DE10392603B4

DE10392603B4 - Leuchtstoffpulver, Verfahren zum Herstellen des Leuchtstoffpulvers und Verwendung eines Leuchtstoffpulvers

Info

Publication number: DE10392603B4
Application number: DE10392603.8T
Authority: DE
Inventors: Dr. Jermann Frank; Dr. Rossner Wolfgang; Markus Richter; Dr. Zachau Martin
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH; Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH; Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: US20060022580A1; DE10392603D2; US7481951B2; DE10223988A1; WO2003102113A1; JP2005527692A

Abstract

Leuchtstoffpulver (1), das Leuchtstoffpartikel (2) mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 5,0 μm ausgewählten mittleren Leuchtstoffpartikelgröße (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel (2) – eine sphärische oder im wesentlichen sphärische Gestalt aufweisen, – Primärpartikel (4) mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,0 μm ausgewählten mittleren Primärpartikelgröße (5) aufweisen, wobei die Primärpartikel (4) einen Granat aufweisen, – zu mindestens 80% aus den Primärpartikeln (4) bestehen und – Poren (6) mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,0 μm ausgewählten mittleren Porengröße (7) aufweisen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Leuchtstoffpulver, das Leuchtstoffpartikel mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 5,0 μm ausgewählten mittleren Leuchtstoffpartikelgröße aufweist. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen des Leuchtstoffpulvers und eine Verwendung des Leuchtstoffpulvers in einem Leuchtstoffkörper und einer Konversions-LED angegeben.
Stand der Technik
Ein derartiges Leuchtstoffpulver und ein Verfahren zu dessen Herstellung ist aus I. Matsubara et al., Materials Research Bulletin 35 (2000), S. 217–224 bekannt. Die Leuchtstoffpartikel weisen eine mittlere Leuchtstoffpartikelgröße von mindestens 1 μm auf. Die Leuchtstoffpartikel bestehen aus einem mit Chrom dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (Y₃Al₅O₁₂). Chrom ist beispielsweise zu 0,5 mol% enthalten. Chrom stellt dabei eine optisch aktive Komponente des Granats dar. Chrom absorbiert Anregungslicht und emittiert nach Anregung Emissionslicht (Lumineszenz). Das im Granat enthaltene Chrom kann auch mit Hilfe von Elektronen zur Lumineszenz angeregt werden. So wird das bekannte Leuchtstoffpulver beispielsweise in einem Leuchtschirm (Leuchtstoffkörper) einer Kathodenstrahlröhre eingesetzt.
Das Herstellen des bekannten Leuchtstoffs erfolgt mit Hilfe einer sogenannten heterogenen Fällung. Dazu werden Aluminiumsulfat (Al₂(SO₄)₃) und Harnstoff in destilliertem Wasser gelöst. Die Lösung wird bei einer Temperatur von 80–90°C für eine Dauer von zwei Stunden kontinuierlich gerührt. Dabei bildet sich ein Niederschlag von Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃). Der erhaltene Niederschlag wird mit destilliertem Wasser und Isopropanol gewaschen und bei einer Temperatur von 120°C einen Tag lang getrocknet. Das Aluminiumhydroxid wird in destilliertem Wasser suspendiert. Um eine Agglomeratbildung des Aluminiumhydroxidpulvers zu vermeiden, wird kräftig gerührt und Harnstoff zugegeben. Stöchiometrische Mengen von Yttriumsulfat (Y₂(SO₄)₃) und Chromsulfat (Cr₂(SO₄)₃) werden ebenfalls in destilliertem Wasser gelöst. Danach werden die Suspensionen und die Lösung miteinander vermischt und für eine Stunde auf 80–90°C erhitzt. Der dabei erhaltene Niederschlag wird mit destilliertem Wasser und Isopropanol gewaschen, zentrifugiert und bei 120°C über Nacht getrocknet. Abschließend wird das erhaltene Pulver bei 900°C–1700°C in Gegenwart von Luft zwei Stunden lang kalziniert. Es wird ein mit Chrom dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat erhalten, das eine relativ hohe Lumineszenzeffizienz aufweist.
Da das mit diesem Verfahren hergestellte Leuchtstoffpulver aus Leuchtstoffpartikeln besteht, die jeweils eine Schicht aufweisen, die einige Zehntel μm dick ist und die nicht zur Lumineszenz beiträgt (tote Schicht), müssen die Leuchtstoffpartikel für die hohe Lumineszenzeffizienz eine mittlere Leuchtstoffpartikelgröße von mindestens 1 μm aufweisen. Ein typischer Durchmesser der Leuchtstoffpartikel beträgt im Durchschnitt 1 μm. Dies bedeutet aber, dass Herstellungsparameter des Verfahrens sehr genau eingestellt werden müssen, damit das resultierende Leuchtstoffpulver die hohe Lumineszenzeffizienz aufweist.
Weitere Verfahren zur Herstellung derartiger Leuchtstoffpulver sind in EP-A 353 926 , DE-A 27 39 437 , DE-A 29 37 428 , US-A 4 180 477 und US-A 4 350 559 beschrieben. Die JP 2001-270775 A und JP 05-294722 A offenbaren Verfahren zur Herstellung eines YAG Leuchtstoffs.
Die DE 68919575T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von feinen Teilchen aus Yttrium-Aluminium-Granat (YAG).
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Leuchtstoffpulver mit einer hohen Lumineszenzeffizienz und ein einfaches und effizientes Verfahren dessen Herstellung anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es insbesondere, eine hocheffiziente LED, die Leuchtstoffpulver zur Konversion der Primärstrahlung nützt, bereitzustellen.
Zur Lösung der einen Aufgabe wird ein Leuchtstoffpulver angegeben, das Leuchtstoffpartikel mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 5,0 μm ausgewählten mittleren Leuchtstoffpartikelgröße aufweist. Das Leuchtstoffpulver ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel

– eine sphärische oder im wesentlichen sphärische Gestalt aufweisen,
– Primärpartikel mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,0 μm ausgewählten mittleren Primärpartikelgröße aufweisen, wobei die Primärpartikel einen Granat aufweisen,
– zu mindestens 80% aus den Primärpartikeln bestehen und
– Poren mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,0 μm ausgewählten mittleren Porengröße aufweisen.

Die Leuchtstoffpartikel können vergleichsweise Primärpartikel mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,5 μm ausgewählten mittleren Primärpartikelgröße aufweisen. Erfindungsgemäß ist bei der mittleren Leuchtstoffpartikelgröße ein bevorzugter Wert für die Untergrenze 0,2 μm, besonders bevorzugt 0,5 μm. Ein bevorzugter Wert für die Obergrenze ist 1,0 μm.
Zur Lösung der anderen Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines Leuchtstoffpulvers angegeben, das folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen zumindest einer Vorstufe der Primärpartikel,
b) Kalzinieren der Vorstufe der Primärpartikel, wobei Primärpartikel aus der Vorstufe der Primärpartikel und Leuchtstoffpartikel des Leuchtstoffpulvers durch Agglomeration der Primärpartikel gebildet werden.

Es wird eine Verwendung eines Leuchtstoffpulvers zum Umwandeln eines Anregungslichts in ein Emissionslicht in einem Leuchtstoffkörper angegeben.
Ferner wird eine Verwendung eines Leuchtstoffpulvers zur Absorption zumindest eines Teil einer primären Strahlung und Emission als Sekundärstrahlung bei einer anderen Wellenlänge in einer Konversions-LED mit einem Chip, der primäre Strahlung einer ersten Wellenlänge, insbesondere mit einer Peakemissionswellenlänge von 430 bis 490 nm, emittiert, angegeben.
Darüber hinaus wird ein Leuchtstoffkörper angegeben, der ein derartiges Leuchtstoffpulver zum Umwandeln eines Anregungslichts in ein Emissionslicht aufweist.
Das Emissionslicht, das als Lumineszenz bezeichnet wird, kann sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz umfassen. Der Leuchtstoffkörper kann dabei nur aus dem Leuchtstoffpulver bestehen. Denkbar ist auch, dass sich das Leuchtstoffpulver in einer für das Anregungs- und Emissionslicht transparenten Matrix des Leuchtstoffkörpers befindet. Ebenso kann das Leuchtstoffpulver als Schicht auf dem Leuchtstoffkörper aufgetragen sein. Der Leuchtstoffkörper ist beispielweise ein LED(Light Emitting Diode)-Konverter oder ein eingangs erwähnter Leuchtschirm einer Kathodenstrahlröhre.
Es hat sich gezeigt, dass ein Leuchtstoffpulver mit einer sehr hohen Lumineszenzeffizienz erhalten wird, wenn die Leuchtstoffpartikel aus kleinen, zur Lumineszenz beitragenden Primärpartikeln gebildet sind. Die Primärpartikel sind in einer Ausführungsform separiert, in einer anderen Ausführungsform im Sinne eines Aggregats fest miteinander verbunden (Sekundärpartikel). Beide Formen können u. U. Agglomerate bilden. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik tritt bei sorgfältiger Wahl der Primärpartikeldurchmesser nicht das Problem auf, dass die Leuchtstoffpartikel eine mehr oder weniger dicke tote Schicht aufweisen, die nicht zur Lumineszenzeffizienz beiträgt. Auch die einzelnen Primärpartikel weisen nahezu keine tote Schicht auf.
Die Leuchtstoffpartikel weisen eine sphärische oder im wesentlichen sphärische (kugelförmige) Gestalt auf.
Die Leuchtstoffpartikel bestehen zu mindestens 80% aus den Primärpartikeln. Dies bedeutet, dass überwiegend keine weiteren, von den Primarpartikeln unterschiedlichen Partikel vorhanden sind.
Die Primärpartikel tragen entsprechend ihrer Zusammensetzung zur Lumineszenzeffizienz des Leuchtstoffpulvers bei. Die Primärpartikel können dabei voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen.
Insbesondere können jetzt die Primärpartikel im Wesentlichen eine einzige Phase bilden. Dies bedeutet, dass die Primärteilchen einheitlich eine besonders erwünschte Zusammensetzung mit den gleichen (photo-)physikalischen Eigenschaften aufweisen.
Beispielsweise könnten bei dem binären System Aluminiumoxid-Yttriumoxid (Al₂O₃-Y₂O₃), im Gegensatz zum Merkmal dieser Weiterbildung der Erfindung, neben der photophysikalisch aktiven Phase Yttrium-Aluminium-Granat weitere, nicht zur Lumineszenzeffizienz beitragende Phasen, die eigentlich unerwünscht sind, vorhanden sein. Solche Phasen weisen beispielsweise die Zusammensetzungen YAlO₃ oder Al₂Y₄O₉ auf. Die Primärpartikel weisen einen Granat auf. Der Granat weist insbesondere eine Zusammensetzung A₃B₅O₁₂ auf, wobei A und B dreiwertige Metalle sind. Vorzugsweise ist der Granat ein Yttrium-Aluminium-Granat mit der Zusammensetzung Y₃Al₅O₁₂.
Seine Leuchtstoffeigenschaft erhält der Granat dadurch, dass der Granat dotiert ist. Insbesondere weisen daher die Primärteilchen mindestens eine Dotierung mit einem Seltenerdmetall auf. Das Seltenerdmetall ist insbesondere aus der Gruppe Cer und/oder Gadolinium (Gd) und/oder Lanthan (La) und/oder Terbium (Tb) und/oder Praseodym (Pr) und/oder Europium (Eu) ausgewählt. Pr und Eu eignen sich insbesondere auch für die Kodotierung, beispielsweise zusammen mit Ce. Weitere Dotierungen, beispielsweise eine Übergangsmetalldotierung mit Chrom (Cr), oder Mischungen von Dotierungen sind ebenfalls denkbar.
Die Leuchtstoffpartikel weisen Poren auf mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,0 μm ausgewählten mittleren Porengröße. Insbesondere beträgt die mittlere Porengröße etwa 0,5 μm. Dadurch ergibt sich insbesondere eine Leuchtstoffpartikeldichte der Leuchtstoffpartikel, die aus dem Bereich von einschließlich 40% bis einschließlich 70% einer theoretischen Dichte ausgewählt ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Herstellungsverfahren beschrieben. Zum Herstellungsverfahren wird die Vorstufe insbesondere aus der Gruppe Metallhydroxid und/oder Metalloxid ausgewählt. Im Fall des Yttrium-Aluminium-Granats werden beispielsweise Aluminiumhydroxid und Yttriumoxid eingesetzt.
Insbesondere wird zum Bereitstellen der Vorstufe ein chemisches Fällen der Vorstufe aus einer Metallsalzlösung des Metallsalzes durchgeführt.
Vorzugsweise wird das Metallsalz aus der Gruppe Metallhalogenid oder Metallsulfat ausgewählt. Das Metallhalogenid ist beispielsweise ein Metallchlorid. Vorzugsweise werden eine saure Metallsalzlösung und zum Fällen ein basisches Fällungsreagenz verwendet. Zur Erzeugung der feinen Primärteilchen wird insbesondere das basische Fällungsreagenz tropfenweise zur sauren Metallsalzlösung oder die saure Metallsalzlösung tropfenweise zum basischen Fällungsreagenz gegeben. Insbesondere wird als saure Metallsalzlösung eine schwefelsaure Metallsalzlösung verwendet. Als basisches Fällungsreagenz wird dabei insbesondere eine Ammoniaklösung verwendet. Darunter ist eine Lösung zu verstehen, bei der direkt Ammoniak im Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, gelöst ist. Denkbar ist aber auch, dass eine Vorstufe des Ammoniaks im Lösungsmittel gelöst wird unter Freisetzung von Ammoniak. Die Vorstufe ist beispielsweise Harnstoff. Unter Erhitzen des Harnstoffs wird Ammoniak freigesetzt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird zum Bereitstellen der Vorstufe nach dem Fällen der Vorstufe ein Reifen der Vorstufe durchgeführt. Während des Reifens kommt es zu verstärktem Kristallwachstum der Primärpartikel oder zur verstärkten Aggregationsbildung der Primärpartikel zu den Leuchtstoffpartikeln.
Das Reifen erfolgt insbesondere bei einem ph-Wert von einschließlich 5,5 bis einschließlich 6,5. Das Reifen wird insbesondere bei einer Reifungstemperatur durchgeführt, die aus dem Bereich von einschließlich 20°C bis einschließlich 90°C ausgewählt wird.
Zum Erzeugen der Primärpartikel und/oder zum Bilden der Leuchtstoffpartikel wird insbesondere ein Kalzinieren durchgeführt. Während des Kalzinierens kann es zur verstärkten Aggregationsbildung zwischen den Primärpartikeln kommen. Vorzugsweise wird das Kalzinieren bei einer Kalzinierungstemperatur durchgeführt, die aus dem Bereich von einschließlich 1200°C bis einschließlich 1700°C ausgewählt wird. Insbesondere beträgt die Kalzinierungstemperatur bis zu 1500°C.
An das Kalzinieren können sich weitere Verarbeitungsschritte anschließen. Beispielsweise werden die erhaltenen (Roh-)Leuchtstoffpartikel zusätzlich gemahlen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt schematisch ein Leuchtstoffpartikel, das aus einer Vielzahl von Primärpartikeln besteht;
2a bis 2c zeigen jeweils eine REM-Aufnahme eines Leuchtstoffpulvers;
3 zeigt einen Leuchtstoffkörper mit dem Leuchtstoffpulver (3a), und konkret eine LED (3b) mit derartiger Anordnung;
4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des Leuchtstoffpulvers;
5 zeigt die dem Verfahren zugrunde liegenden Reaktionsgleichungen.
Die 6a und 6b zeigen die Abhängigkeit der Streuung bzw. Absorption vom Partikeldurchmesser.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Das Leuchtstoffpulver 1 besteht aus einer Vielzahl von Leuchtstoffpartikeln 2 (1 und 2). Die Leuchtstoffpartikel 2 verfügen über eine sphärische oder zumindest im wesentlichen sphärische Gestalt 11. Insbesondere weicht ein beliebig orientierter Durchmesser nicht mehr als 30% vom maximalen Durchmesser ab, siehe 1. Der mittlere Leuchtstoffpartikeldurchmesser 3 der Leuchtstoffpartikel beträgt etwa 3 μm. Die einzelnen Leuchtstoffpartikel 2 bestehen jeweils aus einem Aggregat oder auch Agglomerat 12 einer Vielzahl von Primärpartikeln 4. Die Primärpartikel weisen dabei mittlere Primärpartikeldurchmesser 5 von etwa 0,5 μm auf. Die Leuchtstoffpartikel 2 bestehen im Wesentlichen nur aus den Primärpartikeln 4. Zudem weisen die Leuchtstoffpartikel 2 Poren 6 mit einer mittleren Porengröße 7 von etwa 0,5 μm auf. Die Poren 6 sind offen.
Die genannten Partikeldurchmesser werden beispielsweise im Falle der Primärpartikel, bzw. bei eher kleineren Durchmessern, als Äquivalentdurchmesser mittels optisch oder elektronenmikroskopisch (beispielsweise REM) erfasster Partikelbilder und im Falle der Leuchtstoffpartikel, bzw. bei eher größeren Durchmessern, als Äquivalentdurchmesser aus Laserbeugungsmessungen verstanden. In guter Näherung kann davon ausgegangen, dass die beiden unterschiedlichen Verfahren zur Erfassung von Äquivalentdurchmessern ähnliche bis identische Ergebnisse bei ein- und derselben Probe liefern, wenn die Pulverproben optimal für die Messung vorbereitet, sind. Die Primärpartikel 4 bestehen aus einem Yttrium-Aluminium-Granat mit der Zusammensetzung Y₃Al₅O₁₂. Die Primärpartikel 4 sind mit dem Seltenerdmetall Cer dotiert. Cer ist zu 0,5 mol% enthalten. Die Primärpartikel 4 bilden eine einzige Phase mit der genannten Zusammensetzung.
Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des Leuchtstoffpulvers 1 (4, 40) wird zunächst eine Vorstufe der Primärpartikel bereitgestellt (4, 41). Die Vorstufe besteht aus einem Pulvergemisch aus Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃) und Yttriumhydroxid (Y(OH)₃). Dazu werden Aluminiumhydroxid und Yttriumoxid getrennt voneinander in konzentrierter Schwefelsäure gelöst (5, 51 und 52). Zur Beschleunigung des Lösens wird die Temperatur erhöht. Die beiden erhaltenen, schwefelsauren Metallsalzlösungen werden filtriert. Es wird jeweils die Konzentration an Aluminium beziehungsweise Yttrium bestimmt. Im Weiteren werden die Lösungen entsprechend der benötigten stöchiometrischen Messungen miteinander vermischt. Danach wird ein Fällen der entsprechenden Hydroxide mit einer basischen Ammoniaklösung durchgeführt (5, 53). Die Ammoniaklösung besteht aus in destilliertem Wasser gelösten Ammoniak (NH₃). Zum Fällen wird die Ammoniaklösung tropfenweise zur schwefelsauren Lösung der Metallsalze zugegeben. Der dabei erhaltene Niederschlag wird mit 10°C kaltem, destilliertem Wasser gewaschen. Da eine bestimmte Menge an Aluminium durch das Wasser ausgewaschen wird, ist bei der Mischung der schwefelsauren Metallsalzlösungen darauf zu achten, dass Aluminium im Überschuss zugeführt wird. Der Niederschlag wird filtriert und bei 150°C für zehn Stunden getrocknet. Des Weiteren wird ein Kalzinieren des Niederschlags in Gegenwart von Formiergas, das zu 95 vol% aus Stickstoff (N₂) und 5 vol% Wasserstoff (H₂) besteht, durchgeführt (5, 54). Das Kalzinieren erfolgt bei 1200°C für eine Dauer von etwa zwei Stunden. Beim Kalzinieren werden die Primärpartikel aus der Vorstufe gebildet (4, 42). Gleichzeitig werden die Leuchtstoffpartikel des Leuchtstoffpulvers durch Agglomerieren der Primärpartikel gebildet (4, 43). Es wird ein Leuchtstoffpulver mit einer hohen Lumineszenzeffizienz erhalten.
Das Leuchtstoffpulver 1 wird in einem Leuchtstoffkörper 10 eingesetzt (3a in schematischer Darstellung). Der Leuchtstoffkörper 10 meint vor allem ein leuchtstoffhaltiges Gerät wie insbesondere eine Konversions-LED. Derartige LEDs sind auch unter dem Begriff LUKOLED bekannt. Mit Hilfe des Leuchtstoffpulvers 1 wird Anregungslicht 8, also Licht (oder auch kurzwellige Strahlung), das primär von einem Chip emittiert wird, zum Teil oder vollständig in Emissionslicht (Lumineszenz) 9 überführt. Diese Lumineszenz wird oft auch Sekundäremission genannt.
Ein konkretes Beispiel eines Leuchtstoffkörpers ist der Einsatz des Leuchtstoffpulvers in einer weißen, oder auch farbigen, LED zusammen mit einem InGaN-Chip. Der beispielhafte Aufbau einer derartigen Lichtquelle ist in 3b explizit gezeigt. Die Lichtquelle ist ein Halbleiterbauelement (Chip 1) des Typs InGaN mit einer Peak-Emissionswellenlänge von 460 nm (blau) mit einem ersten und zweiten elektrischen Anschluss 12, 13, das in ein lichtundurchlässiges Grundgehäuse 18 im Bereich einer Ausnehmung 19 eingebettet ist. Einer der Anschlüsse 13 ist über einen Bonddraht 14 mit dem Chip 15 verbunden. Die Ausnehmung hat eine Wand 17, die als Reflektor für die blaue Primärstrahlung des Chips 15 dient. Die Ausnehmung 19 ist mit einer Vergussmasse 25 gefüllt, die als Hauptbestandteile ein Silikongießharz (oder auch Epoxidgießharz) (80 bis 90 Gew.-%) und Leuchtstoffpigmente 16 (weniger als 15 Gew.-%) enthält. Weitere geringe Anteile entfallen u. a. auf Methylether und Aerosil. Die Leuchtstoffpigmente sind gelbemittierender YAG:Ce gemäß der vorliegenden Erfindung oder eine Mischung aus zwei (oder auch mehr) Pigmenten, die grün und rot emittieren. Beispielsweise ist ein geeigneter grün emittierender Leuchtstoff ein Ce-dotierter Yttriumgranat, der neben Al auch Anteile an Ga und/oder Sc am Gitterplatz des Aluminiums enthält. Ein Beispiel für einen rot emittierenden Leuchtstoff ist ein Eu-haltiges Nitrid. In beiden Fällen mischt sich das Sekundärlicht des Leuchtstoffs mit dem Primärlicht des Chips zu weiß. Eine farbige LED wird beispielsweise durch Verwendung eines YAG:Eu als Leuchtstoff für die Anregung durch einen UV-emittierenden Chip erzielt.
Überraschend hat sich gezeigt, dass durch besonders sorgfältige Wahl der Partikelgröße d₅₀ des Leuchtstoffs besondere Vorteile bei Konversions-LEDs erzielt werden können. Eine hohe Effizienz lässt insbesondere im Bereich zwischen 0,2 und 1,0 μm mittlerer Partikelgröße d₅₀ beobachten. Dabei wird bewusst eine möglichst hohe Streuung in Kauf genommen, in Abkehr von bisherigen Vorstellungen, während gleichzeitig das Verhältnis Absorption:Streuung erhöht wird. Ideal ist die Wahl von d₅₀ in der Nähe der maximalen Streuung, bezogen auf die primär einfallende Strahlung. In der Praxis haben sich auch noch Abweichungen von bis zu 20% gut bewährt. Abweichungen bis zu 50% liefern häufig immer noch zufriedenstellende Ergebnisse. Grundsätzlich lässt sich damit eine LED mit hoher Absorption des vor die primäre Strahlungsquelle angebrachten Leuchtstoffs erzielen.
6a zeigt beispielhaft, dass bei vielen Leuchtstoffen die Streuung zu kleineren Partikeldurchmessern unter 1 pm hin zunimmt. Sie kann sich typisch bis um einen Faktor 5 erhöhen. Dies erlaubt eine perfekte Homogenisierung der insgesamt abgegebenen Strahlung, was vor allem bei Mischlicht-LEDs von besonderer Bedeutung ist. Damit ist gemeint, dass die primäre Strahlung der LED nicht vollständig konvertiert wird, sondern selbst noch zur effektiv genutzten Strahlung direkt beiträgt.
Ein konkretes Beispiel ist ein primär blau emittierender Chip, der zusammen mit einem gelb emittierenden Leuchtstoff verwendet wird. beide Strahlungsarten kommen dann aus unterschiedlichen Raumbereichen. Um diesen Eindruck zu verwischen, mussten bisher sogar extra streuende Füllpartikel dem Verguss beigefügt werden, was zum einen aufwendig ist, zum anderen die Effizienz eher mindert. Insbesondere ist dieser Aufbau von Bedeutung, wenn mehr als ein Leuchtstoff ur teilweisen Konversion genutzt wird, also beispielsweise bei einem System mit blauer Primärstrahlung, das teilweise von einem grünen und teilweise von einem roten Leuchtstoff konvertiert wird, im Sinne einer auf dem RGB-Mischungsprinzip basierten weißen LED. Typische maximale Streuungen treten bei 0,2 bis 0,5 μm auf. dabei erhöht sich die Streuintensität um einen typischen Faktor 2 bis 5 gegenüber einem Wert von 1,5 μm. dessen Wert ändert sich zu hohen Durchmessern hin (2 bis 5 μm) kaum mehr.
6b zeigt beispielhaft, dass die Absorption zu kleineren Partikeldurchmessern D hin zunimmt und ein mehr oder minder ausgeprägtes Maximum bei etwa 0,1 bis 0,3 μm durchläuft. Die Absorption ist hier teilweise mehr als 5 mal größer als bei etwa 2 μm und mindestens doppelt so groß wie bei 1 μm. Wählt man die Partikelgröße in diesem Bereich, steigt das Verhältnis Absorption:Streuung zu kleineren Partikeldurchmessern hin von 2 μm bis hinab zu 0,2 μm kontinuierlich an. Das bedeutet eine Reduzierung der Streuverlust und eine erhöhte Effizienz. Zwar nimmt man u. U. dabei die erhöhte Streuung in Kauf, es ergibt sich damit aber eine hocheffiziente LED mit homogenem Abstrahlungsverhalten. Die höhere Streuung führt zu einer besseren und homogeneren Indikatrix von blau/gelb.

Claims

Leuchtstoffpulver (1), das Leuchtstoffpartikel (2) mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 5,0 μm ausgewählten mittleren Leuchtstoffpartikelgröße (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel (2) – eine sphärische oder im wesentlichen sphärische Gestalt aufweisen, – Primärpartikel (4) mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,0 μm ausgewählten mittleren Primärpartikelgröße (5) aufweisen, wobei die Primärpartikel (4) einen Granat aufweisen, – zu mindestens 80% aus den Primärpartikeln (4) bestehen und – Poren (6) mit einer aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1,0 μm ausgewählten mittleren Porengröße (7) aufweisen.
Leuchtstoffpulver nach Anspruch 1, bei dem der Granat eine Zusammensetzung A₃B₅O₁₂ aufweist, wobei A und B dreiwertige Metalle sind, insbesondere ist A mindestens eines der Elemente Y, Gd, La, Tb, und B mindestens eines der Elemente Al, Ga, In.
Leuchtstoffpulver nach Anspruch 2, bei dem die Zusammensetzung Y₃Al₅O₁₂ ist.
Leuchtstoffpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Primärpartikel (4) mindestens eine Dotierung mit einem Seltenerdmetall aufweisen.
Leuchtstoffpulver nach Anspruch 4, bei dem das Seltenerdmetall aus der Gruppe Cer und/oder Gd und/oder La und/oder Tb und/oder Pr und/oder Eu ausgewählt ist.
Leuchtstoffpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die mittlere Porengröße (7) etwa 0,5 μm beträgt.
Leuchtstoffpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Leuchtstoffpartikel (2) eine aus dem Bereich von einschließlich 40% bis einschließlich 70% einer theoretischen Dichte ausgewählte Leuchtstoffpartikeldichte aufweisen.
Verfahren zum Herstellen eines Leuchtstoffpulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen zumindest einer Vorstufe der Primärpartikel, b) Kalzinieren der Vorstufe der Primärpartikel, wobei Primärpartikel aus der Vorstufe der Primärpartikel und Leuchtstoffpartikel des Leuchtstoffpulvers durch Agglomeration der Primärpartikel gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Vorstufe aus der Gruppe Metallhydroxid und/oder Metalloxid ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zum Bereitstellen der Vorstufe ein chemisches Fällen der Vorstufe aus einer Metallsalzlösung eines Metallsalzes durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Metallsalz aus der Gruppe Metallhalogenid und/oder Metallsulfat ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine saure Metallsalzlösung und zum Fällen ein basisches Fällungsreagenz verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das basische Fällungsreagenz tropfenweise zur sauren Metallsalzlösung oder die saure Metallsalzlösung tropfenweise zum basischen Fällungsreagenz gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei als saure Metallsalzlösung eine schwefelsaure Metallsalzlösung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei als basisches Fällungsreagenz eine Ammoniaklösung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei zum Bereitstellen der Vorstufe nach dem Fällen der Vorstufe ein Reifen der Vorstufe durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Reifen bei einem pH-Wert von einschließlich 5,5 bis einschließlich 6,5 durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Reifen bei einer Reifungstemperatur durchgeführt wird, die aus dem Bereich von einschließlich 20°C bis einschließlich 90°C ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, wobei das Kalzinieren bei einer Kalzinierungstemperatur durchgeführt wird, die aus dem Bereich von einschließlich 1200°C bis einschließlich 1700°C ausgewählt wird.
Verwendung eines Leuchtstoffpulvers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Umwandeln eines Anregungslichts (8) in ein Emissionslicht (9) in einem Leuchtstoffkörper (10).
Verwendung nach Anspruch 20, wobei der Leuchtstoffkörper eine Konversions-LED ist.
Verwendung eines Leuchtstoffpulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Absorption zumindest eines Teil einer primären Strahlung und Emission als Sekundärstrahlung bei einer anderen Wellenlänge in einer Konversions-LED mit einem Chip, der primäre Strahlung einer ersten Wellenlänge, emittiert.
Verwendung nach Anspruch 22, wobei die mittlere Leuchtstoffpartikelgröße im Bereich des größten Maximums der Absorption der primären Strahlung liegt, und höchstens um 50%von diesem abweicht.
Verwendung nach Anspruch 22, zur teilweisen Absorption einer blauen Strahlung und Umwandlung in längerwellige Strahlung, wobei der Chip blaue Strahlung emittiert, und wobei die LED insbesondere weiß emittiert.