DE10344568A1

DE10344568A1 - Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle

Info

Publication number: DE10344568A1
Application number: DE10344568A
Authority: DE
Inventors: Ru-Shi Liu; Hung-Yuan Su; Chien-Yuan Wang; Liang-Sheng Chi
Original assignee: Lite On Technology Corp
Current assignee: Lite On Technology Corp
Priority date: 2002-09-29
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2004-04-15
Also published as: US20040063372A1; CN1485931A; US7229332B2; CN1233046C

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle werden eine LED-Lichtquelle und ein halbleitartiger Phosphor (Zn, Cd) S als Grundmatrix, der Fremdionen als Lumineszenzzentren hinzugefügt werden, bereitgestellt. Die LED-Lichtquelle emittiert Licht im Bereich von 495 nm (blau-grünes Licht) bis etwa 340 nm (ultra-violettes Licht).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, welche einen Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften aufweist, wobei (Zn, Cd)S die Grundmatrix ist, und wobei Fremdionen als Lumineszenzzentren hinzugefügt sind.
Eine Weißlichtquelle wird im allgemeinen dadurch bereitgestellt, dass Licht von Lichtquellen, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen, gemischt wird. Beispielsweise kann eine herkömmliche Weißlichtquelle realisiert werden, indem rotes Licht, grünes Licht und blaues Licht mit einem geeigneten Intensitätsverhältnis gemischt werden. Alternativ kann die Weißlichtquelle realisiert werden, indem gelbes Licht und blaues Licht mit einem geeigneten Intensitätsverhältnis gemischt werden. Das herkömmliche Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle kann wie folgt zusammengefasst werden:
In einem ersten Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik werden drei LED-Chips, die auf InGaAlP, InGaN und GaP basieren, in eine Lampe gekapselt, so dass sie rotes Licht, blaues Licht bzw. grünes Licht emittieren. Das von der Lampe emittierte Licht kann mittels einer Linse vermischt werden, um weißes Licht bereitzustellen.
In einem zweiten Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik emittieren zwei LED-Chips, die auf InGaN und AlInGaP oder GaP basieren, blaues Licht und gelblich-grünes Licht. Das blaue Licht und das gelblich-grüne Licht werden gemischt, um weißes Licht bereitzustellen. Die Weißlichtquellen gemäß den beiden oben genannten Ansätzen weisen eine Lichtausbeute von 20 lm/W auf.
Ein drittes Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik wird von Nichia Chemical Co., vorgeschlagen, wobei in dieser Weißlichtquelle eine InGaN-basierte Blau-LED und ein gelber YAG-Phosphor verwendet werden, um die Weißlichtquelle bereitzustellen. Diese Weißlichtquelle erfordert eine Einfarben-LED, um Weißlicht mit einer Lichtausbeute von 20 lm/W bereitzustellen. Darüber hinaus ist der Phosphor ausgereifter Stand der Technik und kommerziell erhältlich.
Ein viertes Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik wird von Sumitomo Electric Industries Ltd. vorgeschlagen und verwendet eine Weißlicht-LED, die auf ZnSe basiert. Eine dünne CdZnSe-Schicht wird auf der Oberfläche eines kristallinen ZnSe-Substrats ausgebildet. Die dünne CdZnSe-Schicht emittiert blaues Licht, und das kristalline ZnSe-Substrat emittiert gelbes Licht, nachdem es das blaue Licht von der dünnen CdZnSe-Schicht empfangen hat. Das blaue Licht und das gelbe Licht werden gemischt, so dass weißes Licht bereitgestellt wird. In diesem Ansatz ist nur ein LED-Chip erforderlich, und die Betriebsspannung von diesem LED-Chip beträgt 2,7 V, was weniger ist als die 3,5 V Betriebsspannung der GaN-basierten LED. Darüber hinaus ist kein Phosphor erforderlich.
In einem fünften Ansatz zum Bereitstellen einer Weißlichtquelle wird eine Ultraviolett-LED verwendet, um eine Mehrzahl von Phosphoren anzuregen, so dass die Phosphoren Licht unterschiedlicher Farben zur Vermischung in ein Weißlicht lumineszieren.
In dem ersten Beispiel und dem zweiten Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik sind LEDs für mehrere Farben erforderlich. Die Farbe der Weißlichtquelle wird verzerrt, wenn eine der LEDs eine Fehlfunktion aufweist. Darüber hinaus unterscheiden sich auch die Steuerspannungen für LEDs unterschiedlicher Farben voneinander; dies verkompliziert das Design der Steuerschaltung.
Das dritte Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik verwendet eine komplementäre Farbe, um ein Weißlicht zu erhalten. Allerdings fehlt es dem auf diese Weise erzeugten Weißlicht an einer gleichförmigen spektralen Verteilung (insbesondere im Bereich 40 nm – 700 nm), wie sie in natürlichem Weißlicht, wie z. B. Sonnenlicht, vorhanden ist. Das weiße Licht, welches so hergestellt wurde, weist eine relative Chroma auf, welche, selbst wenn sie für menschliche Augen nicht unterscheidbar ist, für ein Instrument wie z. B. für eine Kamera unterscheidbar ist. Daher sind die Farbwiedergabeeigenschaften und die Reproduzierbarkeit nicht zufriedenstellend, und diese Weißlichtquelle wird hauptsächlich zur Beleuchtung verwendet.
Das vierte Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik weist die Nachteile einer geringen Lumineszenzausbeute (nur 8 lm/W) und einer kurzen Lebensdauer von etwa 8000 Stunden auf.
In dem fünften Beispiel einer Weißlichtquelle gemäß dem Stand der Technik werden vorzugsweise drei Phosphoren zur Emission dreier unterschiedlicher Farben verwendet, um die Farbwiedergabeeigenschaften der Weißlichtquelle zu verbessern. Allerdings sollten die Phosphoren sorgfältig ausgewählt werden, um ein Absorptionsband zu erhalten, welches mit der Wellenlänge der Anregungsstrahlung übereinstimmt. Darüber hinaus sollten die Phosphoren kompatible Absorptionskoeffizienten und eine kompatible Quantenausbeute aufweisen, damit Weißlicht hoher Qualität bereitgestellt wird. Diese Anforderungen stellen strenge Anforderungen an die Materialien der Phosphoren. Noch schwerwiegender ist, dass die Gleichung, durch welche die Mischfarbe bestimmt ist, nichtlinear ist, und die Farbentwicklungskontur 2D anstelle von 1D ist. Es ist folglich schwierig, das Mischungsverhältnis zu optimieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle bereitgestellt, welche einen Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften mit (Zn, Cd)S als Grundmatrix mit hinzugefügten Fremdionen als Lumineszenzzentren aufweist. Der (Zn, Cd)S-Phosphor emittiert ein Licht, welches zu dem einer LED komplementär ist, so dass eine Vermischung zu weißem Licht erfolgt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Gewichtsverhältnis des Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften in Bezug auf ein Verkapselungsmaterial eingestellt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in der Weißlichtquelle einzelner Phosphor verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle angegeben, bei dem eine Strahlungsquelle bereitgestellt wird und ein Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften mit (Zn, Cd)S als Grundmatrix mit hinzugefügten Fremdionen als Lumineszenzzentren bereitgestellt wird. Die Strahlungsquelle emittiert Licht im Bereich von etwa 495 nm (blau-grünes Licht) bis 340 nm (ultra-violett).
Die diversen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen. Es zeigen:
1A das Röntgenbeugungsdiagramm von (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphor gemäß der vorliegenden Erfindung;
1B das Röntgenbeugungsdiagramm von ZnS: Ag⁺, Cl^–-Phosphor gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A das Emissionsspektrum von (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphor gemäß der vorliegenden Erfindung;
2B das Emissionsspektrum von ZnS: Ag⁺, Cl^–-Phosphor gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 das Spektrum des mit Epoxid in unterschiedlichen Anteilen vermischten und mittels einer 405 nm Blau-Purpur-LED angeregten (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphors gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 eine CIE-Farbtafel für die Daten in 3.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Weißlichtquelle mit einem Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften bereitgestellt. Dieser Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften weist (Zn, Cd)S als Grundmatrix auf, sowie wenigstens einen Typ von Fremdionen, wie z. B. Ag-Ionen, Cu- Ionen oder Cl-Ionen, die dieser hinzugefügt sind. Die der Grundmatrix hinzugefügten Fremdionen emittieren Fluoreszenzlicht, nachdem sie Licht von einer externen Lichtquelle empfangen haben. Die externe Lichtquelle kann beispielsweise eine LED mit einer Wellenlänge von etwa 495 nm (grün-blau) bis 345 nm (ultra-violett) sein. Die LED ist mit dem Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften verkapselt, so dass eine Weißlichtquelle mit einem niedrigen Steuerstrom ausgebildet wird.
Die Grundmatrix des Phosphor mit halbleitenden Eigenschaftens ist (Zn, Cd)S und besitzt zwei Haupt-Kristallstrukturen. Die erste Haupt-Kristallstruktur ist eine kubische Zinkblende-Struktur, die bei einer niedrigen Temperatur gebildet wird, und die zweite Haupt-Kristallstruktur ist eine hexagonale Wurtzit-Struktur, die bei einer hohen Temperatur gebildet wird. Die (Zn, Cd)S-Grundmatrix mit der hexagonalen Wurtzit-Struktur besitzt eine hohe Lichtemissions-Ausbeute und wird daher im allgemeinen mittels Hochtemperaturkalzinierungen gebildet. Die (Zn, Cd)S-Grundmatrix besitzt eine Kristallstruktur, und ihre Emissionsstrahlungswellenlänge hängt von deren Bandlücke ab. Die (Zn, Cd)S-Grundmatrix selbst emittiert keine Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 350 nm bis zum Bereich sichtbaren Lichts. Fremdionen, wie z. B. Ag-Ionen, werden der (Zn, Cd)S-Grundmatrix hinzugefügt und emittieren Strahlung, nachdem sie externe Strahlung empfangen haben. Um die Ladungsmenge für die Ag-Ionen mit den Zn-Ionen und den Cd-Ionen auszugleichen, werden Anionen wie z. B. Cl^– hinzugefügt. In diesem Falle wird das Kation als Aktivator bezeichnet, und das hinzugefügte Anion zum Ausgleich der Ladungsmenge wird als Co-Aktivator bezeichnet. Der Aktivator und der Co-Aktivator bilden gemeinsam ein Lumineszenzzentrum.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Weißlichtquelle eine LED-Lampe und einen Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften mit hinzugefügten Fremdionen auf. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung des Phosphor mit halbleitenden Eigenschaftens kann variiert werden, indem unterschiedliche Ionen der Grundmatrix hinzugefügt werden. Daher kann das Emissionsspektrum mittels Hinzufügung unterschiedlicher Ionen zur Grundmatrix verbreitert werden. Das Farbwiedergabeverhalten der Weißlichtquelle, welche die LED-Lampe und den Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften aufweist, kann wesentlich verbessert werden. Insbesondere weist die Weißlichtquelle ein besseres Farbwiedergabeverhalten als das herkömmliche Drei-Wellenlängen-Weißlicht auf, welches ein schmales Spektrum besitzt.
Nachfolgend wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben:
Schritt 1: Synthetisieren eines (Zn, Cd)S-Phosphors mit halbleitenden Eigenschaften, wie z. B. (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–. Der Synthetisierungsprozess kann einer der Prozesse Chemosynthese, Fest-Gas-Sintern, Direktreaktion oder thermische Zersetzung organischer Metalle sein.
Schritt 2: Analysieren der Kristallinität des synthetisierten Phosphors mittels Röntgenbeugung. Die Resultate sind in 1A gezeigt. Die Vergleichsprobe von (JCPDS, Nr. 79-2204) ist in 1B gezeigt. Wie aus diesen Abbildungen ersichtlich ist, weist der (Zn, Cd)S-Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung eine einphasige hexagonale Wurtzit-Struktur auf.
Schritt 3: Messen des Spektrums des (Zn, Cd)S-Phosphors mit halbleitenden Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich einer Wellenlänge von 554 nm. Wie in 2A gezeigt ist, kann der (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphor mittels einer Strahlung der Wellenlänge von 495 nm bis 340 nm angeregt werden.
Schritt 4: Messen des Emissionsspektrums des mittels eines ultravioletten Lichts angeregten (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphors. Wie in 2B gezeigt ist, emittiert der (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphor ein gelb-grünes Licht, nachdem er mittels des ultra-violetten Lichts angeregt wurde. Die Farbkoordinate des roten Lichtes wird in Bezug auf die 1931 CIE- ("Commission Internationale de l'Eclairage") Farbtafel bestimmt und ist in 4 mit dem Buchstaben „A" markiert.
Schritt 5: Mischen des (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphors mit Epoxid in unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen. Beispielsweise kann das Gewichtsverhältnis von (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphor/Epoxid 0, 0.1, 0.14, 0.18 und 0.22 betragen. Die resultierende Mischung wird mittels einer 405nm-Blau-Purpur-LED bestrahlt. Wie in 3 gezeigt ist, wird die gelbe Komponente reduziert, wenn das Gewichtsverhältnis des Phosphors von den Daten 1 zu den Daten 5 reduziert wird.
Schritt 6: Zeichnen einer gestrichelten geraden Linie, welche die Punkte A und B in 4 verbindet, wobei im Punkt B der Anteil des (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphors Null beträgt. Wie aus 4 ersichtlich ist, verläuft die gestrichelte gerade Linie durch einen Weißlicht-Bereich in der CIE-Farbtafel. Darüber hinaus verläuft die mittels der Punkte A und B bestimmte Linie auch durch die fünf Datenpunkte in Schritt 5. Die Mischung aus dem (Zn, Cd)S: Ag⁺, Cl^–-Phosphor und dem Epoxid ergibt eine lineare Beziehung für die Emissionswellenlänge.
Zusammenfassend weist die gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Weißlichtquelle besondere Vorteile gegenüber Weißlichtquellen gemäß dem Stand der Technik auf, wie nachfolgend aufgeführt wird:

1. Die Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet nur eine LED mit einem Phosphor. Der Aufbau ist einfacher als bei den herkömmlichen Drei-Wellenlängen-Weißlichtquellen.
2. Die Emissionswellenlänge des Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung kann geändert werden, indem unterschiedliche Ionen als Lumineszenzzentren hinzugefügt werden. Der Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung kann Licht mehrerer Wellenlängen emittieren, wohingegen ein herkömmlicher Phosphor nur Licht einer einzigen Wellenlänge emittieren kann.
3. Die Emissionswellenlänge des Phosphor mit halbleitenden Eigenschaftens gemäß der vorliegenden Erfindung kann mittels Hinzufügung unterschiedlicher Ionen geändert werden. Die Weißlichtquelle, welche den Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften verwendet, weist spektrale Eigenschaften auf, die denen der herkömmlichen Drei-Wellenlängen-Weißlichtquelle ähnlich sind.
4. Der (Zn, Cd)S-Phosphor kann mittels einer Strahlung angeregt werden, die von 495 nm (blau-grünes Licht) bis 340 nm (ultra-violett) reicht. Daher besitzt er eine breite Verwendbarkeit.

Nachfolgend wird eine Liste experimenteller Daten für eine Weißlicht-LED mit ZnS-Cd-Phosphor angegeben.
A. Beschreibung des Experiments

1. Die Probe wird mittels 5nm-Standardlampentechnologie verkapselt, wobei ZnS-Cd/BAM/YAG-Phosphoren mit einer 405nm/450nm-Blau-LED zusammengebaut werden.
2. Es gibt fünf Sätze experimenteller Daten, wobei die Sätze 1 bis 3 die Experimentsätze und die Sätze 4 und 5 die Vergleichssätze sind. Die Zielkoordinate ist (0.30, 0.31).

B. Testen der Daten
1. Experimentelle CIE-Farbtafel
C.I.E.-Farbtafel
2. Experimentelles Spektrum
2.1 405 nm Chip + ZnS-Cd
Das Spektrum der 405 nm Chip + ZnS - Probe
2.2 450 nm Chip + ZnS-Cd
Das Spektrum der 450 nm Chip + ZnS - Probe
2.3 905 nm Chip + ZnS-Cd+BAM
Das Spektrum der 405 nm Chip + ZnS + BAM - Probe
2.9 405 nm Chip + ZnS-Cd+YAG
Das Spektrum der 405 nm Chip + YAG + BAM - Probe
2.5 450 nm Chip + YAG
Das Spektrum der 450 nm Chip + YAG - Probe
C. Datenanalyse

1. Mittels sämtlicher Daten in den Experimentsätzen kann weißes Licht erzeugt werden, und die CIE-Koordinate des ZnS-Cd-Phosphors mit 405nm-Blau-LED liegt am nächsten bei der Zielkoordinate von (0.30, 0.31). Der ZnS-Cd-Phosphor mit 450nm-Blau-LED steht hinsichtlich des Effekts an zweiter Stelle, und der ZnS-Cd+BAM-Phosphor mit 450nm-Blau-LED steht hinsichtlich des Effekts an dritter Stelle.
2. Gemäß den obigen Ergebnissen kann der ZnS-Cd-Phosphor mit der 405-450nm-Blau-LED weißes Licht erzeugen.

Obwohl die obige Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die Details dieser Ausführungsformen beschränkt ist. Diverse Ersetzungen und Modifikationen wurden in der obigen Beschreibung vorgeschlagen, und andere bieten sich dem Durchschnittsfachmann an. Beispielsweise können andere Ionen in dem ZnS-Cd-Phosphor hinzugefügt werden. Die Anregungsstrahlung kann mittels eines Elektronenstrahls oder eines Plasmas bereitgestellt werden. Daher werden alle solche Ersetzungen und Modifikationen vom Umfang der Erfindung erfasst, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Strahlungsquelle; und Bereitstellen eines Phosphor mit halbleitenden Eigenschaftens mit (Zn, Cd)S als Grundmatrix, welcher Fremdionen als Lumineszenzzentren hinzugefügt sind; wobei die Strahlungsquelle Licht im Bereich von etwa 495 nm (blau-grünes Licht) bis 340 nm (ultra-violett) emittiert.
Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, gemäß Anspruch 1, wobei die Fremdionen Ag-Ionen, Cu-Ionen, Cl-Ionen oder eine Kombination hiervon, vorzugsweise Ag-Ionen mit Cl-Ionen, sind.
Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlungsquelle eine Leuchtdiode ist.
Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Strahlungsquelle einen Elektronenstrahl oder ein Plasma aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Phosphor mit halbleitenden Eigenschaften mittels Chemosynthese, Fest-Gas-Sintern, Direktreaktion oder thermischer Zersetzung organischer Metalle präpariert wird.
Verfahren zum Herstellen einer Weißlichtquelle, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gewichtsanteil des Phosphors mit halbleitenden Eigenschaften in Bezug auf ein Verkapselungsmaterial eingestellt wird.