EP1602134A2 - Lumineszenzkonversions-led mit nachleuchteffekt und deren verwendung sowie zugeh riges betriebsverfahren - Google Patents

Lumineszenzkonversions-led mit nachleuchteffekt und deren verwendung sowie zugeh riges betriebsverfahren

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EP1602134A2
EP1602134A2 EP04719919A EP04719919A EP1602134A2 EP 1602134 A2 EP1602134 A2 EP 1602134A2 EP 04719919 A EP04719919 A EP 04719919A EP 04719919 A EP04719919 A EP 04719919A EP 1602134 A2 EP1602134 A2 EP 1602134A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light source
phosphor
led
secondary radiation
source according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04719919A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Rossner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1602134A2 publication Critical patent/EP1602134A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
    • H01L33/502—Wavelength conversion materials

Definitions

  • the invention relates to a light source, comprising at least one LED for emitting primary radiation and at least one phosphor for converting the primary radiation into secondary radiation.
  • a light source comprising at least one LED for emitting primary radiation and at least one phosphor for converting the primary radiation into secondary radiation.
  • the use of the light source and a suitable operating method are specified.
  • a light source of the type mentioned is known for example from DE 196 38 667 C2.
  • the light source is referred to as a luminescence conversion LED.
  • the LED (Light Emitting Diode) of the light source has, for example, a semiconductor layer made of gallium indium nitride as the active layer
  • Wavelength range emitted The LED emits "blue” light.
  • the maximum intensity of the primary radiation is around 450 nm
  • the phosphor is, for example, yttrium aluminum garnet doped or activated with cerium (YAG: Ce, Y3AI5O12: Ce).
  • the phosphor absorbs the primary radiation and emits secondary radiation from a second wavelength range.
  • the phosphor emits "yellow” luminescent light with an intensity maximum that is dependent on the concentration of cerium.
  • the phosphor is embedded in the form of powder particles in an epoxy resin or a low-melting inorganic glass. Serve the epoxy resin or the glass as a matrix of the powder particles.
  • the phosphor of the powder particles is excited to emit the secondary radiation (luminescence).
  • the LED is switched off, no primary radiation and consequently no secondary radiation are emitted.
  • the light from the light source goes out.
  • the light source goes out almost at the same time as the LED is switched off.
  • the light source may be desirable for the light source to continue to emit light even in the event of a power failure.
  • PWM pulse width modulation
  • the object of the present invention is therefore to provide a luminescence conversion LED which emits light over a longer period of time even in the event of a power failure. Further objects of the invention are to provide an energy-saving LED and an LED that is as long-lasting as possible.
  • a light source comprising at least one LED for emitting primary radiation and at least one phosphor for converting the primary radiation into secondary radiation.
  • the light source is characterized in that the secondary radiation at room temperature has a decay time of at least 0.1 sec, preferably at least one second, until the luminescence intensity of the secondary radiation can no longer be perceived by the human eye.
  • Room temperature means a temperature from the range from about 10 ° C to about 30 ° C, but especially a temperature of about 20 ° C.
  • the light source according to the invention emits light even after a failure or interruption in clocked operation of the power supply of the LED. This is achieved in that the secondary radiation of the phosphor has a relatively long decay time.
  • the phosphor of the light source is characterized by a "afterglow effect". After the LED has been switched off and thus after the excitation of the phosphor has ended, the phosphor emits the secondary radiation over a longer period of time. The light source is visible beyond the time the LED is switched off. This applies to any device for detecting the secondary radiation. In particular, this applies to the human eye. Visibility of the light source over a longer period of time is additionally enhanced by adapting the sense of sight.
  • the decay time is preferably from several minutes to several hours.
  • the light source can be used as emergency lighting.
  • the emergency lighting is used, for example, to illuminate any room whose "normal" light source has failed to illuminate.
  • the room is part of an escape route, for example.
  • the escape route can also be displayed in the event of a power failure.
  • a single phosphor can have multiple emitting states.
  • the secondary radiation emanating from these states can differ from one another with regard to the wavelength range of the respective luminescence. If these secondary radiations also have different decay times, the color of the LED changes after the LED is switched off Light source emitted light. It can therefore be advantageous to provide a number of phosphors which are distinguished by a different decay behavior of the secondary radiation, but which emit in the same wavelength range. As a result, the color of the light emitted by the light source almost does not change even when the power supply to the LED is interrupted. The color of the light from the light source remains approximately the same.
  • the phosphor or phosphors can be excited by a single LED to emit the secondary radiation. It is also conceivable that each phosphor is excited separately by an LED with a characteristic primary radiation to emit the corresponding secondary radiation.
  • the light source can have a single LED with associated phosphor. It is also conceivable, in particular, that a plurality of LEDs with associated phosphor are arranged in the form of an array. The same LED-phosphor combination can be used in each case. It is also conceivable that the array is made up of different LED phosphor combinations.
  • the phosphor can be organic or inorganic phosphor. In a special one
  • the phosphor is selected from the group consisting of oxide,
  • Aluminate and / or sulfide phosphor selected. These inorganic phosphors are each using a
  • Wavelength range as well as the decay time of the emission of the
  • the aluminate phosphor has an alkaline earth aluminate with at least one doping selected from the group europium (Eu2 + f Eu ⁇ + ) and / or dysprosium (Dr3 +).
  • the alkaline earth aluminate has, for example, one from the group SrAl2Ü4: Eu 2 +, Dy3 +,
  • CaAl2 ⁇ 4 Eu 2 + , Dy3 +, SrAl ] _4 ⁇ 25: Eu2 +, Dy3 + selected formal
  • a phosphor with the formal composition SrAl2Ü4: Eu 2 +, Dy3 + (doping europium and dysprosium) emits green secondary radiation after excitation by a broadband primary radiation at 450 nm. After 200 minutes, this phosphor still shows 10% residual light.
  • the other phosphors listed emit blue secondary radiation (CaAl2C> 4: Eu2 +, Dy3 +) and blue-green secondary radiation (SrAl ] _4 ⁇ 25: Eu 2 +, Dy3 +).
  • the sulfide phosphor has a zinc sulfide (ZnS) with at least one doping selected from the group consisting of copper (Cu + ) and / or silver (Au + ).
  • ZnS zinc sulfide
  • a formal composition of this phosphor is, for example, ZnS: Ag + , Cu + .
  • the phosphor emits green secondary radiation.
  • the oxide phosphor has an yttrium oxysulfide with at least one doping selected from the group consisting of europium (Eu 2 +, Eu ⁇ +), magnesium (Mg2 +) and / or titanium (Ti 4+ ).
  • a formal composition of this phosphor is, for example, Y2O2S: Eu 3+ , Mg 2+ , Ti 4+ .
  • Fluorescent emits red secondary radiation.
  • the LUKOLED is operated with phosphorescent phosphor by dimming with a suitable duty cycle, with a switch-off time of at least 50 ms.
  • a particularly energy-saving LED can be realized on the one hand by selecting a duty cycle of at least 1: 1000 down to 1: 10000 or even less. Due to the flickering effect on the human eye, conventional Lukoleds are forced to use a duty cycle of 1: 100 at the most. However, the use of suitable storage phosphors offers an elegant way of pushing this threshold further down.
  • a long-life LED can be realized in that the switch-on time and switch-off time are chosen to be significantly longer.
  • Usual previously known values are 5 ms for both phases (switch-on phase and switch-off phase), corresponding to a duty cycle of 50%.
  • the use of storage phosphors offers an elegant possibility to use significantly longer periods of the phases with the same duty cycle, typically at least 50 ms for both phases.
  • the length of the switch-on phase is less important than the number of switching operations per unit of time. Overall, due to the long switch-off phase that is now possible, the number of switching operations can be reduced considerably. This significantly reduces the switching losses in the switch. This reduced load increases the lifespan.
  • Figure 1 shows a light source in the form of a luminescence conversion LED in cross section
  • Figure 2 shows the typical duty cycle of an energy-saving LED
  • Figure 3 shows the typical duty cycle of an LED with a long service life.
  • Figure 4 shows the typical duty cycle of an intermittently operated LED.
  • the light source 1 in FIG. 1 consists of an LED 2 and a luminescence conversion body 3.
  • the luminescence conversion body 3 consists of an epoxy resin, in which powder particles from the phosphor 6 are contained.
  • the epoxy resin forms a matrix for the powder particles.
  • An average grain size of the powder particles is 10 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the LED 2 has a semiconductor layer made of gallium indium nitride. By electrical control, the LED emits blue light (primary radiation 4) with an intensity maximum at around 450 nm.
  • the phosphor 6 is a strontium aluminate which is doped with europium and dysprosium.
  • the formal composition of the phosphor 6 is SrAl2 ⁇ 4: Eu +, Dy3 +.
  • This phosphor 6 shows a broad absorption band at 450 nm.
  • the primary radiation 4 of the LED 2 is absorbed by the phosphor 6 and converted into the secondary radiation 5.
  • the emission of the secondary radiation 5 is green.
  • the phosphor 6 shows a residual light of about 10% at room temperature even 200 minutes after the LED 2 emitting the primary radiation 4 has been switched off. This means that the secondary radiation 5 has a decay time of well over 1 s, within which the luminescence intensity of the secondary radiation 5 decreases by 50%.
  • part of the primary radiation 4 passes through the luminescence conversion body 3 without the Phosphor 6 to be absorbed. However, some is absorbed. As a result, the light of the light source 1 during the operation of the LED 2 results in a mixture of the blue emission of the primary radiation 4 and the green emission of the secondary radiation 5. After the LED 2 is switched off, the light source 1 only sends the green emission of the Secondary radiation 5 of the phosphor 6.
  • the intensity of the primary radiation 4 and the amount of phosphor 6 are matched to one another such that almost no primary radiation 4 passes through the luminescence conversion body 6 even during the electrical activation of the LED 2.
  • the light source 1 emits the green emission of the secondary radiation 5 both during the electrical activation of the LED 2 and after the LED 2 has been switched off.
  • Luminescence conversion body 3 a mixture of the phosphors 6 with the formal compositions CaAl2 ⁇ 4: Eu +, Dy3 + (blue
  • Luminescence SrAl2 ⁇ 4: Eu 2 +, Dy 3 + (green luminescence) and Y2O2S: Eu3 +, Mg2 +, Ti ⁇ + (red luminescence).
  • the phosphors 6 are distinguished by different decay times of the secondary radiation 5. Due to the different decay times, when the LED 2 is switched off, the color of the light from the light source 1 changes over time.
  • the LUKOLED equipped with storage phosphor is operated by means of PWM, with a switch-off duration of at least 50 ms, preferably 200 ms. Due to the sluggishness of the human eye, a duty cycle of 1: 1000, depending on the storage phosphor and its decay time even of 1: 10000 or even higher, is completely sufficient to still give the impression of a radiant light source. Specifically, a LUKOLED with a duty cycle of 1: 5000 can be used using Sr aluminate or yttrium oxysulfide. Overall, the pulse duty factor can be 1: 2 to 1: 10000, depending on the choice of phosphor, for example the pulse duty factor as shown in FIGS. 2 and 3 can be used.
  • the LUKOLED equipped with storage phosphor is operated by means of PWM in such a way that a pulse duty factor of 1: 1 to 1:10, depending on the storage phosphor and its decay time, is used, the associated switch is less stressed by the switch-on phase being at least 20 ms (preferably> 50 ms) and the switch-off phase being at least 50 ms, preferably more than 200 ms.
  • Duty cycle 1 2
  • the duty cycle is as in the
  • T means the sum of the pulse duration and the switch-off duration.
  • all specifically listed storage phosphors are suitable for PWM operation, in particular Sr aluminate or another aluminate or an oxide or sulfide as explained above. It is characteristic of many of these phosphors that their light intensity initially decreases sharply, similar to that of normal fluorescent phosphors, but then a long-lasting residual phosphorescence is observed due to trapping processes, which is still perceived by the human eye for minutes to hours. Because of the sensitivity of the eye, this residual phosphorescence is still clearly perceptible.
  • phosphors in which the decay time is at least 0.1 s until the luminescence intensity has dropped to one per thousand of the original intensity, particularly preferred those phosphors in which a decay time of more than one second occurs within which the luminescence intensity has decreased by 50%. decreases.
  • phosphors which can be excited specifically or particularly well by UV radiation in the range from 300 to 400 nm can be used. Its advantage is the quick chargeability with UV excitation compared to visible radiation.
  • CaA1204 Eu
  • Nd CaAl204 Tb, Ce
  • MgSi03 Mn, Eu, Dy.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle (1), aufweisend mindestens eine LED (2) zum Aussenden einer Primärstrahlung (4) und mindestens einen Leuchtstoff (6) zum Umwandeln der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung (5). Die Lichtquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung bei Raumtemperatur eine Abklingzeit von über eine Sekunde aufweist, innerhalb der eine Lumineszenzintensität der Sekundärstrahlung um 50% abnimmt. Der Leuchtstoff zeigt einen Nachleuchteffekt. Nach dem Ausschalten der LED und damit nach beendeter Anregung des Leuchtstoffs emittiert der Leuchtstoff über eine längere Zeit die Sekundärstrahlung. Die Lichtquelle ist über den Zeitpunkt des Ausschaltens der LED hinaus sichtbar. Vorzugsweise beträgt die Abklingzeit mehrere Minuten bis hin zu mehreren Stunden. Die Lichtquelle wird beispielsweise zur Beleuchtung eines Fluchtweges eingesetzt.

Description

mit SlachlθucSitθffekt und deren ¥©srwsndι g sowie zugehöriges BetriefeswesTfa ren
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle, aufweisend mindestens eine LED zum Aussenden einer Primä Strahlung und mindestens einen Leuchtstoff zum Umwandeln der Primärstrahlung in eine SekundärStrahlung. Daneben wird eine Verwendung der Lichtquelle und ein geeignetes Betriebsverfahren angegeben.
Stand der Technik
Eine Lichtquelle der genannten Art ist beispielsweise aus der DE 196 38 667 C2 bekannt. Die Lichtquelle wird als Lumineszenzkonversions-LED bezeichnet. Die LED (Light Emitting Diode) der Lichtquelle weist als aktive Schicht beispielsweise eine Halbleiterschicht aus Galliumindiumnitrid
(GalnN) auf. Durch elektrische Ansteuerung wird von dieser
Schicht eine Primärstrahlung aus einem ersten
Wellenlängenbereich ausgesandt. Die LED emittiert "blaues" Licht. Ein Intensitätsmaximum der PrimärStrahlung liegt bei etwa 450 nm. Die PrimärStrahlung wird mit Hilfe des
Leuchtstoffs in eine SekundärStrahlung umgewandelt. Der
Leuchtstoff ist beispielsweise mit Cer dotierter bzw. aktivierter Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce, Y3AI5O12 :Ce) . Der Leuchtstoff absorbiert die PrimärStrahlung und sendet SekundärStrahlung aus einem zweiten Wellenlängenbereich aus. Der Leuchtstoff emittiert "gelbes" Lumineszenzlicht mit einem von der Konzentration an Cer abhängigen Intensitätsmaximum.
Der Leuchtstoff ist in Form von Pulverpartikeln in einem Epoxidharz oder einem niedrig schmelzenden anorganischen Glas eingebettet. Das Epoxidharz beziehungsweise das Glas dienen als Matrix der Pulverpartikel. Wenn die LED eingeschaltet ist, wird der Leuchtstoff der Pulverpartikel zur Emission der Sekundärstrahlung (Lumineszenz) angeregt. Sobald die LED ausgeschaltet ist, wird keine Primärstrahlung und in Folge davon auch keine Sekundärstrahlung ausgesandt. Das Licht der Lichtquelle erlischt. Das Erlöschen der Lichtquelle erfolgt nahezu zeitgleich mit dem Ausschalten der LED.
Aus Sicherheitsgründen kann es aber wünschenswert sein, dass die Lichtquelle auch im Falle eines Stromausfalls noch über eine längere Zeit Licht emittiert.
Des weiteren ist aus der DE-A 199 30 174 der Betrieb von LEDs mittels einer Dim ung mit bestimmtem Tastverhältnis vorbekannt. Diese Technik ist als Pulsweitenmodulation (PWM) bekannt. In der Regel sind dabei nur Duty Cycles von allenfalls herunter bis 1:100 möglich.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lumineszenzkonversions-LED anzugeben, die auch bei einem Stromausfall über eine längere Zeit Licht emittiert. Weitere Aufgaben der Erfindung sind die Bereitstellung einer energiesparenden LED und einer möglichst langlebigen LED.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Lichtquelle angegeben, aufweisend mindestens eine LED zum Aussenden einer Primärstrahlung und mindestens einen Leuchtstoff zum Umwandeln der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung. Die Lichtquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundarstrahlung bei Raumtemperatur eine Abklingzeit von mindestens 0,1 sec, bevorzugt mindestes einer Sekunde aufweist, bis die Lumineszenzintensität der Sekundärstrahlung nicht mehr mit dem menschlichen Auge wahrnehmbar ist. Raumtemperatur bedeutet dabei eine Temperatur aus dem Bereich von etwa 10°C bis etwa 30°C, insbesondere aber eine Temperatur von etwa 20 °C.
Die erfindungsgemäße Lichtquelle sendet auch nach einem Ausfall oder Unterbrechung im Taktbetrieb der Stromzufuhr der LED Licht aus. Dies wird dadurch erreicht, dass die Sekundärstrahlung des Leuchtstoffs eine relativ lange Abklingzeit aufweist. Der Leuchtstoff der Lichtquelle zeichnet sich durch einen "Nachleuchteffekt" aus. Nach dem Ausschalten der LED und damit nach beendeter Anregung des Leuchtstoffs emittiert der Leuchtstoff über eine längere Zeit die Sekundärstrahlung. Die Lichtquelle ist über den Zeitpunkt des Ausschaltens der LED hinaus sichtbar. Dies gilt für eine beliebige Vorrichtung zur Detektion der Sekundärstrahlung. Insbesondere gilt dies aber für das menschliche Auge. Eine Sichtbarkeit der Lichtquelle über den längeren Zeitraum hin wird zusätzlich durch Adaption des Sehsinns verstärkt.
Vorzugsweise beträgt die Abklingzeit mehrere Minuten bis hin zu mehreren Stunden. Insbesondere mit solch langen Abklingzeiten der Sekundärstrahlung kann die Lichtquelle als Notbeleuchtung verwendet werden. Die Notbeleuchtung dient beispielsweise einem Beleuchten eines beliebigen Raumes, dessen "normale" Lichtquelle zum Beleuchten ausgefallen ist. Der Raum ist beispielsweise ein Teil eines Fluchtwegs. Mit Hilfe der Lichtquelle kann der Fluchtweg auch im Fall eines Stromausfalls angezeigt werden.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung sind mehrere Leuchtstoffe mit unterschiedlichen Abklingzeiten vorhanden. Wie oben angedeutet, kann ein einziger Leuchtstoff mehrere emittierende Zustände aufweisen. Die von diese Zuständen ausgehende Sekundärstrahlungen können sich bezüglich des Wellenlängenbereichs der jeweiligen Lumineszenz voneinander unterscheiden. Wenn dies Sekundärstrahlungen zusätzlich unterschiedliche Abklingzeiten aufweisen, ändert sich nach dem Ausschalten der LED mit der Zeit die Farbe des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts. Daher kann es vorteilhaft sein, mehrere Leuchtstoffe zur Verfügung zu stellen, die sich zwar durch ein unterschiedliches Abklingverhalten der Sekundärstrahlung auszeichnen, die aber im selben Wellenlängenbereich emittieren. Dadurch ändert sich auch bei einem Unterbrechen der Stromzuführung der LED die Farbe des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts nahezu nicht. Die Farbe des Lichts der Lichtquelle bleibt annähernd gleich.
Der oder die Leuchtstoffe können von einer einzigen LED zur Emission der Sekundärstrahlung angeregt werden. Denkbar ist auch, dass jeder Leuchtstoff separat von einer LED mit einer charakteristischen Primärstrahlung zur Emission der entsprechenden Sekundärstrahlung angeregt wird.
Die Lichtquelle kann eine einzige LED mit zugehörigem Leuchtstoff aufweisen. Insbesondere denkbar ist auch, das mehrere LEDs mit zugehörigem Leuchtstoff in Form eines Arrays angeordnet sind. Dabei kann jeweils eine gleiche LED- Leuchtstoff-Kombination verwendet werden. Denkbar ist auch, dass das Array aus unterschiedlichen LED-Leuchtstoff- Kombinationen aufgebaut ist.
Als Leuchtstoff ist jeder beliebige Leuchtstoff mit einer entsprechend langen Abklingzeit der Lumineszenzintensität der
Sekundärstrahlung denkbar. Der Leuchtstoff kann organischer oder anorganischer Leuchtstoff sein. In einer besonderen
Ausgestaltung ist der Leuchtstoff aus der Gruppe Oxid-,
Aluminat- und/oder Sulfid-Leuchtstoff ausgewählt. Diese anorganischen Leuchtstoffe sind jeweils mit Hilfe einer
Dotierung oder mehreren Dotierungen aktiviert. In
Abhängigkeit der Dotierung (Art und Konzentration) resultiert ein jeweils unterschiedliches photophysikalisches Verhalten des Leuchtstoffs. Die Dotierung beziehungsweise die Dotierungen beeinflussen beispielsweise sowohl den
Wellenlängenbereich als auch die Abklingzeit der Emission der
SekundärStrahlung . In einer besonderen Ausgestaltung weist der Aluminat- Leuchtstoff ein Erdalkalialuminat auf mit zumindest einer aus der Gruppe Europium (Eu2+f Eu^+) und/oder Dysprosium (Dr3+) ausgewählten Dotierung. Das Erdalkalialuminat weist beispielsweise eine aus der Gruppe SrAl2Ü4 : Eu2+, Dy3+,
CaAl2θ4 :Eu2 +, Dy3+, SrAl]_4θ25 : Eu2+, Dy3+ ausgewählte formale
Zusammensetzung auf. Ein Leuchtstoff mit der formalen Zusammensetzung SrAl2Ü4 : Eu2+, Dy3+ (Dotierung Europium und Dysprosium) emittiert beispielsweise nach Anregung durch eine breitbandige Primärstrahlung bei 450 nm grüne Sekundärstrahlung. Nach 200 min zeigt dieser Leuchtstoff noch 10 % Restlicht. Die weiteren aufgeführten Leuchtstoffe emittieren blaue Sekundärstrahlung (CaAl2C>4 : Eu2+, Dy3+) und blaugrüne Sekundärstrahlung (SrAl]_4θ25 : Eu2+, Dy3+) .
In einer besonderen Ausgestaltung weist der Sulfid- Leuchtstoff ein Zinksulfid (ZnS) auf mit zumindest einer aus der Gruppe Kupfer (Cu+) und/oder Silber (Au+) ausgewählten Dotierung. Eine formale Zusammensetzung dieses Leuchtstoffs lautet beispielsweise ZnS:Ag+, Cu+ . Der Leuchtstoff emittiert grüne Sekundärstrahlung.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Oxid-Leuchtstoff ein Yttriumoxisulfid auf mit zumindest einer aus der Gruppe Europium (Eu2+, Eu^+) , Magnesium (Mg2+) und/oder Titan (Ti4+) ausgewählten Dotierung. Eine formale Zusammensetzung dieses Leuchtstoffs lautet beispielsweise Y2O2S : Eu3+,Mg2+, Ti4+. Der
Leuchtstoff emittiert rote Sekundärstrahlung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die LUKOLED mit phosphoreszierendem Leuchtstoff mittels Dimmen mit geeignetem Tastverhältnis betrieben, mit einer Ausschaltdauer von mindestens 50 ms. Dabei kann in aller Regel einerseits eine besonders energiesparende LED realisiert werden, indem ein Dutycycle von mindestens 1:1000 bis hinab zu 1:10000 oder noch geringer gewählt wird. konventionelle Lukoleds sind wegen der Flackerwirkung auf das menschliche Auge gezwungen, höchstens einen Dutycycle von 1:100 anzuwenden. Der Einsatz geeigneter Speicherleuchtstoffe bietet jedoch eine elegante Möglichkeit, diese Schwelle weiter nach unten zu drücken.
Andererseits kann in einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform eine langlebige LED dadurch realisiert werden, dass die Einschaltzeit und Ausschaltzeit absolut deutlich länger gewählt wird. Übliche vorbekannte Werte sind 5 ms für beide Phasen (Einschaltphase und Ausschaltphase) , entsprechen einem Dutycycle von 50 %. Die Anwendung von Speicherleuchtstoffen bietet eine elegante Möglichkeit, bei gleichem Dutycycle wesentlich längere Periodendauern der Phasen zu verwenden, typisch mindestens 50 ms für beide Phasen. Dabei kommt es weniger auf die Länge der Einschaltphase als auf die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit an. Insgesamt lässt sich aufgrund der jetzt möglichen langen Ausschaltphase eine ganz erhebliche Verringerung der Zahl der Schaltvorgänge erzielen. Dadurch verringern sich die Schaltverluste im Schalter erheblich. Diese verminderte Belastung vergrößert die Lebensdauer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figur ist schematisch und stellt keine maßstabsgetreue Abbildung dar.
Figur 1 zeigt eine Lichtquelle in Form einer Lumineszenzkonversions-LED im Querschnitt;
Figur 2 zeigt den typischen Dutycycle einer energiesparenden LED; Figur 3 zeigt den typischen Dutycylce einer LED mit langer Lebensdauer.
Figur 4 zeigt den typischen Dutycylce einer intermittierend betriebenen LED.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Lichtquelle 1 in Figur 1 besteht aus einer LED 2 und einem Lumineszenzkonversionskörper 3. Der Lumineszenzkonversionskörper 3 besteht aus einem Epoxidharz, in dem Pulverpartikel aus dem Leuchtstoff 6 enthalten sind. Das Epoxidharz bildet eine Matrix für die Pulverpartikel. Eine durchschnittliche Korngröße der Pulverpartikel beträgt 10 μm bis 20 μm.
Als aktive Schicht weist die LED 2 eine Halbleiterschicht aus Galliumindiumnitrid auf. Durch elektrische Ansteuerung emittiert die LED blaues Licht (Primärstrahlung 4) mit einem Intensitätsmaximum bei etwa 450 nm.
Der Leuchtstoff 6 ist ein Strontium-Aluminat das mit Europium und Dysprosium dotiert ist. Die formale Zusammensetzung des Leuchtstoffs 6 lautet SrAl2θ4 : Eu + , Dy3+. Dieser Leuchtstoff 6 zeigt eine breite Absorptionsbande bei 450 nm. Die Primärstrahlung 4 der LED 2 wird durch den Leuchtstoff 6 absorbiert und in die Sekundärstrahlung 5 umgewandelt. Die Emission der Sekundärstrahlung 5 ist grün. Der Leuchtstoff 6 zeigt bei Raumtemperatur auch 200 min nach dem Abschalten der die Primärstrahlung 4 aussendenden LED 2 ein Restlicht von etwa 10%. Dies bedeutet, dass die Sekundärstrahlung 5 eine Abklingzeit von weit über 1 s aufweist, innerhalb der die Lumineszenzintensität der Sekundärstrahlung 5 um 50 % abnimmt .
Gemäß der Figur 1 tritt ein Teil der Primärstrahlung 4 durch den Lumineszenzkonversionskörper 3 hindurch, ohne vom Leuchtstoff 6 absorbiert zu werden. Ein Teil wird jedoch absorbiert. Als Folge davon ergibt sich für das Licht der Lichtquelle 1 während des Betriebs der LED 2 eine Mischung aus der blauen Emission der Primärstrahlυng 4 und der grünen Emission der Sekundärstrahlung 5. Nach dem Abschalten der LED 2 sendet die Lichtquelle 1 nur mehr die grüne Emission der Sekundärstrahlung 5 des Leuchtstoffs 6 aus.
In einer dazu alternativen Ausgestaltung sind die Intensität der Primärstrahlung 4 und die Menge an Leuchtstoff 6 derart aufeinander abgestimmt, dass auch während der elektrischen Ansteuerung der LED 2 nahezu keine Primärstrahlung 4 durch den Lumineszenzkonversionskörper 6 hindurchtritt. Die Lichtquelle 1 sendet sowohl während der elektrischen Ansteuerung der LED 2 als auch nach dem Abschalten der LED 2 die grüne Emission der Sekundärstrahlung 5 aus.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält der
Lumineszenzkonversionskörper 3 eine Mischung der Leuchtstoffe 6 mit den formalen Zusammensetzungen CaAl2θ4 : Eu +, Dy3+ (blaue
Lumineszenz), SrAl2θ4 : Eu2+, Dy3+ (grüne Lumineszenz) und Y2O2S : Eu3+, Mg2+, Ti^+ (rote Lumineszenz). Die Leuchtstoffe 6 zeichnen sich durch unterschiedliche Abklingzeiten der Sekundärstrahlung 5 aus. Aufgrund der unterschiedlichen Abklingzeiten resultiert nach dem Abschalten der LED 2 eine sich mit der Zeit verändernde Farbe des Lichts der Lichtquelle 1.
In einer Ausführungsform als energiesparende LED wird die mit Speicherleuchtstoff ausgestattete LUKOLED mittels PWM betrieben, mit einer Ausschaltdauer von mindestens 50 ms, bevorzugt 200 ms. Aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges ist dabei ein Dutycycle von 1:1000, je nach Speicherleuchtstoff und dessen Abklingzeit sogar von 1:10000 oder noch höher völlig ausreichend, um immer noch den Eindruck einer strahlenden Lichtquelle zu ermöglichen. Konkret kann eine LUKOLED mit einem Tastverhältnis von 1:5000 unter Verwendung von Sr- Aluminat oder Yttriumoxisulfid eingesetzt werden. Insgesamt kann das Tastverhältnis hier bei 1:2 bis 1:10000 liegen, je nach Wahl des Leuchtstoffs, beispielsweise kann das Tastverhältnis wie in Figur 2 und 3 gezeigt, verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform, die eine langlebige und/oder kostengünstige LED realisiert, wird die mit Speicherleuchtstoff ausgestattete LUKOLED mittels PWM so betrieben, dass ein Tastverhältnis von 1:1 bis 1:10, je nach Speicherleuchtstoff und dessen Abklingzeit, verwendet wird, wobei der zugehörige Schalter weniger belastet wird, indem die Einschaltphase mindestens 20 ms (bevorzugt > 50 ms) und die Ausschaltphase mindestens 50 ms, bevorzugt mehr als 200 ms, beträgt. dadurch wird die Lebensdauer des Schalters entweder verlängert, typisch ist ein Faktor zwei, oder es kann stattdessen aufgrund der geringeren Belastung ein billigerer Schalter verwendet werden um die gleiche Lebensdauer wie ohne Speicherleuchtstoff (statt dessen ein konventioneller Leuchtstoff mit kurzer Abklingzeit) zu erreichen. Konkret kann ein Dutycycle von 50 %
(Tastverhältnis 1:2) unter Verwendung von Zinksulfid verwendet werden. Das Tastverhältnis ist wie in der
Elektronik üblich definiert als V = tp/T mit tp = Impulsdauer und T = Impulsperiodendauer. Mit T ist die Summe aus Impulsdauer und Ausschaltdauer gemeint.
Für die Ansteuerschaltung einer getakteten Stromregelung können übliche Techniken, wie sie beim Dimmen vorbekannt sind, verwendet werden, siehe neben DE-A 199 30 174 auch US-A 5 907 569 oder DE-A 40 05 776.
Im Prinzip eignen sich für einen PWM-Betrieb alle konkret aufgeführten Speicherleuchtstoffe, insbesondere Sr-Aluminat oder ein anderes Aluminat oder ein Oxid oder Sulfid wie oben erläutert. Vielen dieser Leuchtstoffe ist zu eigen, dass ihre Lichtintensität anfänglich stark abnimmt ähnlich wie bei normalen fluoreszenten Leuchtstoffen, dann jedoch aufgrund von Trappingprozessen eine langanhaltende restliche Phosphoreszenz beobachtet wird, die über Minuten bis Stunden noch vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Wegen der Empfindlichkeit des Auges ist diese restliche Phosphoreszenz immer noch gut wahrnehmbar. Besonders gut geeignet sind Leuchtstoffe, bei denen die Abklingzeit mindestens 0,1 s beträgt bis die Lumineszenzsintensität auf ein Promille der ursprünglichen Intensität abgefallen ist, insbesondere bevorzugt jene Leuchtstoff, bei denen eine Abklingzeit von über eine Sekunde auftritt, innerhalb der die Lumineszenzsintensität um 50 % abnimmt.
Um eine dauerhafte Abstrahlung des phosphoreszierenden Leuchtstoffs zu gewährleisten, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zwischen der Taktung Phasen eines dauerhaften Betriebs einzuschalten, um ein „Aufladen" oder „Regenerieren" des phosphoreszierenden Leuchtstoffs zu erreichen. Die Dauer und Häufigkeit dieser Phasen hängt von dem konkret verwendeten Leuchtstoff ab. Diese Betriebsweise ist in Figur 4 schematisch dargestellt.
Insbesondere können spezifisch oder besonders gut per UV- Strahlung im Bereich 300 bis 400 nm anregbare Leuchtstoffe verwendet werden. Deren Vorteil ist die schnelle Aufladbarkeit bei UV-Anregung gegenüber sichtbarer Strahlung.
Beispiele für geeignete Speicherleuchtstoffe sind:
SrAl204:Eu,Dy Sr4A114025:Eu,RE (RE=Seltenerdmetall)
Ca2A12Si07:Ce
CaYA1307:Ce
Ca2A12Si07:Mn,Ce
CaA1204:Eu,Nd CaAl204:Tb,Ce
CaAl204:Mn,Ce
MgSi03:Mn,Eu,Dy.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtquelle (1), aufweisend mindestens eine LED (2) zum Aussenden einer Primärstrahlung (4) und mindestens einen Leuchtstoff (6) zum Umwandeln der Primärstrahlung (4) in eine Sekundärstrahlung (5) , dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung (5) bei Raumtemperatur eine Abklingzeit von mindestens 0,1 s aufweist, bis die Lumineszenzsintensität der Sekundärstrahlung (5) nicht mehr mit dem menschlichen Auge wahrnehmbar ist.
2. Lichtquelle nach Anspruch 1, bei der mehrere Leuchtstoffe (6) mit unterschiedlichen Abklingzeiten vorhanden sind.
3. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Leuchtstoff (6) aus der Gruppe Oxid-, Aluminat- und/oder
Sulfid-Leuchtstoff ausgewählt ist.
4. Lichtquelle nach Anspruch 3, bei der der Aluminat- Leuchtstoff ein Erdalkalkalialuminat aufweist mit zumindest einer aus der Gruppe Europium und/oder Dysprosium ausgewählten Dotierung.
5. Lichtquelle nach Anspruch 3, bei der der Sulfid- Leuchtstoff ein Zinksulfid aufweist mit zumindest einer aus der Gruppe Kupfer und/oder Silber ausgewählten Dotierung.
6. Lichtquelle nach Anspruch 3, bei der der Leuchtstoff ein Yttriumoxisulfid aufweist mit zumindest einer aus der Gruppe Europium, Magnesium und/oder Titan ausgewählten Dotierung.
7. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abklingzeit mindestens 0,1 s beträgt bis die Lumineszenzsintensität auf ein Promille der ursprünglichen Intensität abgefallen ist, insbesondere eine Abklingzeit von über eine Sekunde auftritt, innerhalb der die Lumineszenzsintensität um 50 % abnimmt .
8. Verfahren zum Betreiben einer Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle getaktet mit einem vorgegebenen Tastverhältnis betrieben wird, wobei die Ausschaltdauer mindestens 50 ms beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltdauer mindestens 200 ms beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis zwischen Impulsdauer und Impulsperiodendauer im Bereich von 1:2 bis 1:10000 liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle intermittierend betrieben wird, indem Phasen des kontinuierlichen Betriebs mit Phasen des getakteten Betriebs abwechseln.
12. Verwendung einer Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Notbeleuchtung.
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