DE112014004471T5

DE112014004471T5 - Wellenlängenkonverter und diesen aufweisende Leuchteinrichtung

Info

Publication number: DE112014004471T5
Application number: DE112014004471.7T
Authority: DE
Inventors: Kathleen A. Lawson; John F. Kelso
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US20150085497A1; WO2015047751A1; CN105579553A; US10591137B2

Abstract

Beschrieben ist ein auf Aluminiumoxid basierender Keramik-Wellenlängenkonverter mit einer Oberflächenschicht, die eine zweite Phase aus Aluminiumoxid enthält, vorzugsweise als Aluminiumoxidkristallite. Die Oberflächenschicht wird als Folge des Sinterprozesses ausgebildet, mit dem die Massivkeramik ausgebildet wird, die an sich im Wesentlichen transparent ist. Der Keramik-Wellenlängenkonverter ist unter Ausbildung einer Leuchteinrichtung mit einer Leuchtdiode kombiniert. Vorzugsweise besteht der Keramik-Wellenlängenkonverter aus einem auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoff, der durch eine allgemeine Formel A3B5O12:Ce dargestellt wird, wobei A Y, Sc, La, Gd, Lu, oder Tb ist und B Al, Ga oder Sc ist.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung ist eine internationale Anmeldung, die den Nutzen der US-Patentanmeldung mit der Nummer 14/038,709 beansprucht, eingereicht am 26. September 2013 mit dem Titel „WAVELENGTH CONVERTER AND LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING SAME", deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Stand der Technik
Leuchtdioden (LEDs) erzeugen sichtbares oder nicht sichtbares Licht in einem bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Das von einer LED ausgegebene Licht kann zum Beispiel Licht im blauen, roten, grünen, ultravioletten (UV) und/oder nah-UV-Spektralbereich sein, je nach der Materialzusammensetzung der LED. Wenn man eine LED-Lichtquelle zu bauen wünscht, die Licht mit einer sich von der Ausgabefarbe der LED unterscheidenden Farbe erzeugt, wird bekanntlich mittels Photolumineszenz die Lichtausgabe von der LED mit einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich (das „primäre Licht“ oder „Anregungslicht“) in Licht mit einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich (dem „sekundären Licht“ oder „Emissionslicht“) konvertiert.
Bei der Photolumineszenz wird mit einem Wellenlängenkonversionsmaterial wie einem Leuchtstoff oder einer Mischung aus Leuchtstoffen allgemein primäres Licht höherer Energie absorbiert. Eine Absorption des primären Lichts kann das Wellenlängenkonversionsmaterial zu einem höheren Energiezustand anregen. Wenn das Wellenlängenkonversionsmaterial auf einen niedrigeren Energiezustand zurückfällt, emittiert es sekundäres Licht, das allgemein eine andere Wellenlänge/einen anderen Wellenlängenbereich als das Primärlicht aufweist. Die Wellenlänge/der Wellenlängenbereich des sekundären Lichts hängt von der Zusammensetzung des verwendeten Wellenlängenkonversionsmaterials ab. Somit kann durch geeignete Auswahl des Wellenlängenkonversionsmaterials sekundäres Licht einer gewünschten Wellenlänge/eines gewünschten Wellenlängenbereichs erhalten werden. Dieser Prozess kann als „Wellenlängenherunterkonvertierung“ verstanden werden, und eine LED kann in Kombination mit einer Wellenlängenkonversionsstruktur, die zur Erzeugung von sekundärem Licht Wellenlängenkonversionsmaterial, wie zum Beispiel Leuchtstoff, enthält, als „leuchtstoffkonvertierte LED“ (pc-LED – phosphor-converted LED) oder „wellenlängenkonvertierte LED“ bezeichnet werden.
Das Wellenlängenkonversionsmaterial kann mittels eines geeigneten Verfahrens wie Pressen und Sintern des pulverförmigen Materials zu einem festen monolithischen Keramikstück ausgebildet werden. Der Keramik-Wellenlängenkonverter, der in der Regel in Form einer Platte vorliegt, kann dann direkt an dem LED-Chip befestigt werden, um eine Chip-Level-Konversion (CLC – Chip Level Conversion) des von der LED emittierten Lichts zu erreichen, oder er kann mit einem gewissen Abstand von der Leuchtoberfläche der LED angeordnet werden, um eine Fernkonvertierungsanordnung zu erhalten. Transparente Keramik-Wellenlängenkonverter haben das Potential, die höchste Stufe an Konvertierungseffizienz für diese Anwendungen zu erzeugen, da sie keine Verluste an lichtstreuendem konvertiertem Licht zur LED-Quelle hin, wo es absorbiert werden kann, erleiden. Da Keramik-Wellenlängenkonverter jedoch mit einem höheren Transparenzgrad hergestellt werden, wird Totalreflexion (TIR – Total Internal Reflextion) zu einem begrenzenden Faktor, der die Lichtmenge, die von dem Konverter extrahiert werden kann, einschränkt und somit die Effizienz der Lichtquelle beschränkt.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kombiniert den Vorteil der hohen Konvertierungseffizienz einer transparenten Keramik mit einer Lichtextraktionsverbesserung, die eine Lumenausbeute erhöht. Insbesondere wird ein auf Aluminiumoxid basierender Keramik-Wellenlängenkonverter mit einer Oberflächenschicht, die eine zweite Phase aus Aluminiumoxid, vorzugsweise als Aluminiumoxidkristallit, enthält, bereitgestellt. Die Oberflächenschicht wird als Folge des Sinterprozesses gebildet, mit dem die massive Keramik, die an sich im Wesentlichen transparent ist, gebildet wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Wellenlängenkonverter bereitgestellt, der ein festes monolithisches Stück aus einem lumineszierenden Keramikmaterial umfasst. Das Keramikmaterial besteht aus einem auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoff, der primäres Licht mit einer ersten Spitzenwellenlänge in sekundäres Licht mit einer zweiten Spitzenwellenlänge konvertieren kann. Ein massiver Teil des Konverters ist im Wesentlichen transparent, und der Konverter weist mindestens eine Hauptoberfläche mit einer Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisenden „as sintered“ Oberflächenschicht auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Leuchteinrichtung bereitgestellt, die eine Leuchtdiode, die primäres Licht mit einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert, und einen Wellenlängenkonverter, der dazu positioniert ist, das primäre Licht von der Leuchtdiode zu empfangen, umfasst. Der Wellenlängenkonverter umfasst ein festes monolithisches Stück aus einem lumineszierenden Keramikmaterial. Das Keramikmaterial umfasst einen auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoff, der mindestens einen Teil des primären Lichts in sekundäres Licht mit einer zweiten Spitzenwellenlänge konvertieren kann. Ein massiver Teil des Konverters ist im Wesentlichen transparent, und der Konverter weist mindestens eine Hauptoberfläche mit einer “as sintered“ Oberflächenschicht mit einem Aluminiumoxid zweiter Phase auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer eine LED verwendenden Leuchteinrichtung mit einem Keramik-Wellenlängenkonverter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer eine LED verwendenden Leuchteinrichtung mit einem Keramik-Wellenlängenkonverter gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein REM-Mikrograph eines Querschnitts eines gesinterten YGdAG:Ce-Keramik-Wellenlängenkonverters, das Poren und Aluminiumoxideinschlüsse der zweiten Phase zeigt.
4 ist ein REM-Mikrograph eines Querschnitts eines gesinterten YGdAG:Ce-Keramik-Wellenlängenkonverters, hergestellt mit einem TEOS-Sinterhilfsmittel.
5 ist ein SEM der Oberfläche eines gesinterten YGdAG:Ce-Keramik-Wellenlängenkonverters, hergestellt mit einem TEOS-Sinterhilfsmittel.
6 ist ein optisches Mikroskopbild der Oberfläche eines gesinterten LuAG:Ce-Keramik-Wellenlängenkonverters, hergestellt mit einem TEOS-Sinterhilfsmittel.
7 vergleicht die Inline-Transmission eines YGdAG:Ce-Keramik-Wellenlängenkonverters, gesintert mit einem TEOS-Sinterhilfsmittel in (i) einem „as sintered“ Zustand und (ii) geschliffen, um die Aluminiumoxidkristalle der zweiten Phase auf der Oberfläche zu entfernen.
8 vergleicht das Emissionsspektrum einer pc-LED mit einer „as sintered“ YGdAG:Ce-Keramik-Konverterplatte mit den Emissionsspektren von der gleichen pc-LED-Konfiguration, wobei eine oder beide Seiten des Konverters geschliffen wurden, um die Oberflächenschicht mit der zweiten Phase von Aluminiumoxid zu entfernen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten davon, wird auf die folgende Offenbarung und die angehängten Ansprüche in Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.
Wie vorliegend verwendet, bezeichnet „Keramik-Wellenlängenkonverter“ einen Wellenlängenkonverter, der aus einem festen monolithischen Keramikstück besteht, das durch Sintern eines pulverförmigen Materials wie einem anorganischen Leuchtstoff gebildet wird. Allgemein ist der “as sintered“ Keramik-Wellenlängenkonverter polykristallin. Der Begriff „Keramik-Wellenlängenkonverter“ umfasst keine Wellenlängenkonverter, die aus Dispersionen von Leuchtstoffteilchen in einer Polymermatrix wie Silikon oder Epoxid bestehen. Der Begriff „Oberflächenschicht“ bezeichnet eine Schicht, die sich daran anschließt und die relevante Oberfläche umfasst.
Im Wesentlichen transparent bedeutet, dass das Material wenig Streuung von durch das Material tretendem Licht aufweist, und insbesondere weist es eine Inline-Transmission von mindestens 60 %, wie in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums gemessen, wo das Material keine Absorptionsspitzen aufweist, auf. Beispielsweise würde die Inline-Transmission für ein Ceraktiviertes Aluminiumgranatmaterial bei einer Wellenlänge von über 550 nm gemessen werden, da das Material aufgrund des Ce³⁺-Aktivators starke Absorptionsspitzen bei 350 und 460 nm aufweist. Insbesondere wird allgemein eine Xenonlampe, die so gefiltert wird, dass ein Bereich von Wellenlängen gescannt wird, zur Messung der Inline-Transmission verwendet.
Ein LED-Chip ist eine LED in ihrer elementarsten Form, d.h. in der Form der kleinen einzelnen Stücke, die durch Schneiden des wesentlich größeren Wafers, auf dem die halbleitenden Schichten abgeschieden wurden, erzeugt werden. Der LED-Chip kann Kontakte umfassen, die sich für das Anlegen von elektrischer Energie eignen.
Bezüge auf die Farbe eines Leuchtstoffs, einer LED oder eines Konvertierungsmaterials beziehen sich, sofern nichts anderes angegeben ist, allgemein auf die Emissionsfarbe davon. Somit emittiert eine blaue LED blaues Licht, emittiert ein gelber Leuchtstoff ein gelbes Licht usw.
Nunmehr insbesondere mit Bezug auf die Zeichnungen ist in 1 eine Leuchteinrichtung 100 in Form einer pc-LED mit einem Keramik-Wellenlängenkonverter 104 gezeigt.
Der Keramik-Wellenlängenkonverter besteht aus einem auf Aluminiumoxid (Al₂O₃) basierenden Leuchtstoffmaterial, zum Beispiel einem lumineszierenden Yttriumaluminiumgranat, Y₃Al₅O₁₂ (der auch als 3Υ₂O₃·5Αl₂O₃ geschrieben werden kann). Vorzugsweise besteht der Keramik-Wellenlängenkonverter aus einem auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoff, der durch die allgemeine Formel A₃B₅O₁₂:Ce dargestellt werden kann, wobei A Y, Sc, La, Gd, Lu oder Tb ist und B Al, Ga oder Sc ist. Vorzugsweise ist A Y, Gd, Lu oder Tb und B ist Al. Mit besonderem Vorzug ist der Leuchtstoff einer von Y₃Al₅O₁₂:Ce, (Y, Gd)₃Al₅O₁₂:Ce, Tb₃Al₅O₁₂:Ce und Lu₃Al₅O₁₂:Ce, die jeweils als YAG:Ce, YGdAG:Ce, TbAG:Ce bzw. LuAG:Ce bezeichnet werden können. Der Wellenlängenkonverter 104 weist allgemein eine Dicke T₁ von zwischen 20 µm und 500 µm und vorzugsweise zwischen 100 µm und 250 µm auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wellenlängenkonverter die Form einer Flachplatte auf, obwohl er nicht darauf beschränkt ist.
Das von der Leuchtoberfläche 107 des blau emittierenden LED-Chips 102 emittierte primäre Licht 106 tritt in den Keramik-Wellenlängenkonverter 104, der zumindest einen Teil des blauen Lichts in sekundäres Licht 116 mit einer anderen Spitzenwellenlänge, zum Beispiel einem gelben Licht, konvertiert. Die Farbe des letztlich von der Leuchtoberfläche 120 des Konverters 104 emittierten Lichts wird von dem Verhältnis der Menge an nichtkonvertiertem primärem Licht 106, das durch den Konverter tritt, zu der Menge an primärem Licht, das innerhalb des Konverters in sekundäres Licht 116 konvertiert wird, abhängen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist der Keramik-Wellenlängenkonverter 104 eine geschliffene untere Oberfläche 118 auf, die zur Leuchtoberfläche 107 des LED-Chips 102 weist. Die die Leuchtoberfläche 120 umfassende gegenüberliegende Seite weist eine integrale „as sintered“ Oberflächenschicht 110 auf, die eine zweite Phase an Aluminiumoxid enthält, vorzugsweise als Aluminiumoxidkristallite. Die Oberflächenschichtgrenzfläche ist durch die gestrichelte Linie 126 dargestellt. Das massive Material 124 des Keramik-Wellenlängenkonverters 104 ist ein im Wesentlichen transparentes, einphasiges Material bestehend aus dem auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoff.
Es wird angenommen, dass die Oberflächenschicht 110 die Lichtemission vom Konverter 104 durch Reduzierung der Totalreflexion und außerdem Erhöhen der Streuung des primären Lichts 106 verbessert, was zu höherer Konversion und erhöhter Emission von sekundärem Licht 116 führt. Vorzugsweise weist die Oberflächenschicht 110 eine dicke T₂ von weniger als ungefähr 50 µm und bevorzugter von weniger als ungefähr 10 µm auf. Die bevorzugten Aluminiumoxidkristallite in der Oberflächenschicht liegen im Größenbereich von ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 25 µm und vorzugsweise von ungefähr 1 µm bis ungefähr 10 µm. Vorzugsweise deckt das Aluminiumoxid zweiter Phase zwischen ungefähr 1 bis ungefähr 50 % der Hauptoberfläche des Konverters ab, und noch bevorzugter ungefähr 5 bis ungefähr 25 %.
Während des Sinterns bildet sich das Aluminiumoxid der zweiten Phase an oder nahe beiden Hauptoberflächen des Keramik-Wellenlängenkonverters, was eine Oberflächenschicht ergibt, die das Aluminiumoxid zweiter Phase auf beiden Seiten enthält. Um die Oberflächenschicht zu entfernen, muss man aggressive Mittel wie mechanisches Polieren verwenden, da das Aluminiumoxid zweiter Phase fest an der primären Phase des auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoffs gebunden ist. Bei manchen Anwendungen (wie in 1 gezeigt) kann es gewünscht werden, die Seite des Konverters zu polieren, die mit der Leuchtoberfläche der LED zusammenpasst, zum Beispiel der unteren Oberfläche 118. Wie unten mit Bezug auf 2 beschrieben, ist es jedoch nicht notwendig, eine Seite des Konverters zu polieren, und es ist allgemein bevorzugt, die Oberflächenschicht auf beiden Seiten des Konverters beizubehalten.
Nunmehr mit Bezug auf 2 ist eine Leuchteinrichtung 200 mit einer ähnlichen Konfiguration wie der pc-LED, die in 1 gezeigt ist, dargestellt, außer, dass der Keramik-Wellenlängenkonverter 204 integral ausgebildete „as sintered“ Oberflächenschichten 210 und 212 an beiden Hauptoberflächen aufweist, d.h. die Leuchtoberfläche 220 bzw. untere Oberfläche 218. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform enthalten die Oberflächenschichten 210 und 212 ein Aluminiumoxid zweiter Phase, vorzugsweise als Aluminiumoxidkristallite, die während des Sinterprozesses gebildet werden. Die Grenzflächen für Oberflächenschichten 210, 212 sind durch gestrichelte Linien 226 bzw. 228 angezeigt. Vorzugsweise weisen die Oberflächenschichten 210, 212 eine Dicke von weniger als ungefähr 50 µm und besonders bevorzugt von weniger als ungefähr 10 µm auf. Das massive Material 224 des Keramik-Konverters 204 ist ein im Wesentlichen transparentes, einphasiges Material, das aus auf Aluminiumoxid basierendem Leuchtstoff besteht. Insbesondere enthält das massive Material keine signifikante Menge an Streuzentren wie Poren oder Einschlüssen zweiter Phase.
Bei einer Ausführungsform kann der Keramik-Wellenlängenkonverter durch die folgenden Schritte hergestellt werden: (a) Kombinieren eines Vorläufermaterials mit einer Flüssigkeitsphase, was ein Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Mischung im Grünzustand bildet, (b) Formen der Mischung in Grünzustand zur Ausbildung einer Grünzustandsform des Keramik-Konverters, wie einer Platte; (c) Erhitzen der Grünzustandsform zum Entfernen des Bindemittels und Ausbilden eines zuvor gebrannten Keramikmaterials; und (d) Sintern des zuvor gebrannten Keramikmaterials zur Ausbildung des Keramik-Wellenlängenkonverters. Wie oben beschrieben wird das Sintern durch das Sinterhilfsmitteladditiv verbessert. Vorzugsweise kann das Vorläufermaterial Cer-aktiviertes Yttriumaluminiumgranat (YAG:Ce) oder Cer-aktiviertes Lutetiumaluminiumgranat (LuAG:Ce) umfassen. Das Sinterhilfsmittel kann Materialien umfassen, die Silikatflüssigkeiten während des Sinterprozesses ausbilden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sinterhilfsmittel um Tetraethylorthosilikat (TEOS). Die Mischung im Grünzustand kann ferner ein organisches Bindemittel zur Unterstützung der Bildung der Grünzustandsform enthalten. Verfahren zur Ausbildung der Grünzustandsform umfassen Spritzgießen, Foliengießen, Trockenpressen, Schlickerguss oder Extrusion.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Mischung im Grünzustand mehr als ein Vorläufermaterial enthalten und das Erhitzen der Form im Grünzustand verursacht, dass die Vorläufermaterialien unter Ausbildung des Keramik-Konverters reagieren. Beispielsweise kann die Mischung im Grünzustand eine Mischung aus Oxiden umfassen, die dazu formuliert sind, das gewünschte lumineszierende Keramik zu erzeugen, wie eine Mischung von Y₂O₃, Al₂O₃ und CeO₂.
Vorzugsweise kann das Erhitzen in Schritt (c) bei einer Temperatur von bis zu 1150 °C durchgeführt werden. Mit besonderem Vorzug kann das Erhitzen in Schritt (c) bei einem Zeittemperaturzyklus wie folgt durchgeführt werden: Erhöhen der Temperatur von 25 °C auf 400 °C über 4 Stunden, Erhöhen der Temperatur von 400 °C auf 1150 °C über 4 Stunden, Halten der Temperatur bei 1150 °C für einen Zeitraum von 0,5 bis 2 Stunden, und Senken der Temperatur auf 25 °C über 3 Stunden. Das zuvor gebrannte Keramikmaterial wird vorzugsweise bei 1500 °C–1825 °C gesintert. Mit besonderem Vorzug wird das zuvor gebrannte Keramikmaterial bei 1500 °C–1825 °C für einen Zeitraum von 1 Minute bis 4 Stunden in einer Atmosphäre aus feuchtem Wasserstoff (–10 °C bis 15 °C Taupunkt) gesintert.
Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Keramik-Wellenlängenkonverter um einen Granatleuchtstoff (z. B. YAG:Ce oder LuAG:Ce) und die Ausbildung des Aluminiumoxids zweiter Phase in den Oberflächenschichten ist ein Resultat der Kombination des Zusatzes von kleinen Mengen an Tetraethylorthosilikat(TEOS)-Sinterhilfsmittel und den Sinterbedingungen. Das TEOS bildet eine Silikatflüssigkeitsphase bei Sintertemperaturen zur Unterstützung von Porenentfernung beim Sintern. Die Abwesenheit jeglicher signifikanter Porosität führt zu einem im Wesentlichen transparenten massiven Material, das aus der auf Aluminiumoxid basierenden Keramik besteht. Die Silikatflüssigkeitsphase, die durch das TEOS erzeugt wird, löst jegliches Aluminiumoxid zweiter Phase, das in der Masse der auf Aluminiumoxid basierenden Keramik auftreten kann, höchstwahrscheinlich durch Ausbilden einer Alumosilikatflüssigkeit – Aluminiumoxid ist gut dafür bekannt, dass es sich bei den Sintertemperaturen in Silikatflüssigkeiten auflöst. Es wird angenommen, dass diese Alumosilikatflüssigkeitsphase zu der Oberfläche transportiert wird, während die auf Aluminiumoxid basierende Keramik zur vollen Dichte sintert. Wenn es die Oberfläche erreicht, verflüchtigt sich die Kieselsäure höchstwahrscheinlich als SiO-Dampf in der reduzierenden Atmosphäre oder wird wieder in die Granatkristallphase absorbiert, was Körner und/oder Kristallite aus Aluminiumoxid zweiter Phase auf der Oberfläche zurücklässt.
Beispiele
Eine typische Chargenformulierung für einen auf YGdAG:Ce basierenden gesinterten Keramik-Wellenlängenkonverter verwendet 0,5 g von TEOS pro 100 g von YGdAG:Ce-Pulver, was ungefähr 0,145 Gew.-% SiO₂ in der YGdAG:Ce-Keramik ergibt. Signifikante Schwankungen der Niveaus an Cer und Gadolinium können zur Herstellung von verschiedenen Farben und zum Konversionsbetrag bei einer jeweiligen Keramik-Konverterdicke verwendet werden. Insbesondere kann der Gadoliniumgehalt im Bereich von 0 bis 50 % und insbesondere bevorzugt von 10 bis 20 % des Yttriumgehalts liegen. Der Cergehalt kann im Bereich von 0,05 bis 5 % und mit besonderem Vorzug von 0,1 bis 1 % des Yttriumgehalts liegen.
Die Keramik-Wellenlängenkonverter können auch aus einer Mischung der einzelnen Oxide statt von zuvor reagierten YGdAG:Ce-Pulvern hergestellt sein. Zum Beispiel wird eine Charge, die nur eine Mischung aus Yttriumoxid, Aluminiumoxid und Ceroxid (mit oder ohne Gadoliniumoxid) und TEOS enthält, zu Keramikplatten verarbeitet. Die Charge wird für eine Zeitlänge gemahlen, die lang genug dazu ist, eine gute Grünmikrostruktur (gut gemischte, gut gepackte kleine Pulverteilchen mit einer feinen und engen Verteilung von Hohlraumgrößen zwischen den Teilchen) zu fördern. Zu diesem Zeitpunkt wird die Charge dann auf die gewünschte Stückgröße und Form geformt. Die gewünschte Form für eine gesinterte Keramik-Konverterplatte ist in der Regel ein ungefähr 1 mm × 1 mm großes Quadrat mit einer Dicke von 70 bis 150 µm. Eine Ecke der Platte kann ausgeschnitten sein, um Platz für eine Drahtverbindung mit der oberen Oberfläche des LED-Chips bereitzustellen. Die Größe könnte für kleinere LED-Chips nur 0,5 mm Quadrat betragen.
Die Grünteile werden auf eine Aluminiumoxidsetzplatte gelegt, die daraufhin in einen Luftatmosphärenofen gestellt wird und mittels eines typischen Zeittemperaturzyklus von:
25 °C bis 400 °C über 4 Stunden;
400 °C auf 1150 °C über 4 Stunden;
Halten bei 1150 °C für einen Zeitraum von 0,5 bis 2 Stunden und Kühlen auf 25 °C in 3 Stunden
geheizt wird.
Dieser Wärmeprozess entfernt die gesamten organischen und kohlenstoffhaltigen Spezies, darunter die organischen Bindemittel, die dazu verwendet werden, die Pulver zusammenzuhalten, und den organischen Teil des TEOS. Die Haltetemperatur bei 1150 °C ist auch hoch genug dazu, dass die Pulverteilchen zusammenhaften können, was den Teilen ausreichende Festigkeit zur Handhabung verleiht.
Die zuvor gebrannten Keramikplatten werden auf Molybdänplatten übertragen und bei 1500–1825 °C für eine Zeitdauer von 1 Minute bis 4 Stunden bei Spitzentemperatur in einer Atmosphäre aus feuchtem Wasserstoff (–10 °C bis 15 °C Taupunkt) gesintert. Während des Wasserstoffsinterns schrumpfen die Platten, während die Keramikpulver sintern und die Matrixporosität entfernt wird. Falls die anfänglichen Pulverteilchengrößen und Misch-/Fräsbedingungen richtig durchgeführt werden, wird die Matrixporosität bei erhöhten Sintertemperaturen auf ein Niveau reduziert, bei dem das Teil einen hohen Grad an Transparenz oder Durchscheinen aufweist. Das TEOS-Sinterhilfsmittel wird bei Sintertemperaturen einen kleinen Betrag an Silikatflüssigkeit ausbilden, was die Rate, mit der das Sintern stattfindet und die Porosität entfernt wird, erhöhen wird.
Es ist offensichtlich, dass die Ausbildung der Silikatflüssigkeit, die bekanntlich Aluminiumoxid unter Ausbildung von Alumosilikat löst, den kleinen Betrag an Aluminiumoxidmaterialien zweiter Phase, die oft im gesinterten YGdAG oder LuAG gefunden werden, bei der Verdichtung von der Masse zu der Oberfläche der Keramik transportiert. Das Silikat wird dann durch SiO-Verdampfung (die bekanntlich bei den zum Sintern verwendeten Temperaturen einen signifikanten Dampfdruck in der Atmosphäre von feuchtem Wasserstoff aufweist) anscheinend von der Oberfläche in die Atmosphäre entfernt, was ein Al₂O₃ zweiter Phase an der Oberfläche der Keramik zurücklässt.
Insbesondere ist 3 ein REM-Mikrograph eines Querschnitts einer YGdAG:Ce-Keramik, hergestellt ohne das TEOS-Sinterhilfsmittel. Wie gezeigt enthält die YGdAG:Ce-Keramik ein typisches Aluminiumoxid zweiter Phase, die grauen Merkmale und eine gewisse Anzahl von Poren, die als helle Ringe erscheinen, verursacht durch elektrisches Aufladen an den Kanten der Poren durch den Elektronenstrahl des Rasterelektronenmikroskops (REM). Im Vergleich ist 4 ein REM-Mikrograph einer YGdAG-Keramik, die mit dem TEOS-Sinterhilfsmittel hergestellt wird. In diesem Fall zeigte die REM-Analyse keinen Beweis für jegliche Porosität oder ein Aluminiumoxid zweiter Phase. Tatsächlich wurde aufgrund der fehlenden Merkmale auf dem geschliffenen Querschnitt der Keramik ein Rissdefekt benötigt, um zu verifizieren, dass die Probe im Querschnitt tatsächlich im Fokus war. LuAG:Ce-Keramiken, die mit dem TEOS-Sinterhilfsmittel gesintert werden, zeigten eine ähnliche Abwesenheit von signifikanter Porosität oder von Aluminiumoxid zweiter Phase in dem massiven Material.
REM- und optische Mikroskopanalysen der „as sintered“ Oberflächen von YGdAG:Ce und LuAG:Ce-Keramiken, die mit dem TEOS-Sinterhilfsmittel erzeugt werden, sind in 5 bzw. 6 gezeigt. In jedem Fall wurde eine Aluminiumoxid umfassende zweite Phase auf der Oberfläche beobachtet. Insbesondere zeigt mit Bezug auf 5 das REM-Mikrograph eine zweite Phase an Aluminiumoxidkristalliten auf der Oberfläche des YGdAG:Ce, hergestellt mit dem TEOS-Sinterhilfsmittel. Die Aluminiumoxidkristallite erscheinen in dem Mikrograph als dunkle Kristalle, die sich an den Körnergrenzen des polykristallinen YGdAG:Ce befinden. Die Aluminiumoxidkristallite umfassen nach Schätzung ungefähr 8 bis 9 % der Oberfläche. Mit Bezug auf 6 zeigt das optische Mikroskopbild der LuAG:Ce-Keramik, hergestellt mit dem TEOS-Sinterhilfsmittel, eine polykristalline LuAG:Ce-Keramik mit einer durchschnittlichen Körnergröße von ungefähr 2,5 µm. Wichtiger ist, dass Cluster der zweiten Phase von Aluminiumkörnern mit einer Größe von 2 bis 20 µm beobachtet werden, wobei die Cluster im Durchmesser im Bereich von ungefähr 50 bis 150 µm liegen.
Es sollte angemerkt werden, dass LuAG:Ce-Keramiken, die mit dem TEOS-Sinterhilfsmittel hergestellt werden, aber statt einer Atmosphäre in feuchtem Wasserstoff im Vakuum gesintert werden, keinen Hinweis auf die Körner von Aluminiumoxid zweiter Phase auf der Oberfläche zeigen. Somit ist es, obwohl die Zugabe des Sinterhilfsmittels wichtig ist, ebenso wichtig, dass die Keramiken nicht im Vakuum gesintert werden. Ansonsten wird sich das Aluminiumoxid zweiter Phase nicht auf der Oberfläche der Keramiken ausbilden.
Die Transparenz der massiven Keramik ist in 7 zu sehen, die die Inline-Transmission einer „as sintered“ YGdAG:Ce-Keramikplatte mit der Keramikplatte nach dem Schleifen von beiden Seiten zur Entfernung der das Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisenden Oberflächenschicht vergleicht. Die beiden Absorptionsspitzen nahe 350 nm und 460 nm sind auf den Ce³⁺-Aktivator zurückzuführen. Die Inline-Transmission der „as sintered“ Keramik in dem Bereich von 550–750 nm beträgt nur ~10–12 %, während die der geschliffenen Probe ~82 % beträgt. Ähnlich wurden die Laser-Scatterometer-Daten für eine „as sintered“ YGdAG:Ce-Keramik-Konverterplatte mittels eines roten He-Ne-Lasers für 633 nm erhalten, der die Keramik mit einem Licht, das bei 360° um die Probe herum gemessen wird, bestrahlt. Die Daten zeigten einen beträchtlichen Betrag an Rückstreuung (optische Leistung bei Winkeln von >90°) und eine signifikante Reduzierung der Inline-Transmission (1,7 %) für die „as sintered“ Platte. Nach dem Schleifen von beiden Seiten der Konverterplatte zur Entfernung der Oberflächenschicht wies der Konverter einen hohen Grad an Transparenz mit sehr wenig Rückstreuung und fast theoretischer Inline-Transmission in der Vorwärtsrichtung auf.

Um den Effekt der Lumenausbeute einer pc-LED-Konfiguration zu zeigen, die mit den Keramik-Wellenlängenkonverterplatten hergestellt wird, wurden Proben einer YGdAG:Ce-Keramik-Wellenlängenkonverterplatte, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, von 2 cm × 2 cm × 390 µm über eine blaue LED von 1 mm gesetzt. Wie in Tabelle 1 zu sehen, wurde eine verbesserte gelbe Emission bei den Proben mit mindestens einer der Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisenden „as sintered“ Oberflächenschichten beobachtet. Insbesondere gab es eine um 12 % größere Lumenausbeute, wenn sich die die zweite Phase enthaltende Oberflächenschicht auf der Leuchtseite (Austrittsseite) des Konverters befindet, im Vergleich zur Verwendung des gleichen Konverters, bei dem beide Seiten geschliffen sind, um die Oberflächenschicht zu entfernen (ungefähr 40 µm von jeder Oberfläche). (Lm/Wo-b ist die Lumenausbeute der LED plus Konverter geteilt durch die optische Wattleistung gemessen für die LED ohne den Konverter.) Tabelle 1

	C_x	C_y	Lumen	Watt
Blaue LED (ohne Konverter)	0,163	0,020	10,6	0,409

pc-LED-Konfiguration	C_x	C_y	Lumen	Lm/Wo-b
Konverter, beide Seiten geschliffen	0,327	0,290	69	170
Konverter, Austrittsseite „as sintered“	0,356	0,356	78	190

Wie in Tabelle 2 gezeigt, wird bei einer pc-LED-Konfiguration eine noch größere Verbesserung in der Lumenausbeute beobachtet, wenn beide Hauptseiten des Konverters die „as sintered“ Oberflächenschicht aufweisen. Bei diesem Aufbau zeigte die pc-LED-Konfiguration, bei der der Konverter die „as sintered“ Oberflächenschicht nur auf der Leuchtseite (Austrittsseite) aufwies, einen Anstieg von 9 % an Lumen gegenüber der Konfiguration, bei der von dem Konverter die „as sintered“ Oberflächenschicht auf beiden Seiten entfernt wurde. Noch besser zeigte die Konfiguration, bei der der Konverter die „as sintered“ Oberflächenschicht auf beiden Seiten aufwies, einen Anstieg von 16 % an Lumenausbeute gegenüber der Konfiguration, bei der beide Seiten geschliffen wurden, auf. Tabelle 2

pc-LED-Konfiguration	C_x	C_y	Lumen	Lm/Wo-b
Konverter, beide Seiten geschliffen	0,345	0,322	69	187
Konverter, Austrittsseite „as sintered“	0,359	0,362	75	204
Konverter, bei Seiten „as sintered“	0,388	0,415	80	218

8 vergleicht das Emissionsspektrum von einer pc-LED mit einer „as sintered“ YGdAG:Ce-Keramik-Konverterplatte mit den Emissionsspektren von der gleichen Konfiguration, wobei eine oder beide Seiten geschliffen worden sind, um die das Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisende Oberflächenschicht zu entfernen. Der Anstieg an Lumenausbeute für die pc-LEDs, die mit Konvertern hergestellt wurden, die mindestens eine Seite mit der „as sintered“ Oberflächenschicht aufweisen, ist der erhöhten gelben Emission von dem Konverter bei ungefähr 550 nm zuzuschreiben. Dieser Anstieg ist wahrscheinlich eine Kombination aus erhöhter Streuung, die durch das Aluminiumoxid zweiter Phase auf der Oberfläche verursacht wird, was zu einer größeren Konversion des primären blauen Lichts von der LED führt, und einer Reduzierung der Totalreflexion aufgrund von „Aufrauhen“ der Oberfläche durch das Aluminiumoxid zweiter Phase, und insbesondere der Aluminiumoxidkristalliten, von denen beobachtet wurde, dass sie sich auf der Oberfläche der YGdAG:Ce-Wellenlängenkonverter, die mit dem TEOS-Sinterhilfsmittel hergestellt werden, ausbilden.
Obwohl hier zur Zeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrachtete Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, wird der Fachmann verstehen, dass an diesen verschiedene Änderungen und Modifikationen durgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie durch die angehängten Ansprüche definiert, abzuweichen.

Claims

Wellenlängenkonverter, umfassend ein festes monolithisches Stück eines lumineszierenden Keramikmaterials, wobei das Keramikmaterial einen auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoff umfasst, der primäres Licht mit einer ersten Spitzenwellenlänge in sekundäres Licht mit einer zweiten Spitzenwellenlänge konvertieren kann, wobei ein massiver Teil des Konverters im Wesentlichen transparent ist, und der Konverter mindestens eine Hauptoberfläche mit einer ein Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisenden „as sintered“ Oberflächenschicht aufweist.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das Aluminiumoxid zweiter Phase Aluminiumoxidkristallite umfasst.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Oberflächenschicht weniger als ungefähr 50 µm beträgt.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Oberflächenschicht weniger als ungefähr 10 µm beträgt.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei der Konverter eine flache Platte ist.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 5, wobei beide Hauptoberflächen der Platte die ein Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisende „as sintered“ Oberflächenschicht aufweisen.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 5, wobei der Konverter eine Dicke von zwischen 20 µm und 500 µm aufweist.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 5, wobei der Konverter eine Dicke von zwischen 100 µm und 250 µm aufweist.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 2, wobei die Aluminiumoxidkristallite im Größenbereich von ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 25 µm liegen.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 2, wobei die Aluminiumoxidkristallite im Größenbereich von ungefähr 1 µm bis ungefähr 10 µm liegen.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das Aluminiumoxid zweiter Phase zwischen ungefähr 1 bis ungefähr 50 % der Hauptoberfläche abdeckt.
Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, wobei das Aluminiumoxid zweiter Phase zwischen ungefähr 5 bis ungefähr 25 % der Hauptoberfläche abdeckt.
Leuchteinrichtung, umfassend: eine Leuchtdiode, die ein primäres Licht mit einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert, und einen Wellenlängenkonverter, der dazu positioniert ist, das primäre Licht von der Leuchtdiode zu empfangen, wobei der Wellenlängenkonverter ein festes monolithisches Stück aus einem lumineszierenden Keramikmaterial umfasst, wobei das Keramikmaterial einen auf Aluminiumoxid basierenden Leuchtstoff umfasst, der mindestens einen Teil des primären Lichts in sekundäres Licht mit einer zweiten Spitzenwellenlänge konvertieren kann, wobei ein massiver Teil des Konverters im Wesentlichen transparent ist, und der Konverter mindestens eine Hauptoberfläche mit einer ein Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisenden „as sintered“ Oberflächenschicht aufweist.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei der Konverter eine flache Platte ist und beide Hauptoberflächen der Platte die ein Aluminiumoxid zweiter Phase aufweisende „as sintered“ Oberflächenschicht aufweisen.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei der Konverter eine flache Platte ist und eine Dicke von zwischen 20 µm und 500 µm aufweist.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei das Aluminiumoxid zweiter Phase Aluminiumoxidkristallite umfasst.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei der auf Aluminiumoxid basierende Leuchtstoff durch eine allgemeine Formel A₃B₅O₁₂:Ce dargestellt ist, wobei A Y, Sc, La, Gd, Lu, oder Tb ist und B Al, Ga oder Sc ist.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei der auf Aluminiumoxid basierende Leuchtstoff aus Y₃Al₅O₁₂:Ce, (Y, Gd)₃Al₅O₁₂:Ce, Tb₃Al₅O₁₂:Ce und Lu₃Al₅O₁₂:Ce ausgewählt ist.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei das Aluminiumoxid zweiter Phase zwischen ungefähr 1 bis ungefähr 50 % der Hauptoberfläche abdeckt.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei das Aluminiumoxid zweiter Phase zwischen ungefähr 5 bis ungefähr 25 % der Hauptoberfläche abdeckt.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei eine Dicke der Oberflächenschicht weniger als ungefähr 50 µm beträgt.
Leuchteinrichtung nach Anspruch 13, wobei eine Dicke der Oberflächenschicht weniger als ungefähr 10 µm beträgt.