EP4237388A1 - Elektrolumineszenz keramischer werkstoffe - Google Patents

Elektrolumineszenz keramischer werkstoffe

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Publication number
EP4237388A1
EP4237388A1 EP21782687.4A EP21782687A EP4237388A1 EP 4237388 A1 EP4237388 A1 EP 4237388A1 EP 21782687 A EP21782687 A EP 21782687A EP 4237388 A1 EP4237388 A1 EP 4237388A1
Authority
EP
European Patent Office
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component
light
temperature
electric field
cuprates
Prior art date
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Pending
Application number
EP21782687.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Apurv DASH
Robert Mücke
Olivier Guillon
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4237388A1 publication Critical patent/EP4237388A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional [2D] radiating surfaces
    • H05B33/14—Light sources with substantially two-dimensional [2D] radiating surfaces characterised by the chemical or physical composition or the arrangement of the electroluminescent material, or by the simultaneous addition of the electroluminescent material in or onto the light source
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/45—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on copper oxide or solid solutions thereof with other oxides
    • C04B35/4504—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on copper oxide or solid solutions thereof with other oxides containing rare earth oxides
    • C04B35/4508—Type 1-2-3
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent
    • C09K11/08—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7701—Chalogenides
    • C09K11/7703—Chalogenides with alkaline earth metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
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    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/666—Applying a current during sintering, e.g. plasma sintering [SPS], electrical resistance heating or pulse electric current sintering [PECS]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/02—Details

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating light and a use of a component for emitting light.
  • a material In electroluminescence, a material is excited to emit electromagnetic radiation by applying an electric field and/or a voltage. This can be visible light, for example. The material is put into an excited state due to the energy supplied. On returning to its ground state, photons are emitted.
  • This effect is used to generate visible light, for example using a so-called electroluminescent film. This is used, for example, to illuminate displays or instruments in motor vehicles.
  • the so-called Nernst lamp is an electrically operated incandescent lamp based on a ceramic incandescent body made of magnesium oxide, zirconium dioxide and yttrium oxide.
  • the electrical conductivity of the incandescent body is not based on electrons, as is the case with metallic incandescent bodies, but on ion conduction.
  • the composition of the incandescent body from ceramic materials enables operation in an air atmosphere, so that no technically complex vacuum or protective gas is necessary.
  • the main disadvantage of the Nernst lamp is that the electrical conductivity of the incandescent body only occurs at high temperatures of around 700°C. Operation takes place at much higher temperatures of around 1600°C. For this reason, the Nernst lamp also requires a heat source to preheat the incandescent body.
  • the object of the invention is to provide a method, a use and a device for improved generation of light.
  • a method for generating light is used to solve the task.
  • a component comprises a first material from the group of cuprates. The component is exposed to an electrical voltage and/or an electric field at a temperature T below 0° C., so that the component emits light.
  • Components with a material from the cuprate group are electrically conductive even at low temperatures below room temperature and are suitable for emitting light due to electroluminescence. In contrast to other methods, such as the Nernst lamp mentioned at the beginning, no heating of the component is necessary.
  • the method according to the invention thus enables light to be generated which is accompanied by significant energy savings and a significantly reduced technical outlay. In contrast to conventional methods, this is also possible at extremely low temperatures (English: cryogenic temperatures).
  • Another advantage is that the materials are oxides and are therefore not prone to oxidation. This opens up a wide range of applications compared to metals, alloys and other oxidizable materials. also is Light generation by means of electroluminescence is very energy-efficient, since the luminescent material does not heat up very much.
  • the wavelength of the emitted light is a material property and depends on the crystal structure of the first material and/or the component. Accordingly, the first material can be selected in such a way that light with a wavelength or a suitable spectrum is emitted for a specific application.
  • Cuprates are ceramic superconductors that are known as high-temperature superconductors due to their comparatively high critical temperature.
  • the first material is in particular a ceramic superconductor. Chemical compounds containing a copper-containing anion can be referred to as cuprates. These can be salt-like cuprates, which contain oxygen in addition to copper. In particular, however, oxides are meant.
  • the first material is a substance that has a transition temperature above -196°C, the boiling temperature of liquid nitrogen.
  • the first material from the cuprate group has an electrical conductivity at room temperature which is between that of a good conductor and that of an insulator.
  • Said electrical conductivity of the first material can be between 10 4 S/m and 10 7 S/m, in particular between 5*10 4 S/m and 3*10 6 S/m, preferably between 8*10 4 S/m and 1 .2*10 5 S/m.
  • the group of cuprates includes, among others, LaBaCuO, LaSrCuo, YBaCuO, BiSrCaCuO, BiSrCuOCO, TIBaCaCuO, HgBaCaCuO, HgTIBaCaCuO, BaCaCuO, BaCaCuCO, SrKCuOCI. Only the elements contained are given here, but not the correct stoichiometric ratios.
  • the group of cuprates includes, among others, La 4 BaCu 5 O 13 , La 2-x Ba x CuO, La 1 .8 Sr 0 .2 CuO 4 , YBa 2 Cu 3 O 7 , Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 , Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , Bi 2 Sr 2 CuO 6 , HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 , HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 , Y 2 Ba 4 Cu 7 O 15 , Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 , Hg 12 Tl 3 Ba 30 Ca 30 Cu 45 O 127 , HgBa 2 CaCu 2 O 6 , TI 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 , Pb 2 Sr 2 YCu 3 O 8 , Nd 2 CuO 4 , Ca 0.84 Sr 0.16 CuO 2 , TIBa 2 (Eu,Ce) 2 Cu 2 O 9 , GaSr 2 (Y,Ca)Cu
  • light is emitted in wavelengths visible to humans between about 400 nm and about 700 nm. It cannot be ruled out that, in addition or as an alternative, non-visible electromagnetic radiation with longer or shorter wavelengths is emitted, in particular in the infrared and/or ultraviolet radiation range. These can also be referred to as light.
  • the temperature T is in particular the temperature of an area surrounding the component, for example an atmosphere surrounding the component.
  • the component and/or its surroundings are not heated by an additional heating device.
  • the temperature T may increase at certain points, e.g. B. in the immediate vicinity of the component, to values above 0°C.
  • the temperature TB of the component itself is less than 0° C. at the beginning of the effect of the electrical voltage or the electric field on the component.
  • the temperature TB means in particular the temperature of the material inside the component. Due to the effect of the electrical field and/or the electrical voltage, this can also rise to values above 0°C at certain points.
  • the temperature T and/or the temperature TB can be below room temperature, in particular below 25°C, below 20°C, below 10°C or at around 0°C.
  • the temperature T and/or the temperature TB is below -20°C, below -40°C, below -50°C, below -70°C, below -80°C, below -90 °C, below -100°C, below -110°C, below -120°C or below -130°C.
  • the respective temperature can permanently be below this temperature.
  • the temperature T and/or TB is in particular higher than the transition temperature of the respective first material. At the critical temperature, the electrical resistance jumps towards zero. At lower temperatures, there is a short circuit due to the lack of electrical resistance and no light emission takes place.
  • the temperature T and/or the temperature TB is above -250°C, above -225°C, above -200°C, above -180°C, above -160°C, above -150°C or above -140°C.
  • an electrical voltage and/or an electrical current is applied to the component.
  • the component can be exposed to a current density between 50 mA mm -2 and 1000 mA mm -2 , in particular between 100 mA mm -2 and 500 mA mm -2 .
  • resistance heating occurs due to a current flow through the component, ie the component is heated due to the electrical resistance.
  • the electrical field is generated by the electrical voltage or the electrical current in the component.
  • the component is arranged in an electrically insulated manner between electrodes to which a voltage is applied.
  • a voltage is applied so that the component is exposed to an alternating electric field.
  • the underlying effect is also referred to as alternating field excitation.
  • an alternating voltage and/or an alternating current is applied to the component.
  • a frequency of the AC voltage or alternating current can be between 100 Hz and 8000 Hz, preferably between 200 Hz and 4000 Hz, particularly preferably between 400 Hz and 2000 Hz and in one embodiment between 600 Hz and 1500 Hz.
  • a DC voltage and/or a direct current is applied to the component.
  • the component is designed in the form of a straight or bent wire or pin.
  • the component is designed as a coil, for example as a single coil or double coil.
  • the first material is yttrium barium copper oxide. This material with the relational formula YBa 2 Cu 3 O 7-x has a particularly high transition temperature and good availability.
  • the temperature T is lower than -30°C, in particular lower than -60°C.
  • This can alternatively or additionally apply to the temperature TB.
  • the method according to the invention can be carried out on Mars.
  • the annual mean temperature of the Martian atmosphere is -68°C and can drop to -80°C or -100°C. In this way, a technically uncomplicated, safe and reliable light source can be provided for future Mars missions.
  • the component has a mass fraction of the first material from the cuprate group of between 50% and 100%.
  • the proportion of the first material in the total mass of the component is therefore in the range mentioned.
  • the mass fraction of the first material is less than 100% and the component includes another material. It has been shown that light generation at low temperatures is also possible if the component is only partially cuprate. This is possible from a cuprate content of around 50%.
  • the cuprate is preferably present as a continuous phase. This configuration enables a component to be produced with a smaller amount of cuprate, which minimizes the technical complexity and the costs.
  • the component includes a further material in addition to the first material. It is possible that the further material does not contain cuprate.
  • the component has a mass fraction above 0% and at most 50% of a second material.
  • the second material is different from the first material.
  • it does not contain cuprate.
  • a component with a smaller amount of cuprate can also be produced in this way, which minimizes the technical complexity and the costs.
  • the second material serves to influence the wavelength of the emitted light and/or the emission behavior of the component.
  • suitable materials can generate a frequency spectrum or wavelength spectrum that is optimal for the respective application.
  • the component contains a mass fraction between 0% and 99% of a second material and a mass fraction between 0% and 99% of a third material, optionally a mass fraction between 0% and 99% of a fourth material and optionally a mass fraction between 0% and 99% of a fifth material.
  • the mass fractions of the second, third, fourth and/or fifth material can be below 40%. They can be below 20%. They can be below 10%. They can be below 5%.
  • the second, third, fourth and/or fifth material can be an insulating ceramic material.
  • the second, third, fourth and/or fifth material can be an admixture to the first material.
  • Several different admixtures enable the emitted light to be fine-tuned and/or other properties to be specifically influenced.
  • the second material can be an electrically insulating material and in particular a ceramic material.
  • the second material is zirconia and/or hafnia. These materials are characterized by the fact that they emit different shades of white light. A desired shade of light, such as warm white or cold white, can thus be set by suitably assembling the component from the first and second material.
  • At least a first region, in particular at least a first layer, of the component consists essentially of the first material.
  • At least a second area, in particular at least a second layer, of the component essentially consists of the second material.
  • the component consists of a first layer and a second layer, which is arranged in particular directly adjacent.
  • the component comprises three layers, with a second layer being arranged between two first layers.
  • the three layers are each arranged immediately adjacent.
  • the component can consist of the three layers.
  • a portion of the first material is surrounded by second material. Accordingly, a region of the first material lies between the second material along at least one viewing direction.
  • the second material can be arranged as a coating of the first material. This can influence the light emission.
  • At least a third region of the component comprises a preferably substantially homogeneous mixture of the first material and the second material.
  • At least one region contains a mixture of two different materials that is preferably substantially uniform.
  • the third region can consist of the mixture of the first material and the second material.
  • Homogeneous means in particular a uniform mixture of the different materials.
  • the first material and possibly the second, third, etc. material can consist of solidified particles. In this case a substantially uniform mixture of the different solidified particles is meant.
  • the properties of the component for light generation such as the wavelength or the emission behavior, can be set according to the requirements.
  • the electric field has an electric field strength above 100 V/cm.
  • the electric field strength is in particular between 500 V/cm and 100 kV/cm.
  • an average field strength is meant that acts on the component.
  • the electric field strength is between 1 kV/cm and 50 kV/cm and preferably between 5 kV/cm and 20 kV/cm.
  • the electric field is larger while the current flow is lower.
  • the electric field strength of an incandescent lamp with a tungsten filament is in the range of 50 V/cm to 70 V/cm. In the method according to the invention, the electric field strength is in particular above 100 V/cm. Thus, the resistance-related heating due to ohmic losses is low and the efficiency of the conversion of introduced energy into electric light is high.
  • the light emission takes place in an oxygen-containing atmosphere, in particular in air.
  • the component is surrounded by the oxygen-containing atmosphere, for example by the ambient air. Due to the oxidic properties of the component, light can also be generated in an oxygen-containing atmosphere, such as ambient air, without the component being adversely modified.
  • Conventional light emitters, such as metal filaments, would quickly oxidize and become inoperable in an oxygen-rich atmosphere. This configuration makes it possible for light to be generated with particularly little technical effort, since advantageously no protective atmosphere or vacuum atmosphere is required.
  • An average grain size of the first material and/or the component can be between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m, preferably between 0.5 ⁇ m and 50 ⁇ m, particularly preferably between 0.8 ⁇ m and 25 ⁇ m and for example between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the average grain size can be determined, for example, by scanning electron microscopy and image data analysis.
  • the component is exposed to the electric field under atmospheric pressure.
  • the method is carried out without applying any pressure. No additional pressure to atmospheric pressure is built up.
  • the maximum pressure in the component at the start or shortly before the start of the effect of the electric field is less than 1.6 bar, preferably less than 1.4 bar and particularly preferably less than 1.2 bar or less than 1.1 bar.
  • the component is a compacted component, in particular a sintered component.
  • a compacted component is a component made from a powdered starting material in such a way that the grains of the starting material are firmly connected to each other in the component.
  • the component is a sintered component, preferably a sintered ceramic component.
  • Sintering typically takes place at high temperatures, which, however, are below the melting temperature of the starting materials, so that any existing shape of the workpiece is retained during sintering. This can lead to shrinkage of the workpiece, since the density of the starting material increases.
  • a solid workpiece is produced by sintering, whereby properties such as hardness, compressive strength and thermal conductivity can be influenced by suitable process parameters.
  • the sintering can be implemented as field-assisted sintering, in which the heating takes place at least partially by means of an electric current.
  • an electric current which is also known as field-activated sintering, "Field-assisted sintering technology" (FAST) or “Spark Plasma Sintering” (SPS)
  • FAST Field-assisted sintering technology
  • SPS Spark Plasma Sintering
  • a direct electric current is passed through the powder to be sintered, which leads to further heating leads to the Joule effect.
  • a pressure of 50 MPa up to 400 MPa can be built up and/or the sintering takes place under protective gas or vacuum.
  • the sintering can also be implemented as flash sintering, which is based on a current flow through the ceramic body in combination with external heating. In this case, external heating is used first and when a specific temperature is exceeded at which the sample becomes sufficiently conductive, a current flow is implemented across the sample cross-section.
  • the starting material can be in the form of a green body, ie an object preformed from the starting material.
  • the method may include shaping to produce the green body. This serves to produce the green compact, in particular from powdered materials. A packing density that is as homogeneous as possible, i.e. a uniform mass distribution, can be aimed for in the entire green compact.
  • the shaping takes place in particular by pressing, casting and/or by plastic shaping. In this way, geometrically complex components can be manufactured.
  • the starting material can be in powder form. This enables a particularly simple and quick method. It can thus be introduced into a mold as a powder and exposed to the electric field in this form.
  • the compacting takes place in that a starting material, comprising the first material, is exposed to an electric field at a temperature Tv below 800° C., in particular below 100° C.
  • the electric field is generated in particular by arranging electrodes on different, for example opposite, sides of the starting material and by applying an electric voltage to the electrodes or realizing an electric current through the electrodes and the starting material.
  • the temperature Tv means the temperature at the start of the action of the electric field on the starting material. In particular, the starting material is not heated before it is exposed to the electric field. However, it is possible that the temperature will rise to values above 300°C or 100°C at certain points due to the effect of the electric field. In particular, however, this temperature is well below 800°C.
  • the temperature Tv is less than 700°C, less than 600°C, less than 500°C, less than 400°C, less than 300°C, less than 200°C, less than 150°C, less than 100 °C, less than 80°C, less than 70°C, less than 60°C, less than 50°C, less than 40°C, less than 30°C or less than 25°C.
  • the starting material can correspond to room temperature or be lower than room temperature. Surprisingly, it has been shown that compaction similar to a conventional sintering process is possible at these temperatures.
  • the temperature is higher than the transition temperature of the respective material.
  • the starting material is exposed to the electric field for a period of less than 10 minutes, and preferably less than 1 minute. Experiments have shown that the method according to the invention allows complete compaction within the short period of time mentioned.
  • the starting material is exposed to the electric field under atmospheric pressure, i.e. without applying any pressure.
  • the electric field can have an electric field strength above 50 V/cm, in particular an electric field strength between 100 V/cm and 5 kV/cm.
  • the starting material can include other materials, for example a second material and possibly a third, fourth, etc. material.
  • a further aspect of the invention is the use of a component to emit light.
  • the component comprises a first material from the group of cuprates.
  • Light is emitted at a temperature below 0°C.
  • light is emitted by exposing the component to an electrical voltage, an electrical field and/or an electrical current. All features, embodiments and effects of the method described above also apply accordingly to the use.
  • the device comprises a component for emitting light, the component containing a first material from the group of cuprates.
  • the device also includes an energy supply device for exposing the component to an electrical voltage and/or an electric field in order to emit light through the component.
  • the device is set up in such a way that the component has a temperature below 0° C. when generating light.
  • the device has a cooling device for cooling the component to a temperature below 0°C.
  • the cooling device is set up for cooling an atmosphere surrounding the component, so that the component can be cooled by the atmosphere.
  • Figure 1 a first device for generating light
  • FIG. 2 a second device for generating light
  • Figure 3 a first embodiment of a component
  • Figure 4 a second embodiment of a component
  • FIG. 5 a third embodiment of a component.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 10 according to the invention for generating light. It includes a component 12 for emitting light.
  • the component 12 contains a first material 14 from the group of cuprates.
  • the component 12 is in the form of a straight pin connected to a first conductor 21 and a second conductor 22 .
  • the component 12 is held by the two conductors 21 and 22 .
  • the device 10 also includes an energy supply device 20 which is set up to expose the component 12 to an electrical voltage and/or an electrical field. In this way, the component 12 can emit light.
  • the energy supply device 20 comprises an electrical connection unit 35 which is designed in the form of a conventional lamp base. In this way, an electric current can be implemented through the component 12 by means of the energy supply device 20 , which current leads in particular to an electric field in the area of the component 12 .
  • the device 10 for generating light also includes a protective device that ensures mechanical protection of the component 12 and in particular of the two conductors 21 and 22 .
  • the protective device is made of a transparent solid material, for example glass.
  • the protective device is designed in the form of a protective screen 30 .
  • the protective device is not set up to limit a gas-tight atmosphere around the component 12 .
  • the protective device is designed in such a way that it allows gas from the environment of the device 10 to circulate around the component 12 . This is shown schematically in FIGS. 1 and 2 in that the protective shield 30 has openings on the side shown on the left. In this way, light can be emitted in an oxygen-containing atmosphere 40, for example in the ambient air.
  • the device 10 for generating light is set up to generate light at a temperature below 0°C.
  • it can be used to serve as a light source on Mars. It can have a cooling device for cooling the component and/or an atmosphere surrounding the component.
  • a protective device can be present, which delimits an at least essentially gas-tight atmosphere around the component.
  • the device 10 can be set up to generate incandescent light.
  • the light emission serves to illuminate at least one object and/or a room.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an alternative embodiment of the device 10 according to the invention, differing from that shown in FIG
  • the component 12 is designed here in the form of a dogbone shape, which is shown only schematically. This form can be produced with little technical effort. Otherwise, the configuration shown corresponds to the configuration shown in FIG. 1, so that reference is made to the above statements.
  • FIG. 3 schematically shows a first embodiment of a component 12 according to the invention for emitting light.
  • the component 12 includes a third region 28 which includes a homogeneous mixture of a first material 14 from the group of cuprates and a second material 16 .
  • the second material 16 differs from the first material 14 and, in particular, does not contain any cuprate.
  • the color temperature of the light emitted by the component 12 can be set in the desired manner by suitable admixtures of the second material 16 .
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a component 12 according to the invention.
  • the component 12 comprises a first area 24 and a second area 26, which are designed in the form of layers and directly adjoin one another.
  • the first region 24 is made from the first material 14 from the group of cuprates.
  • the second region 26 is made from the second material 16, which differs from the first material 14 and, in particular, does not contain any cuprate.
  • the first region 24 can be coated with the second material 16 in such a way that the light emission through the component 12 is influenced in the desired manner. For example, a color temperature of the emitted light can be adjusted in a desired manner.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a component 12 according to the invention.
  • the component 12 comprises a second area 26 which is arranged in the manner of a sandwich between two first areas 24 which are in particular of the same design.
  • the component 12 consists of the mentioned areas 24 and 26.
  • the first area 24 is made of the first material 14 from the group of cuprates and the second area 26 is made of the second material 16, which differs from the first material 14 differs and in particular contains no cuprate.
  • the first regions 24 and the second region 26 are arranged in superimposed layers.
  • the layer thicknesses shown in the diagrammatic FIGS. 3 to 5 and their ratios are not to scale.
  • the areas 14 and 16 can have the same or different layer thicknesses.
  • the layer thickness of the first area 14 can be greater, less than or equal to the layer thickness of the second area 16 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht sowie eine Verwendung eines Bauteils zur Emission von Licht. Bei einem Verfahren zur Erzeugung von Licht wird ein Bauteil (12), umfassend ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate, bei einer Temperatur T unterhalb von 0°C einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt, so dass das Bauteil (12) Licht emittiert. Auf diese Weise wird eine Lichterzeugung zur Verfügung gestellt, die mit einer wesentlichen Energieeinsparung sowie einem deutlich verringerten technischen Aufwand einhergeht und auch bei Tiefsttemperaturen möglich ist.

Description

Elektrolumineszenz keramischer Werkstoffe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht sowie eine Verwendung eines Bauteils zur Emission von Licht.
Bei der Elektrolumineszenz wird ein Material durch Anlegen eines elektrischen Feldes und/oder einer Spannung dazu angeregt, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Dies kann beispielsweise sichtbares Licht sein. Das Material wird aufgrund der zugeführten Energie in einen angeregten Zustand versetzt. Bei der Rückkehr in seinen Grundzustand werden Photonen emittiert.
Dieser Effekt wird genutzt, um sichtbares Licht zu erzeugen, beispielsweise mittels so genannter Elektrolumineszenz-Folie. Diese wird etwa zur Beleuchtung von Anzeigen oder Instrumenten in Kraftfahrzeugen genutzt.
Die sogenannte Nernst-Lampe ist eine elektrisch betriebene Glühlampe, die auf einem keramischen Glühkörper aus Magnesiumoxid, Zirkoniumdioxid und Yttriumoxid basiert. Die elektrische Leitfähigkeit des Glühkörpers beruht nicht wie bei metallischen Glühkörpern auf Elektronen sondern auf lonenleitung. Die Zusammensetzung des Glühkörpers aus keramischen Materialien ermöglicht den Betrieb in einer Luftatmosphäre, sodass kein technisch aufwändiges Vakuum oder Schutzgas notwendig ist. Der maßgebliche Nachteil der Nernst-Lampe ist, dass die elektrische Leitfähigkeit des Glühkörpers erst ab hohen Temperaturen von etwa 700°C auftritt. Der Betrieb erfolgt bei weit höheren Temperaturen von etwa 1600°C. Aus diesem Grund benötigt die Nernst-Lampe zusätzlich eine Wärmequelle zur Vorwärmung des Glühkörpers.
Die Publikation „Oxide Superconductors“ von Robert J. Cava aus dem „Journal of the American Ceramic Society“ [1] 5 - 28 beschreibt die Entwicklung keramischer Supraleiter mit einem Schwerpunkt in Kupferoxid-Superleitern aus der Gruppe der Cuprate. Die Publikation „Electroluminescence in high Tc Y-Ba-Cu-Zr-O Supercoductors“ von S.H. Pawar et al. aus „Solid State communications“, vol. 67, No. 1, pp. 47-49 beschreibt die Elektrolumineszenz von keramischen YBaCuZrO-Supraleitern. Diese Materialien werden auch als Hochtemperatursupraleiter bezeichnet.
Die Publikation „Electroluminescence of Gd-Doped Y-Ba-Cu-O Superconductors“ von B.M. Todkar et al. aus den „Materials Letters“, volume 9, number 1 beschreibt die Elektrolumineszenz von Gadolinium-dotierten YBaCuO-Supraleitern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Verwendung sowie eine Einrichtung zur verbesserten Erzeugung von Licht bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Erzeugung von Licht gemäß Anspruch 1 sowie durch die Verwendung und die Einrichtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zur Erzeugung von Licht. Ein Bauteil umfasst ein erstes Material aus der Gruppe der Cuprate. Das Bauteil wird bei einer Temperatur T unterhalb von 0°C einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt, so dass das Bauteil Licht emittiert.
Bauteile mit einem Material aus der Gruppe der Cuprate sind bereits bei niedrigen Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur elektrisch leitfähig und dazu geeignet, aufgrund von Elektrolumineszenz Licht zu emittieren. Im Gegensatz zu anderen Verfahren wie beispielsweise bei der eingangs erwähnten Nernst-Lampe ist somit keine Erwärmung des Bauteils notwendig. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Lichterzeugung, die mit einer wesentlichen Energieeinsparung sowie einem deutlich verringerten technischen Aufwand einhergeht. Dies ist im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren auch bei Tiefsttemperaturen (Englisch: cryogenic temperatures) möglich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Materialien Oxide sind und aus diesem Grund nicht anfällig für Oxidation. Dies eröffnet eine Vielzahl an Einsatzgebieten im Vergleich zu Metallen, Legierungen und anderen oxidierbaren Materialien. Auch ist Lichterzeugung mittels Elektrolumineszenz sehr energieeffizient, da die Erwärmung des lumineszierenden Materials gering ist.
Die Wellenlänge des emittierten Lichts ist eine Materialeigenschaft und hängt von der Kristallstruktur des ersten Materials und/oder des Bauteils ab. Das erste Material kann demnach so ausgewählt werden, dass Licht mit einer für eine bestimmte Anwendung geeigneten Wellenlänge bzw. einem geeigneten Spektrum emittiert wird.
Cuprate sind keramische Supraleiter, die aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Sprungtemperatur als Hochtemperatursupraleiter bekannt sind. Das erste Material ist insbesondere ein keramischer Supraleiter. Als Cuprate können chemische Verbindungen bezeichnet werden, die ein kupferhaltiges Anion enthalten. Dies können salzartige Cuprate sein, die neben Kupfer Sauerstoff enthalten. Insbesondere sind jedoch Oxide gemeint. Typischerweise ist das erste Material ein Stoff, der eine Sprungtemperatur oberhalb von -196°C, der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff, aufweist. Insbesondere weist das erste Material aus der Gruppe der Cuprate bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit auf, die zwischen der eines guten Leiters und der eines Isolators liegt. Die genannte elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials kann zwischen 104 S/m und 107 S/m, insbesondere zwischen 5*104 S/m und 3*106 S/m, bevorzugt zwischen 8*104 S/m und 1,2*105 S/m betragen.
Die Gruppe der Cuprate umfasst unter anderem LaBaCuO, LaSrCuo, YBaCuO, BiSrCaCuO, BiSrCuOCO, TIBaCaCuO, HgBaCaCuO, HgTIBaCaCuO, BaCaCuO, BaCaCuCO, SrKCuOCI. Hierbei sind lediglich die enthaltenen Elemente, nicht jedoch die korrekten stöchiometrischen Verhältnisse angegeben.
Die Gruppe der Cuprate umfasst unter anderem La4BaCu5O13, La2-xBaxCuO, La1 ,8Sr0 ,2CuO4, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2Ca2Cu3O10, Bi2Sr2CaCu2O8, Bi2Sr2CuO6, HgBa2Ca2Cu3O8, HgBa2Ca2Cu3O9, Y2Ba4Cu7O15, Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33, Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, HgBa2CaCu2O6, TI2Ba2Ca2Cu3O10, Pb2Sr2YCu3O8, Nd2CuO4, Ca0.84Sr0.16CuO2, TIBa2(Eu,Ce)2Cu2O9, GaSr2(Y,Ca)Cu2O7, Pb2Sr2Y1-xCaxCu3O8, Sr3-xKxCu2O4CI2, Sr2-xKxCuO2CI2, NbSr2(Nd,Ce)2Cu2O10, (Sr,Ca)CuO2, YBa2Cu3O7, YBa2Cu3O7-x, YBa2Cu3O7-δ, beispielsweise mit δ zwischen 0,05 und 0,65, auch bezeichnet als YBCO, YBaCuO, Y-123, 123-Oxid oder „123 compound“. Lichterzeugung oder Lichtemission meint die Aussendung von Lichtwellen bzw. Lichtstrahlen. Insbesondere wird Licht in einer Intensität erzeugt, die unter geeigneten Bedingungen für das menschliche Auge sichtbar ist.
Insbesondere wird Licht in für den Menschen sichtbaren Wellenlängen zwischen etwa 400 nm und etwa 700 nm emittiert. Es ist nicht ausgeschlossen, dass ergänzend oder alternativ nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung mit größeren oder kleineren Wellenlängen emittiert werden, insbesondere im Bereich der Infrarot- und/oder Ultraviolettstrahlung. Diese können auch als Licht bezeichnet werden.
Die Temperatur T ist insbesondere die Temperatur einer Umgebung des Bauteils, beispielsweise einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre. Das Bauteil und/oder seine Umgebung wird insbesondere nicht durch eine zusätzliche Erwärmungseinrichtung erwärmt. Es erfolgt insbesondere keine Erwärmung, bevor oder während das Bauteil der elektrischen Spannung und/oder dem elektrischen Feld ausgesetzt wird. In einer Ausführungsform ist es dennoch nicht ausgeschlossen, dass die Temperatur T durch die Wirkung des elektrischen Feldes und/oder der elektrischen Spannung punktuell, z. B. in unmittelbarer Umgebung des Bauteils, auf Werte oberhalb von 0°C steigt.
Insbesondere beträgt die Temperatur TB des Bauteils selbst zu Beginn der Wirkung der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Feldes auf das Bauteil weniger als 0°C. Die Temperatur TB meint insbesondere die Temperatur des Materials im Inneren des Bauteils. Diese kann durch die Wirkung des elektrischen Feldes und/oder der elektrischen Spannung punktuell ebenfalls auf Werte oberhalb von 0°C steigen.
Die Temperatur T und/oder die Temperatur TB kann unterhalb der Raumtemperatur liegen, insbesondere unterhalb von 25°C, unterhalb von 20°C, unterhalb von 10°C oder bei etwa 0°C.
Insbesondere liegt die Temperatur T und/oder die Temperatur TB unterhalb von -20°C, unterhalb von -40°C, unterhalb von -50°C, unterhalb von -70°C, unterhalb von -80°C, unterhalb von -90°C, unterhalb von -100°C, unterhalb von -110°C, unterhalb von -120°C oder unterhalb von -130°C. Die jeweilige Temperatur kann dauerhaft unter dieser Temperatur liegen. Die Temperatur T und/oder TB ist insbesondere höher als die Sprungtemperatur des jeweiligen ersten Materials. Bei der Sprungtemperatur strebt der elektrische Widerstand sprunghaft gegen null. Bei geringeren Temperaturen kommt es aufgrund des mangelnden elektrischen Widerstands zu einem Kurzschluss und es findet keine Lichtemission statt. In einer Ausführungsform liegt die Temperatur T und/oder die Temperatur TB oberhalb von -250°C, oberhalb von -225°C, oberhalb von -200°C, oberhalb von -180°C, oberhalb von -160°C, oberhalb von -150°C oder oberhalb von -140°C.
In einer Ausführungsform wird eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom an das Bauteil angelegt. Das Bauteil kann einer Stromdichte zwischen 50 mA mm-2 und 1000 mA mm-2, insbesondere zwischen 100 mA mm-2 und 500 mA mm-2 ausgesetzt sein. In einer Ausführungsform erfolgt aufgrund eines Stromflusses durch das Bauteil ein Widerstandsheizen, also eine Erhitzung des Bauteils aufgrund des elektrischen Widerstands. Insbesondere wird das elektrische Feld durch die elektrische Spannung bzw. den elektrischen Strom in dem Bauteil erzeugt.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Bauteil elektrisch isoliert zwischen Elektroden angeordnet, an die eine Spannung angelegt wird. Insbesondere wird eine Wechselspannung angelegt, sodass das Bauteil einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt wird. Der zugrundeliegende Effekt wird auch als Wechselfeldanregung bezeichnet.
In einer Ausführungsform wird an das Bauteil eine Wechselspannung und/oder ein Wechselstrom angelegt. Eine Frequenz der Wechselspannung bzw. des Wechselstroms kann zwischen 100 Hz und 8000 Hz, bevorzugt, zwischen 200 Hz und 4000 Hz, besonders bevorzugt zwischen 400 Hz und 2000 Hz und in einer Ausführungsform zwischen 600 Hz und 1500 Hz betragen. In einer Ausführungsform wird an das Bauteil eine Gleichspannung und/oder ein Gleichstrom angelegt.
Insbesondere ist das Bauteil in Form eines geraden oder gebogenen Drahtes oder Stifts ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsform ist das Bauteil als Wendel ausgestaltet, beispielsweise als einfache Wendel oder Doppelwendel. In einer Ausgestaltung ist das erste Material Yttrium-Barium-Kupferoxid. Dieses Material mit der Verhältnisformel YBa2Cu3O7-x weist eine besonders hohe Sprungtemperatur und eine gute Verfügbarkeit auf.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Temperatur T geringer ist als -30°C, insbesondere geringer als -60°C. Dies kann alternativ oder ergänzend gelten für die Temperatur TB. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auf dem Mars ausgeführt werden. Die Temperatur der Mars-Atmosphäre liegt im Jahresmittel bei -68°C und kann bis auf -80°C oder -100°C absinken. Auf diese Weise kann eine technisch wenig aufwändige, sichere und verlässliche Lichtquelle für zukünftige Mars- Missionen bereitgestellt werden.
In einer Ausgestaltung weist das Bauteil einen Massenanteil des ersten Materials aus der Gruppe der Cuprate zwischen 50% und 100% auf. Der Anteil des ersten Materials an der Gesamtmasse des Bauteils liegt demnach im genannten Bereich. Insbesondere liegt der Massenanteil des ersten Materials dabei unter 100% und das Bauteil umfasst ein weiteres Material. Es hat sich erwiesen, dass die Lichterzeugung bei niedrigen Temperaturen auch möglich ist, wenn das Bauteil nur anteilig ein Cuprat ist. Dies ist ab einem Cuprat-Anteil von ungefähr 50% möglich. Bevorzugt liegt das Cuprat als kontinuierliche Phase vor. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Herstellung eines Bauteils mit geringerer Menge an Cuprat, was den technischen Aufwand und die Kosten minimiert. Insbesondere umfasst das Bauteil neben dem ersten Material ein weiteres Material. Es ist möglich, dass das weitere Material kein Cuprat enthält.
In einer Ausgestaltung weist das Bauteil einen Massenanteil oberhalb von 0% und maximal von 50% eines zweiten Materials auf. Das zweite Material ist vom ersten Material unterschiedlich. Insbesondere enthält es kein Cuprat. Auf diese Weise sind vielfältige Möglichkeiten gegeben, durch geeignete Beimengungen die Eigenschaften des Licht emittierenden Bauteils die jeweiligen Anforderungen anzupassen. Auch kann auf diese Weise ein Bauteil mit geringerer Menge an Cuprat hergestellt werden, was den technischen Aufwand und die Kosten minimiert.
Insbesondere dient das zweite Material der Beeinflussung der Wellenlänge des emittierten Lichts und/oder des Abstrahlverhaltens des Bauteils. Geeignete Materialien können auf diese Weise ein für die jeweilige Anwendung optimales Frequenzspektrum bzw. Wellenlängenspektrum erzeugen. In einer Ausführungsform enthält das Bauteil einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines zweiten Materials sowie einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines dritten Materials, optional einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines vierten Materials und gegebenenfalls einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines fünften Materials. Die Massenanteile des zweiten, dritten, vierten und/oder fünften Materials können unterhalb von 40% liegen. Sie können unterhalb von 20% liegen. Sie können unterhalb von 10% liegen. Sie können unterhalb von 5% liegen. Das zweite, dritte, vierte und/oder fünfte Material kann ein isolierendes keramisches Material sein.
Das zweite, dritte, vierte und/oder fünfte Material kann eine Beimengung zum ersten Material sein. Mehrere unterschiedliche Beimengungen ermöglichen eine feine Abstimmung des emittierten Lichts und/oder die gezielte Beeinflussung weiterer Eigenschaften.
Das zweite Material kann ein elektrisch isolierendes Material und insbesondere ein keramisches Material sein. In einer Ausführungsform ist das zweite Material Zirkoniumoxid und/oder Hafniumoxid. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie unterschiedliche Schattierungen weißen Lichts emittieren. So kann durch geeignete Zusammensetzung des Bauteils aus erstem und zweitem Material eine gewünschte Lichtschattierung wie beispielswiese warmweiß oder kaltweiß eingestellt werden.
In einer Ausgestaltung besteht zumindest ein erster Bereich, insbesondere zumindest eine erste Schicht, des Bauteils im Wesentlichen aus dem ersten Material. Zumindest ein zweiter Bereich, insbesondere zumindest eine zweite Schicht, des Bauteils besteht im Wesentlichen aus dem zweiten Material.
Mit anderen Worten ist eine bereichsweise, beispielsweise schichtweise Anordnung der beiden unterschiedlichen Materialien möglich. In einer Ausführungsform besteht das Bauteil aus einer ersten Schicht und einer insbesondere unmittelbar benachbart angeordneten zweiten Schicht. In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil drei Schichten, wobei eine zweite Schicht zwischen zwei ersten Schichten angeordnet ist. Insbesondere sind die drei Schichten jeweils unmittelbar benachbart angeordnet. Das Bauteil kann aus den drei Schichten bestehen. In einer Ausführungsform ist ein Bereich des ersten Materials von zweitem Material umgeben. Demnach liegt ein Bereich des ersten Materials entlang zumindest einer Blickrichtung zwischen zweitem Material. Das zweite Material kann als Beschichtung des ersten Materials angeordnet sein. Dadurch kann die Lichtemission beeinflusst werden.
In einer Ausgestaltung umfasst zumindest ein dritter Bereich des Bauteils eine vorzugsweise im Wesentlichen homogene Mischung aus dem ersten Material und dem zweiten Material.
Zumindest ein Bereich enthält also eine Mischung zweier unterschiedlicher Materialien, die vorzugsweise im Wesentlichen gleichförmig ist. Der dritte Bereich kann aus der Mischung aus dem ersten Material und dem zweiten Material bestehen. Homogen meint insbesondere eine gleichförmige Mischung der unterschiedlichen Materialien. Das erste Material und ggf. das zweite, dritte, usw. Material kann aus verfestigten Partikeln bestehen. In diesem Fall ist eine im Wesentlichen gleichförmige Mischung der unterschiedlichen verfestigten Partikel gemeint. Es können auf diese Weise die Eigenschaften des Bauteils zur Lichterzeugung wie etwa die Wellenlänge oder das Abstrahlverhalten den Anforderungen entsprechend eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das elektrische Feld eine elektrische Feldstärke oberhalb von 100 V/cm auf. Die elektrische Feldstärke beträgt insbesondere zwischen 500 V/cm und 100 kV/cm. Insbesondere ist eine mittlere Feldstärke gemeint, die auf das Bauteil wirkt. In einer Ausführungsform liegt die elektrische Feldstärke zwischen 1 kV/cm und 50 kV/cm und bevorzugt zwischen 5 kV/cm und 20 kV/cm.
Im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen ist das elektrische Feld größer, während der Stromfluss geringer ist. Die elektrische Feldstärke einer Glühlampe mit einem Wolframfaden ist im Bereich von 50 V/cm bis 70 V/cm. Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt die elektrische Feldstärke insbesondere oberhalb von 100 V/cm. Somit ist die widerstandsbedingte Erwärmung aufgrund ohmscher Verluste gering und die Effizienz der Umwandlung eingebrachter Energie in elektrisches Licht ist hoch.
In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Lichtemission in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere in Luft. Mit anderen Worten ist das Bauteil bei der Lichterzeugung umgeben von der sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise von der Umgebungsluft. Aufgrund der oxidischen Eigenschaften des Bauteils kann die Lichterzeugung auch in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wie beispielsweise Umgebungsluft erfolgen, ohne dass eine nachteilige Veränderung des Bauteils erfolgt. Herkömmliche Lichtemittenten wie beispielsweise Glühdrähte aus Metall würden einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre rasch oxidieren und funktionsuntüchtig werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass eine Lichterzeugung mit technisch besonders geringem Aufwand möglich ist, da vorteilhaft keine Schutz- oder Vakuumatmosphäre benötigt wird.
Eine mittlere Korngröße des ersten Materials und/oder des Bauteils kann zwischen 0.1 μm und 100 μm, bevorzugt zwischen 0.5 μm und 50 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 μm und 25 μm und beispielsweise zwischen 1 μm und 10 μm betragen. Die mittlere Korngröße kann beispielsweise durch Rasterelektronenmikroskopie und Bilddatenauswertung ermittelt werden.
Insbesondere wird das Bauteil dem elektrischen Feld unter Atmosphärendruck ausgesetzt. Mit anderen Worten wird das Verfahren ohne Ausüben eines Drucks ausgeführt. Es wird kein zusätzlicher Druck zum Atmosphärendruck aufgebaut. In einer Ausführungsform, insbesondere bei Durchführung des Verfahrens in der Erdatmosphäre, beträgt der maximale Druck im Bauteil zu Beginn bzw. kurz vor Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes weniger als 1,6 bar, bevorzugt weniger als 1,4 bar und besonders bevorzugt weniger als 1 ,2 bar oder weniger als 1,1 bar.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein verdichtetes Bauteil insbesondere ein gesintertes Bauteil.
Ein verdichtetes Bauteil ist ein Bauteil, das aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial auf eine solche Weise hergestellt wurde, dass die Körner des Ausgangsmaterials im Bauteil fest miteinander verbunden sind. Insbesondere ist das Bauteil ein gesintertes Bauteil, vorzugsweise ein gesintertes keramisches Bauteil. Demnach wurde zur Herstellung des Bauteils ein Vorformling des Bauteils oder ein formloses Material erhitzt und ggf. einem erhöhten Druck ausgesetzt und auf diese Weise verdichtet. Das Sintern erfolgt typischerweise bei hohen Temperaturen, die jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des der Ausgangsmaterialien liegen, sodass eine ggf. vorhandene Form des Werkstücks beim Sintern erhalten bleibt. Es kann dabei zu einer Schwindung des Werkstücks kommen, da die Dichte des Ausgangsmaterials steigt. Durch das Sintern wird ein festes Werkstück hergestellt, wobei Eigenschaften wie Härte, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit durch geeignete Prozessparameter beeinflusst werden können.
Das Sintern kann als feldunterstützte Sintern realisiert sein, bei dem die Erwärmung zumindest anteilig mittels elektrischen Stroms erfolgt. Bei diesem Verfahren, das auch als Feld-Aktiviertes Sintern, „Field assisted sintering technology“ (FAST) oder „Spark Plasma Sintering“ (SPS) bekannt ist, wird ein elektrischer Gleichstrom durch das zu sinternde Pulver geleitet, der zu einer weiteren Erwärmung durch den Joule-Effekt führt. Zusätzlich kann ein Druck von 50 MPa bis zu 400 MPa aufgebaut werden und/oder das Sintern erfolgt unter Schutzgas oder Vakuum. Das Sintern kann auch als Flash-Sintern realisiert sein, das auf einem Stromfluss durch den keramischen Körper in Kombination mit einer externen Heizung beruht. Hierbei wird zunächst extern geheizt und bei Überschreiten einer spezifischen Temperatur, bei der die Probe ausreichend leitfähig wird, wird ein Stromfluss über den Probenquerschnitt realisiert.
Vor dem Sintern kann das Ausgangsmaterial als Grünling vorliegen, also als aus dem Ausgangsmaterial vorgeformter Gegenstand. Das Verfahren kann eine Formgebung zur Herstellung des Grünlings umfassen. Dies dient der Herstellung des Grünlings, insbesondere aus pulverförmigen Materialien. Dabei kann eine möglichst homogene Packungsdichte, also eine gleichmäßige Massenverteilung, im gesamten Grünling angestrebt werden. Die Formgebung erfolgt insbesondere durch Pressen, Gießen und/oder durch plastische Formgebung. Auf diese Weise können geometrisch anspruchsvolle Bauteile hergestellt werden.
Alternativ oder ergänzend kann das Ausgangsmaterial in Pulverform vorliegen. Dies ermöglicht ein besonders einfaches und schnelles Verfahren. Es kann somit als Pulver in eine Form eingebracht werden und in dieser Form dem elektrischen Feld ausgesetzt werden.
Diese Ausgestaltung führt zu einem besonders festen und langlebigen Bauteil, sodass eine dauerhafte Lichterzeugung möglich ist.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Verdichten dadurch, dass ein Ausgangsstoff, umfassend das erste Material, bei einer Temperatur Tv unterhalb von 800°C, insbesondere unterhalb von 100°C, einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Das elektrische Feld wird insbesondere erzeugt durch die Anordnung von Elektroden an unterschiedlichen, beispielsweise gegenüberliegenden, Seiten des Ausgangsmaterials und durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden bzw. Realisieren eines elektrischen Stroms durch die Elektroden und das Ausgangsmaterial.
Die Temperatur Tv meint die Temperatur zu Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes auf das Ausgangsmaterial. Das Ausgangsmaterial wird insbesondere nicht erwärmt, bevor es dem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Dennoch ist es möglich, dass die Temperatur durch die Wirkung des elektrischen Feldes punktuell auf Werte oberhalb von 300°C oder 100°C steigt. Insbesondere liegt diese Temperatur jedoch deutlich unterhalb von 800°C. Insbesondere ist die Temperatur Tv geringer als 700°C, geringer als 600°C, geringer als 500°C, geringer als 400°C, geringer als 300°C, geringer als 200°C, geringer als 150°C, geringer als 100°C, geringer als 80°C, geringer als 70°C, geringer als 60°C, geringer als 50°C, geringer als 40°C, geringer als 30°C oder geringer als 25°C. Sie kann der Raumtemperatur entsprechen oder geringer sein als die Raumtemperatur. Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei diesen Temperaturen eine Verdichtung ähnlich einem herkömmlichen Sinterprozess möglich ist. Die Temperatur ist höher als die Sprungtemperatur des jeweiligen Materials. In einer Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial dem elektrischen Feld für eine Zeitdauer von weniger als 10 min und bevorzugt weniger als 1 min ausgesetzt. In Versuchen hat sich erwiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine vollständige Verdichtung bereits innerhalb der genannten kurzen Zeitdauer erlaubt. Insbesondere wird das Ausgangsmaterial dem elektrischen Feld unter Atmosphärendruck, also ohne Ausüben eines Drucks, ausgesetzt. Das elektrische Feld kann eine elektrische Feldstärke oberhalb von 50 V/cm aufweisen, insbesondere eine elektrische Feldstärke zwischen 100 V/cm und 5 kV/cm. Der Ausgangsstoff kann weitere Stoffe, beispielsweise ein zweites Material und ggf. ein drittes, viertes, usw. Material umfassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines Bauteils zur Emission von Licht. Das Bauteil umfasst ein erstes Material aus der Gruppe der Cuprate. Die Emission von Licht erfolgt bei einer Temperatur unterhalb von 0°C. Insbesondere erfolgt die Emission von Licht durch Aussetzen des Bauteils einer elektrischen Spannung, eines elektrischen Feldes und/oder eines elektrischen Stroms. Alle Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens gelten entsprechend auch für die Verwendung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht. Die Einrichtung umfasst ein Bauteil zur Emission von Licht, wobei das Bauteil ein erstes Material aus der Gruppe der Cuprate enthält. Die Einrichtung umfasst weiterhin eine Energieversorgungseinrichtung zum Aussetzen des Bauteils einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld zwecks Emission von Licht durch das Bauteil. Die Einrichtung ist so eingerichtet, dass das Bauteil bei der Erzeugung von Licht eine Temperatur unterhalb von 0°C aufweist.
Alle Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens gelten entsprechend auch für die Einrichtung. In einer Ausgestaltung weist die Einrichtung eine Kühlungseinrichtung zur Kühlung des Bauteils auf eine Temperatur unterhalb von 0°C auf. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kühlungseinrichtung zur Kühlung einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre eingerichtet, sodass das Bauteil durch die Atmosphäre gekühlt werden kann.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben wird. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Es zeigen:
Figur 1: eine erste Einrichtung zur Erzeugung von Licht,
Figur 2: eine zweite Einrichtung zur Erzeugung von Licht,
Figur 3: eine erste Ausführungsform eines Bauteils,
Figur 4: eine zweite Ausführungsform eines Bauteils, und
Figur 5: eine dritte Ausführungsform eines Bauteils.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäße Einrichtung 10 zur Erzeugung von Licht. Sie umfasst ein Bauteil 12 zur Emission von Licht. Das Bauteil 12 enthält ein erstes Material 14 aus der Gruppe der Cuprate. Das Bauteil 12 hat die Form eines geraden Stifts, der mit einem ersten Leiter 21 und einem zweiten Leiter 22 verbunden ist. Insbesondere wird das Bauteil 12 von den beiden Leitern 21 und 22 gehalten. Die Einrichtung 10 umfasst weiterhin eine Energieversorgungseinrichtung 20, die dazu eingerichtet ist, das Bauteil 12 einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld auszusetzen. Auf diese Weise kann das Bauteil 12 Licht emittieren. Die Energieversorgungseinrichtung 20 umfasst neben dem ersten Leiter 21 und dem zweiten Leiter 22 eine elektrische Anschlusseinheit 35, die in Form eines herkömmlichen Lampensockels ausgestaltet ist. Auf diese Weise kann mittels der Energieversorgungseinrichtung 20 ein elektrischer Strom durch das Bauteil 12 hindurch realisiert werden, der insbesondere zu einem elektrischen Feld im Bereich des Bauteils 12 führt.
Die Einrichtung 10 zur Erzeugung von Licht umfasst weiterhin eine Schutzeinrichtung, die einen mechanischen Schutz des Bauteils 12 sowie insbesondere auch der beiden Leiter 21 und 22 gewährleistet. Die Schutzeinrichtung ist insbesondere aus einem transparenten Feststoff hergestellt, beispielsweise aus Glas. Die Schutzeinrichtung ist in Form eines Schutzschirms 30 ausgestaltet. Die Schutzeinrichtung ist in der gezeigten Ausführungsform nicht dazu eingerichtet, eine gasdichte Atmosphäre um das Bauteil 12 zu begrenzen. Mit anderen Worten ist die Schutzeinrichtung so ausgestaltet, dass er eine Zirkulation von Gas aus der Umgebung der Einrichtung 10 um das Bauteil 12 herum zulässt. Dies ist in den Figuren 1 und 2 schematisch dadurch dargestellt, dass der Schutzschirm 30 auf der links gezeigten Seite Öffnungen aufweist. Auf diese Weise kann die Emission von Licht in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre 40, beispielsweise in der Umgebungsluft erfolgen.
Die Einrichtung 10 zur Erzeugung von Licht ist dazu eingerichtet, bei einer Temperatur unterhalb von 0° C Licht zu erzeugen. Beispielsweise kann sie genutzt werden, um auf dem Mars als Lichtquelle zu dienen. Sie kann eine Kühlungseinrichtung zur Kühlung des Bauteils und/oder einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre aufweisen. Dazu kann eine Schutzeinrichtung vorhanden sein, die eine zumindest im Wesentlichen gasdichte Atmosphäre um das Bauteil herum begrenzt. Die Einrichtung 10 kann zur Erzeugung von weißglühendem Licht eingerichtet sein. Insbesondere dient die Lichtemission zur Beleuchtung wenigstens eines Gegenstands und/oder eines Raums.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung 10. Abweichend von der in Figur 1 gezeigten Ausgestaltung ist das Bauteil 12 hier in Form eines lediglich schematisch dargestellten Hundeknochens (engl. dogbone shape) ausgeführt. Diese Form kann mit geringem technischen Aufwand hergestellt werden. Im Übrigen entspricht die gezeigte Ausgestaltung der in Figur 1 gezeigten Ausgestaltung, sodass auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Figur 3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils 12 zur Emission von Licht. Das Bauteil 12 umfasst einen dritten Bereich 28, der eine homogene Mischung aus einem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate und einem zweiten Material 16 umfasst. Das zweite Material 16 unterscheidet sich vom ersten Material 14 und enthält insbesondere kein Cuprat. Durch geeignete Beimengungen des zweiten Materials 16 kann die Farbtemperatur des durch das Bauteil 12 emittierten Lichts auf gewünschte Weise eingestellt werden.
Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils 12. Das Bauteil 12 umfasst einen ersten Bereich 24 und einen zweiten Bereich 26, die in Form von Schichten ausgestaltet sind und unmittelbar aneinander angrenzen. Der erste Bereich 24 ist aus dem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate hergestellt. Der zweite Bereich 26 ist aus dem zweiten Material 16 hergestellt, das sich vom ersten Material 14 unterscheidet und insbesondere kein Cuprat enthält. Die Beschichtung des ersten Bereichs 24 mit dem zweiten Material 16 kann so erfolgen, dass die Lichtemission durch das Bauteil 12 auf gewünschte Weise beeinflusst wird. Beispielsweise kann eine Farbtemperatur des emittierten Lichts auf gewünschte Weise eingestellt werden.
Figur 5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils 12. Das Bauteil 12 umfasst einen zweiten Bereich 26, der sandwichartig zwischen zwei insbesondere gleichartig ausgestalteten ersten Bereichen 24 angeordnet ist. Insbesondere besteht das Bauteil 12 aus den genannten Bereich 24 und 26. Auch hier ist der erste Bereich 24 aus dem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate hergestellt und der zweite Bereich 26 ist aus dem zweiten Material 16 hergestellt, das sich vom ersten Material 14 unterscheidet und insbesondere kein Cuprat enthält. Die ersten Bereiche 24 und der zweite Bereich 26 sind in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet. Die in den schematischen Figuren 3 bis 5 gezeigten Schichtdicken sowie deren Verhältnisse sind nicht maßstäblich. Die Bereiche 14 und 16 können gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Die Schichtdicke des ersten Bereichs 14 kann größer, kleiner oder gleich der Schichtdicke des zweiten Bereich 16 sein.
Bezugszeichenliste
Einrichtung 10
Bauteil 12
Erstes Material 14
Zweites Material 16
Energieversorgungseinrichtung 20
Erster Leiter 21
Zweiter Leiter 22
Erster Bereich 24
Zweiter Bereich 26
Dritter Bereich 28
Schutzschirm 30
Elektrische Anschlusseinheit 35
Atmosphäre 40
Temperatur T
Temperatur Tv

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Licht, bei dem ein Bauteil (12), umfassend ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate, bei einer Temperatur (T) unterhalb von 0°C einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, so dass das Bauteil (12) Licht emittiert.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (14) Yttrium-Barium-Kupferoxid ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) geringer ist als -30°C, insbesondere geringer als -60°C.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) einen Massenanteil des ersten Materials (14) aus der Gruppe der Cuprate zwischen 50% und 100% aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) einen Massenanteil oberhalb von 0% und maximal von 50% eines zweiten Materials (16) aufweist.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Bereich (24), insbesondere zumindest eine erste Schicht, des Bauteils (12) im Wesentlichen aus dem ersten Material (14) besteht und zumindest ein zweiter Bereich (26), insbesondere zumindest eine zweite Schicht, des Bauteils (12) im Wesentlichen aus dem zweiten Material (16) besteht.
7. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter Bereich (28) des Bauteils (12) eine vorzugsweise im Wesentlichen homogene Mischung aus dem ersten Material (14) und dem zweiten Material (16) umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld eine elektrische Feldstärke oberhalb von 100 V/cm aufweist, wobei die elektrische Feldstärke insbesondere zwischen 500 V/cm und 100 kV/cm beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemission in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre (40), insbesondere in Luft, erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) ein verdichtetes Bauteil (12), insbesondere ein gesintertes Bauteil (12), ist. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten dadurch erfolgt, dass ein Ausgangsstoff, umfassend das erste Material (14), bei einer Temperatur (Tv) unterhalb von 800°C, insbesondere unterhalb von 100°C, einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Verwendung eines Bauteils (12) umfassend ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate zur Emission von Licht bei einer Temperatur (T) unterhalb von 0°C. Einrichtung (10) zur Erzeugung von Licht, umfassend ein Bauteil (12) zur Emission von Licht und eine Energieversorgungseinrichtung (20) zum Aussetzen des Bauteils (12) einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld zwecks Emission von Licht durch das Bauteil (12), wobei das Bauteil (12) ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate enthält, wobei die Einrichtung so eingerichtet ist, dass das Bauteil (12) bei der Erzeugung von Licht eine Temperatur (T) unterhalb von 0°C aufweist. Einrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Kühlungseinrichtung zur Kühlung des Bauteils (12) auf eine Temperatur (T) unterhalb von 0°C aufweist. Einrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungseinrichtung zur Kühlung einer das Bauteil (12) umgebenden Atmosphäre eingerichtet ist, sodass das Bauteil (12) durch die Atmosphäre gekühlt werden kann.
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