DE112019005817T5

DE112019005817T5 - Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE112019005817T5
Application number: DE112019005817.7T
Authority: DE
Inventors: Zhengbo Yu; Hiroaki Miyagawa
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-08-05
Also published as: KR20210066929A; US20200161507A1; WO2020104546A1; KR102606173B1; US10873009B2; JP2022511421A

Abstract

Eine keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung (100; 200) hat eine Schichtstruktur. Die keramische Wellenlängenkonverter Anordnung (100; 200) beinhaltet zwei erste Schichten (101; 201) umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial; zwei zweite Schichten (102; 202) umfassend ein Barrierematerial und wobei sie zwischen den zwei ersten Schichten (101; 201) angeordnet sind; und eine dritte Schicht (103; 203) umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial und wobei sie zwischen den zwei zweiten Schichten (102; 202) angeordnet ist. Die zwei ersten Schichten (101; 201) beinhalten das undotierte Wirtsmaterial und die dritte Schicht (103; 203) umfasst das dotierte Wirtsmaterial, oder die zwei ersten Schichten (101; 201) beinhalten das dotierte Wirtsmaterial und die dritte Schicht (103; 203) umfasst das undotierte Wirtsmaterial.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft keramische Wellenlängenkonverter-Anordnungen und Licht emittierende Vorrichtungen umfassend keramische Wellenlängenkonverter-Anordnungen.
Hintergrund
Eine LED (Licht emittierende Diode) basierend auf Leuchtstoffen kombiniert oft einen Blaulicht emittierenden InGaN Chip mit einem gelben Oxidkonverter, wie YAG:Ce(Gd) Leuchtstoff Keramiken unter dem Kompromiss von Kosten, Effizienz und CRI (Farbwiedergabeindex). Derzeit, für Weißlicht LEDs verwendete keramische Konverter sind YAG:Ce(Gd) Keramiken für eine hohe interne Quanteneffizienz (IQE) und hohe Lumen. YAG:Ce(Gd) keramische Konverter die derzeit verwendet werden sind normalerweise mit Gd (von 1 bis 20 at.%) zur Farbsteuerung dotiert. Seine kubische Kristallstruktur und sein hoher Diffusionskoeffizient vermitteln eine leichtere Verdichtung bei angemessenen Temperaturen und bieten den Vorteil eine hohe Transparenz zu erreichen.
Mit den immer weiter steigenden Anforderungen an Anwendungen bei erhöhten Temperaturen mit erhöhter Stromstärke von Hochleistungs-LED, zeigte jedoch YAG:Ce Leuchtstoff dotiert mit Gd ein thermisches Quenchingsproblem bei erhöhten Temperaturen (d.h. >110 °C).
Verschiedene Potenzialmethoden zur Verbesserung der thermischen Quenchingperformance von keramischen Konvertern unabhängig von Bemühungen für das Design der Packages wurden vorgeschlagen wie (1) reduzieren des Dotiergrads von Gd als Dotierstoff oder sogar totales Weglassen davon; und/oder (2) verwenden von höher thermischen leitfähigen Materialien wie eine Matrix in der Form von Kompositen, wie YAG:Ce Leuchtstoff in Al₂O₃, AIN etc. Von diesen keramischen Komposit Konverter Materialien ist YAG:Ce Leuchtstoff in Al₂O₃ Matrix am interessantesten, einfach deshalb da beide Oxide sind und eine sehr gute physikalische und thermische Kompatibilität bei angemessenen Verfahrens-/ Betriebs-Bereichen haben. YAG:Ce(Gd) hat normalerweise eine thermische Leitfähigkeit von 5-9 W m^-1 K^-1, wobei Al₂O₃ eine höhere thermische Leitfähigkeit von ungefähr 22-39 W m^-1 K^-1 bei Raumtemperatur hat, abhängig von den Probenbedingungen.
Das vollständige Eliminieren von Gd aus YAG:Ce(Gd) Leuchtstoff wird das thermische Quenchen signifikant verbessern, um dieselbe gewünschte Farbe in einer einzigen Phasenform zu erreichen erfordert es jedoch auch eine Änderung der derzeitigen Dimensionen eines keramischen Konverters insbesondere signifikant bei der Dicke; z. B. von 120 µm bis ungefähr 30 µm oder darunter, was zu dünn ist, um es in einem normalen Herstellungsverfahren handzuhaben. Somit erscheint das Reduzieren der Menge von Gd-Dotierung in YAG:Ce Leuchtstoff Keramiken ein beeinträchtigtes Verfahren mit einer beeinträchtigten Leistung zu sein.
Verwenden eines Leuchtstoffmaterials, wie YAG:Ce in Al₂O₃ als Matrix kann die thermische Leitfähigkeit verbessern. Auf der anderen Seite resultiert es in eine langsame vorwärts- und Inline-Transmission aufgrund seiner nichtkubischen Kristallstruktur die einen doppelt-brechenden Effekt, kombiniert mit den verbleibenden Poren hervorruft, und den Unterschied von Brechungskoeffizienten zwischen YAG und Al₂O₃ etc., all dies ruft Lichtbrechung hervor welche im Gegenzug signifikant die Inline-Transmission reduziert und somit die Lichtleistung beeinflusst. Um die Sinter-Temperatur zu erhöhen, die Sinter-Verweilzeit zu verlängern oder um eine kleine Menge an flüssiger Phase einzuführen kann die Transluzenz der Kompositmaterialien mit Al₂O₃ Matrix verbessert werden, aber es wird eine Abnahme von IQE (interne Quanteneffizienz) hervorrufen aufgrund der potentiellen chemischen Inkompatibilität (Reaktionen, Defekte, etc.). Spark Plasma Sintering (SPS) und Heißisostatisches Pressen (HIP) wurden auch angewendet um die Verdichtung der Kompositmaterialien zu verstärken. Jedoch führen diese Methoden zu Verdunkelungsproblemen aufgrund der Ofenauskleidungsmaterialien bei hoher Temperatur und reduzierender Atmosphäre etc., somit führt das signifikante Reduzieren der IQE zu einem nicht akzeptablen Wert für die Kommerzialisierung.
US Patent Nr. 9,102,875 beschreibt emittierende keramische Materialien mit einem Ce-Dotierstoffgradienten und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben.
Zusammenfassung
Es ist ein Gegenstand der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung die in LED Anwendungen verwendet werden könnte zur Verfügung zu stellen.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Licht emittierende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die mindestens eine Wellenlängenkonverter-Anordnung der vorliegenden Erfindung umfasst.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung der vorliegenden Erfindung zur Verfügung zu stellen.
Gemäß eines der Gegenstände der Erfindung wird eine keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur zur Verfügung gestellt umfassend zwei erste Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial, zwei zweite Schichten umfassend ein Barrierematerial, wobei sie zwischen den beiden ersten Schichten angeordnet sind, und eine dritte Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial und wobei sie zwischen den zwei zweiten Schichten angeordnet ist, wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst, oder wobei die zwei ersten Schichten das dotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das undotierte Wirtsmaterial umfasst.
Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird eine Licht emittierende Vorrichtung zur Verfügung gestellt umfassend: eine Licht emittierende Struktur die ein primäres Licht mit einer ersten Peak-Wellenlänge emittiert und eine keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung, die so positioniert ist, um das primäre Licht aus der Licht emittierenden Diode zu erhalten, der keramische Wellenlängenkonverter umfassend zwei erste Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial, zwei zweite Schichten umfassend ein Barrierematerial und wobei sie zwischen den zwei ersten Schichten angeordnet sind und eine dritte Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial und wobei sie zwischen den zwei zweiten Schichten angeordnet ist, wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst, oder wobei die zwei ersten Schichten das dotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das undotierte Wirtsmaterial umfasst.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur zur Verfügung gestellt umfassend:

Zurverfügungstellen einer dritten Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial; Aufbringen einer zweiten Schicht umfassend ein Barrierematerial auf der oberen Seite der dritten Schicht und Aufbringen einer zweiten Schicht umfassend ein Barrierematerial auf der unteren Seite der dritten Schicht; Aufbringen von ersten Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial auf jeder der Seiten der zweiten Schichten gegenüber der Seiten die in Kontakt mit der dritten Schicht sind. Die zwei ersten Schichten umfassen das undotierte Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst das dotierte Wirtsmaterial, oder die zwei ersten Schichten umfassen das dotierte Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst das undotierte Wirtsmaterial.

Figurenliste

1 ist ein SEM Bild einer keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung.
2 welche 2A-2D beinhaltet, zeigt SEM Bilder von vier keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen.
3 ist eine Tabelle, die Beispiele von keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen verschiedener Konfigurationen, d.h. unterschiedlicher Dicken der Schichten, unterschiedlicher Sintertemperaturen und Sinterzeiten, zeigt.
4 ist eine Tabelle, die optische Daten, erhalten bei Raumtemperatur, von verschiedenen Beispielen von keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen, zeigt.
5 zeigt die Konversionslinienverschiebung von keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen umfassend undotierte YAG Schichten, eine YAG Schicht dotiert mit Ce mit und ohne die Anwesenheit von Al₂O₃ zweiten Schichten.
6 zeigt die Emissionsspektren von keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen umfassend undotierte YAG Schichten, eine YAG Schicht dotiert mit Ce mit und ohne die Anwesenheit von Al₂O₃ zweiten Schichten.
7 zeigt die Emissionsspektren von Beispiel 1 (Sintertemperatur von 1630 °C), Beispiel 5 (Sintertemperatur von 1650 °C), Beispiel 9 (Sintertemperatur von 1700 °C) und Beispiel 13 (Sintertemperatur von 1750 °C).
8 zeigt die Emissionsspektren der Beispiele 1, 5, 9 und 13 und eine Blau-Grün-Verschiebung mit einer Erhöhung der Sintertemperatur.

Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Gegenständen, Vorteilen und Möglichkeiten davon, wird auf die folgende Offenbarung und beigefügten Patentansprüchen zusammen mit den oben beschriebenen Zeichnungen verwiesen.
Verweise auf die Farbe des Leuchtstoffes, der LED, oder Konverter-Material beziehen sich im Allgemeinen auf ihre Emissionsfarbe sofern nicht anders spezifiziert. Somit emittiert eine blaue LED blaues Licht, ein gelber Leuchtstoff emittiert ein gelbes Licht usw.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung gerichtet, mit einer Schichtstruktur, umfassend zwei erste Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial, zwei zweite Schichten umfassend ein Barrierematerial, und wobei sie zwischen den beiden ersten Schichten angeordnet sind, und eine dritte Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial und wobei sie zwischen den zwei zweiten Schichten angeordnet ist, wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst, oder wobei die zwei ersten Schichten das dotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das undotierte Wirtsmaterial umfasst.
In einer Ausführungsform umfassen die zwei ersten Schichten ein dotiertes Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst ein undotiertes Wirtsmaterial.
In einer alternativen Ausführungsform umfassen die zwei ersten Schichten ein undotiertes Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst ein dotiertes Wirtsmaterial.
Wie hierin verwendet ist ein Wellenlängenkonverter eine feste Struktur die zumindest einen Teil des Lichts einer bestimmten ersten Wellenlänge in Licht einer bestimmten zweiten Wellenlänge konvertiert. Eine Anordnung ist der Verbund von verschiedenen Materialien. Im Allgemeinen ist eine keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung ein Verbund von verschiedenen Materialien umfassend mindestens ein keramisches Material, um zumindest einen Teil des Lichts einer bestimmten ersten Wellenlänge in Licht einer bestimmten zweiten Wellenlänge zu konvertieren.
Die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung der vorliegenden Erfindung hat eine Schichtstruktur, die auch als Sandwichstruktur aufgefasst werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wirtsmaterial ein anorganisches kristallines oder polykristallines Material. Typische Wirtsmaterialien sind Oxide, Nitride und Oxynitride, Sulfide, Selenide, Halide oder Silikate von Zink, Cadmium, Mangan, Aluminium, Silizium oder verschiedene Seltenerdmetallen. Ein dotiertes Wirtsmaterial ist ein anorganisches kristallines oder polykristallines Material, das ein Element, d.h. einen Dotierstoff, in dem kristallinen oder polykristallinen Material umfasst. Ein undotiertes Wirtsmaterial ist ein Wirtsmaterial das keinen Dotierstoff umfasst, d.h. weniger als 0,01 at%, vorzugsweise weniger als 0,001 at% des Dotierstoffs in dem Wirtsmaterial, weiter bevorzugt 0 at% das Dotierstoffs in dem Wirtsmaterial.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein dotiertes Wirtsmaterial ein Leuchtstoff. Ein Leuchtstoff ist ein Material das Licht einer bestimmten ersten Wellenlänge in Licht einer bestimmten zweiten Wellenlänge konvertiert.
Die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung umfasst zwei erste Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial z. B. undotiertes YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), oder ein dotiertes Wirtsmaterial (z. B. dotiertes YAG). In einer Ausführungsform können die ersten Schichten Unterschichten umfassen, z. B. eine erste Schicht kann zwei, drei, vier oder mehr Schichten, sogenannte Unterschichten, umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur die Kombination aus undotiertem und dotiertem YAG in den ersten Schichten und der dritten Schicht. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur die Kombination aus dotiertem YAG mit verschiedenen Dotiergraden in Atomprozenten in den ersten Schichten und der dritten Schicht.
Erste Wellenlängen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Wellenlängen zwischen 300 nm bis 570 nm. In einer Ausführungsform sind die ersten Wellenlängen zwischen 350 nm bis 500 nm. In einer weiteren Ausführungsform sind die ersten Wellenlängen zwischen 420 nm bis 480 nm.
Strukturen die Licht einer ersten Wellenlänge herstellen können sind z. B. InGaN oder GaN Chips, oder Festkörperlaserdioden.
Zweite Wellenlängen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Wellenlängen zwischen 350 nm bis 800 nm. In einer Ausführungsform sind die zweiten Wellenlängen zwischen 380 nm bis 750 nm. In einer weiteren Ausführungsform sind die zweiten Wellenlängen zwischen 400 nm bis 700 nm. In einer weiteren Ausführungsform ist Licht der zweiten Wellenlänge weißes Licht.
In einer Ausführungsform sind die Leuchtstoffe anorganische Verbindungen. Beispielhafte Leuchtstoffe sind Granate, Oxynitridosilikate, Perovskite, Quantenpunkte, Silikate oder Kombinationen davon, jeweils dotiert mit mindestens einem geeigneten Element. Ein bevorzugter Leuchtstoff ist dotierter Granat, wobei der Dotierstoff Ce ist.
Die Leuchtstoffe können mit verschiedenen Aktivatoren, d.h. Dotierstoffen, dotiert sein. Dotieren im Zusammenhang mit Leuchtstoffen bedeutet die Einführung von Verunreinigungen (Dotierstoffen) in die Kristallstruktur des Wirtsmaterials. Dotierstoffe können Metallionen, wie Ce³⁺, Gd³⁺, Eu²⁺ sein, wobei Ce³⁺ in Abhängigkeit der Anwendungen bevorzugt ist. Die Menge an Dotierstoffen in der Kristallstruktur kann in einem breiten Bereich variieren. Typische Mengen an Dotierstoffen sind 0,01 at% bis zu 20 at%. Die Mengen an Dotierstoff hängen von optischen Eigenschaften des finalen Produkts wie des Farbpunkts, dem thermischen Quenchen und der Farbtemperatur etc. ab.
Beispielhafte Leuchtstoffe sind YAG:Ce, YAG:Ce (Gd), LuAG:Ce, LuAG:Ce(Gd), SrSi₂O₂N₂:Eu, SiAION:Eu etc.
In einer Ausführungsform kann YAG:Ce mit mindestens 4% Gd dotiert sein. In alternativen Ausführungsformen kann YAG:Ce mit mindestens 6% Gd dotiert sein.
In einer Ausführungsform ist die Menge an Dotierstoffen in der keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung mindestens 0,8 at%.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Unterschied zwischen der Menge des Dotierstoffs in der/den Schicht(en) mit dem dotierten Wirtsmaterial und der/den Schicht(en) mit dem undotierten Wirtsmaterial mindestens 0,7 at%.
Die dritte Schicht kann auch als Zentral- oder Mittelschicht der Anordnung verstanden werden. Die dritte Schicht kann mehr als eine Schicht umfassen. In einer Ausführungsform kann die dritte Schicht zwei, drei, vier oder mehr Schichten, sogenannte Unterschichten, umfassen. Die dritte Schicht kann das undotierte Wirtsmaterial, oder das dotierte Wirtsmaterial umfassen.
In einer Ausführungsform ist eine von den ersten Schichten und der dritten Schicht dotiert und die andere(n) ist/sind undotiert. Mit anderen Worten, die ersten Schichten können dotierte Wirtsmaterialien umfassen und die dritte Schicht kann undotiertes Wirtsmaterial umfassen. In einem Aspekt dieser Ausführungsform ist das dotierte und das undotierte Wirtsmaterial von derselben Verbindungsklasse abgeleitet. Z. B. umfassen die ersten und dritten Schichten Granat, wie YAG als undotiertes Wirtsmaterial und YAG:Ce als dotiertes Wirtsmaterial.
In einer alternativen Ausführungsform können die ersten Schichten undotiertes Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht umfasst dotiertes Wirtsmaterial. In einem Aspekt dieser Ausführungsform ist das dotierte und das undotierte Wirtsmaterial von derselben Verbindungsklasse abgeleitet. Z. B. umfassen die ersten und dritten Schichten Granatverbindungen, wie YAG als undotiertes Wirtsmaterial und YAG:Ce (Gd) als dotiertes Wirtsmaterial.
In einer alternativen Ausführungsform können die ersten und dritten Schichten beide dotiertes Wirtsmaterial, jedoch mit unterschiedlichen Dotiergraden, umfassen. In einem Aspekt dieser Ausführungsform sind die beiden dotierten Wirtsmaterialien von derselben Verbindungsklasse abgeleitet. Z. B. umfassen die ersten und dritten Schichten Granatverbindungen.
Weitere Beispiele von undotierten Wirtsmaterial- und dotierten Wirtsmaterialpaaren sind von derselben Verbindungsklasse, z. B. sind die zwei ersten Schichten komplett undotiert wie YAG und die dritte Schicht ist dotiert mit Ce wie YAG:Ce.
In einer Ausführungsform sind die erste(n) und/oder dritte(n) Schicht(en) vollständig aus dem Wirtsmaterial hergestellt. In dieser Ausführungsform liegt das Wirtsmaterial in der Form eines Kristalls, oder in der Form eines gesinterten keramischen Materials vor. Das gesinterte keramische Material kann ferner eine Sinterhilfe umfassen.
In einer Ausführungsform sind die Wirtsmaterialien eine Mischung von verschiedenen Wirtsmaterialien.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Wirtsmaterialien Partikel, Plättchen, oder elongierte Kristalle, die in einem Matrixmaterial eingebettet sind. Die Matrixmaterialen könnten Oxide sein. Eine beispielhafte Ausführungsform des Matrixmaterials ist Al₂O₃.
In einer Ausführungsform hat jede der ersten Schichten eine Dicke von 0,1 µm bis 100 µm. In einer bevorzugten Ausführungsform hat jede der ersten Schichten eine Dicke von 1 µm bis 50 µm. In einer bevorzugteren Ausführungsform hat jede der ersten Schichten eine Dicke von 3 µm bis 40 µm. In einem Aspekt der Ausführungsform hat jede der ersten Schichten dieselbe Dicke. In einem alternativen Aspekt der Ausführungsform hat jede der ersten Schichten eine unterschiedliche Dicke.
In einer Ausführungsform hat die dritte Schicht eine Dicke von 0,1 µm bis 100 µm. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die dritte Schicht eine Dicke von 1 µm bis 50 µm. In einer bevorzugteren Ausführungsform hat die dritte Schicht eine Dicke von 3 µm bis 30 µm. In einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die dritte Schicht mehr als eine Schicht, wobei jede der Schichten dieselbe Dicke hat. In einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die dritte Schicht mehr als eine Schicht, wobei jede der Schichten eine unterschiedliche Dicke hat.
Die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur umfasst auch zwei zweite Schichten umfassend ein Barrierematerial und wobei sie zwischen den zwei ersten Schichten angeordnet sind. In einer Ausführungsform separieren die zweiten Schichten die ersten Schichten vollständig voneinander. In einer weiteren Ausführungsform separieren die zweiten Schichten die ersten Schichten vollständig von der dritten Schicht.
In dem Kontext der vorliegenden Erfindung ist ein Barrierematerial, welches vorzugsweise keinen Kristall mit einem Dotierstoff bilden kann, ein Material das zumindest teilweise oder vollständig das Eindringen des Dotierstoffs aus der/den Schicht(en) umfassend das dotierte Wirtsmaterial an die Schicht(en) umfassend die undotierten Wirtsmaterialien verhindert.
Die zweiten Schichten fungieren als Barriereschichten. Die Barriereschichten verhindern in Vorteilhafterweise komplett oder zumindest teilweise das Vermitteln des Dotierstoffs von den ersten in die dritte Schicht(en) oder von der dritten in die ersten Schichten. In einer Ausführungsform umfassen die Barriereschichten das Barrierematerial. In einer alternativen Ausführungsform bestehen die Barriereschichten aus dem Barrierematerial.
In einer Ausführungsform umfassen oder bestehen die zweiten Schichten aus ein(em) transparentes/en oder hoch transluzentes/en Material, d.h. das hereinkommende Licht kann ohne oder mit nahezu ohne Wegfall von Licht durchqueren. In einer Ausführungsform umfassen oder bestehen die zweiten Schichten aus ein(em) anorganisches/en Material. In einer Ausführungsform umfassen oder bestehen die zweiten Schichten aus ein(em) Metalloxid.
Beispielhafte Materialien von zweiten Schichten sind Al₂O₃, SiO₂, oder MgAl₂O₄ etc.
In einer Ausführungsform umfassen die zweiten Schichten Al₂O₃. In einer Ausführungsform bestehen die zweiten Schichten aus Al₂O₃.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht jede der zweiten Schichten aus dasselbe/demselben Material. In einer alternativen Ausführungsform umfasst oder besteht jede der zweiten Schichten aus unterschiedliche(n) Materialien.
In einer Ausführungsform können die zweiten Schichten Unterschichten umfassen, z.B. kann eine zweite Schicht zwei, drei, vier oder mehr Schichten, sogenannte Unterschichten, umfassen.
In einer Ausführungsform hat jede der zweiten Schichten eine Dicke von 0,1 µm bis 100 µm. In einer bevorzugten Ausführungsform hat jede der zweiten Schichten eine Dicke von 1 µm bis 50 µm. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform hat jede der zweiten Schichten eine Dicke von 3 µm bis 20 µm. Die Dicke ist vorzugsweise derart ausgewählt, um die Diffusion des Dotierstoffs von der/den Schicht(en) mit dem dotierten Wirtsmaterial in die Schicht(en) mit dem undotierten Wirtsmaterial zu verhindern.
In einer Ausführungsform umfasst die keramische Wellenlängenkonverter Anordnung mehr Schichten. In einem Aspekt dieser Ausführungsform könnte jede der ersten Schichten 2 Schichten, 3 Schichten, 4 Schichten oder sogar mehr Schichten umfassen. In einem Aspekt dieser Ausführungsform sind die ersten Schichten undotierte Wirtsmaterialschichten. In einem alternativen Aspekt sind die ersten Schichten dotierte Wirtsmaterialschichten. In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform umfassen die ersten Schichten jeweils unterschiedliche dotierte Wirtsmaterialien, die die Konversion von Licht einer bestimmten ersten Wellenlänge in eine zweite Wellenlänge erlauben. Mit der Verwendung von verschiedenen Konversionsmaterialien ist die Anpassung der Farbe des emittierten Lichts möglich.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die dritte Schicht der keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung 2 Schichten, 3 Schichten, 4 Schichten oder sogar mehr Schichten. In einem Aspekt dieser Ausführungsform sind die dritten Schichten undotierte Wirtsmaterialschichten. In einem alternativen Aspekt sind die dritten Schichten dotierte Wirtsmaterialschichten. In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform umfassen die dritten Schichten jeweils unterschiedliche dotierte Wirtsmaterialien, die die Konversion von Licht einer bestimmten ersten Wellenlänge in eine zweite Wellenlänge erlauben. Mit der Verwendung von unterschiedlichen Konversionsmaterialien ist die Anpassung der Farbe des emittierten Lichts möglich. In einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung undotierte erste Schichten und dotierte dritte Schichten. In einem alternativen Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung dotierte erste Schichten und undotierte dritte Schichten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Licht emittierende Vorrichtung umfassend: eine Licht emittierende Struktur (Licht emittierendes Mittel), die ein primäres Licht mit einer ersten Peak Wellenlänge emittiert und eine, die so angeordnet ist, um das primäre Licht der Licht emittierenden Struktur aufzunehmen, wobei der keramische Wellenlängenkonverter zwei erste Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial, zwei zweite Schichten umfassend ein Barrierematerial und wobei sie zwischen den zwei ersten Schichten angeordnet sind und eine dritte Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial und wobei sie zwischen den zwei zweiten Schichten angeordnet sind, umfasst, wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst, oder wobei die zwei ersten Schichten das dotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das undotierte Wirtsmaterial umfasst.
Die Licht emittierende Struktur, die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung, die ersten Schichten, die zweiten Schichten und die dritte Schicht, das Barrierematerial genauso wie das Leuchtstoffmaterial können den entsprechenden Mitteln und Materialien wie sie oben beschrieben wurden entsprechen.
In einer Ausführungsform ist das Barrierematerial der Licht emittierenden Vorrichtung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, MgAl₂O₄, etc.. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Barrierematerial der Licht emittierenden Vorrichtung Al₂O₃.
In einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff der Licht emittierenden Vorrichtung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Granat, LuAG:Ce (Gd) etc.. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leuchtstoff der Licht emittierenden Vorrichtung YAG:Ce.
In einer weiteren Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung, sind die ersten Schichten undotiertes YAG. in einer weiteren Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung ist das dotierte Wirtsmaterial YAG:Ce.
In einer Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung bestehen die ersten Schichten aus YAG. In einer weiteren Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung bestehen die ersten Schichten aus YAG:Ce.
In einer Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung, besteht die dritte Schicht aus YAG. In einer weiteren Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung besteht die dritte Schicht aus YAG:Ce.
In einer Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung bestehen die ersten Schichten aus undotiertem Wirtsmaterial (z.B. YAG:Ce) und die dritte Schicht besteht aus dotiertem Wirtsmaterial (z.B. YAG:Ce). In einer alternativen Ausführungsform der Licht emittierenden Vorrichtung bestehen die ersten Schichten aus dotierten Wirtsmaterial (z.B. YAG:Ce) und die dritte Schicht besteht aus undotiertem Wirtsmaterial (z.B. YAG). In einem Aspekt dieser Ausführungsformen bestehen die zweiten Schichten, die als Barriereschichten fungieren, aus einem Metalloxid (z.B. Al₂O₃).
In manchen Ausführungsformen sind die Licht emittierenden Vorrichtungen mit mindestens einer Schicht aus SiO₂, Al₂O₃, oder Kombinationen davon beschichtet.
Die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung kann in jeglicher Licht emittierenden Vorrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, nützlich sein. Die Licht emittierenden Vorrichtungen umfassend die keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen oder Licht emittierenden Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind in verschiedenen Anwendungen nützlich. Beispielhafte Anwendungen der Licht emittierenden Vorrichtungen sind in der Automobilindustrie, in Haushalt-Anwendungen, bei der allgemeinen Beleuchtung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur umfassend: Bereitstellen einer dritten Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial; Aufbringen einer zweiten Schicht umfassend ein Barrierematerial auf den oberen Seite der dritten Schicht und aufbringen einer zweiten Schicht umfassend ein Barrierematerial auf der unteren Seite der dritten Schicht; aufbringen von ersten Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial auf jeder der Seiten der zweiten Schichten die gegenüber der Seiten sind die in Kontakt mit der dritten Schicht sind. Die zwei ersten Schichten umfassen das undotierte Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst das dotierte Wirtsmaterial, oder die zwei ersten Schichten umfassen das dotierte Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst das undotierte Wirtsmaterial.
In einer alternativen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wellenlängenkonverter Anordnung mit einer Schichtstruktur zur Verfügung, die obere und untere erste Schichten, obere und untere zweite Schichten und eine dritte Schicht beinhaltet. Das Verfahren umfasst das Bilden der unteren zweiten Schicht auf einer oberen Seite der unteren ersten Schicht; das Bilden der dritten Schicht auf einer oberen Seite der unteren zweiten Schicht; das Bilden der oberen zweiten Schicht auf einer oberen Seite der dritten Schicht; und das Bilden der oberen ersten Schicht auf einer oberen Seite der oberen zweiten Schicht. Die oberen und unteren zweiten Schichten umfassen Barriereschichten die oberen und unteren ersten Schichten umfassen ein undotiertes Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst ein dotiertes Wirtsmaterial, oder die oberen und unteren ersten Schichten umfassen das dotierte Wirtsmaterial und die dritte Schicht umfasst das undotierte Wirtsmaterial.
Der keramische Wellenlängenkonverter, die ersten Schichten, die zweiten Schichten und die dritte Schicht, das Barrierematerial genauso wie die Wirtsmaterialien können den entsprechenden Mitteln und Materialien wie oben beschrieben entsprechen.
Das Aufbringen der Schichten kann durch einen herkömmlichen Foliengießprozess bestehend aus den Verfahren wie Foliengieß-, Stanz-, Laminier-, Loch- etc. Prozessen durchgeführt werden.
1 zeigt ein SEM Bild einer keramischen Konverter-Anordnung 100 der vorliegenden Erfindung. Die keramische Konverter-Anordnung 100 hat eine Dicke von 60 µm bis 300 µm, in einer bevorzugten Ausführungsform von 90 µm bis 250 µm. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die keramische Konverter-Anordnung 100 eine plättchenartige Form, wobei sie nicht darauf beschränkt ist. Die keramische Konverter-Anordnung 100 der 1 zeigt die Schichtstruktur, die auch als Sandwichstruktur charakterisiert werden kann.
Die keramische Konverter-Anordnung 100 umfasst zwei erste Schichten 101 eines undotierten YAG. Die Dicke der ersten Schichten 101 gezeigt in 1 ist ungefähr 35 µm. Im Zentrum der keramischen Wellenlängenkonverter Anordnung 100 ist eine Ce-dotierte YAG dritte Schicht 103. Die Dicke der dritten Schicht 103 ist ungefähr 14 µm. Die dritte Schicht 103 kann auch mit 0,1 at% bis 20 at% Gd dotiert sein. Die keramische Konverter-Anordnung 100 umfasst ferner zwei zweite Schichten 102, die als Barriereschichten agieren können. Die zweiten Schichten 102 haben jeweils eine Dicke von ungefähr 12 µm, in einer bevorzugten Ausführungsform haben Sie eine Dicke von 5 µm bis 10 µm. Aufgrund der kleinen Dicke der zweiten Schichten 102 kann ein ungewünschtes oder exzessives Streuen vermieden werden.
Die Dicke der zweiten Schichten 102 ist so ausgewählt um die Diffusion des Dotierstoffs aus der/den dotierten Schicht(en) in die undotierte(n) Schicht(en) gerade zu eliminieren. Somit kann auch eine hohe vorwärts Transmission von einem gewünschten Level erhalten werden. Die zweiten Schichten 102 können aus Al₂O₃ bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform separieren die zweiten Schichten 102 vollständig die dritte Schicht 103 von den ersten Schichten 101. In einer weiteren Ausführungsform ist die dritte Schicht 103 die undotierte YAG Schicht und die ersten Schichten 101 sind die dotierten YAG (entweder dotiert mit Ce³⁺ oder Gd³⁺ oder ihrer Kombination) Schichten.
Die Konfiguration, die in 1 präsentiert wird erlaubt eine reduzierte Gd Dotierung oder sogar eine komplette Eliminierung einer Gd Dotierung was den Materialien exzellentes thermisches Quenchen bei erhöhten Temperaturen erlaubt (z. B. ungefähr 4 % höher in der Helligkeit bei 110 °C als YAG:Ce dotiert mit 15% Gd). Die dünnen Al₂O₃ Schichten dienen als Barriereschichten, um Ce Diffusion aus der zentralen YAG:Ce Schicht in die undotierten YAG Schichten bei Sintertemperaturen zu verhindern, um die Farbsteuerung vereinfacht zu halten während zur selben Zeit die thermische Leitfähigkeit verbessert wird und den undotierten YAG Schichten eine höhere Transparenz mit minimalstem Streuen zu erlauben. Durch Kombination der verschiedenen Dicken der verschiedenen Schichten kann das Streuverhalten der Sandwichstrukturierten keramischen Materialien auf das gewünschte Level zurecht geschnitten werden, welches die höchste Helligkeit bei sowohl Raumtemperatur als auch erhöhten Temperaturen erzeugt. Somit verbessert diese Erfindung die Helligkeit sowohl bei Raumtemperatur (25 °C) als auch bei erhöhter Temperatur (z.B. bis zu 150 °C) und stellt sogar eine Lösung für Anwendungen bei Hochleistungsintensität zur Verfügung bei denen hoher Durchfluss/ Leistungs-Intensität angewendet wird.
Die Trennung der dritten Schicht 103 von den zwei ersten Schichten 101 erlaubt die komplette Eliminierung von Dotierung aus der Schicht mit dem dotierten Wirtsmaterial in die Schicht mit dem undotierten Wirtsmaterial. In beispielhaften Ausführungsformen mit YAG:Ce(Gd) als dotiertes Wirtsmaterial kann die Schicht mit dem dotierten Wirtsmaterial in der Dicke reduziert werden. In diesen Ausführungsformen kann die Gesamtdicke der keramischen Wellenlängenkonverter Anordnung durch die Anpassung der Kombinationen der zweiten Schichten und der Schicht(en) mit dem undotierten Wirtsmaterial gebildet werden. Diese beispielhaften Ausführungsformen können mit einem herkömmlichen Foliengießprozess hergestellt werden.
Die komplette Eliminierung von der Gd³⁺ Dotierung, entweder in den ersten Schichten 101 oder der dritten Schicht 103 wird auch die höchste thermische Quenchingperformance der Materialien bei erhöhten Temperaturen, sogar bei 150 °C vermitteln. Das Aufbringen von zweiten Schichten 102 dient nicht nur als eine Barriereschicht um die Dotierstoff-Diffusion aus der/den Schicht(en) mit dem dotierten Wirtsmaterial in die Schicht(en) mit dem undotierten Wirtsmaterial zu verhindern. Die Einführung der zweiten Schichten 102 kann also die thermische Leitfähigkeit der keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung verbessern und somit die thermische Performance verbessern. Die Anwendung von sowohl zweiten Schichten 102 als auch Schicht(en) mit undotiertem Wirtsmaterial bietet nicht nur Mittel an, um die Dicke der Gesamtdicke der Sandwich keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung anzupassen, sondern stellt auch die Mittel zur Verfügung, um das Streuen der Sandwichteile zu höchster Helligkeit mit konstruierter Vorwärtsstreuung zur Verfügung zu stellen. Der sandwichartig strukturierte keramische Konverter bietet einen kosteneffizienten Weg welcher derzeit zu den Prozessen im großen Maßstab vergleichbar ist.
2A-2D zeigen SEM Bilder von vier Beispielen A, B, C bzw. D von keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen 200 der vorliegenden Erfindung. „A“ zeigt Proben von Beispielen 1, 5, 9 und 13, „B“ zeigt Proben von Beispiel 2, 6 und 10, „C“ zeigt Proben von Beispielen 3, 7 und 11 und „D“ zeigt Proben von 4, 8 und 12. 201 stellt in jeder der Bilder die ersten Schichten dar. 202 stellt in jeder der Bilder die zweiten Schichten dar. 203 stellt in jeder der Bilder die dritten Schichten dar.
Die Dicken der Schichten, die Konfigurationen, die Sintertemperaturen, die Sinterzeiten und die Sinteratmosphäre für Beispiele A, B, C und D sind in 3 und 4 angegeben. Die Schichtdicken wurden mit Abweichungen von ± 3 µm gemessen.
4 zeigt Daten für Beispiele 1 bis 12, keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung mit Schichtstrukturen von vier verschiedenen Konfigurationen der 2 und 3 wurden bei verschiedenen Temperaturen, z.B. 1630 °C, 1650 °C und 1700 °C, 1750 °C gesintert. Ausgewählte keramische Wellenlängenkonverter-Anordnungen wurden in ein Oslon Black Flat (OBF) Paket mit TiO₂ Beschichtung (Chip Wellenlänge ungefähr 449 nm) montiert. Chromatizitätsdaten (Cx, Cy), optische Performance - Helligkeit (Lumen) der Beispiele 1 bis 12 wurden unter Verwendung einer inhouse designten Umgebung erhalten.
5 zeigt die Konversionen (Cx, Cy) Farbpunkt (Dreieckzeichen) von keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen mit einer dritten Schicht von YAG dotiert mit 2% Ce angepasst an die Referenzkonversionslinie (gestrichelte Linie).
Das Kreiszeichen (o) mit einer gestrichelten Linie bezieht sich auf einen anvisierten Referenzleuchtstoff. Das Dreieckszeichen (Δ) bezieht sich auf die Konversionslinie (Cx, Cy) einer keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung umfassend zwei zweite Schichten von Al₂O₃ von 24 µm, die eine Konversion von dem Licht an oder nahe der Konversionslinie des anvisierten Referenzleuchtstoffs zeigt. Dies zeigt, dass es keine Diffusion des Ce Dotiertstoffs aus der dotierten Schicht in die undotierte YAG Schicht gibt (oder die Diffusion ist zu niedrig um zu detektiert zu werden). Das Viereckzeichen (□) bezieht sich auf die Konversionslinie (Cx, Cy) einer keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung ohne eine Barriereschicht von Al₂O₃, die eine Verschiebung in grün zeigt, hervorgerufen durch die Ce Diffusion in das undotierte YAG. Die keramischen Konverter mit Schicht-Sandwichstruktur wurden bei 1630 °C, 1650 °C und 1680 °C für 1 Stunde gesintert. Die Daten wurden mit einem Inhouse Testgerät erhalten.
6 zeigt das Konversionsspektrum von keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnungen mit und ohne zweite Schichten von Al₂O₃ die als Barriereschicht fungieren. Die gestrichelte Linie stellt die Spektren einer Wellenlängenkonverter-Anordnung mit zweiten Schichten von Al₂O₃ dar, die dünne durchgezogene Linie stellt die Spektren einer Wellenlängenkonverter-Anordnung ohne zweite Schichten von Al₂O₃ gegenüber dem spektralen Ziel dar (dicke durchgezogene Linie). Die Daten in 6 bestätigen ferner die Konversionslinienverschiebung hervorgerufen durch die Diffusion von Ce³⁺ aus der dotierten Schicht in die undotierte Schicht wenn keine Al₂O₃ Schicht vorhanden ist.
7 und 8 zeigen die Emissionsspektren von Beispielen 1, 5, 9 und 13. Abhängig von der Temperatur, sind die emittierte Wellenlänge und die Emissionsintensität leicht beeinflusst.
Beispiele
Startpulver:

YAG:Ce Leuchtstoff (für die Zentralschicht, d.h. dritte Schicht)
YAG:Ce (Gd) Leuchtstoff für die Zentralschicht kann wie unten angegeben in zwei Weisen erhalten werden:
Vorsynthetisiert vor Sintern
Phase: kubische Kristallphase >95% (oder weniger als 5 Vol.% falls irgendeine Gd-reiche Phase vorhanden ist)
Ce Dotiergrad: 0,05%-8%, bevorzugter Grad 0,1%-4%
Partikelgröße: d₅₀ 0,01 µm - 50 µm, und d₉₀ ≤ 30 µm, bevorzugt d₅₀ ca. 01 µm - 20 µm, und d₉₀ ≤ 25 µm
Sinterfähigkeit: hochaktiv und sinterbar
In-situ synthetisiert während des Sinterns durch Mischoxid-Ansatz
Oxide wie Y₂O₃, Al₂O₃, CeO₂ und Gd₂O₃ (falls überhaupt) wurden in das Wiegeverhältnis gemäß YAG:Ce (Gd falls überhaupt) Formulierung wie gewünscht eingewogen; z. B. (Y_xGd_yC2_(1-x-y))₃Al₅O₁₂, wobei x+y<1; 0,7≤x<1; 0≤y<0,3,
Al₂O₃ Pulver (für Barriereschicht, d.h. zweite Schichten)
Phase: Al₂O₃ mit keiner zweiten Phase, >99,5 Gew. % rein.
Partikelgröße: d₅₀ 0,01 µm - 5 µm, und d₉₀ ≤ 10 µm, bevorzugt d₅₀ ca. 0,01 µm - 1 µm, und d₉₀ ≤ 3 µm
Sinterfähigkeit: hochaktiv und sinterbar
Y₂O₃ Pulver (für undotierte Schicht)
Phase: Y₂O₃ mit keiner detektierbaren zweiten Phase, >99,5 Gew. % rein.
Partikelgröße: d₅₀ 0,01 µm - 5 µm, und d₉₀ ≤ 10 µm, bevorzugt d₅₀ ca. 0,01 µm - 1 µm, und d₉₀ ≤ 3 µm
Sinterfähigkeit: hochaktiv und sinterbar

In einer Ausführungsform besteht die sandwichartig strukturierte keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung aus fünf Schichten mit drei Hauptkomponenten wie oben beschrieben. In den Endmaterialien wurden die Schichtdicken nach dem Sintern wie unten angegeben kontrolliert:
YAG:Ce Leuchtstoff Zentral- oder mittlere Schicht mit oder ohne Gd, die Dicken reichen von 1 µm bis 100 µm, vorzugsweise von 3 µm bis 50 µm und mehr bevorzugt von 5 µm bis 40 µm.
Dünne Al₂O₃ Barriereschichten, die beide Seiten der zentralen YAG:Ce Leuchtstoff Schicht bedecken. Die Dicke der Al₂O₃ Barriereschicht ist im Bereich von 0,1 µm bis 50 µm, vorzugsweise von 2 µm bis 40 µm, mehr bevorzugt von 4 µm bis 20 µm.
Undotierte YAG Schichten, die äußersten zwei Schichten - undotierte transparente YAG Schichten. Die Dicke reicht von 0,5 µm bis 200 µm, vorzugsweise von 2 µm bis 100 µm, mehr bevorzugt von 10 µm bis 50 µm.
Die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung kann durch verschiedene herkömmliche Prozesse wie Warmpressen, Kaltisostatisches Pressen (CIP), Foliengießen, Heißpressen (HP), Heißisostatisches Pressen (HIP) etc. als Formgebungs- und/oder Sinterprozesse hergestellt werden.
Jedoch ist ein bevorzugter Formgebungsprozess das herkömmliche Foliengießen, d.h. durch Laminieren der verschiedenen Schichten von verschiedenen Zusammensetzungen und Dicke wie konzipiert, gefolgt durch Stanzen, Vor-Brennen und Sintern. Die gewünschte Form für eine gesinterte keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung kann typischerweise ein Rechteck von ungefähr 1 mm x 1 mm mit einer Dicke von 30 bis 2000 Mikrometer sein. Die Größe könnte so klein wie ein 0,5 mm Rechteck für kleinere Licht emittierende Vorrichtungen sein.
Verdichtung kann entweder durch SPS, druckloses Sintern (PLS) oder andere Sintermethoden wie HIP oder GPS etc. erzielt werden. Die bevorzugte ausgewählte Sintertechnik ist druckloses Sintern. Das Hauptkennzeichen von drucklosem Sintern (PLS) ist seine Einfachheit welche einfach das Einbinden in eine groß angelegten Produktion erlaubt.
In einer Ausführungsform wird die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung auf eine(n) Aluminiumoxidsetzer/-platte platziert, welche/r dann in einen Luftatmosphäre-Ofen platziert wird und unter Verwendung eines typischen Zeit-Temperatur-Zyklus erhitzt wird:

25 °C bis 400 °C für 4 Stunden
400 °C bis 1150 °C für 4 Stunden
Halten bei 1150 °C für eine Zeitdauer von 0,5 bis 2 Stunden
Abkühlen auf 25 °C für 3 Stunden

Dieser thermische Prozess entfernt all die organischen und kohlenstoffhaltigen Spezies einschließlich die organischen Binder die verwendet werden, um die Pulver zusammen zu halten genauso wie die porenbildenden Additivmaterialien, falls irgendwelche gemäß der Produktanforderungen zugegeben sind. Die Haltetemperatur bei 1150 °C ist auch hoch genug, um es den Pulverpartikeln zu erlauben zusammen zu kleben, um den Teilen ausreichend Festigkeit zu geben, um sie im weiteren Prozess zu behandeln. Die porenbildenden Additive werden ausgebrannt und lassen somit Hohlräume zurück die ihre Größen und Formen abbilden. Die vorgebrannten keramischen Platten werden auf Molybdänplatten überführt und werden in einer reduzierten Atmosphäre wie H₂, H₂/N₂, CO, oder Mischungen davon entweder bei Trockenheit oder kontrollierter Feuchtigkeit bei 1500-1825 °C für eine Zeitdauer von 1 Minute bis 2 Stunden bei Peaktemperatur gesintert. Während des Wasserstoffsinterns schrumpfen die Platten, da die keramischen Pulver sintern und die Matrixporosität entfernt wird. Falls die ursprünglichen Pulverpartikelgrößen und mischen/mahlen Bedingungen sorgfältig durchgeführt werden und keine porenbildenden Additive zugegeben werden zu dem Ansatz, wird die Porosität der Sandwichstrukturierten keramischen Konvertermaterialien bei erhöhten Temperaturen auf ein Level reduziert, damit das Teil einen hohen Grad an Transparenz oder Transluzenz aufweist.
Während Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden die derzeit als bevorzugt angesehen werden, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen hier gemacht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie definiert in den angehängten Ansprüchen, abzuweichen. Die Offenbarung umfasst eher jegliches neue Merkmal genauso wie jegliche Kombination von Merkmalen, welche insbesondere jegliche Kombination von Merkmalen in den angehängten Ansprüchen beinhaltet, sogar falls das Merkmal oder die Kombination nicht per se explizit in den Ansprüchen oder den Beispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US Patentanmeldung 16/198,435 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme beinhaltet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9102875 [0007]
US 16198435 [0094]

Claims

Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur, wobei die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung umfasst: zwei erste Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial; zwei zweite Schichten umfassend ein Barrierematerial, und wobei sie zwischen den ersten beiden Schichten angeordnet sind, und eine dritte Schicht umfassend ein undotiertes, oder ein dotiertes Wirtsmaterial und wobei es zwischen den zwei zweiten Schichten angeordnet ist, wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst, oder wobei die zwei ersten Schichten das dotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das undotierte Wirtsmaterial umfasst.
Keramische Wellenlängenkonverter Anordnung nach Anspruch 1, wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst.
Keramische Wellenlängenkonverter Anordnung nach Anspruch 1, wobei das dotierte Wirtsmaterial ein Leuchtstoff ist.
Keramische Wellenlängenkonverter Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Barrierematerial Al₂O₃ ist.
Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das undotierte Wirtsmaterial ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Granat, MgAl₂O₄, Silikaten, Oxynitriden und Nitriden umfasst.
Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das undotierte Wirtsmaterial Granat ist.
Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das dotierte Wirtsmaterial dotiert ist mit Ce, oder Gd, oder einer Kombination davon.
Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das dotierte Wirtsmaterial dotiert ist mit Ce.
Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das dotierte Wirtsmaterial dotiert ist mit mindestens einem Dotierstoff in einer Menge von mindestens 0,8 at%.
Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das dotierte Wirtsmaterial YAG:Ce ist.
Keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das undotierte Wirtsmaterial YAG ist und das dotierte Wirtsmaterial YAG:Ce ist.
Licht emittierende Vorrichtung umfassend: eine Licht emittierende Struktur die ausgebildet ist, um ein primäres Licht mit einer ersten Peak Wellenlänge zu emittieren; und eine keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung, die so positioniert ist um das primäre Licht aus der Licht emittierenden Struktur zu erhalten, die keramische Wellenlängenkonverter-Anordnung umfassend: zwei erste Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial; zwei zweite Schichten umfassend ein Barrierematerial und wobei sie zwischen den zwei ersten Schichten angeordnet sind; und eine dritte Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial und wobei sie zwischen den zwei zweiten Schichten angeordnet ist; wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst, oder wobei die zwei ersten Schichten das dotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das undotierte Wirtsmaterial umfasst.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Barrierematerial Al₂O₃ ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das undotierte Wirtsmaterial ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Granat, MgAl₂O₄, Silikaten, Oxynitriden und Nitriden umfasst.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das undotierte Wirtsmaterial YAG ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das dotierte Wirtsmaterial YAG:Ce ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das undotierte Wirtsmaterial YAG ist und das dotierte Wirtsmaterial YAG:Ce ist.
Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wellenlängenkonverter-Anordnung mit einer Schichtstruktur, die zwei erste Schichten, zwei zweite Schichten und eine dritte Schicht beinhaltet, das Verfahren umfassend: Zurverfügungstellen einer dritten Schicht umfassend ein dotiertes Wirtsmaterial, oder ein undotiertes Wirtsmaterial; Aufbringen einer zweiten Schicht umfassend ein Barrierematerial auf der oberen Seite der dritten Schicht und Aufbringen einer zweiten Schicht umfassend ein Barrierematerial auf der unteren Seite der dritten Schicht; Aufbringen von ersten Schichten umfassend ein undotiertes Wirtsmaterial, oder ein dotiertes Wirtsmaterial auf jeder der Seiten der zweiten Schichten gegenüber der Seiten, die in Kontakt mit der dritten Schicht sind, wobei die zwei ersten Schichten das undotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das dotierte Wirtsmaterial umfasst, oder wobei die zwei ersten Schichten das dotierte Wirtsmaterial umfassen und die dritte Schicht das undotierte Wirtsmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das dotierte Wirtsmaterial ein Leuchtstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Barrierematerial Al₂O₃ ist.