DE112012001482T5

DE112012001482T5 - LED-Einrichtung unter Verwendung von Quantenpunkten

Info

Publication number: DE112012001482T5
Application number: DE112012001482.0T
Authority: DE
Inventors: Maria Anc
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2014-02-20
Also published as: CN103430337A; US8455898B2; TW201248933A; WO2012134706A1; US20120248479A1; CN103430337B

Abstract

Es wird hier eine LED-Beleuchtungseinrichtung beschrieben, die Quantenpunkte in Schichten auf einem LED-Chip verwendet. Die Quantenpunktschichten und der LED-Chip sind mit abgestuften Brechungsindizes angeordnet, so dass der Brechungsindex jeder Schicht bevorzugt kleiner als der Brechungsindex der unmittelbar darunter liegenden Schicht oder des unmittelbar darunter liegenden Chips ist. Die Quantenpunkte mit Emissionsspitzen bei längeren Wellenlängen sind bevorzugt in niedrigeren Schichten näher am LED-Chip angeordnet; während die Quantenpunkte mit Emissionsspitzen bei kürzeren Wellenlängen in höheren Schichten weiter weg vom LED-Chip angeordnet sind.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Leuchtdioden-Einrichtungen („LED”-Einrichtungen) und Lampen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere LED-Einrichtungen und Lampen, die Quantenpunkte („QD”-Quanten Dots) enthalten, um das von einer Lichtquelle emittierte Licht in Licht von anderen Wellenlängen umzuwandeln.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Existierende LEDs können Licht im Ultraviolett-(„UV”), im sichtbaren oder Infrarot-(„IR”)Wellenlängenbereich emittieren. Diese LEDs weisen im Allgemeinen enge Emissionsspektren auf, was bedeutet, dass LEDs nicht direkt zum Erzeugen von Licht mit einem breiten Spektrum wie etwa weißes Licht verwendet werden können. Leuchtstoffe können eingeführt werden, um einen Teil des ursprünglich von der LED emittierten Lichts in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Die Kombination aus dem umgewandelten Licht und dem ursprünglich emittierten Licht liefert ein wünschenswerteres Ausgabelicht. Beispielsweise enthält eine in der Regel weiß emittierende LED einen YAG:Ce-Leuchtstoff, der über einen breiten Spektralbereich eine Quanteneffizienz > 85% aufweist. Das nur durch eine Art von Leuchtstoff umgewandelte weiße Licht weist in der Regel einen niedrigen Farbwiedergabeindex („CRI” – Color Rendering Index) auf und kann nur einen begrenzten Bereich von Farbtemperaturen erreichen.
Quantenpunkte („QD”, auch als Halbleiternanokristalle bekannt) können verwendet werden, um das durch LEDs emittierte Licht umzuwandeln, um Licht im sichtbaren oder Infrarotbereich zu generieren.
Quantenpunkte sind Nanokristalle, deren Durchmesser kleiner ist als der Bohr-Radius der Volumenexzitonen. Wegen der Quanten-Confinement-Effekte sind die Energiedifferenzen zwischen Elektronenzuständen eines Quantenpunkts eine Funktion sowohl der Zusammensetzung als auch der physischen Größe des Quantenpunkts. Somit können die optischen und optoelektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte abgestimmt und justiert werden, indem die physische Größe der Quantenpunkte verändert wird. Die Quantenpunkte absorbieren alle Wellenlängen, die kürzer sind als die Absorptionsspitzenwellenlänge, und emittieren Licht mit einer längeren Wellenlänge. Die Bandbreite der Quantenpunkt-Lumineszenzspektren steht zu der temperaturabhängigen Doppler-Verbreitung, der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation und der Größenverteilung der Quantenpunkte in Beziehung. Bei einem gegebenen Quantenpunkt kann das Emissionsband des Quantenpunkts durch Ändern der Größe gesteuert werden. Somit kann der Quantenpunkt einen Bereich von Farben erzeugen, die mit herkömmlichen Leuchtstoffen nicht erreicht werden können. Beispielsweise emittieren 2 nm-CdSe-Quantenpunkte im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums, während 10 nm-CdSe-Quantenpunkte im roten Bereich des sichtbaren Spektrums emittieren.
Das Emissionsband einer gewissen Art von Quantenpunkten kann mit dem Absorptionsband einer zweiten Art von Quantenpunkten eine Überlappung aufweisen. Deshalb kann das durch die ersten Quantenpunkte umgewandelte Licht durch die zweiten Quantenpunkte wieder absorbiert werden. Somit wird das Licht über zwei Umwandlungsprozesse absorbiert und umgewandelt. Diese Selbstabsorption ist unerwünscht, weil der Energieverlust aufgrund der beiden Umwandlungen mit weniger als 100% Effizienz die Gesamtlichtausbeute der LED-Einrichtung reduziert.
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Lichtausbeute ist die Fresnel-Reflexion. Wenn sich Licht aus einem ersten Medium mit einem Brechungsindex n₁ in ein zweites Medium mit einem Brechungsindex n₂ bewegt, können sowohl Reflexion als auch Brechung des Lichts auftreten. Beispielsweise ist der Reflexionskoeffizient R bei einem fast senkrechten Einfallen gegeben durch: R =( n₁ – n₂ / n₁ + n₂)². (1)
Falls zwischen den Brechungsindizes dieser beiden Medien ein großer Unterschied besteht, wird ein signifikanter Teil des Lichts in das erste Medium zurückreflektiert. Weiterhin nimmt der Grenzwinkel, der oben als der Einfallswinkel definiert ist, über dem es zu einer Totalreflexion kommt, mit dem Verhältnis der Brechungsindizes zu (der Unterschied nimmt ab) (θ_c = arcsin(n₂/n₁)).
LED-Chips sind Halbleiter, die Brechungsindizes von 2,4 bis 3,5 aufweisen. Im Gegensatz dazu weist das Kapselungsmittel der LED, wie etwa Silikon oder Epoxid, einen Brechungsindex von 1,5 bis 1,7 auf. Somit wird ein großer Teil des Lichts aufgrund der Fresnel-Reflexion an der Chip-Kapselungsmittel-Grenzfläche zurückreflektiert und von dem LED-Chip absorbiert. Der Zusatz von Leuchtstoffen wie etwa YAG:Ce mit einem Brechungsindex von etwa 1,85 bei 450 nm hilft nicht bei der Linderung des Problems. Oxidpartikel wie etwa TiO₂- und ZrO₂-Partikel können in ein Matrixmaterial eingeführt werden, um einen gewissen dazwischenliegenden Brechungsindex zu erreichen. Ein typischer Durchmesser von TiO₂- und ZrO₂-Partikeln liegt jedoch über einem Mikrometer, was mehr als das Zehnfache der Wellenlänge des emittierten sichtbaren Lichts ist. Somit dienen die TiO₂- und ZrO₂-Partikel als Streuzentren und streuen das Licht isotrop.
Kurze Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hocheffiziente LED-Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die Quantenpunkte und ein zuverlässiges Mittel zum Reduzieren der Selbstabsorption und Fresnel-Reflexion enthält.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt. Die Beleuchtungseinrichtung enthält eine Lichtquelle, eine auf der Lichtquelle angeordnete erste Lumineszenzschicht und eine auf der ersten Lumineszenzschicht angeordnete zweite Lumineszenzschicht. Die Lichtquelle weist einen Quellenbrechungsindex auf. Die erste Lumineszenzschicht enthält eine erste Quantenpunktzusammensetzung, die in einem ersten Matrixmaterial verteilt ist. Ein erster Volumenanteil der ersten Quantenpunktzusammensetzung ist so ausgelegt, dass der erste effektive Brechungsindex der ersten Lumineszenzschicht kleiner oder gleich dem Quellbrechungsindex ist. Die zweite Lumineszenzschicht enthält eine zweite Quantenpunktzusammensetzung, die in einem zweiten Matrixmaterial verteilt ist. Ein zweiter Volumenanteil der zweiten Quantenpunktzusammensetzung ist so ausgelegt, dass der zweite effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht kleiner als der erste effektive Brechungsindex der ersten Lumineszenzschicht ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt. Die Beleuchtungseinrichtung enthält eine InGaN-Leuchtdiode, eine direkt auf der InGaN-Leuchtdiode angeordnete erste Lumineszenzschicht und eine direkt auf der ersten Lumineszenzschicht angeordnete zweite Lumineszenzschicht. Die InGaN-Leuchtdiode weist einen Quellbrechungsindex auf. Die erste Lumineszenzschicht weist einen ersten effektiven Brechungsindex auf. Die erste Lumineszenzschicht enthält eine InP-Quantenpunktzusammensetzung, die in einem ersten Matrixmaterial verteilt ist. Die InP-Quantenpunktzusammensetzung weist ein erstes Emissionsspektrum mit einer ersten Spitzenwellenlänge auf. Die InP-Quantenpunktzusammensetzung weist einen ersten Volumenanteil auf. Der erste Volumenanteil ist so ausgelegt, dass der erste effektive Brechungsindex kleiner als der Quellbrechungsindex ist. Die zweite Lumineszenzschicht weist einen zweiten effektiven Brechungsindex auf. Die zweite Lumineszenzschicht enthält eine CuInS₂-Quantenpunktzusammensetzung, die in einem zweiten Matrixmaterial verteilt ist. Die CuInS₂-Quantenpunktzusammensetzung weist ein zweites Emissionsspektrum mit einer zweiten Spitzenwellenlänge auf. Die zweite Spitzenwellenlänge ist kürzer als die erste Spitzenwellenlänge. Die CuInS₂-Quantenpunktzusammensetzung weist einen zweiten Volumenanteil auf. Der zweite Volumenanteil ist so ausgelegt, dass der zweite effektive Brechungsindex kleiner als der erste effektive Brechungsindex ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird eine Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt. Die Beleuchtungseinrichtung enthält eine AlGaN-Leuchtdiode, eine direkt auf der AlGaN-Leuchtdiode angeordnete erste Lumineszenzschicht, eine direkt auf der ersten Lumineszenzschicht angeordnete zweite Lumineszenzschicht und eine direkt auf der zweiten Lumineszenzschicht angeordnete dritte Lumineszenzschicht. Die AlGaN-Leuchtdiode weist einen Quellbrechungsindex auf. Die erste Lumineszenzschicht weist einen ersten effektiven Brechungsindex auf. Die erste Lumineszenzschicht enthält eine erste InP-Quantenpunktzusammensetzung, die in einem ersten Matrixmaterial verteilt ist. Die erste InP-Quantenpunktzusammensetzung weist ein erstes Emissionsspektrum mit einer ersten Spitzenwellenlänge auf. Die erste InP-Quantenpunktzusammensetzung weist einen ersten Volumenanteil auf. Der erste Volumenanteil ist so ausgelegt, dass der erste effektive Brechungsindex kleiner als der Quellbrechungsindex ist. Die zweite Lumineszenzschicht weist einen zweiten effektiven Brechungsindex auf. Die zweite Lumineszenzschicht enthält eine zweite InP-Quantenpunktzusammensetzung, die in einem zweiten Matrixmaterial verteilt ist. Die zweite InP-Quantenpunktzusammensetzung weist ein zweites Emissionsspektrum mit einer zweiten Spitzenwellenlänge auf. Die zweite Spitzenwellenlänge ist gleich oder kürzer als die erste Spitzenwellenlänge. Die zweite InP-Quantenpunktzusammensetzung weist einen zweiten Volumenanteil auf. Der zweite Volumenanteil ist so ausgelegt, dass der zweite effektive Brechungsindex kleiner als der erste effektive Brechungsindex ist. Die dritte Lumineszenzschicht weist einen dritten effektiven Brechungsindex auf. Die dritte Lumineszenzschicht enthält eine ZnSe-Quantenpunktzusammensetzung, die in einem dritten Matrixmaterial verteilt ist. Die ZnSe-Quantenpunktzusammensetzung weist ein drittes Emissionsspektrum mit einer dritten Spitzenwellenlänge auf. Die dritte Spitzenwellenlänge ist kürzer als die zweite Spitzenwellenlänge. Die ZnSe-Quantenpunktzusammensetzung weist einen dritten Volumenanteil auf. Der dritte Volumenanteil ist so ausgelegt, dass der dritte effektive Brechungsindex kleiner oder gleich dem zweiten effektiven Brechungsindex ist.
Die Anordnung aus Schichten mit abgestuften Brechungsindizes hilft, die Indexdifferenz an den Schichtgrenzflächen zu minimieren. Somit können die Fresnel-Reflexionen an den Schichtgrenzflächen sowie die Gesamtreflexion signifikant reduziert werden. Die Quantenpunkte mit Emissionsspitzen bei längeren Wellenlängen können in niedrigeren Schichten näher an dem LED-Chip angeordnet werden; während die Quantenpunkte mit Emissionsspitzen bei kürzeren Wellenlängen in höheren Schichten weiter weg von dem LED-Chip angeordnet werden können. Deshalb besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit der Selbstabsorption unter den Quantenpunkten, was zu einer besseren Umwandlungseffizienz führt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt die Absorptions- und Emissionsspektren von verschiedenen Zusammensetzungen von Quantenpunkten.
3 ist eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten davon wird auf die folgende Offenbarung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Beleuchtungseinrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Beleuchtungseinrichtung 100 enthält eine Lichtquelle 101, bei der es sich um einen oder mehrere LED-Chips, z. B. einen blau emittierenden oder ultraviolett-emittierenden LED-Chip handeln kann. Die Beleuchtungseinrichtung 100 ist eingerichtet zum Erzeugen einer Lichtausgabe mit breitem Spektrum wie etwa weißes Licht mit einem hohen Farbwiedergabeindex. Das breitbandige Ausgabelicht wird erzeugt, indem ein Teil des durch die Lichtquelle generierten ursprünglichen Lichts in Licht mit längeren Wellenlängen umgewandelt wird, wobei Quantenpunkte alleine oder in Kombination mit traditionellen Leuchtstoffen verwendet werden.
Wie in 1 gezeigt, kann die Lichtquelle 101 ein blauer LED-Chip, bevorzugt ein InGaN-LED-Chip, sein, der Licht bei einer Wellenlänge von etwa 430–485 nm emittiert. Der blaue InGaN-LED-Chip 101 weist bei 450 nm einen Brechungsindex von 2,61 auf. Eine erste Lumineszenzschicht 110 kann direkt auf dem blauen LED-Chip 101 angeordnet sein. Der Ausdruck „direkt” bedeutet, dass sich die erste Lumineszenzschicht 110 in direktem Kontakt mit der Oberfläche des blauen LED-Chips 101 befindet. Die erste Lumineszenzschicht 110 enthält eine Zusammensetzung aus Quantenpunkten 111, die in einer Matrix 112 verteilt sind. Die Quantenpunkte 111 sind bevorzugt, aber nicht darauf beschränkt, Indiumphosphid-Quantenpunkte („InP-Quantenpunkte”). Die InP-Quantenpunkte können mit einer ZnS-Hülle überzogen sein, um die Oberflächenzustände zu passivieren und die Quanteneffizienz zu erhöhen. Die Quantenpunkte 111 können einen mittleren Partikeldurchmesser von 3 nm und eine Emissionsspitze bei 630 nm aufweisen. Solche InP-Quantenpunkte sind im Handel von der Firma NN-Labs, Fayetteville, Arkansas, USA (Katalog-Nr. INP630) erhältlich. Der Brechungsindex von INP-Quantenpunkten 111 beträgt 4,07 bei 450 nm. Der Volumenanteil an Quantenpunkten 111 in der ersten Lumineszenzschicht 110 kann etwa 30% betragen. Das Material der Matrix 112 ist bevorzugt ein Polymer, doch kann das Matrixmaterial unter anderem auch ein Silikon, Epoxid, Acryl, Kunststoff oder Glas sein. Der Brechungsindex der Matrix 112 kann etwa 1,5 betragen. Falls die Quantenpunkte 111 in flüssiger Phase eingeführt werden, kann das Lösemittel nach dem Verteilen der Quantenpunkte 111 in der Matrix 112 entfernt werden.
Der effektive Brechungsindex einer Quantenpunkte enthaltenden Schicht kann wie folgt ermittelt werden: n_eff = n_QDc + n_matrix(1 – c); (2) wobei n_eff der effektive Brechungsindex ist, n_QD und n_matrix die Brechungsindizes der Quantenpunkte bzw. der Matrix sind und c der Volumenanteil von Quantenpunkten in der Schicht ist. Somit kann der effektive Brechungsindex der ersten Lumineszenzschicht 110 bei einem Quantenpunktvolumenanteil von 30% etwa 2,3 betragen. (n_QD = 4,07 für InP-Quantenpunkte, c = 0,3 und n_matrix = 1,5).
Bevorzugt beträgt der effektive Brechungsindex der ersten Lumineszenzschicht 110 mindestens 2, so dass der Grenzwinkel mindestens 50 Grad beträgt, wodurch die Totalreflexion minimiert wird. Der effektive Brechungsindex der ersten Lumineszenzschicht 110 kann gleich dem Brechungsindex der Lichtquelle 101 sein und liegt bevorzugt darunter.
Ein Emissionsspektrum 201 von Quantenpunkten 111 ist in 2 gezeigt. Die Spitzenwellenlänge des Emissionsspektrums liegt bei 630 nm.
Wieder unter Bezugnahme auf 1 kann eine zweite Lumineszenzschicht 120 direkt auf der ersten Lumineszenzschicht 110 angeordnet sein. Die zweite Lumineszenzschicht 120 enthält eine Zusammensetzung von Quantenpunkten 121, die in einer Matrix 122 verteilt sind. Die Qantumpunkte 121 können unter anderem Cadmiumselenid-Quantenpunkte („CdSe-Quantenpunkte”) sein. Die CdSe-Quantenpunkte können aus Cadmiumselenid mit einem Verkappungsmittel aus einer langkettigen organischen Verbindung wie etwa Hexadecylamin („HAD”) bestehen, das für verbesserte Lebensdauer und Stabilität sorgt. Die Quantenpunkte 121 können einen mittleren Partikeldurchmesser von 3,3 nm und eine Emissionsspitze bei 560 nm aufweisen. Ein Emissionsspektrum 202 von CdSe-Quantenpunkten ist in 2 zusammen mit einem Absorptionsspektrum 203 von CdSe-Qantumpunkten gezeigt. Solche CdSe-Quantenpunkte sind im Handel als Lumidot^TM 560 von der Firma Nanoco Technologies Ltd., Manchester, Großbritannien, erhältlich. Der Brechungsindex von CdSe-Qantumpunkten 121 beträgt bei 450 nm etwa 2,5. Der Volumenanteil von Quantenpunkten 121 in der zweiten Lumineszenzschicht 120 kann 50% betragen. Das Material der Matrix 122 ist bevorzugt ein Polymer, doch kann das Matrixmaterial unter anderem auch ein Silikon, Epoxid, Acryl, Kunststoff oder Glas sein. Der Brechungsindex der Matrix 122 kann 1,5 betragen. Der effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht 120 kann bei einem Quantenpunkt-Volumenanteil von 50% 2,0 betragen. Das Emissionsspektrum der Quantenpunkte 121 weist eine Spitzenwellenlänge auf, die bevorzugt kürzer ist als die Spitzenwellenlänge des Emissionsspektrums der Quantenpunkte 111.
Bevorzugt beträgt der effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht 120 mindestens 1,6, um die Fresnel-Reflexion und die Totalreflexion zu minimieren.
Alternativ können bei einigen Ausführungsformen die Quantenpunkte 121 die gleichen sein wie die Quantenpunkte in der ersten Lumineszenzschicht 110, z. B. InP-Quantenpunkte. Der Volumenanteil von Quantenpunkten 121 in der zweiten Lumineszenzschicht 120 kann etwa 20% betragen. Der effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht 120 kann bei einem Quantenpunkt-Volumenanteil von 20% etwa 2,0 betragen. Der Volumenanteil von Quantenpunkten 121 wird so gewählt, dass er kleiner ist als der Volumenanteil von Quantenpunkten 111, so dass der effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht 120 kleiner als der effektive Brechungsindex der Lumineszenzschicht 110 ist. Wenngleich die Quantenpunkte in der zweiten Lumineszenzschicht aus dem gleichen Material wie in der ersten Lumineszenzschicht bestehen können, können die Quantenpunkte in der zweiten Lumineszenzschicht von geringerer Größe sein, so dass sie bei einer kürzeren Wellenlänge als die Quantenpunkte in der ersten Lumineszenzschicht emittieren.
Alternativ können bei einigen anderen Ausführungsformen die Quantenpunkte 121 bevorzugt CuInS₂-Quantenpunkte sein. Der Brechungsindex der Quantenpunkte CuInS₂ beträgt 2,9. Der Volumenanteil von Quantenpunkten 121 in der zweiten Lumineszenzschicht 120 kann etwa 36% betragen. Der effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht 120 kann bei einem Quantenpunkt-Volumenanteil von 36% etwa 2,0 betragen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Beleuchtungseinrichtung 100 weiterhin eine dritte Lumineszenzschicht 130 enthalten. Die dritte Lumineszenzschicht 130 kann direkt auf der zweiten Lumineszenzschicht 120 angeordnet sein. Die dritte Lumineszenzschicht 130 enthält ebenfalls eine Zusammensetzung von Quantenpunkten 131, die in einer Matrix 132 verteilt sind. Die Quantenpunkte 131 sind bevorzugt unter anderem CdSe-Quantenpunkte mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 2,1 nm und einer Spitzenemission bei 480 nm. Solche CdSe-Quantenpunkte sind im Handel als Lumidot^TM 480 von der Firma Nanoco Technologies Ltd., Manchester, Großbritannien, erhältlich. Der Brechungsindex von CdSe-Quantenpunkten 131 beträgt etwa 2,5 bei 450 nm. Der Volumenanteil von Quantenpunkten 131 in der dritten Lumineszenzschicht 130 kann etwa 20% betragen. Das Material der Matrix 132 ist bevorzugt ein Polymer, doch kann das Matrixmaterial unter anderem auch ein Silikon, Epoxid, Acryl, Kunststoff oder Glas sein. Der Brechungsindex der Matrix 132 kann 1,5 betragen. Der effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht 120 kann bei einem Quantenpunkt-Volumenanteil von 20% 1,7 betragen.
Alternativ können bei einigen Ausführungsformen die Quantenpunkte 131 CuInS₂-Quantenpunkte sein. Der Volumenanteil von Quantenpunkten 131 kann etwa 14% betragen, um einen effektiven Brechungsindex der dritten Lumineszenzschicht 130 von 1,7 zu erzielen.
Alternativ können bei einigen anderen Ausführungsformen die Quantenpunkte 131 ZnSe-Quantenpunkte sein. Der Brechungsindex von ZnSe-Quantenpunkten beträgt 2,88 bei 450 nm. Der Volumenanteil von Quantenpunkten 131 kann etwa 14% betragen, um einen effektiven Brechungsindex der dritten Lumineszenzschicht 130 von 1,7 zu erzielen.
Bei weiteren Ausführungsformen kann eine Kapselungsmittelschicht 140 auf der dritten Lumineszenzschicht 130 angeordnet sein. Das Material der Kapselungsmittelschicht 140 kann ein Silikon, Epoxid, Acryl, Kunststoff, Polymer oder Glas sein. Der Brechungsindex des Materials der Kapselungsmittelschicht 140 kann etwa 1,5 oder weniger betragen. Bevorzugt ist die Kapselungsmittelschicht 140 geeigneterweise für Feuchtigkeit und/oder Luft undurchdringlich, um eine Verschlechterung der Quantenpunkte im Laufe der Zeit zu verhindern.
Somit besitzt die Beleuchtungsvorrichtung 100 eine Abstufung von Brechungsindizes, so dass die Brechungsindizes in Richtung von der der Lichtquelle 101 am nächsten liegenden Schicht zu der am weitesten weg liegenden Schicht abnimmt. Insbesondere nehmen bei einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, die Brechungsindizes von dem blauen InGan-LED-Chip 101 mit einem Brechungsindex von 2,61 durch drei Lumineszenzschichten 110, 120, 130 mit effektiven Brechungsindizes von 2,3, 2,0 bzw. 1,7 zur Kapselungsmittelschicht 140 mit einem Brechungsindex von etwa 1,5 ab. Die Anordnung von Schichten mit abgestuften Brechungsindizes hilft, die Indexdifferenzen an den Schichtgrenzflächen zu minimieren. Somit können die Fesnel-Reflexion an jeder Schichtgrenzfläche sowie die Gesamtreflexion signifikant reduziert werden. Bei einigen Ausführungsformen können mehr Lumineszenzschichten in die Beleuchtungseinrichtung 101 eingeführt werden. Der Volumenanteil und die Arten von Quantenpunkten können so ausgelegt sein, dass die Brechungsindexdifferenz an jeder Schichtgrenzfläche weiter reduziert wird, um die Gesamtreflexion weiter zu minimieren. Die Effizienz der Beleuchtungseinrichtung 100 kann durch die Anordnung von Schichten mit abgestuften Brechungsindizes stark verbessert werden, da aus dem LED-Chip 101 mehr Licht extrahiert werden kann, anstatt dass es innerhalb der Beleuchtungseinrichtung 100 reflektiert und absorbiert wird. Außerdem ist der typische Durchmesser der Quantenpunkte mindestens zehnmal kleiner als die Wellenlängen von sichtbarem Licht. Somit stören die Quantenpunkte nicht die Mie-Streuung des sichtbaren Lichts. Da außer Quantenpunkten keine Partikel genutzt werden müssen, um den Brechungsindex fein abzustimmen, werden keine Streuzentren eingeführt.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen beträgt die Absorptionsspitzenwellenlänge 205 (2) der Quantenpunkte 121 in der zweiten Lumineszenzschicht 120 540 nm. Deshalb wird von Quantenpunkten 111 umgewandeltes Licht, das bei etwa 630 nm emittiert wird, nicht wieder von den Quantenpunkten 121 absorbiert und umgewandelt, die nur Licht primär unter 540 nm absorbieren. Da die Fresnel-Reflexion an jeder Schichtgrenzfläche minimiert ist, weist außerdem durch Quantenpunkte 121 in der Schicht 120 umgewandeltes Licht wenig Möglichkeit auf, zur Schicht 110 zurückreflektiert und weiter durch Quantenpunkte 111 umgewandelt zu werden. Deshalb wird das von dem LED-Chip 101 emittierte Licht meist nur einmal durch einen beliebigen der Quantenpunkte umgewandelt, wodurch die Umwandlungseffizienz maximiert wird.
Bevorzugt beträgt der Brechungsindex der hier verwendeten Quantenpunkte bei einer Wellenlänge von mindestens etwa 450 nm mindestens 2,2, um einen prohibitiv hohen Volumenanteil an Quantenpunkten in den Lumineszenzschichten zu vermeiden. Die Quantenpunkte können binäre, ternäre oder quaternäre Verbindungen aus den Gruppen III–V, II–VI, IV–VI sein. Außerdem können Materialien wie etwa I-III-VI₂, insbesondere CuInSe₂ und CuInS₂, als kolloidale Nanokristalle synthetisiert werden und Quanten-Confinement-Effekte aufweisen. Insbesondere kann das Material der Quantenpunkte CdS, CdSe, CdTe, CdPo, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnPo, HgS, HgSe, HgTe, MgS, MgSe, MgTe, PbSe, PbS, PbTe, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, CuInS₂, CuInSe₂, CuInTe, ZnGeP₂, CuSe, CdS_1-xSe_x, BaTiO₃, PbZrO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, Ba_xSr_1-xTiO₃, SrTiO₃, LaMnO₃, CaMnO₃ oder La_1-xCa_xMnO₃ sein. Die Quantenpunkte können dotiert sein, wie etwa ZnSe:Mn, dessen Emission sowohl zu dem Dotierstoff als auch der Größe der Quantenpunkte in Beziehung steht. Die Quantenpunkte können eine Kern-Hüllen-Struktur besitzen. Quantenpunktkerne, die aus einem beliebigen der obigen Materialien hergestellt sein können, verlieren in der Regel etwas Quanteneffizienz aufgrund der nicht-strahlenden Prozesse an den Oberflächendefekten wie etwa losen Verbindungsstücken. Liganden können einen Teil von ihnen passivieren, aber nicht effizient genug. Das Überziehen des Kerns mit einer Hülle mit einem Material mit größerem Bandabstand, wie etwa ZnSe oder ZnS, führt zur Passivierung von Oberflächendefekten und zu einer Zunahme der Quanteneffizienz. Die Quantenpunkte können auch mit Liganden überzogen werden, um eine Aggregation in der Matrix zu verhindern. Die Liganden können vernetzt werden, um polymere Mizellen um die Quantenpunkte herum auszubilden.
Kolloidale Quantenpunkte können synthetisiert werden, indem zu dem siedenden Lösemittel in Anwesenheit von Liganden metallorganische Vorläufer hinzugefügt werden. Eine Übersättigung führt zur Keimbildung von Nanokristallen, die weiter zur gewünschten Größe aufgewachsen werden können. Nach der Beendigung des Wachstums und dem Entfernen von unerwünschten Nebenprodukten der Reaktion können andere Syntheseschritte durchgeführt werden, um die Hülle aufzuwachsen.
Bei einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der ersten Lumineszenzschicht 110 und der zweiten Lumineszenzschicht 120 und/oder der dritten Lumineszenzschicht 130, je nach der verwendeten Anzahl von Schichten, eingestreut sein. Die Zwischenschichten müssen der Anordnung des abgestuften Brechungsindexes folgen, so dass der Index jeder Schicht zwischen dem der unmittelbar darüber liegenden und darunter liegenden Schicht liegt.
Diese Zwischenschichten können einen oder mehrere Leuchtstoffe umfassen. Beispielsweise können die Zwischenschichten einen YAG:Ce-Leuchtstoff mit einem Brechungsindex von etwa 1,85 bei 450 nm enthalten. Der effektive Brechungsindex der Leuchtstoffzwischenschicht sollte über dem Index der oberen Zwischenschicht und kleiner als der Index der unteren Zwischenschicht sein. Die Leuchtstoffschicht kann auch Quantenpunkte enthalten, um den Brechungsindex weiter fein abzustimmen. Die in dieser bzw. diesen Schichten enthaltenen Leuchtstoffe wandeln auch einen Teil des ursprünglich von der LED emittierten Lichts in Licht unterschiedlicher Wellenlänge um. Die Kombination aus dem umgewandelten Licht durch Quantenpunkte und Leuchtstoff und dem ursprünglich emittierten Licht kann ein wünschenswerteres Ausgabelicht mit einem besseren CRI liefern und eine wärmere Farbtemperatur erreichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Beleuchtungseinrichtung 100 eine oder mehrere Oxidschichten, die TiO₂-, ZnO- oder ZrO₂-Partikel aufweisen, auf oder zwischen den Quantenpunktschichten enthalten. Die TiO₂-Partikel besitzen Brechungsindizes von 2,1 bis 2,8. Die ZnO- und ZrO₂-Partikel besitzen Brechungsindizes von etwa 2,1 bei 450 nm. Die Oxidschicht kann weiterhin Quantenpunkte und Leuchtstoff enthalten. Die Schichten müssen so angeordnet sein, dass der effektive Brechungsindex der Oxidschicht zwischen den Indizes der unmittelbar darüber liegenden und darunter liegenden Schichten liegt, um die Fresnel-Reflexion zu minimieren. Bevorzugt beträgt ein mittlerer Durchmesser der Oxidpartikel weniger als 100 nm und besonders bevorzugt weniger als 50 nm, so dass die Partikel keine Streuzentren für das sichtbare Licht sind.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform unter Bezugnahme auf 3 enthält die Beleuchtungseinrichtung 300 eine Lichtquelle 301, bei der es sich um einen oder mehrere LED-Chips handeln kann, bevorzugt einen AlGaN- oder AlGaInN-UV-LED-Chip, der Licht bei der Wellenlänge von etwa 370–400 nm emittiert. Eine erste Schicht 310 kann direkt auf dem LED-Chip 301 angeordnet sein. Die erste Schicht 310 enthält eine Zusammensetzung von Quantenpunkten 311, die in einer Matrix 312 verteilt sind, und einen Leuchtstoff 313. Eine zweite Schicht 320 kann direkt auf der ersten Lumineszenzschicht 310 angeordnet sein. Die zweite Schicht 320 enthält eine Zusammensetzung aus Quantenpunkten 321, die in einer Matrix 322 verteilt sind, und einen Leuchtstoff 323. Eine dritte Schicht 330 kann direkt auf der zweiten Lumineszenzschicht 320 angeordnet sein. Die dritte Schicht 330 enthält TiO₂-, ZnO- oder ZrO₂-Nanoskalenpartikel 331. Eine vierte Schicht 340 kann direkt auf der dritten Schicht 330 angeordnet sein. Die vierte Schicht 340 enthält eine Zusammensetzung von Quantenpunkten 341, die in einer Matrix 342 verteilt sind, und einen Leuchtstoff 343. Eine Kapselungsmittelschicht 350 kann direkt auf der vierten Schicht 340 angeordnet sein. Die Volumenanteile der Quantenpunkte (311, 321, 341), der Leuchtstoffe (313, 323, 343) und der Oxidpartikel 331 sind so ausgelegt, dass der Brechungsindex jeder Schicht kleiner als der Brechungsindex der unmittelbar darunter liegenden Schicht oder des unmittelbar darunter liegenden Chips ist. Die Quantenpunkte mit Emissionsspitzen bei längeren Wellenlängen können in niedrigeren Schichten näher an dem LED-Chip angeordnet sein; während die Quantenpunkte mit Emissionsspitzen bei kürzeren Wellenlängen in höheren Schichten weiter weg vom LED-Chip angeordnet sein können.
Während die Prinzipien der Erfindung hier beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, dass die vorliegende Beschreibung nur beispielhaft erfolgt und nicht als eine Beschränkung bezüglich des Schutzbereichs der Erfindung. Bezugszeichen, die den hierin beschriebenen Ausführungsformen entsprechen, können in den folgenden Ansprüchen als Mittel zur zweckmäßigen Bezugnahme auf die Beispiele des in den Zeichnungen gezeigten beanspruchten Gegenstands vorgesehen sein. Es versteht sich jedoch, dass die Bezugszahlen den Schutzbereich der Ansprüche nicht begrenzen sollen. Andere Ausführungsformen werden innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispielen in Betracht gezogen. Modifikationen und Substitutionen durch den Durchschnittsfachmann werden als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung angesehen, der nicht beschränkt werden soll, außer durch den Vortrag der folgenden Ansprüche.

Claims

Beleuchtungseinrichtung, die Folgendes aufweist: eine Lichtquelle, wobei die Lichtquelle einen Quellbrechungsindex aufweist; eine auf der Lichtquelle angeordnete erste Lumineszenzschicht, wobei die erste Lumineszenzschicht einen ersten effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die erste Lumineszenzschicht eine erste Quantenpunktzusammensetzung aufweist, die in einem ersten Matrixmaterial verteilt ist, wobei der erste effektive Brechungsindex kleiner oder gleich dem Quellbrechungsindex ist; und eine auf der ersten Lumineszenzschicht angeordnete zweite Lumineszenzschicht, wobei die zweite Lumineszenzschicht einen zweiten effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die zweite Lumineszenzschicht eine zweite Quantenpunktzusammensetzung aufweist, die in einem zweiten Matrixmaterial verteilt ist, wobei der zweite effektive Brechungsindex kleiner als der erste effektive Brechungsindex ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Quantenpunktzusammensetzung ein erstes Emissionsspektrum mit einer ersten Spitzenwellenlänge aufweist und die zweite Quantenpunktzusammensetzung ein zweites Emissionsspektrum mit einer zweiten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei die zweite Spitzenwellenlänge gleich oder kürzer als die erste Spitzenwellenlänge ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Quantenpunktzusammensetzung ein erstes Emissionsspektrum mit einer ersten Spitzenwellenlänge aufweist und die zweite Quantenpunktzusammensetzung ein Absorptionsspektrum mit einer Absorptionsspitzenwellenlänge aufweist, wobei die erste Spitzenwellenlänge länger ist als die Absorptionsspitzenwellenlänge.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Lumineszenzschicht direkt auf der Lichtquelle angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Lumineszenzschicht direkt auf der ersten Lumineszenzschicht angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin Folgendes aufweist: eine auf der zweiten Lumineszenzschicht angeordnete dritte Lumineszenzschicht, wobei die dritte Lumineszenzschicht einen dritten effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die dritte Lumineszenzschicht eine dritte Quantenpunktzusammensetzung aufweist, die in einem dritten Matrixmaterial verteilt ist, wobei der dritte effektive Brechungsindex kleiner als der zweite effektive Brechungsindex ist, wobei die dritte Quantenpunktzusammensetzung ein drittes Emissionsspektrum mit einer dritten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei die dritte Spitzenwellenlänge kürzer als die zweite Spitzenwellenlänge ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Leuchtdiode aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, wobei die Leuchtdiode eine blaue Leuchtdiode oder eine Ultraviolett-Leuchtdiode ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste oder zweite Quantenpunktzusammensetzung mindestens ein Material aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CdS, CdSe, CdTe, CdPo, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnPo, HgS, HgSe, HgTe, MgS, MgSe, MgTe, PbSe, PbS, PbTe, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, CuInS₂, CuInSe₂, CuInTe, ZnGeP₂, CuSe, CdS_1-xSe-, BaTiO₃, PbZrO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, Ba_xSr_1-xTiO₃, SrTiO₃, LaMnO₃, CaMnO₃, ZnSe:Mn und La_1-xCa_xMnO₃.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brechungsindizes der ersten Quantenpunktzusammensetzung und der zweiten Quantenpunktzusammensetzung bei einer Wellenlänge von mindestens etwa 450 nm mindestens 2,2 betragen.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste oder zweite Matrixmaterial mindestens ein Material aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikon, Epoxid, Acryl, Kunststoff, Polymer und Glas.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine auf der zweiten Lumineszenzschicht angeordnete Kapselungsmittelschicht, wobei die Kapselungsmittelschicht mindestens ein Material aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikon, Epoxid, Acryl, Kunststoff, Polymer und Glas.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste oder zweite Lumineszenzschicht weiterhin eine Leuchtstoffzusammensetzung aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine auf der zweiten Lumineszenzschicht angeordnete Oxidschicht, wobei ein effektiver Brechungsindex der Oxidschicht kleiner als der zweite effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 14, wobei die Oxidschicht mindestens ein Oxidmaterial aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiO₂, ZnO und ZrO₂.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 15, wobei ein mittlerer Partikeldurchmesser des Oxidmaterials höchstens 100 Nanometer beträgt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine auf der zweiten Lumineszenzschicht angeordnete Leuchtstoffschicht, wobei ein effektiver Brechungsindex der Leuchtstoffschicht kleiner als der zweite effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Leuchtstoffschicht weiterhin eine Quantenpunktzusammensetzung aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste effektive Brechungsindex der ersten Lumineszenzschicht mindestens 2 beträgt und der zweite effektive Brechungsindex der zweiten Lumineszenzschicht mindestens 1,6 beträgt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Quantenpunktzusammensetzung und die zweite Quantenpunktzusammensetzung aus einem gleichen Material bestehen.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 20, wobei die erste Quantenpunktzusammensetzung ein erstes Emissionsspektrum mit einer ersten Spitzenwellenlänge aufweist und die zweite Quantenpunktzusammensetzung ein zweites Emissionsspektrum mit einer zweiten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei die zweite Spitzenwellenlänge kürzer ist als die erste Spitzenwellenlänge.
Beleuchtungseinrichtung, die Folgendes aufweist: eine InGaN-Leuchtdiode, wobei die InGaN-Leuchtdiode einen Quellbrechungsindex aufweist; eine direkt auf der InGaN-Leuchtdiode angeordnete erste Lumineszenzschicht, wobei die erste Lumineszenzschicht einen ersten effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die erste Lumineszenzschicht eine InP-Quantenpunktzusammensetzung aufweist, die in einem ersten Matrixmaterial verteilt ist, wobei die InP-Quantenpunktzusammensetzung ein erstes Emissionsspektrum mit einer ersten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei der erste effektive Brechungsindex kleiner als der Quellbrechungsindex ist; und eine direkt auf der ersten Lumineszenzschicht angeordnete zweite Lumineszenzschicht, wobei die zweite Lumineszenzschicht einen effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die zweite Lumineszenzschicht eine CuInS2-Quantenpunktzusammensetzung umfasst, die in einem zweiten Matrixmaterial verteilt ist, wobei die zweite CuInS₂-Quantenpunktzusammensetzung ein zweites Emissionsspektrum mit einer zweiten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei die zweite Spitzenwellenlänge kürzer ist als die erste Spitzenwellenlänge, wobei der zweite effektive Brechungsindex kleiner als der erste effektive Brechungsindex ist.
Eine Beleuchtungseinrichtung, die Folgendes aufweist: eine AlGaN-Leuchtdiode, wobei die AlGaN-Leuchtdiode einen Quellbrechungsindex aufweist; eine direkt auf der AlGaN-Leuchtdiode angeordnete erste Lumineszenzschicht, wobei die erste Lumineszenzschicht einen ersten effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die erste Lumineszenzschicht eine erste InP-Quantenpunktzusammensetzung umfasst, die in einem ersten Matrixmaterial verteilt ist, wobei die erste InP-Quantenpunktzusammensetzung ein erstes Emissionsspektrum mit einer ersten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei die erste InP-Quantenpunktzusammensetzung einen ersten Volumenanteil aufweist, wobei der erste effektive Brechungsindex kleiner als der Quellbrechungsindex ist; eine direkt auf der ersten Lumineszenzschicht angeordnete zweite Lumineszenzschicht, wobei die zweite Lumineszenzschicht einen zweiten effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die zweite Lumineszenzschicht eine zweite InP-Quantenpunktzusammensetzung umfasst, die in einem zweiten Matrixmaterial verteilt ist, wobei die zweite InP-Quantenpunktzusammensetzung ein zweites Emissionsspektrum mit einer zweiten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei die zweite Spitzenwellenlänge gleich oder kürzer als die erste Spitzenwellenlänge ist, wobei die zweite InP-Quantenpunktzusammensetzung einen zweiten Volumenanteil aufweist, wobei der zweite Volumenanteil kleiner als der erste Volumenanteil ist, wobei der zweite effektive Brechungsindex kleiner als der erste effektive Brechungsindex ist; und eine direkt auf der zweiten Lumineszenzschicht angeordnete dritte Lumineszenzschicht, wobei die dritte Lumineszenzschicht einen dritten effektiven Brechungsindex aufweist, wobei die dritte Lumineszenzschicht eine ZnSe-Quantenpunktzusammensetzung aufweist, die in einem dritten Matrixmaterial verteilt ist, wobei die ZnSe-Quantenpunktzusammensetzung ein drittes Emissionsspektrum mit einer dritten Spitzenwellenlänge aufweist, wobei die dritte Spitzenwellenlänge kürzer ist als die zweite Spitzenwellenlänge, wobei der dritte effektive Brechungsindex kleiner als der zweite effektive Brechungsindex ist.