WO2011012388A1

WO2011012388A1 - Leuchtdiode mit kompensierendem konversionselement und entsprechendes konversionselement

Info

Publication number: WO2011012388A1
Application number: PCT/EP2010/059180
Authority: WO
Inventors: Dominik Eisert
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-02-03
Also published as: KR20120039044A; US20120126275A1; EP2460192A1; CN102549786A; JP2013500596A; CN102549786B; DE102009035100A1

Abstract

Es wird eine Leuchtdiode angegeben, mit - einem Leuchtdiodenchip (1), der im Betrieb Primärstrahlung im Spektralbereich von blauem Licht emittiert, - einem Konversionselement (34), das einen Teil der Primärstrahlung absorbiert und Sekundärstrahlung reemittiert, wobei - das Konversionselement (34) einen ersten Leuchtstoff (3) und einen zweiten Leuchtstoff (4) umfasst, - der erste Leuchtstoff (3) in einem Absorptions-Wellenlängenbereich (Δλ_ab) eine mit zunehmender Wellenlänge kleiner werdende Absorption aufweist und der zweite Leuchtstoff (4) im selben Absorptions-Wellenlängenbereich (Δλ_ab) eine mit zunehmender Wellenlänge größer werdende Absorption aufweist, - die Primärstrahlung Wellenlängen umfasst, die im genannten Absorptions-Wellenlängenbereich (Δλ_ab) liegen, und - die Leuchtdiode weißes Mischlicht aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert, das eine Farbtemperatur von wenigstens 4000K aufweist.

Description

Beschreibung

LEUCHTDIODE MIT KOMPENSIERENDEM KONVERSIONSELEMENT UND ENTSPRECHENDES KONVERSIONSΞLEMENT Es wird eine Leuchtdiode angegeben. Darüber hinaus wird ein Konversionselement für eine Leuchtdiode angegeben.

Die Druckschrift WO 2008/020913 A2 beschreibt ein

Konversionselement zur Erzeugung von warmweißem Mischlicht.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Leuchtdiode anzugeben, die elektromagnetische Strahlung erzeugt, deren Farbort besonders unempfindlich ist gegen Schwankungen im Betriebsstrom und/oder der Betriebstemperatur der Leuchtdiode. Insbesondere soll die Leuchtdiode zur Erzeugung von kaltweißem Licht geeignet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst die Leuchtdiode einen Leuchtdiodenchip. Der Leuchtdiodenchip weist beispielsweise einen Halbleiterkörper aus einem

anorganischen Halbleitermaterial auf. Der Halbleiterkörper umfasst eine oder mehrere aktive Zonen, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen sind. Der

Leuchtdiodenchip emittiert im Betrieb vorzugsweise

Primärstrahlung im Spektralbereich von ultravioletter

Strahlung und/oder blauem Licht. Das heißt, im Betrieb des Leuchtdiodenchips wird vom Leuchtdiodenchip ultraviolette Strahlung und/oder blaues Licht abgestrahlt, die vom

Leuchtdiodenchip emittierte elektromagnetische Strahlung ist dabei die Primärstrahlung der Leuchtdiode.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst die Leuchtdiode ein Konversionselement. Das Konversionselement ist vorgesehen, zumindest einen Teil der Primärstrahlung des Leuchtdiodenchips zu absorbieren. Das heißt, im Betrieb der Leuchtdiode wird vom Leuchtdiodenchip die Primärstrahlung emittiert, diese gelangt zumindest teilweise in das

Konversionselement, von dem sie wiederum zum Teil absorbiert wird. Das Konversionselement wird durch die absorbierte

Primärstrahlung zur Re-Emission einer Sekundärstrahlung angeregt. Das heißt, im Betrieb der Leuchtdiode re-emittiert das Konversionselement Sekundärstrahlung. Die

Sekundärstrahlung weist dabei vorzugsweise Wellenlängen auf, die größer sind als Wellenlängen der Primärstrahlung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst das Konversionselement einen ersten Leuchtstoff und einen zweiten Leuchtstoff. Das heißt, das Konversionselement ist nicht mit einem einzigen Leuchtstoff gebildet, der zur

Absorption und Re-Emission von elektromagnetischer Strahlung geeignet ist, sondern mit zwei unterschiedlichen

Leuchtstoffen. Das Konversionselement kann dabei auch mit mehr als zwei Leuchtstoffen gebildet sein, wichtig ist lediglich, dass das Konversionselement wenigstens mit einem ersten

Leuchtstoff und mit einem zweiten Leuchtstoff gebildet ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode weist das Konversionselement einen Absorptions-Wellenlängenbereich auf. Im Absorptions-Wellenlängenbereich liegende

elektromagnetische Strahlung wird vom Konversionselement absorbiert. Die absorbierte Strahlung kann das

Konversionselement zur Re-Emission von Sekundärstrahlung anregen. Der Absorptions-Wellenlängenbereich muss dabei nicht der gesamte Wellenlängenbereich sein, in dem der Leuchtstoff Primärstrahlung absorbieren und Sekundärstrahlung re- emittieren kann, sondern es kann sich um einen Ausschnitt aus diesem Wellenlängenbereich handeln.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode weist der erste Leuchtstoff des Konversionselements im Absorptions- Wellenlängenbereich eine mit zunehmender Wellenlänge kleiner werdende Absorption auf. Das heißt, innerhalb des Absorptions- Wellenlängenbereichs weist der erste Leuchtstoff eine größere Absorption und eine kleinere Absorption auf, wobei der erste Leuchtstoff die kleinere Absorption bei größeren Wellenlängen aufweist als die größere Absorption. Beispielsweise fällt die Absorption des ersten Leuchtstoffs im Absorptions- Wellenlängenbereich mit größer werdender Wellenlänge

kontinuierlich ab.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode weist der zweite Leuchtstoff im selben Absorptions- Wellenlängenbereich eine mit zunehmender Wellenlänge größer werdende Absorption auf. Das heißt, innerhalb des Absorptions- Wellenlängenbereichs weist der zweite Leuchtstoff eine größere Absorption und eine kleinere Absorption auf, wobei der zweite Leuchtstoff die kleinere Absorption bei kleineren Wellenlängen aufweist als die größere Absorption. Beispielsweise steigt die Absorption des zweiten Leuchtstoffs im Absorptions- Wellenlängenbereich mit größer werdender Wellenlänge

kontinuierlich an.

Mit anderen Worten ist das Absorptionsverhalten der beiden Leuchtstoffe im Absorptions-Wellenlängenbereich gegenläufig. Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die Absorption des ersten Leuchtstoffs ab, wohingegen die Absorption des zweiten

Leuchtstoffs zunimmt. Der Absorptions-Wellenlängenbereich ist dann zumindest durch einen Ausschnitt desjenigen

Wellenlängenbereichs gebildet, in dem diese Aussage zutrifft.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst die Primärstrahlung Wellenlängen, die im genannten

Absorptions-Wellenlängenbereich liegen. Das heißt, die

Primärstrahlung umfasst Wellenlängen, die in demjenigen

Wellenlängenbereich liegen, in dem das Absorptionsverhalten von erstem und zweitem Leuchtstoff gegenläufig ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode wird von der Leuchtdiode weißes Mischlicht aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert. Das Mischlicht weist dabei eine Farbtemperatur von wenigstens 4000 K auf. Beispielsweise beträgt die Farbtemperatur dann höchstens 7000 K. Das heißt, das weiße Mischlicht ist kaltweißes Licht.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst die Leuchtdiode einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb der Leuchtdiode Primärstrahlung im Spektralbereich von blauem Licht emittiert. Ferner umfasst die Leuchtdiode ein

Konversionselement, das einen Teil der Primärstrahlung

absorbiert und Sekundärstrahlung re-emittiert . Das

Konversionselement umfasst dabei einen ersten Leuchtstoff und einen zweiten Leuchtstoff. Der erste Leuchtstoff weist in einem Absorptions-Wellenlängenbereich eine mit zunehmender Wellenlänge kleiner werdende Absorption auf und der zweite Leuchtstoff weist im selben Absorptions-Wellenlängenbereich eine mit zunehmender Wellenlänge größer werdende Absorption auf. Die Primärstrahlung umfasst dabei Wellenlängen, die im genannten Absorptions-Wellenlängenbereich liegen und die

Leuchtdiode emittiert weißes Mischlicht aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung, das eine Farbtemperatur von wenigstens 4000 K aufweist.

Es wird darüber hinaus ein Konversionselement für eine

Leuchtdiode angegeben. Das hier beschriebene

Konversionselement ist zur Verwendung mit einem

Leuchtdiodenchip geeignet. Beispielsweise ist das

Konversionselement für eine hier beschriebene Leuchtdiode geeignet. Das bedeutet, sämtliche für das Konversionselement offenbarten Merkmale sind auch für die hier beschriebene

Leuchtdiode offenbart und umgekehrt.

Das Konversionselement ist zur Absorption einer

Primärstrahlung und zur Emission einer Sekundärstrahlung vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Sekundärstrahlung größere Wellenlängen als die Primärstrahlung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements umfasst das Konversionselement einen ersten Leuchtstoff und einen zweiten Leuchtstoff, wobei der erste Leuchtstoff in einem Absorptions-Wellenlängenbereich eine mit zunehmender Wellenlänge kleiner werdende Absorption aufweist und der zweite Leuchtstoff im selben Absorptions-Wellenlängenbereich eine mit zunehmender Wellenlänge größer werdende Absorption aufweist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Konversionselements unterscheiden sich die Wellenlängen der maximalen Emissions- Intensität von erstem und zweitem Leuchtstoff um höchstens 20 nm. Mit anderen Worten weisen der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff eine unterschiedliche Wellenlänge der maximalen Emissions-Intensität auf. Der Unterschied in der Wellenlänge der maximalen Emissions-Intensität beträgt dabei aber höchstens 20 nm. Vorzugsweise beträgt der Unterschied höchstens 10 nm, besonders bevorzugt höchstens 7 nm.

Mit anderen Worten emittieren die beiden Leuchtstoffe Licht der gleichen Farbe, wobei das Maximum in der Emission der beiden Leuchtstoffe leicht gegeneinander verschoben sein kann.

Die folgenden Ausführungsformen beziehen sich sowohl auf die Leuchtdiode als auch auf das Konversionselement.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die

Sekundärstrahlung, die vom Konversionselement emittiert wird, im Spektralbereich von gelbem Licht. Das heißt insbesondere, beide Leuchtstoffe des Konversionselements emittierende elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich von gelbem Licht, wobei die Wellenlängen der maximalen Emissions- Intensität wie oben beschrieben gegeneinander verschoben sein können . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Wellenlänge der maximalen Emissions-Intensität des zweiten Leuchtstoffs größer als die des ersten Leuchtstoffs. Das heißt, der zweite

Leuchtstoff hat seine maximale Emission bei einer Wellenlänge, die größer ist als die Wellenlänge, bei der der zweite

Leuchtstoff seine maximale Emission hat.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode basiert der erste Leuchtstoff auf Europium als Leuchtzentrum und der zweite Leuchtstoff basiert auf Cer als Leuchtzentrum.

Vorzugsweise weist der zweite Leuchtstoff, der auf Cer als Leuchtzentrum basiert, eine Wellenlänge der maximalen

Emissions-Intensität auf, die etwas größer ist als die Wellenlänge der maximalen Emissions-Intensität des auf Eu als Leuchtzentrum basierenden ersten Leuchtstoffs.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt das Maximum der Emissions-Intensität der Primärstrahlung, das heißt der vom Leuchtdiodenchip emittierten elektromagnetischen Strahlung, zwischen wenigstens 440 nm und höchstens 470 nm, bevorzugt zwischen 445 nm und 460 nm. Der Wellenlängenbereich der

Primärstrahlung bildet dabei bevorzugt den Absorptions- Wellenlängenbereich, in dem der erste Leuchtstoff eine mit zunehmender Wellenlänge kleiner werdende Absorption aufweist und der zweite Leuchtstoff eine mit zunehmender Wellenlänge größer werdende Absorption aufweist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode fällt die Absorption des Konversionselements im Absorptions- Wellenlängenbereich, das heißt insbesondere im

Wellenlängenbereich von wenigstens 440 nm bis höchstens 470 nm, um höchstens 35 % ab. Bei der Absorption des

Konversionselements handelt es sich dabei um die summierte Absorption der Leuchtstoffe des Konversionselements.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode basieren der erste Leuchtstoff und der zweite Leuchtstoff auf Cer als Leuchtzentrum, wobei der Absorptions-Wellenlängenbereich eines der Leuchtstoffe durch Änderung der Komposition des

Wirtsgitters des Leuchtstoffs gegenüber dem anderen

Leuchtstoff verschoben ist. Dadurch ergibt sich in der Summe eine breitere Absorptionsbande als für die Einzelleuchtstoffe. Als Beispiel kommt das Gallium-haltige System YAG:Ce und

Y(Ga, Al)GiCe in Frage. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode beträgt das Gewichtsverhältnis von erstem Leuchtstoff im

Konversionselement zu zweitem Leuchtstoff im

Konversionselement zwischen wenigstens 0,6 und höchstens 1,5. Beispielsweise sind folgende Gewichtsverhältnisse von erstem Leuchtstoff zu zweitem Leuchtstoff besonders bevorzugt: 2:3, 7:8, 1:1, 8:7, 3:2.

Mit derartigen Gewichtsverhältnissen von erstem Leuchtstoff zu zweitem Leuchtstoff ist es möglich, ein Konversionselement zu schaffen, bei dem die Absorption im Absorptions- Wellenlängenbereich des Konversionselements nahezu konstant ist, das heißt, beispielsweise kaum abfällt. Eine Leuchtdiode mit einem solchen Konversionselement ist daher besonders unempfindlich gegen Veränderungen in der Wellenlänge der

PrimärStrahlung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst die Leuchtdiode wenigstens zwei Leuchtdiodenchips, wobei sich das Maximum der Emissions-Intensität von zwei der

Leuchtdiodenchips der Leuchtdiode um wenigstens 5 nm

voneinander unterscheidet. Das heißt, die beiden

Leuchtdiodenchips sind nicht besonders genau vorsortiert, sondern weisen einen relativ großen Unterschied in der

dominanten Wellenlänge ihrer Primärstrahlung auf. Den

Leuchtdiodenchips der Leuchtdiode ist ein hier beschriebenes Konversionselement nachgeordnet. Aufgrund der breiten, nahezu gleichmäßigen Absorption des Konversionselements ist trotz der Verwendung von Leuchtdiodenchips mit stark voneinander

unterschiedlicher dominanter Wellenlänge, eine Leuchtdiode geschaffen, die weißes Mischlicht in einem vorgebbaren, wohl definierten Farbortbereich emittieren kann. Der Farbort des erzeugten weißen Lichts weist trotz der Verwendung unterschiedlicher Leuchtdiodenchips kaum räumliche Schwankungen auf.

Im Folgenden werden die hier beschriebene Leuchtdiode sowie das hier beschriebene Konversionselement anhand von

Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .

Die grafischen Darstellungen der Figuren 1, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 bis 9 dienen zur Veranschaulichung von hier beschriebenen Leuchtdioden und Konversionselementen.

Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 10A bis 10D sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Leuchtdioden und

Konversionselementen näher erläutert.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu

betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Weißes Licht emittierende Leuchtdioden können aus einem blau emittierenden Leuchtdiodenchip 1 und einem gelb leuchtenden Konversionselement 34 hergestellt werden, siehe dazu auch die Figuren 10A bis 10D. Das heißt, der Leuchtdiodenchip 1

emittierte blaue Primärstrahlung, während das

Konversionselement 34 gelbe Sekundärstrahlung emittiert. Das Konversionselement 34 absorbiert dabei einen Teil des blauen Lichtes, der dann im gelben Spektralbereich reemittiert wird. Zusammen ergibt der transmittierte Teil des blauen Lichts mit dem konvertierten gelben Licht den weißen Farbeindruck. Der Aufbau der Leuchtdiode kann sehr kompakt gehalten werden, wenn der blaue Leuchtdiodenchip 1 mit dem Konversionselement 34 ummantelt wird, siehe dazu insbesondere die Figuren 1OB bis 10D. Blaue Leuchtdiodenchips 1 basieren zum Beispiel auf dem

Materialsystem GaInN. Die Emissionswellenlänge kann durch den Indiumgehalt in einem weiten Bereich des sichtbaren Spektrums zum Beispiel von circa 360 nm bis circa 600 nm eingestellt werden. Für weiße Leuchtdioden wird vorliegend der

Spektralbereich von 440 nm bis 470 nm bevorzugt verwendet.

Bei den LED-Leuchtstoffen ist ein besonders gut geeignetes Material der Cer-dotierte YAG (Y3AI5O12) , beziehungsweise gewisse Modifikationen mit Gd, Tb oder Ga. Die Cer-dotierten Leuchtstoffe haben eine starke Absorptionsbande im blauen Spektralbereich und emittieren im Gelben, sind also

hervorragend für weiße Leuchtdioden geeignet. Aber auch andere gelb emittierende Leuchtstoff, die auf Europium als

Leuchtzentrum basieren, erweisen sich als vorteilhaft.

Darunter fallen die zum Beispiel die Orthosilikate (Ca, Sr, Ba)Siθ4:Eu oder die Oxinitride (Ca, Sr, Ba) Si2θ2N₂ :Eu .

Das menschliche Auge reagiert sehr empfindlich auf kleine Farbunterschiede. Deshalb versucht man, bei der Produktion von weißen Leuchtmitteln die Farbortstreuung innerhalb einer geringen Bandbreite zu halten. Bei weißen Leuchtdioden ist ein wichtiger Beitrag zur Farbortstreuung die spektrale Variation des vom Leuchtdiodenchip 1 emittierten Lichts. Die Streuung der Emissionswellenlänge im Produktionsprozess hat eine gewisse Breite. Ebenso kann es logistisch vorteilhaft sein, Leuchtdioden mit verschiedenen Emissionswellenlängen in den Produkten mischen zu können.

Figur 1 zeigt eine Serie von Spektren blauer Leuchtdiodenchips 1 aus dem infrage kommenden Spektralbereich. Die

Emissionsspektren der blauen Leuchtdiodenchips erstrecken sich dabei über Wellenlängen der maximalen Emissions-Intensität, also die dominanten Wellenlängen λp von wenigstens 440 nm bis höchstens 470 nm. In der Figur 1 ist die Intensität I gegen die Wellenlänge λ aufgetragen.

Die zweite spektrale Veränderung tritt in der Anwendung der Leuchtdiode selber auf. So verschiebt die Emissionswellenlänge eines Leuchtdiodenchips sowohl mit dem Betriebsstrom I, als auch mit der Betriebstemperatur T.

Die Figur 2A zeigt hierzu die spektrale Veränderung im Betrieb eines blauen Leuchtdiodenchips 1 mit dem Betriebsstrom I. Die Wellenlängen der maximalen Emissions-Intensität verschieben sich mit größer werdendem Strom I zu kleineren Wellenlängen.

Die Figur 2B zeigt die spektrale Veränderung im Betrieb eines blauen Leuchtdiodenchips 1 mit der Betriebstemperatur T. Die Wellenlängen der maximalen Emissions-Intensität verschieben sich mit größer werdender Temperatur T zu größeren

Wellenlängen, die Spektren werden breiter. Die Änderung des Spektrums des blauen Leuchtdiodenchips 1 hat auch Auswirkungen auf den Farbort der weißen Leuchtdiode. Das Absorptionsverhalten der verwendeten Leuchtstoffe ist selber auch spektral abhängig. Dadurch ändert sich die Menge des absorbierten blauen beziehungsweise re-emittierten gelben Lichtes, was zu einer Blau- beziehungsweise Gelb-Verschiebung des weißen Mischlichts der weißen LED führt. In der Produktion versucht man das Problem zu vermeiden, indem man eine Vorsortierung der Halbleiter nach

Emissionswellenlänge durchführt (so genanntes binning) . Eine solche Sortierung ist allerdings zeit- und kostenintensiv, zudem führt sie zu Ausbeuteverlusten durch nicht verwertbare Leuchtdiodenchips. Der Bedarf nach eng sortierten Gruppen nimmt zu, so dass hier in Zukunft ein Lieferengpass entstehen kann .

Des Weiteren sind im Bereich der Leuchtdioden-Technologie auch Prozesse auf Waferebene denkbar, bei denen ein

Wellenlängensortieren nicht möglich ist, da zum Beispiel ein Wafer mit einer Vielzahl von Leuchtdiodenchips mit einem gemeinsamen Konversionselement beschichtet werden soll. Hier müssen also tolerante Prozesse für die nötige Genauigkeit sorgen.

Auch im Bereich der Leuchtdioden-Applikation bereitet die Farbortvariation Probleme. So wird zum Beispiel für die

Helligkeitsdimmung eine Pulsweitenmodulation eingesetzt, um eine Farbortdrift durch Stromdichteeffekte zu umgehen.

Farbortstabilere Bauteile würden die Rückkehr zu einfacheren stromgetriebenen Ansteuerungen ermöglichen. Auch die

Klimatisierung der Bauteile könnte einfacher dimensioniert werden .

In der Figur 3A ist das Absorptions- und Emissionsverhalten eines zweiten, Cer-dotierten Leuchtstoffes 4 näher

dargestellt. In der Kurve a) ist die Absorption K gegen die Wellenlänge λ aufgetragen. In der Kurve b) ist die Emissions- Intensität E gegen die die Wellenlänge λ aufgetragen.

In der Figur 3B ist das Absorptions- und Emissionsverhalten eines ersten, Eu-dotierten Oxinitrid-Leuchtstoffes 3 näher dargestellt. In der Kurve a) ist die Absorption K gegen die Wellenlänge λ aufgetragen. In der Kurve b) ist die Emissions- Intensität E gegen die die Wellenlänge λ aufgetragen. Zur Bestimmung der Spektren sei folgendes angemerkt:

Die Spektren der blauen Leuchtdiodenchips wurden an (Ga, In)N- basierenden Leuchtdioden vermessen. Die Emissionsspektren der Leuchtstoffe wurden an Pulverproben gemessen. Aus

Reflexionsmessungen konnte der Absorptionsgrad bestimmt werden. Zur Auswertung der Daten wurde die Kubelka-Munk- Methode verwendet. Der Absorptionsgrad bezieht sich auf den Kubelka-Munk-Parameter K, der die Dämpfung in

Ausbreitungsrichtung wiedergibt.

Die Änderung des Weiß-Farbortes bei Änderung der Emission des Leuchtdiodenchips 1 beruht zu einem gewissen Teil auf der Farbverschiebung des blauen Lichtes an sich. Der größere Teil der Farbortverschiebung wird aber durch die spektrale

Abhängigkeit der Absorption durch den Leuchtstoff verursacht. Wie in den Figuren 3A und 3B zu sehen ist, haben die

Leuchtstoffe gerade im relevanten blauen Spektralbereich steil ansteigende Flanken der Absorption. Kleine spektrale

Änderungen der Anregung wirken sich also stark auf den

späteren Farbort aus. Die Abhängigkeiten sind durch die atomare Struktur der Leuchtstoffe bedingt und lassen sich, anders als die Emissionswellenlänge, kaum beeinflussen. Eine geringe Verschiebung der Absorptionsbande ist bei YAG- basierten Leuchtstoffen zum Beispiel durch Zugabe von Gallium möglich, ändert aber nichts an der prinzipiellen Form der Absorptions-Kurve . Figur 4 zeigt die Farbverschiebung bei Verwendung

verschiedener Emissionswellenlängen bei gleicher

Konversionsschicht. Die Figur 4 zeigt dabei den berechneten Farbort für Leuchtdiodenchips 1 mit verschiedener

Blauemissionswellenlänge bei gleicher Konfiguration des

Konversionselements. Die Kurve a) wurde für den ersten

Leuchtstoff 3, die Kurve b) für den zweiten Leuchtstoff 4 berechnet .

Der überstrichene Farbraum ist inakzeptabel groß, deshalb ist eine Sortierung und Steuerung des Konversionselements

notwendig. Aber selbst damit lassen sich die geforderten

Genauigkeiten nur schwer erreichen.

Für den Cer-dotierten Granat Leuchtstoff 4 nimmt der GeIb- Anteil mit steigender Emissionswellenlänge zu, während für das Eu-dotierte Oxinitrid, den ersten Leuchtstoff 3, der gelbe Anteil abnimmt. Dies ist auch aus der Zusammenstellung der Absorptionsbanden für den ersten Leuchtstoff 3, Kurve a) , und den zweiten Leuchtstoff 4, Kurve b) , mit den Emissionsspektren für unterschiedliche blaue Leuchtdiodenchips 1 zu erkennen, siehe die Figur 5.

Eine Idee des hier beschriebenen Konversionselements und einer hier beschriebenen Leuchtdiode ist nun, eine

Leuchtstoffmischung einzusetzen, bei der die Komponenten im Bereich der eingesetzten blauen Leuchtdiodenchip-Wellenlänge ein gegenläufiges Verhalten der Absorption haben. Durch geeignete Wahl der Konzentrationsverhältnisse lässt sich damit eine breite konstante Absorptionsbande einstellen. Da die Emissionsfarben der beiden Leuchtstoffe eng beieinander liegen, können fast beliebige Konzentrationen verwendet werden, ohne den Weißpunkt zu beeinflussen.

Hier liegt eine Unterscheidung zu warmweißen Leuchtdioden mit Farbtemperaturen um 3000 K. Bei diesen könnte eine

Leuchtstoffmischung aus einem gelben und einem roten

Leuchtstoff eingesetzt werden. Allerdings wäre die

Konzentration nicht frei wählbar, da über das Verhältnis gleichzeitig auch der Farbort eingestellt werden müsste.

Dabei wäre zum Beispiel der Anteil des Eu-dotierten roten Leuchtstoffes deutlich geringer zu wählen, so dass sich die hier beschriebene Veränderung des Absorptionsverhaltens nicht erzielen lässt.

Die Figur 6 zeigt die Kombination von Cer-dotiertem zweitem Leuchtstoff, Kurve b) , und Eu-dotiertem ersten Leuchtstoff, Kurve a) . In der Mischung, Kurve a+b) lässt sich eine fast konstante Absorption K für Wellenlängen < 460 nm einstellen. Im Absorptions-Wellenlängenbereich Δλ_ab, insbesondere im Wellenlängenbereich von wenigstens 440 nm und höchstens 470 nm, also dem Absorptions-Wellenlängenbereich Δλ_ab, fällt die Absorption K des Konversionselements 34 mit erstem 3 und zweitem Leuchtstoff 4 um höchstens 35 % ab.

Der positive Effekt auf die Farbortstreuung ist in Figur 7 zu sehen. Die Kurven cl, c6 beziehen sich auf die reinen

Leuchtstoffe. Dabei befindet sich nur ein kleiner Teil der möglichen Anregungswellenlängen im gezeigten Farbfeld. Anders ist das bei den eingesetzten Leuchtstoffmischungen. Hier befinden sich die Farborte für alle verwendeten

Emissionswellenlängen innerhalb des Diagramms. Es kann sogar die Farbtemperatur innerhalb eines Bereichs von zirka 100 K eingehalten werden (die eingezeichneten Judd' sehen Geraden gleicher Farbtemperatur haben einen Abstand von 100 K) . Die Farborte liegen innerhalb eines Fensters von Δcx=0.005, was eine sehr enge Verteilung darstellt. Die Kurven c2, c3, c4 und c5 zeigen Gewichts-Mischverhältnisse von zweiten zu erstem Leuchtstoff von 7:8, 1:1, 8:7, und 3:2. Die Kurve a) ist die Planck-Kurve. Der Wellenlängenabstand zwischen zwei

Markierungen beträgt in der Figur 7 jeweils 2.5 nm.

Auch die Farbortverschiebung mit dem Betriebsstrom lässt sich durch Verwendung der Leuchtstoffmischung deutlich reduzieren. Bei einem Δcx=0.001 ist die Verschiebung kaum noch messbar, ein Dimming der Leuchtdiode ist daher ohne zusätzliche

Maßnahmen möglich, ohne dass sich der Farbort des weißen

Mischlichts merkbar verschiebt.

Die Konzentrationen für das Erzielen einer engen Verteilung bewegen sich bei den verwendeten Leuchtstoffen um das

Verhältnis 1:1 von Volumen des ersten Leuchtstoffs 3 zu

Volumen des zweiten Leuchtstoffs 4. Ein leichter Überschuss an zweitem Leuchtstoff 4, zum Beispiel YAG:Ce, erzielt die geringste Streuung über den gesamten Bereich. Schränkt man den Blauwellenlängenbereich ein, also ohne Verwendung von extrem lang- und kurzwellige Dioden, dann kann auch ein leichter

Überschuss an erstem Leuchtstoff 3, zum Beispiel SiON:Eu, enge Verteilungen erzielen.

Die Angabe einer Konzentration hängt natürlich davon ab, welche Absorptionsstärke der Leuchtstoff mitbringt. Im

gezeigten Beispiel haben beide Leuchtstoffe im relevanten Wellenlängenbereich die gleiche maximale Absorptionsstärke, bezogen auf das Leuchtstoffvolumen . Deshalb erreichen gleiche Konzentrationen das beste Ergebnis. Es kann aber auch sinnvoll sein, die Dotierkonzentration eines Leuchtstoffs zu verändern. Geringere Cer-Dotierungen ergeben zum Beispiel im YAG:Ce ein verbessertes Hochtemperaturverhalten. Ebenfalls wird über die Dotierkonzentration die Leuchtstofffärbe eingestellt. Die hier gemachten Konzentrationsangaben beziehen sich also weniger auf die Gesamtmasse des Leuchtstoffes, sondern auf den Gehalt an Leuchtzentren . Die Figur 8 zeigt den Farbortshift bei Änderung des

Betriebsstroms I für Konversionselemente mit dem ersten

Leuchtstoff 3 (Kurve a) ) , dem zweiten Leuchtstoff 4 (Kurve b) ) und dem ersten und dem zweiten Leuchtstoff (Kurve a+b) ) . Die hier betrachteten Ausführungen beziehen sich vorzugsweise auf den als "Kaltweiß" bezeichneten Farbbereich, mit

Farbtemperaturen zwischen 4000 K und 7000 K im Bereich des Planck 'sehen Farbzuges. Die Eigenfarbe des Konversionselements 34 liegt dabei im Bereich um 570 nm, mit einer

Variationsbreite von zirka +/- 5 nm. Kleine Farbtemperaturen erfordern eine längere Emissionswellenlänge, kälteres Weiß eine geringere Wellenlänge. Die Emissionsfarbe der

Leuchtdiodenchips soll sich im Bereich 440 nm bis 470 nm bewegen, bevorzugt ist ein eingeschränkter Bereich von zirka 445 nm bis 460 nm. Auch hier wird man für niedrigere

Farbtemperaturen die Leuchtdioden im längerwelligen Bereich wählen .

Für die Auswahl der Leuchtstoffe kommen als zweite

Leuchtstoffe 4 die Cer-dotierten Granatleuchtstoffe in

Betracht. Typischer Vertreter ist das YAG:Ce mit einer

Emissionswellenlänge von zum Beispiel 572 nm. Die Farbe wird durch den Cer-Gehalt mitbestimmt, niederdotierte Leuchtstoffe schieben kurzwellig. Andere Vertreter sind (Lu, Y) (Ga, Al)GiCe mit kurzwellig verschobener Emission und Absorption, sowie (Gd, Y)AlGiCe mit langwellig verschobener Emission. Der Ersatz von Yttrium mit Terbium oder Praesodym anstatt Cer ist

möglich. Kombinationen der genannten Zusammensetzungen sind möglich.

Als erste Leuchtstoff 3 mit einer Wellenlänge der maximalen Emissions-Intensität die geringer ist, als die des zweiten Leuchtstoffs 4 kommen verschiedene Klassen der Eu2+-dotierten Leuchtstoffe in Frage. Mögliche Materialien sind die

Thiogallate (Mg, Ba, Sr)Ga₂SzI, allerdings mit vorzugsweise grünlicher Emissionsfarbe. Die Orthosilikate (Ca, Mg, Ba, Sr) SiC>4 haben Vertreter mit gelber Emission. Bevorzugt wird die Klasse der Oxinitride (Ba, Sr, Ca) Si2θ2N₂1Eu²⁺ . Diese

Leuchtstoffe emittieren im gelben Spektralbereich. Ein

wichtiges Auswahlkriterium hierfür ist die

Konversionseffizienz bei erhöhter Temperatur

(Temperaturlöschung). Ein YAGiCeQ.02 ^{hat bei 150}° ^c noch 90 % seiner Konversionseffizienz bei Raumtemperatur. Die

Thiogallate und Orthosilikate liegen etwa bei 80 %, bei noch höheren Temperaturen deutlich weniger. Die Oxinitride sind dagegen bei 150° C noch bei 95 % ihrer Raumtemperaturleistung, so dass sich durch Kombination von Granat und Oxinitrid ein auch bei hohen Temperaturen verwendbares System

zusammenstellen lässt.

Als Alternative zu den klassischen Leuchtstoffen können auch Halbleiter beziehungsweise Halbleiternano-Partikel verwendet werden, da sie eine zu kürzeren Wellenlängen ansteigende

Absorption zeigen. Emission im Gelben zeigen zum Beispiel die Klasse der II/VI-Verbindungshalbleiter (Zn, Mg, Cd) (S, Se), oder auch (Ga, In)N.

Die Emissionsfarbe der beiden unterschiedlichen Leuchtstoffe kann in einer Ausführungsform im Gelben Spektralbereich liegen. In einer ersten Ausführungsform würde man versuchen, die Emissionswellenlänge beider Leuchtstoffe möglichst gut aufeinander abzustimmen. Dann ist es egal, welcher Leuchtstoff verstärkt zur Emission beiträgt. Nachteil dieser Methode ist, dass durch die Farbortverschiebung des blauen

Leuchtdiodenchips eine gewisse Farbortaufspreizung in der Rot- Grün-Richtung nicht vermieden werden kann. Man kann diese Methode deshalb vorteilhaft bei niedrigen Farbtemperaturen mit höherem Konversionsgrad anwenden, da hier die Aufspreizung abnimmt.

In einer zweiten Ausführung bietet es sich an, die

Emissionswellenlängen um wenige Nanometer, bevorzugt um weniger als 7 nm, gegeneinander zu verschieben. Vorzugsweise wird der zweite Leuchtstoff langwellig verschoben. Dadurch werden langwellig emittierende Chips im Farbort nach unten gezogen, so dass sich auch eine Eingrenzung des Farbortes in der Rot-Grün-Achse erreichen lässt. Für eine exaktere Farbortsteuerung kann auch eine Mischung von drei oder mehr Leuchtstoffen eingesetzt werden, wobei die zusätzlichen Leuchtstoffe wieder zur Klasse der Cer-dotierten oder der Eu-dotierten Leuchtstoffe gehören können. Die Figur 9 zeigt den spektralen Verlauf der weißen

Leuchtdiode für die Einzelleuchtstoffe beziehungsweise die Mischung (Kurve a+b) ) . Das Spektrum des zweiten Leuchtstoffs (Kurve b) ) weist eine Halbwertsbreite von zirka 100 nm auf. Das Spektrum des ersten Leuchtstoffs (Kurve a) ) ist etwas schmalbandiger (zirka 70 - 80 nm) . Auf den visuellen

Nutzeffekt wirkt sich das positiv aus, da bei 555 nm das Maximum der Augenempfindlichkeit liegt.

Die Farbortberechnung für die Leuchtdiode erfolgte auch wieder mittels der Kubelka-Munk-Methode unter Berücksichtigung von Streuung, Absorption und Emission mit voller spektraler

Abhängigkeit .

Die Figuren 10A bis 10D zeigen Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Leuchtdioden und Konversionselementen 34 in schematischen Schnittdarstellungen . In einer ersten Ausführung, Figur 10 A, werden die

Leuchtstoffpaare in Mischung eingesetzt. Dazu werden die

Leuchtstoffpulver zur Bildung des Konversionselements 43 im richtigen Verhältnis zusammengewogen, und anschließend in ein Matrixmaterial 2, zum Beispiel ein Silikon- oder Epoxidharz oder ein Glas eingemischt. Diese Konversionselement 43 wird in die Kavität einer LED eingefüllt, wobei die

Gesamtkonzentration der Leuchtstoffmischung auf die Höhe der Kavität, die durch den Gehäusegrundkörper 5 definiert ist, abgestimmt ist.

In einer weiteren Applikationsform, Figur 1OB, ist das

Konversionselement 34 um den Leuchtdiodenchip 1 herum

angeordnet. Dazu werden zum Beispiel hochkonzentrierte dünne Schichten des Konversionselements 34 hergestellt. Der

Leuchtstoff kann um den Leuchtdiodenchip 1 herum gespritzt, gedruckt, laminiert oder absedimentiert werden. Möglich ist auch die separate Herstellung der Schicht mit anschließendem Aufkleben. Die Schicht kann als Mischung aufgebracht werden, wie dies in der Figur IOC dargestellt ist.

Neben dem Einsatz einer Mischung können auch Schichtungen verwendet werden, siehe Figur 1OD. Hierbei werden zum Beispiel zwei Folien mit den Leuchtstoffen 3,4 zusammengesetzt.

Ebenfalls können Kombinationen aus Beschichtung und

Volumenverguss eingesetzt werden. Die Reihenfolge der

Leuchtstoffe spielt keine große Rolle, da sich die

Leuchtstoffe nicht gegenseitig absorbieren.

Es ist Ferner auch möglich, für das Konversionselement 34 einen Träger aus einem der Leuchtstoffe zu verwenden, auf dem der andere Leuchtstoff angeordnet ist. Zum Beispiel kann der Träger aus einer Cer-dotierten YAG-Keramik bestehen, auf der der zweite Leuchtstoff abgeschieden oder in einem

Matrixmaterial eingebracht ist.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102009035100.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche

1. Leuchtdiode mit

- einem Leuchtdiodenchip (1), der im Betrieb Primärstrahlung im Spektralbereich von blauem Licht emittiert,

- einem Konversionselement (34), das einen Teil der

Primärstrahlung absorbiert und Sekundärstrahlung re-emittiert, wobei

- das Konversionselement (34) einen ersten Leuchtstoff (3) und einen zweiten Leuchtstoff (4) umfasst,

- der erste Leuchtstoff (3) in einem Absorptions- Wellenlängenbereich (Δλ_ab) eine mit zunehmender Wellenlänge kleiner werdende Absorption aufweist und der zweite

Leuchtstoff (4) im selben Absorptions-Wellenlängenbereich (Δλ_ab) eine mit zunehmender Wellenlänge größer werdende

Absorption aufweist,

- die Primärstrahlung Wellenlängen umfasst, die im genannten Absorptions-Wellenlängenbereich (Δλ_ab) liegen, und

- die Leuchtdiode weißes Mischlicht aus Primärstrahlung und Sekundärstrahlung emittiert, das eine Farbtemperatur von wenigstens 4000K aufweist.

2. Leuchtdiode nach dem vorherigen Anspruch, bei der

der erste Leuchtstoff (3) und der zweite Leuchtstoff (4) Licht der gleichen Farbe emittieren, wobei die Wellenlängen der maximalen Emissions-Intensität von erstem und zweitem

Leuchtstoff leicht gegeneinander verschoben sind.

3. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Wellenlängen der maximalen Emissions-Intensität von erstem und zweitem Leuchtstoff sich um höchsten 20 nm, bevorzugt höchstens 10 nm, besonders bevorzugt höchstens 7 nm

unterscheiden .

4. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Sekundärstrahlung im Spektralbereich von gelbem Licht liegt .

5. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Wellenlänge der maximalen Emissions-Intensität des zweiten Leuchtstoffs (4) größer ist als des ersten Leuchtstoffs (3).

6. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Leuchtstoff (3) auf Europium als Leuchtzentrum basiert und der zweite Leuchtstoff (4) auf Cer als

Leuchtzentrum basiert.

7. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zweite Leuchtstoff (4) (Gd, Lu, Y) (Al, Ga) G: Cer³⁺ umfasst.

8. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Leuchtstoff (3) (Ca, Sr, Ba) SiO₄ :Eu²⁺ und/oder

(Ca, Sr, Ba) Si₂O₂N₂: Eu²⁺ umfasst.

9. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Maximum der Emissions-Intensität der Primärstrahlung (λ_D) zwischen wenigstens 440 nm und höchstens 470 nm liegt.

10. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Leuchtstoff (3) und der zweite Leuchtstoff (4) auf Cer als Leuchtzentrum basieren, wobei der Absorptions- Wellenlängenbereich (Δλ_ab) eines der Leuchtstoffe (3,4) durch Änderung der Komposition des Wirtsgitters des Leuchtstoffs

(3,4) gegenüber dem anderen Leuchtstoff (4,3) verschoben ist.

11. Leuchtdiode nach dem vorherigen Ansprüche, bei der einer der Leuchtstoffe (3,4) YAG:Ce ist oder enthält und der andere Leuchtstoff Y (Ga, Al)GiCe ist oder enthält.

12. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Absorption des Konversionselements im Absorptions-

Wellenlängenbereich (Δλ_ab) , insbesondere im Wellenlängenbereich von wenigstens 440 nm und höchstens 470 nm, um höchstens 35 % abfällt.

13. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der das Gewichtsverhältnis von erstem Leuchtstoff (3) zu zweitem Leuchtstoff (4) zwischen wenigstens 0,60 und höchstens 1, 5 beträgt .

14. Leuchtdiode nach einem der vorherigen Ansprüche mit zwei Leuchtdiodenchips (1), wobei sich das Maximum der

Emissions-Intensität der von den Leuchtdiodenchips (1) im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung um wenigstens 5 nm unterscheidet.

15. Konversionselement (34) für einen Leuchtdiode, das zur

Absorption einer Primärstrahlung und zur Emission einer Sekundärstrahlung vorgesehen ist, mit

- einem ersten Leuchtstoff (3) und einem zweiten Leuchtstoff (4), wobei

Absorption aufweist, und - die Wellenlängen der maximalen Emissions-Intensität von erstem und zweitem Leuchtstoff sich um höchsten 20 nm unterscheiden .