DE10351081A1 - Weißlicht-emittierende Vorrichtung - Google Patents
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Abstract
Eine Weißlicht-emittierende Vorrichtung, aufweisend eine blaue oder blau-grüne Licht-emittierende Diode, die Licht von 450-500 nm Wellenlänge emittiert, und zwei Leuchtstoff-Materialien, die fähig sind, jeweils ein gelbes Licht mit 520 bis 580 nm Wellenlänge bzw. ein rotes Licht mit 580 bis 640 nm Wellenlänge zu emittieren. Die Licht-emittierende Diode und die zwei Leuchtstoffe sind zusammen verpackt zum Bilden der Weißlicht-emittierenden Vorrichtung.
Description
- Diese Erfindung betrifft eine Weißlicht-emittierende Vorrichtung mit großer Helligkeit, insbesondere eine Weißlicht-emittierende Vorrichtung mit großer Helligkeit mit einer blauen oder blau-grünen LED und zwei Leuchtstoffen, die einen gelben Leuchtstoff und einen roten Leutstoff enthalten, zum Emittieren gelber Strahlung und roter Strahlung bei Anregung.
- Eine Weißlichtquelle wird im Allgemeinen bereitgestellt, indem Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen gemischt werden. Zum Beispiel 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 Stand der Technik einer Weißlichtquelle werden drei LED-Plättchen ("LED-dye"), die auf AlInGaP, InGaN und GaP basieren, in eine Lampe gepackt und emittieren jeweils rotes Licht, blaues Licht bzw. grünes Licht. Das von der Lampe emittierte Licht kann mittels einer Linse gemischt werden, um weißes Licht bereitzustellen. - In einem zweiten Stand der Technik einer Weißlichtquelle werden zwei LED-Plättchen, die auf InGaN und AlInGaP oder GaP basieren, ausgebildet, um blaues Licht und gelblich-grünes Licht zu emittieren. Das blaue Licht und gelblich-grüne Licht werden gemischt, um weißes Licht bereitzustellen. Die Weißlichtquellen gemäß der obengenannten zwei Ansätze haben eine Effizienz von 20 lm/W.
- Ein dritter Stand der Technik einer Weißlichtquelle ist von Nichia Chemical Co. vorgeschlagen, in dem eine InGaN-basierte blaue LED und ein gelber YAG-Leuchtstoff verwendet werden, um die Weißlichtquelle bereitzustellen. Diese Weißlichtquelle benötigt zum Bereitstellen weißen Lichts mit einer Effizienz von 20 lm/W eine einfarbige LED. Außerdem ist der Leuchtstoff eine ausgereifte Technik und kommerziell verfügbar.
- Ein vierter Stand der Technik einer Weißlichtquelle ist von Sumitomo Electric Indurstries Ltd. vorgeschlagen und verwendet eine auf ZnSe basierende Weißlicht-LED. Ein CdZnSe-Dünnfilm wird auf der Oberfläche eines ZnSe-Kristallsubstrats gebildet. Der CdZnSe-Dünnfilm ist ausgebildet, um blaues Licht zu emittieren und das ZnSe-Kristallsubstrat emittiert nach dem Empfang des blauen Lichts des CdZnSe-Dünnfilms gelbes Licht. Das blaue Licht und das gelbe Licht werden gemischt, um weißes Licht bereitzustellen. In diesem Ansatz wird nur ein LED-Chip benötigt und die Betriebsspannung davon ist 2,7 V, kleiner als die 3,5 V-Betriebsspannung der GaN-basierten LED. Außerdem wird kein Leuchtstoff benötigt.
- In einem fünften Stand der Technik zum Bereitstellen einer Weißlichtquelle wird eine Ultraviolett-LED zum Anregen zweier oder mehrerer Leuchtstoffe verwendet, so dass die Leuchtstoffe Licht unterschiedlicher Farben zum Mischen in ein weißes Licht lumineszieren.
- In ersten und zweiten Stand-der-Technik-Weißlichtquellen werden LEDs für mehrere Farben benötigt. Die Farbe der Weißlichtquelle ist verschoben, falls eine der LEDs nicht richtig funktioniert. Außerdem sind auch die Steuerspannungen für LEDs mit unterschiedlichen Farben unterschiedlich; das kompliziert den Entwurf eines Steuerschaltkreises.
- Die dritte Stand-der-Technik-Weißlichtquelle setzt zum Erzeugen weißen Lichts komplementäre Farben ein. Jedoch hat das weiße Licht, das auf diesem Weg hergestellt wird, keine gleichförmige Spektralverteilung (vor allem im Bereich 400 nm-700 nm) wie das natürliche weiße Licht wie zum Beispiel Sonnenlicht. Das so hergestellte weiße Licht hat eine relative Chroma, die, auch wenn ununterscheidbar für menschliche Augen, für Instrumente wie zum Beispiel Kameras unterscheidbar ist. Daher sind die Farbdarstellungseigenschaft und Wiedergabefähigkeit nicht zufriedenstellend und diese Weißlichtquelle wird hauptsächlich für Beleuchtung verwendet.
- Die vierte Stand-der-Technik-Weißlichtquelle hat die Nachteile niedrige Lumineszenz-Effizienz (nur 8 lm/W) und kurze Lebenszeit von ungefähr 8000 Stunden.
- In der fünften Stand-der-Technik-Weißlichtquelle ist es vorzuziehen, drei Leuchtstoffe zu verwenden, um drei unterschiedliche Farben zu emittieren zum Verbessern der Farbdarstellungseigenschaft. Jedoch sollten die Leuchtstoffe überlegt gewählt werden, um ein mit der Wellenlänge der Anregungsstrahlung übereinstimmendes Absorptionsband zu haben. Außerdem sollten die Leuchtstoffe zueinander passende Absorptionskoeffizienten und Quanteneffizienz haben, um weißes Licht mit hoher Qualität bereitzustellen.
- Es ist das Ziel dieser Erfindung, eine Weißlichtemittierende Vorrichtung mit einer LED und zwei von der LED angeregten Leuchtstoffen bereitzustellen. Die Weißlicht emittierende Vorrichtung ist im Vergleich mit dem Stand der Technik einfacher herzustellung und zu betreiben ("process").
- Die Weißlicht-emittierende Vorrichtung gemäß dieser Erfindung weist eine blaue oder blau-grüne Licht-emittierende Diode, einen ersten Leuchtstoff, der fähig ist ein gelbes Licht mit 520 bis 580 nm Wellenlänge bei Anregung durch die blaue oder blau-grüne Licht-emittierende Diode zu emittieren, und einen zweiten Leuchtstoff, der fähig ist ein rotes Licht mit 580 bis 640 nm Wellenlänge bei Anregung durch die blaue oder blau-grüne Licht-emittierende Diode zu emittieren auf, womit diese Lichter zu einem weißen Licht gemischt werden.
- Die Formel des ersten Leuchtstoffs ist vorzugsweise (YxMyCez)Al5O12, wobei x+y=3, und x,y≠0, 0,5>z>0, M ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Tb, Lu und Yb besteht, wobei (YxMyCez)Al5O12 die Grundmatrix ist und Ce das Lumineszenz-Zentrum ist.
- Die Formel des zweiten Leuchtstoffs ist vorzugsweise (M'aEub)S, wobei a+b=1~1,2, und a,b≠0, M' ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Ca, Sr und Ba besteht, wobei M' die Grundmatrix ist und Eu das Lumineszenz-Zentrum ist.
- In der Weißlicht-emittierenden Vorrichtung gemäß dieser Erfindung verbraucht nur die blaue oder blau-grüne Lichtemittierende Diode elektrische Leistung, dadurch kann die Weißlicht-emittierende Vorrichtung mit einem schwachen Strom betrieben werden.
- In dieser Erfindung wird das Kristallfeld der Grundmatrix des verwendeten Leuchtstoffs zum Anpassen der Lumineszenz-Wellenlänge davon angepasst. Der Leuchtstoff kann außerdem mittels eines Festkörper-Reaktionsverfahrens ("solid state reaction method") in Massenproduktion hergestellt werden.
- Die Weißlicht-emittierende Vorrichtung gemäß dieser Erfindung hat folgende besonderen Vorteile:
- 1. Die klaue LED mit kurzer Wellenlänge (unterhalb 470 nm) hat den Nachteil bei der Herstellung. Die Weißlichtemittierende Vorrichtung gemäß dieser Erfindung verwendet eine blaue oder blau-grüne LED mit langer Wellenlänge, die einen einfacheren Prozess bei der Herstellung hat. Außerdem hat die blaue oder blau-grüne LED mit langer Wellenlänge eine bessere Effizienz in der Leuchtstoffanregung.
- 2. In dieser Erfindung wird die Lumineszenz-Wellenlänge von Leuchtstoff mittels Modulierens des Kristallfeldes der Grundmatrix des verwendeten Leuchtstoffs angepasst, anstatt die Menge fremder Ionen zu ändern. Der Prozess ist einfacher und stabiler.
- Die unterschiedlichen Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie zusammen mit der angehängten Zeichnung gelesen wird, in der:
-
1 das Emissionsspektrum der Weißlicht-emittierenden Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist; und -
2 die CIE-Koordinate der Weißlicht-emittierenden Vorrichtung aus1 zeigt. - Diese Erfindung stellt eine Weißlicht-emittierende Vorrichtung mit einer LED und zwei durch die LED angeregte Leuchtstoffe bereit. Die drei Farben, die durch die LED und die zwei Leuchtstoffe erzeugt werden, werden gemischt, um ein weißes Licht bereitzustellen. Die LED ist eine blaue oder eine blau-grüne LED mit einer Emissions-Wellenlänge von 450 bis 500 nm, vorzugsweise von 470 bis 500 nm. Die zwei Leuchtstoffe enthalten einen gelben Leuchtstoff und einen roten Leuchtstoff zum Emittieren gelber Strahlung von 520–580 nm und roter Strahlung von 580–640 nm. Der gelbe Farbstoff und der rote Farbstoff kann mit einem Verpackungsmaterial ("package material") mit unterschiedlichem Verhältnis gemischt werden, um eine Weißlicht-emittierende Vorrichtung mit unterschiedlicher Farbtemperatur und Farbdarstellungseigenschaft zu bilden.
- Die Formel des gelben Leuchtstoffs ist (YxMyCez)Al5O12, wobei x+y=3, und x,y≠0, 0,5>z>0, M ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Tb, Lu und Yb besteht, wobei (YxMyCez)Al5O12 die Grundmatrix ist und Ce das Lumineszenz-Zentrum ist. Die Formel des roten Leuchtstoffs ist (M'aEub)S, wobei a+b=1~1,2, und a,b≠0, M' ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Ca, Sr und Ba besteht, wobei M' die Grundmatrix ist und Eu das Lumineszenz-Zentrum ist. In oben genannten zwei Leuchtstoffen sind Fremdionen in die Grundmatrix hinzugefügt und arbeiten als Lumineszenz-Zentrum bei Empfang äußerer Anregung. Das Kristallfeld wird zum Ändern der Energieverteilung der Lumineszenz-Zentren moduliert. Die Wellenlänge des emittierten Lichts wird auch aufgrund der Änderung in angeregten Energiezuständen geändert.
- Ein Verfahren zum Herstellen der Weißlicht-emittierenden Vorrichtung gemäß dieser Erfindung hat folgende Schritte:
- 1. Synthetisieren eines gelben Leuchtstoffs mit der Formel (YxMyCez)Al5O12, wobei x+y=3, und x,y≠0, 0,5>z>0, M wird aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Tb, Lu und Yb besteht. Das Synthetisierungsverfahren kann eines von chemischer Synthetisierung, Festkörper-Reaktion ("solid state reaction") und thermisches Organometal-Zersetzungsverfahren ("organo metal thermal decomposition method") sein, und die Formel in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist (Y0,8Tb2,2Ce0,05)Al5O12
- 2. Synthetisieren eines roten Leuchtstoffs mit der Formel (M'aEub)S, wobei a+b=1~1,2, und a,b≠0, M' wird aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Ca, Sr und Ba besteht. Das Synthetisierungsverfahren kann eines von chemischer Synthetisierung, Festkörper-Reaktion und Organometal-Thermo-Ablagerungsverfahren sein, und die Formel in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist (Sr0,9Eu0,1)S.
- 3. Mischen der oben genannten zwei vorbereiteten Leuchtstoffe mit Epoxyharz und Verpacken mit einer blaugrünen LED mit der Emissionswellenlänge 480 nm und dadurch Bilden einer Weißlicht-emittierenden Vorrichtung.
-
1 zeigt das Emissionsspektrum des oben genannten Ausführungsbeispiels, wobei Kurve A das Emissionsspektrum der Weißlicht-emittierenden Vorrichtung ist und mit einem Computer simuliert werden kann, indem die Beiträge von LED und Leuchtstoffen addiert werden. Außerdem ist Kurve B in1 das Emissionsspektrum der LED, Kurve C ist Emissionsspektrum des gelben Farbstoffs nach Anregung und Kurve D ist Emissionsspektrum des roten Farbstoffs nach Anregung. - Wie in
2 gezeigt, emittiert die Weißlichtemittierende Vorrichtung, die gemäß dieser Erfindung hergestellt wird, ein Licht mit einer CIE-Koordinate, die in dem weißen Bereich lokalisiert ist. - Obwohl diese Erfindung mit Bezug zu dem bevorzugten Ausführungsbeispiel davon beschrieben wurde, wird es so verstanden, dass die Erfindung nicht auf die Details davon beschränkt ist. Unterschiedliche Ersetzungen und Veränderungen wurden in der vorangegangenen Beschreibung vorgeschlagen, und andere werden für jene mit gewöhnlichen Fähigkeiten in der Technik auftauchen. Daher ist beabsichtigt, alle solchen Ersetzungen und Veränderungen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie in den angefügten Patentansprüchen definiert, zu umfassen.
- Übersetzung der Beschriftung der
2 -
green Grün CIE chart CIE-Diagramm blueish green bläuliches Grün blue green Blau-Grün blue Blau lilac blue Violett-Blau blueish purple bläuliches Purpur purple Purpur reddisch purple rötliches Purpur lilac pink Violett-Rosa red purple Rot-Purpur pink Rosa lilac red Violett-Rot red Rot orange pink Orange-Rosa reddish orange rötliches Orange orange Orange yellow orange Gelb-Orange yellow Gelb green yellow Grün-Gelb yellow green Gelb-Grün yellowish green gelbliches Grün
Claims (5)
- Weißlicht-emittierende Vorrichtung aufweisend: eine Licht-emittierende Diode, die eine blaue oder blaugrüne Farbe emittiert; einen ersten Leuchtstoff, der fähig ist ein gelbes Licht mit 520 bis 580 nm Wellenlänge bei Anregung durch die Lichtemittierende Diode zu emittieren; einen zweiten Leuchtstoff, der fähig ist ein rotes Licht mit 580 bis 640 nm Wellenlänge bei Anregung durch die Lichtemittierende Diode zu emittieren; das Licht der Licht-emittierenden Diode und der zwei Leuchtstoffe wird gemischt, um ein weißes Licht zu erzeugen.
- Weißlicht-emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Licht-emittierende Diode ein Licht von 450–500 nm Wellenlänge, vorzugsweise 470–500 nm Wellenlänge, emittiert.
- Weißlicht-emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Formel des ersten Leuchtstoffs vorzugsweise (YxMyCez)Al5O12 ist, wobei x+y=3, und x,y≠0, 0,5>z>0, M ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Tb, Lu und Yb besteht, wobei (YxMyCez)Al5O12 die Grundmatrix ist und Ce das Lumineszenz-Zentrum ist.
- Weißlicht-emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Formel des zweiten Leuchtstoffs vorzugsweise (M'aEub)S ist, wobei a+b=1~1,2, und a,b≠0, M' ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Ca, Sr und Ba besteht, wobei M' die Grundmatrix ist und Eu das Lumineszenz-Zentrum ist.
- Weißlicht-emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zwei Leuchtstoffe ferner mit einem Verpackungsmaterial gemischt sind und jeder der Leuchtstoffe ein Mischungsverhältnis zum Ändern der Farbtemperatur und Farbdarstellungseigenschaft der Weißlicht-emittierenden Vorrichtung hat.
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