung des Leuchtstoffes lautet Ca(₈–_x–_y)Eu_xMn_yMg(SiO₄)₄Cl₂.

Der Anteil x des Europiums beträgt zwischen 0,005 und 1,5. Der Anteil y des Mangans beträgt zwischen 0,03 und 1,0. Der Leuchtstoff absorbiert die kurzwellige Primärstrahlung im Bereich von 300 nm bis 470 nm. Die vom Leuchtstoff absorbierte Primärstrahlung wird in die Sekundärstrahlung umgewandelt. In Abhängigkeit des Dotierungsverhältnisses von Europium zu Mangan emittiert der Leuchtstoff grünes bis gelbes Licht (Wellenlängenbereich von etwa 490 nm bis 590 nm).

Der Leuchtstoff wird beispielsweise in Form von Pulverpartikeln in Epoxidharz eingebettet. Das Epoxidharz dient als Matrix für die Pulverpartikel.

Der bekannte Leuchtstoff zeichnet sich durch eine relativ geringe thermodynamische Stabilität aus. Deshalb kann der Leuchtstoff nur unter exakter Einhaltung der Herstellungsbedingungen mit einer bestimmten Qualität hergestellt werden.

Aus der EP 0 550 937 A2 ist ein gelb emittierender Leuchtstoff für eine lumineszierende Beschichtung einer Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampe bekannt. Der Leuchtstoff ist ein mit Europium (Eu²⁺) dotiertes Strontium-Orthosilikat mit folgender formalen Zusammensetzung: Sr(₂–_x _–y)Eu_yM_xSiO₄. Dabei ist y aus dem Bereich von 0,0005 bis 0,05 ausgewählt. M ist Barium (Ba²⁺) und/oder Calcium (Ca²⁺), wobei x aus dem Bereich von 0,01 bis 0,1 ausgewählt ist. Der Leuchtstoff emittiert nach Anregung durch eine Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampe gelbes Licht. Das Emissionsmaximum des Leuchtstoffs hängt von der Höhe der Dotierung mit Europium und von den Anteilen der Erdalkalimetalle Barium und Calcium ab. Das Emissionsmaximum liegt beispielsweise bei etwa 570 nm.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen grün emittierenden Leuchtstoff zum Umwandeln einer Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung anzugeben. Der Leuchtstoff soll dabei im Vergleich zum bekannten Chlorosilikat-Leuchtstoff thermodynamisch stabiler sein, so dass die Herstellung des Leuchtstoffs einfacher und reproduzierbar gelingt.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Leuchtstoff zum Umwandeln einer Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung angegeben, dadurch gekennzeichnet, dass eine formale Zusammensetzung des Leuchtstoffs Ca_(2–x)Eu_xSiO₄ lautet, wobei x aus dem Bereich von 0,005 bis 0,5 ausgewählt ist. Der Leuchtstoff ist ein mit Europium dotiertes Calcium-Orthosilikat. Calcium ist zu einem geringen Anteil durch zweiwertiges Europium (Eu²⁺) ersetzt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Lichtquelle angegeben, aufweisend mindestens eine LED zum Aussen den einer Primärstrahlung und mindestens einen Leuchtstoff zum Umwandeln der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung. Der Leuchtstoff weist die formale Zusammensetzung Ca_(2–x)Eu_xSiO₄ auf, wobei x aus dem Bereich von 0,005 bis 0,5 ausgewählt ist.

Als Quelle für die Primärstrahlung kann eine Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampe dienen. Vorzugsweise fungiert aber eine LED als Quelle für die Primärstrahlung. Die LED emittiert kurzwellige Primärstrahlung. Diese kurzwellige Primärstrahlung ist blaues Licht und insbesondere UV-Licht. Der Wellenlängenbereich der kurzwelligen Primärstrahlung liegt zwischen 300 nm und 470 nm. In diesem Wellenlängenbereich verfügt der Leuchtstoff aufgrund relativ hoher Absorptionskoeffizienten über eine breite Absorptionsbande. Dies spiegelt sich in einer niedrigen Reflektivität eines aus Pulverpartikeln mit dem Leuchtstoff bestehenden Leuchtstoffpulvers wider. Die Primärstrahlung kann durch den Leuchtstoff effizient absorbiert werden. Der Leuchtstoff wandelt die absorbierte Primärstrahlung in eine längerwelligere, grüne Sekundärstrahlung (Lumineszenz) um. Das Emissionsmaximum liegt bei ungefähr 508 nm. Eine Halbwertsbreite (Full Width of Half Maximum, FWHM) der Emissionsbande beträgt etwa 85 nm.

In einer besonderen Ausgestaltung ist x aus dem Bereich von 0,01 bis 0,1 ausgewählt. Dies bedeutet, dass ein Anteil des Europiums bezogen auf die Kationen des Leuchtstoffs etwa 0,5% bis etwa 5% beträgt.

Weitere Anteile, insbesondere Anteile eines weiteren Erdalkalimetalls wie Strontium oder Barium können dagegen unerwünscht sein. Ein Austausch von Calcium durch diese Erdalkalimetalle kann zu einer unerwünschten Verschiebung der Absorptions- und/oder Emissionsbande des Leuchtstoffs führen. Daher ist in einer besonderen Ausgestaltung Barium und/oder Strontium mit einem Anteil von unter 0,001 mol pro Formelein heit vorhanden. Insbesondere ist dieser Anteil unter 0,0001 mol pro Formeleinheit.

Vorzugsweise wird der Leuchtstoff als Leuchtstoffpulver in einer Matrix aus Epoxidharz eingegossen. Es entsteht dabei ein Verbund aus dem Epoxidharz und den Pulverpartikeln aus dem Leuchtstoff. Dieser Verbund fungiert als Leuchtstoffkonversionskörper, der mit der Primärstrahlung der LED bestrahlt wird.

Neben dem grünen emittierenden Calcium-Orthosilikat können in dem Leuchtstoffkonversionskörper weitere Leuchtstoffe enthalten sein, die nach Anregung mit der Primärstrahlung der LED Licht einer anderen Wellenlänge emittieren. Beispielsweise sind zusätzlich ein gelb und ein rot emittierender Leuchtstoff enthalten. Durch die Anregung der Leuchtstoffe mit der Primärstrahlung resultiert eine entsprechende Mischfarbe. Durch geeignete Mischungsverhältnisse verschiedener Leuchtstoffe ist eine Lumineszenzkonversions-LED zugänglich, die weißes Licht ausstrahlt.

Zum Herstellen der Pulverpartikel werden beispielsweise pulverförmiges Calciumcarbonat (CaCO₃), Siliziumdioxid (SiO₂) und Dieuropiumtrioxid (Eu₂O₃) in stöchiometrischen Mengenverhältnissen vermischt. Das resultierende Gemenge wird bei 1000° C bis 1200°C in einer reduzierenden Atmosphäre (H₂/N₂) mehrere Stunden (4h bis 10h) erhitzt. Dabei entsteht das Leuchtstoffpulver. Die resultierenden Pulverpartikel des Leuchtstoffpulvers sind nahezu einphasig. Dies bedeutet, dass die Pulverpartikel mit einem Anteil von über 95% aus dem Leuchtstoff bestehen. Ein Anteil an Fremdphasen ist sehr gering. Dieser Fremdphasenanteil beträgt nahezu 0%.

Der resultierende Leuchtstoff zeichnet sich durch eine relativ hohe thermodynamische Stabilität aus. Der Leuchtstoff kann deshalb einfach und reproduzierbar hergestellt werden. Im Gegensatz zum bekannten, grün emittierenden Chlorosilikat- Leuchtstoff entstehen bei der Herstellung des Calciumorthosilicat-Leuchtstoffs der vorliegenden Erfindung auch bei leicht variierenden Prozessbedingungen nahezu keine unerwünschten, eine Luminzeszenzeffizienz des Leuchtstoffs vermindernden Nebenprodukte.

Im Gegensatz zum bekannten Chlorosilikat-Leuchtstoff ist zudem im Leuchtstoff der vorliegenden Erfindung kein Chlor enthalten. Dadurch kann eine korrosive Reaktionen des Chlors mit einem metallischen Bestandteil einer Lumineszenzkonversions-LED nicht auftreten.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert.

1 zeigt eine Lichtquelle in Form einer Lumineszenzkonversions-LED im Querschnitt.

2 zeigt ein Emissionsspektrum des Leuchtstoffs.

3 zeigt ein Reflexionsspektrum des Leuchtstoffs aus 2.

Die Lichtquelle 1 besteht aus einer LED 2 und einem Lumineszenzkonversionskörper 3 (1). Der Lumineszenzkonversionskörper 3 besteht aus einem Epoxidharz, in dem ein Leuchtstoffpulver mit Pulverpartikeln aus dem Leuchtstoff 6 enthalten ist. Die Pulverpartikel bestehen zu über 95% aus dem Leuchtstoff. Das Epoxidharz bildet eine Matrix für die Pulverpartikel. Eine durchschnittliche Korngröße der Pulverpartikel beträgt 10 μm bis 20 μm. Der Leuchtstoff weist folgende formale Zusammensetzung auf: Ca₁, ₉Eu₀, ₁SiO₄.

Durch elektrische Ansteuerung emittiert die LED 2 UV-Licht (Primärstrahlung 4) mit einem Intensitätsmaximum bei etwa 400 nm.

Der Leuchtstoff 6 ist ein Calcium-Orthosilikat, das mit zweiwertigem Europium dotiert ist. Dieser Leuchtstoff 6 zeigt eine breite Absorptionsbande, was sich im Reflexionsspektrum des Leuchtstoffpulvers widerspiegelt (3). Die Primärstrahlung 4 der LED wird durch den Leuchtstoff 6 absorbiert und in eine Sekundärstrahlung 5 umgewandelt. Die Emission der Sekundärstrahlung 5 ist grün. Das Emissionsmaximum liegt bei etwa 508 nm (2). Die Halbwertsbreite der Emissionsbande beträgt etwa 85 nm.

Claims

Leuchtstoff (6) zum Umwandeln einer Primärstrahlung (4) in eine Sekundärstrahlung (5), dadurch gekennzeichnet, dass eine formale Zusammensetzung des Leuchtstoffs Ca(₂–_x)Eu_xSiO₄ lautet, wobei x aus dem Bereich von 0,005 bis 0,5 ausgewählt ist.
Leuchtstoff nach Anspruch 1, wobei x aus dem Bereich von 0,01 bis 0,1 ausgewählt ist.
Leuchtstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei Barium und/oder Strontium mit einem Anteil von unter 0,001 mol pro Formeleinheit vorhanden sind.
Lichtquelle (1), aufweisend – mindestens eine LED (2) zum Aussenden einer Primärstrahlung (4) und – mindestens einen Leuchtstoff (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Umwandeln der Primärstrahlung (4) in eine Sekundärstrahlung (5).