WO2013053524A1 - Wellenlängenkonversionselement und anordnung mit mindestens einer leuchtdiode und einem wellenlängenkonversionselement - Google Patents

Wellenlängenkonversionselement und anordnung mit mindestens einer leuchtdiode und einem wellenlängenkonversionselement Download PDF

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WO2013053524A1
WO2013053524A1 PCT/EP2012/066435 EP2012066435W WO2013053524A1 WO 2013053524 A1 WO2013053524 A1 WO 2013053524A1 EP 2012066435 W EP2012066435 W EP 2012066435W WO 2013053524 A1 WO2013053524 A1 WO 2013053524A1
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conversion element
light
phosphor
emitting diode
further component
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Dirk Berben
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Osram Gmbh
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    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
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    • F21—LIGHTING
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    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/14—Light sources with substantially two-dimensional 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

Definitions

  • the invention relates to a conversion element and an arrangement with at least one light emitting diode and a conversion element.
  • Conversion elements are used for optoelectronic devices to adjust the color location and the color temperature of the emitted light.
  • Many light emitting diodes emit a blue or bluish light, which must be converted by suitable phosphors in a more or less color neutral light. Due to the strong absorption of blue light, the relevant phosphors and the conversion elements provided with them have a warm white or even yellowish to orange intrinsic color.
  • Such a body color of the conversion element which is no longer color-neutral and always appears when the light-emitting diode mounted behind it is switched off, is usually perceived as disturbing.
  • the scattering has the effect that, when the light-emitting diode is switched off, the intrinsic color of the phosphor and of the conversion element offset therewith is not visible or only weakly visible. For this purpose, it is conventionally accepted that the same properties of the cover layer during operation of the
  • LED lead to disadvantages.
  • the scattering of the cover layer of the conversion element leads to light losses when the light-emitting diode is illuminated.
  • a satisfactory solution is currently not in sight. It is the object of the present invention to enable a better neutralization of the color impression of conversion elements, in particular those for color-emitting light-emitting diodes, without having to accept the disadvantages of the light emission associated therewith up to now.
  • a conversion element and an arrangement with a conversion element and at least one light-emitting diode are to be provided, in which on the one hand a more neutral color impression of the conversion element is achieved when the light-emitting diode is switched off, and on the other hand a higher light output is obtained when the light-emitting diode is switched on.
  • the conversion element according to claim 1 in addition to the matrix material (ie, the base of the conversion element) and the phosphor still (at least) has a further component, wherein the further component either a thermochromic, ie thermochromic dye or a Phase change medium (ie, a phase change material).
  • the further component either a thermochromic, ie thermochromic dye or a Phase change medium (ie, a phase change material).
  • the invention is based on the basic idea to consciously use materials with variable, dependent on the environmental conditions optical properties and to combine these temperature-dependent properties with the properties of the phosphor.
  • thermochromic dye is used as further component.
  • a thermochromic dye or pigment has the property that its color undergoes a color change as a function of the temperature and thus has a different color and often also a different light transmittance below a certain phase transition temperature than above it.
  • the phase transition temperature is in the thermochromic dyes, which are otherwise plastics, above the room temperature of typically 20 °; typically the phase transition temperature is between 30 and 70 ° C.
  • a light-emitting diode influences the conversion element mounted in its direct or at least more direct proximity, not only by the emitted radiation but also by the heat generated, be it by the heat emanating from the light-emitting diode itself or by the light Heat generated in the conversion element due to Stokes loss when the phosphor absorbed fluorescent light of longer wavelength than that Wavelength emitted. It is therefore proposed, a conversion element with a further component except the
  • thermochromic tical dyes which have a natural color at room temperature (that is not black, gray or white) and which are intransparent at room temperature, but is colorless and transparent at temperatures above the phase transition temperature.
  • a thermochromic dye only becomes colorless and transparent when heated.
  • This combination of optical properties at high and low temperatures makes it possible that the light of the switched-on, hot light diode when changing the conversion element only by the phosphor, but not or only slightly changed by the color thermochromatic dye.
  • the off, cold state however, when the LED is turned off, lead the inherent color and / or the opacity of the thermochromatic dye - in combination with the inherent color of the phosphor - to a balanced, neutral color impression.
  • thermochromatic dye whose intrinsic color below the phase transition temperature approximately corresponds to that of the light of the light emitting diode for which the conversion element is intended, in the off state, the intrinsic color of Compensate phosphor.
  • thermochromic dye with a bright color in the cold state, for example blue is used (corresponding to a yellowish-orange phosphor for blue LEDs).
  • thermochromatic dye need not be arranged as a separate layer on the viewer side in front of a conventional conversion element containing phosphorus, but may also be mixed together with the phosphor in the base material of the conversion element.
  • thermochromatic dye as well as the phosphor could be homogeneously distributed in the matrix material of the conversion element.
  • thermochromic pigment can also be a colorless, but opaque white, gray or black thermochromatic substance used at room temperature. Although no color compensation of the (mostly yellowish or orange) inherent color of the phosphor is achieved here, however, the unwanted hue of the phosphor is covered by the lack of transparency of the thermochromatic substance - in conjunction with their neutral intrinsic color.
  • the thermochromatic substance is formed, for example, as a compact, separate outer layer of the conversion element or at least arranged in such an outer sub-layer of the conversion element.
  • a phase change material is used as further component. puts.
  • the inherent color does not change directly due to the phase transition which begins when the temperature changes, but the degree of reflectivity changes.
  • the reason for this is a transition between a crystalline state below the phase transition temperature and an amorphous state above the phase transition temperature.
  • the transition between both states involves a change in the reflectivity of the phase change material on the order of 30% or more.
  • Phase change media are conventionally used in semiconductor circuits where they are used for nonvolatile memory cells because of the change in their electrical conductivity associated with the phase transition. Even with rewritable CDs, phase change materials are used because of their different reflectivity; the laser beam used is variable in intensity to convert the crystalline state in the amorphous or vice versa, wherein the supplied laser energy diffuses very quickly in both cases.
  • the conditions are different; the light-emitting diode and the conversion element cool only gradually so that the lower-energy, crystalline and more highly reflective state of the phase change medium is automatically reached during each cooling process when the phase transition temperature is not reached.
  • the phase change medium passes without external influence by itself in the crystalline state, albeit with a certain time delay after switching off the
  • the phase-change medium is in its amorphous state of lower reflectivity. did. In the cold state, therefore, the light striking the conversion element from the side of the observer is for the most part reflected by the phase change medium and thus covers the inherent color of the phosphor. In the hot, amorphous state, on the other hand, the decrease in reflectivity allows a better passage of light through the conversion element to the outside than with conventional conversion elements whose reflectivity and scattering behavior show no temperature dependence.
  • phase change media were allowed to be so resistant to the thermal load of a light-emitting diode that they can also be attached directly to the LED chip.
  • chalcogenides i. Compounds of elements of the sixth main group, ie of oxygen, sulfur, selenium and / or tellurium, with more electropositive elements can, if they are phase change media, be used as a further component of a conversion element.
  • An example of this is Ge-Te-Sb, a compound of germanium and antimony with tellurium.
  • FIGS. 1 to 4 show various embodiments of a conversion element
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an arrangement with a light-emitting diode and a conversion element
  • FIG. 6 shows an arrangement with a light-emitting diode and a conversion element according to a first embodiment
  • FIG. 7 shows an arrangement with a light-emitting diode and a conversion element according to a second embodiment.
  • FIG. 1 schematically and partially shows a conversion element 10 which serves, for example, to convert light from a blue light-emitting diode or a plurality of blue light-emitting diodes into white (or at least more strongly color-neutral) light.
  • the conversion element can, as shown, be shaped as a plane-parallel plate, but also as a curved shaped part (for example made of glass, plastic or some other base material).
  • the conversion element can also be designed as an optical element, such as a concave or convex lens.
  • the conversion element may also be formed as a piston or other attachment for one or more light diodes.
  • the conversion element 10 consists mainly of a matrix material 6.
  • at least one phosphor 1 is embedded, which is for example distributed homogeneously.
  • a conventional conversion element which contains no further components apart from these constituents is transparent and, as a result of the phosphor, colored in color, for example yellow to orange. Both the transparency and the hue of the conversion element are independent of the ambient temperature in a conventional conversion element and thus independent of whether the light-emitting diode (arranged in the vicinity of the conversion element) is switched on or off.
  • the conversion element still contains an additional, further component 2, which fundamentally changes the optical properties of the conversion element.
  • this is a thermochromic dye.
  • the appearance of the conversion element is no longer as conventional regardless of the ambient temperature, but varies depending on temperature. Only above a phase transition temperature, which is rapidly exceeded after the light-emitting diode has been switched on, is the thermochromatic dye and thus the conversion element as a whole transparent and colorless; below the phase transition temperature, however, it is preferably non-transparent or at best translucent, ie at most partially transparent.
  • the conversion element now possesses a neutral intrinsic color (ie white, gray or blue) at room temperature due to the intrinsic color of the thermochromatic dye below the phase transition temperature, which is superimposed on the (temperature-independent) inherent color of the phosphor and is preferably complementary to it
  • thermochromatic dye is colorless and transparent here and therefore affects the neutral color converted by means of the phosphor light of the color-emitting light-emitting diode not, as would be expected with a normal dye with temperature-independent appearance.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of a conversion element, in which a phase change medium 4, for example a chalcogenide, is provided as further component 2.
  • the phase change medium 4 has no inherent color in the sense of a dye, but has different aggregate states and thus a different degree of reflectivity above and below its transition temperature. Above its phase transition temperature, the phase change medium 4 is amorphous and relatively weakly reflective, whereas below the transition temperature (and thus at room temperature) it is crystalline, in particular metallic, and significantly more reflective.
  • the phase change medium 4 is not provided as a compact layer, but distributed in the matrix material 6 (as well as the phosphor 1). Concentration and spatial distribution of the phase change medium 4 are to be suitably adjusted in order to ensure sufficient transparency in the hot state (that is, when the light emitting diode is lit). At room temperature, however, the high reflectivity of the phase change medium 4 shields the intrinsic color of the phosphor 1 as far as possible from the outside; the conversion element has a color-neutral effect on the observer.
  • Figure 3 shows an embodiment of a conversion element 10, wherein the further component 2 spatially of phosphor 1 separated or at least spatially distributed differently than the phosphor 1.
  • a first layer 7 is the phosphor 1 in the matrix material 6; This lower or rear layer 7 is characterized, for example, yellow or orange colored.
  • the further component 2 in FIG. 3 is either a thermochromic dye 3 (as in FIG. 1) or a phase change medium 4 (as in FIG. 2).
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a conversion element 10, in which the further, separate layer 8 is formed exclusively from the further component 2, which thus forms a compact, preferably very thin layer.
  • the layer thicknesses and layer thickness ratios in FIGS. 3 and 4 are not shown to scale.
  • the upper, separate forms in each case are not shown to scale.
  • FIG. 5 shows a schematic arrangement with at least one light-emitting diode 5 and one conversion element whose components are shown schematically and spatially separated from one another.
  • the light-emitting diode 5 is formed on or in a light-emitting diode chip 15.
  • a first layer 7, which would correspond to a conventional conversion element phosphor 1 is distributed in the matrix material.
  • a further component 2 is contained, either as a main component or in one contain other material (for example, the same matrix material) mixed.
  • the further component 2 is in turn either a thermochromic dye 3 or a phase change medium 4.
  • FIG. 5 shows a schematic arrangement with at least one light-emitting diode 5 and one conversion element whose components are shown schematically and spatially separated from one another.
  • the light-emitting diode 5 is formed on or in a light-emitting diode chip 15.
  • phosphor 1 is distributed in the matrix material.
  • a further component 2 is contained, either as a main component or
  • the phosphor is to be arranged between the light-emitting diode 5 and the further component 2.
  • the further component 2 is located on the side facing away from the light-emitting diode 5 side of the phosphor-containing layer 7.
  • a thermochromic dye 3 is used as a further component 2
  • the layer 8 or 9 at low temperature is intransparent and colored (or instead of a colorful Color black, gray or white), whereby the color impression compensates for those of the phosphor.
  • the layer 8 or 9 is transparent and colorless.
  • the layer 8 or 9 is intransparent at low temperature because of its high reflectivity, but at high temperature it is largely transparent and colorless.
  • the light incident from the outside is absorbed or at least reflected in the layer 8 or 9, which contains the further component 2, below the phase transition temperature Tc, in particular at room temperature Tr, as in FIG Figure 5 is illustrated by the continuous, unbroken arrows.
  • the phase transition temperature Tc in both material groups the layer 8 or 9 with the further component 2 is colorless and transparent, as shown in Figure 5 by the dashed arrows.
  • FIG. 6 shows a first exemplary embodiment of an arrangement with at least one light-emitting diode 5 and one conversion element 10.
  • the conversion element 10 is arranged at a distance from the light-emitting diode 5 or the light-emitting diode chip 15.
  • One or more light-emitting diodes 5 or light-emitting diode chips 15 may be located on a support 12.
  • the conversion element 10 is held at a defined distance in front of the light emitting diode array.
  • the conversion element 10, which is shown here for the sake of simplicity as a plane-parallel plate, is arranged so that the layer 8, which contains the further component 2, is remote from the light-emitting diode 5.
  • the further component 2 is located outside the phosphor 7.
  • the phosphor 1 and the further component 2 may be homogeneously mixed with one another and in the matrix material; the conversion element then requires only a single layer.
  • FIG. 6 which corresponds to that of "remote phosphor" applications, a neutral sensation of the arrangement at room temperature is achieved thanks to the thermochromatic dyes or phase change media used according to the invention; The previously yellowish-orange color of the phosphor is neutralized.
  • FIG. 7 shows a second exemplary embodiment, in which the conversion element 10 is arranged directly on the light-emitting diode chip 15 or on the light-emitting diode 5 formed thereby. If the phosphor 1 and the further component 2 are not distributed homogeneously in the conversion element, in turn exist two different layers 7, 8, wherein the thermochromatic dye 3 or the phase change medium
  • thermochromatic dyes or phase change medium mentioned in the description and / or in the patent claims of this application.

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Abstract

Es wird ein Konversionselement (10) zum Konvertieren von emittiertem Licht einer oder mehrerer Leuchtdioden (5) vorgeschlagen, wobei das Konversionselement (10) außer einem Matrixmaterial (6) und zumindest einen Leuchtstoff (1) ferner eine weitere Komponente (2) aufweist, die entweder ein thermochromatischer Farbstoff (3) oder ein Phasenwechselmedium (4) ist.

Description

Beschreibung
WELLENLÄNGENKONVERSIONSELEMENT UND ANORDNUNG MIT MINDESTENS EINER LEUCHTDIODE UND EINEM WELLENLÄNGENKONVERSIONSELEMENT
Die Erfindung betrifft ein Konversionselement sowie eine Anordnung mit mindestens einer Leuchtdiode und einem Konversionselement. Konversionselemente werden für optoelektronische Bauelemente verwendet, um den Farbort und die Farbtemperatur des emittierten Lichts einzustellen. Viele Leuchtdioden emittieren ein blaues bzw. bläuliches Licht, das durch geeignete Leuchtstoffe in ein mehr oder weniger farbneutrales Licht umgewandelt werden muss. Durch die starke Absorption blauen Lichts besitzen die betreffenden Leuchtstoffe und die damit versehenen Konversionselemente eine warmweiße oder sogar gelblich bis orange Eigenfarbe. Eine solche Körperfarbe des Konversionselements, die nicht mehr farbneutral ist und immer dann in Erscheinung tritt, wenn die dahinter angebrachte Leuchtdiode ausgeschaltet ist, wird meist als störend empfun- den.
Um das Aussehen der aus Konversionselementen gebildeten
Lichtaustrittsflächen von Leuchtdioden, Leuchtdiodenanordnungen und sonstiger auf Leuchtdioden basierenden Produkte zu verbessern, wird versucht, dem Konversionselement durch eine vorgelagerte Materialschicht ein stärker farbneutrales Aussehen zu verleihen. Durch die Materialschicht wird das Konversionselement auf der Seite des Betrachters von dem von außen einfallenden Licht zumindest teilweise abgeschirmt. Bei- spielsweise wird ein äußerer Hüllkolben oder eine anderweitige Deckschicht oder Beschichtung aufgebracht, die auch streuende Eigenschaften besitzen kann. Eine Streuung kann beispielsweise durch Aufrauhung der Oberfläche einer solchen Deckschicht, durch eingelagerte Streupartikel oder Luftblasen oder durch eine beispielsweise durchscheinende, aber nicht vollkommen durchsichtige Deckschicht erreicht werden. Die Streuung bewirkt, dass bei ausgeschalteter Leuchtdiode die Eigenfarbe des Leuchtstoffs und des damit versetzten Konversionselements nicht oder nur abgeschwächt sichtbar ist. Hierfür wird herkömmlich auch in Kauf genommen, dass dieselben Eigenschaften der Deckschicht während des Betriebs der
Leuchtdiode zu Nachteilen führen. Insbesondere wird in Kauf genommen, dass die Streuung der Deckschicht des Konversionselements dann, wenn die Leuchtdiode leuchtet, zu Lichtverlusten führt. Eine zufriedenstellende Lösung ist derzeit nicht in Sicht. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Neutralisierung des Farbeindrucks von Konversionselementen, insbesondere solchen für farbig emittierende Leuchtdioden zu ermöglichen, ohne die damit bislang verbundenen Nachteile für die Lichtabstrahlung in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere sollen ein Konversionselement sowie eine Anordnung mit einem Konversionselement und mindestens einer Leuchtdiode bereitgestellt werden, bei denen einerseits ein neutralerer Farbeindruck des Konversionselements bei ausgeschalteter Leuchtdiode, andererseits eine höhere Lichtausbeute bei eingeschalte- ter Leuchtdiode erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Konversionselement gemäß Anspruch 1 gelöst, das außer dem Matrixmaterial (d.h. der Grundmasse des Konversionselements) und dem Leucht- stoff noch (zumindest) eine weitere Komponente aufweist, wobei die weitere Komponente entweder ein thermochromer, d.h. thermochromatischer Farbstoff oder ein Phasenwechselmedium (d.h. ein Phase Change-Material ) ist. Während herkömmlich da- von ausgegangen wird, dass das Material, welches dem Konversionselement vorgelagert werden soll, im On-Zustand und Off- Zustand dieselben optischen Eigenschaften besitzt (hinsichtlich seiner Farbe, seiner Lichtdurchlässigkeit und seines Streuverhaltens) besitzt und diese Eigenschaften daher zwischen den Anforderungen im On-Zustand und im Off-Zustand ausgeglichen werden müssen, geht die Erfindung von der Grundidee aus, bewusst Materialien mit variablen, von den Umgebungsbedingungen abhängigen optischen Eigenschaften einzusetzen und diese temperaturabhängigen Eigenschaften mit den Eigenschaften des Leuchtstoffs zu kombinieren.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein thermochromati - scher Farbstoff als weitere Komponente eingesetzt. Ein sol- eher Farbstoff bzw. ein solches Pigment besitzt die Eigenschaft, dass seine Farbe in Abhängigkeit von der Temperatur einen Farbumschlag durchläuft und somit unterhalb einer gewissen Phasenübergangstemperatur eine andere Farbe und oft auch eine andere Lichtdurchlässigkeit besitzt als oberhalb von dieser. Die Phasenübergangstemperatur liegt bei den ther- mochromatischen Farbstoffen, die im Übrigen Kunststoffe sind, oberhalb der Raumtemperatur von typischerweise 20°; typischerweise liegt die Phasenübergangstemperatur zwischen 30 und 70 °C.
Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass eine Leuchtdiode das in ihrer unmittelbaren oder jedenfalls direkteren Nähe angebrachte Konversionselement nicht nur durch die emittierte Strahlung, sondern auch durch die erzeugte Wärme beeinflusst, sei es durch die Wärme, die von der Leuchtdiode selbst ausgeht, oder sei es durch die Wärme, die im Konversionselement infolge des Stokes-Verlusts entsteht, wenn der Leuchtstoff Fluoreszenzlicht längerer Wellenlänge als der absorbierten Wellenlänge emittiert. Es wird daher vorgeschlagen, ein Konversionselement mit einer weiteren Komponente außer dem
Leuchtstoff vorzusehen, welche auf die von der Leuchtdiode erzeugte und/oder im Konversionselement entstehende Wärme re- agiert und dadurch seine optischen Eigenschaften ändert. Dabei kommen nur solche Materialien in Betracht, bei denen die Änderung seiner optischen Eigenschaften reversibel ist, sodass nach dem Ausschalten der Leuchtdiode und allmählichem Abkühlen bis vor Erreichen der Raumtemperatur die Phasenüber- gangstemperatur der weiteren Komponente wieder unterschritten wird .
Hierzu wird beispielsweise der Einsatz solcher thermochroma- tischer Farbstoffe vorgeschlagen, die bei Raumtemperatur eine Eigenfarbe besitzen (also nicht schwarz, grau oder weiß sind) und die bei Raumtemperatur intransparent sind, jedoch bei Temperaturen oberhalb der Phasenübergangstemperatur farblos und transparent ist. Ein solcher thermochromatischer Farbstoff wird erst durch Erwärmen farblos und durchsichtig. Die- se Kombination optischer Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen ermöglicht es, dass das Licht der eingeschalteten, heißen Leuchtdiode beim Durchqueren des Konversionselements nur durch den Leuchtstoff, aber nicht oder nur unwesentlich durch den thermochromatischen Farbstoff farblich verändert wird. Im ausgeschalteten, kalten Zustand hingegen, wenn die Leuchtdiode ausgeschaltet ist, führen die Eigenfarbe und/oder die Undurchsichtigkeit des thermochromatischen Farbstoffs - in Kombination mit der Eigenfarbe des Leuchtstoffs - zu einem ausgeglichen, neutralen Farbeindruck. So kann bei- spielsweise ein thermochromatischer Farbstoff, dessen Eigenfarbe unterhalb der Phasenübergangstemperatur etwa derjenigen des Lichts der Leuchtdiode entspricht, für die das Konversionselement bestimmt ist, im Off-Zustand die Eigenfarbe des Leuchtstoffs kompensieren. Hierzu wird vorzugsweise ein solcher thermochromatischer Farbstoff mit einer Buntfarbe im Kaltzustand, beispielsweise Blau verwendet (entsprechend einem gelblich-orangen Leuchtstoff für blaue LEDs) .
Der Einsatz einer zusätzlichen Komponente mit temperaturabhängigem Aussehen eröffnet zudem neue Möglichkeiten der Ausbildung der einer Leuchtdiode vorzulagernden Schichten. So braucht beispielsweise der thermochromatische Farbstoff nicht als separate Schicht betrachterseitig vor einem herkömmlichen, leuchtstoffhaltigen Konversionselement angeordnet zu werden, sondern kann auch gemeinsam mit dem Leuchtstoff in dem Grundmaterial des Konversionselements vermischt sein. Im einfachsten Fall könnte der thermochromatische Farbstoff ebenso wie der Leuchtstoff homogen in dem Matrixmaterial des Konversionselements verteilt sein.
Anstelle eines bei Raumtemperatur bunten, d.h. farbigen ther- mochromatischen Pigments kann auch eine bei Raumtemperatur farblose, aber undurchsichtige weiße, graue oder schwarze thermochromatische Substanz eingesetzt werden. Zwar wird hier keine farbliche Kompensation der (meist gelblichen oder orangen) Eigenfarbe des Leuchtstoffs erreicht, jedoch wird der unerwünschte Farbton des Leuchtstoffs durch die Intransparenz der thermochromatischen Substanz - in Verbindung mit ihrer neutralen Eigenfarbe - überdeckt. Hierbei ist die thermochromatische Substanz beispielsweise als kompakte, separate äußere Schicht des Konversionselements ausgebildet oder jedenfalls in einer solchen äußeren Teilschicht des Konversions- elements angeordnet.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird als weitere Komponente ein Phasenwechselmedium (phase change material) einge- setzt. Bei solch einem Material ändert sich durch den bei Temperaturveränderung einsetzenden Phasenübergang zwar nicht unmittelbar die Eigenfarbe, jedoch der Grad der Reflektivi- tät . Ursache hierfür ist ein Übergang zwischen einem kristal- linen Zustand unterhalb der Phasenübergangstemperatur und einem amorphen Zustand oberhalb der Phasenübergangstemperatur. Mit dem Übergang zwischen beiden Zuständen ist eine Änderung der Reflektivität des Phasenübergangsmaterials in der Größenordnung von 30 % oder mehr verbunden.
Phasenwechselmedien werden herkömmlich in Halbleiterschaltungen eingesetzt, wo sie wegen der mit dem Phasenübergang verbundenen Änderung ihrer elektrischen Leitfähigkeit für nichtflüchtige Speicherzellen eingesetzt werden. Auch bei wieder- beschreibbaren CDs kommen Phasenwechselmaterialien wegen ihres unterschiedlich starken Reflexionsverhaltens zum Einsatz; der eingesetzte Laserstrahl ist in seiner Intensität veränderbar, um den kristallinen Zustand in den amorphen umzuwandeln oder umgekehrt, wobei die zugeführte Laserenergie in beiden Fällen sehr schnell diffundiert.
Im Konversionselement für eine Leuchtdiode sind die Verhältnisse anders; die Leuchtdiode und das Konversionselement kühlen erst allmählich ab, sodass bei jedem Abkühlvorgang bei Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur der energieärmere, kristalline und stärker reflektierende Zustand des Pha- senwechselmediums automatisch erreicht wird. Damit gelangt das Phasenwechselmedium auch ohne äußere Einwirkung wieder von alleine in den kristallinen Zustand, wenngleich auch mit einer gewissen Zeitverzögerung nach dem Ausschalten der
Leuchtdiode. Sobald die Leuchtdiode jedoch nach ihrer Inbetriebnahme heiß geworden ist, befindet sich das Phasenwechselmedium in seinem amorphen Zustand geringerer Reflektivi- tat. Im kalten Zustand wird daher das von der Seite des Betrachters her auf das Konversionselement auftreffende Licht durch das Phasenwechselmedium größtenteils reflektiert und überdeckt so die Eigenfarbe des Leuchtstoffs. Im heißen, amorphen Zustand hingegen ermöglicht der Rückgang der Reflek- tivität einen besseren Lichtdurchtritt durch das Konversionselement nach außen als bei herkömmlichen Konversionselementen, deren Reflektivität und Streuverhalten keine Temperaturabhängigkeit zeigt.
Die Phasenwechselmedium durften gegenüber der thermischen Belastung einer Leuchtdiode so beständig sein, dass sie auch unmittelbar am Leuchtdiodenchips angebracht werden können. Insbesondere Chalkogenide , d.h. Verbindungen von Elementen der sechsten Hauptgruppe, also von Sauerstoff, Schwefel, Selen und/oder Tellur, mit stärker elektropositiven Elementen können, sofern sie Phasenwechselmedien sind, als weitere Komponente eines Konversionselements eingesetzt werden. Als Bei- spiel sei hier Ge-Te-Sb, eine Verbindung von Germanium und Antimon mit Tellur genannt.
Einige exemplarische Ausführungsbeispiele werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:
Die Figuren 1 bis 4 verschiedene Ausführungsformen eines Konversionselements,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Leuchtdiode und einem Konversionselement, Figur 6 eine Anordnung mit einer Leuchtdiode und einem Konversionselement gemäß einer ersten Ausführungsform und Figur 7 eine Anordnung mit einer Leuchtdiode und einem Konversionselement gemäß einer zweiten Ausführungsform .
Figur 1 zeigt schematisch und ausschnittweise ein Konversi- onselement 10, das beispielsweise zur Konversion von Licht einer blauen Leuchtdiode oder einer Mehrzahl blauer Leuchtdioden in weißes (oder jedenfalls stärker farbneutrales) Licht dient. Das Konversionselement kann wie dargestellt als planparallele Platte, aber ebenso auch als gekrümmtes Formteil (etwa aus Glas, Kunststoff oder einem sonstigen Grundmaterial) geformt sein. Das Konversionselement kann auch als optisches Element, etwa als Konkav- oder als Konvexlinse ausgebildet sein. Im Übrigen kann das Konversionselement auch als Kolben oder sonstiger Vorsatz für eine oder mehrere Leuchtdi - oden ausgeformt sein.
Das Konversionselement 10 besteht hauptsächlich aus einem Matrixmaterial 6. In dieses ist wie herkömmlich mindestens ein Leuchtstoff 1 eingebettet, der beispielsweise homogen verteilt ist. Ein herkömmliches Konversionselement, das außer diesen Bestandteilen keine weitere Komponente enthält, ist transparent und infolge des Leuchtstoffs farbig, beispielsweise gelb bis orange gefärbt. Sowohl die Transparenz als auch der Farbton des Konversionselements sind bei einem her- kömmlichen Konversionselement unabhängig von der Umgebungstemperatur und somit unabhängig davon, ob die (in der Nähe des Konversionselements angeordnete) Leuchtdiode eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Erfindungsgemäß jedoch enthält das Konversionselement noch eine zusätzliche, weitere Komponente 2, die die optischen Eigenschaften des Konversionselements grundlegend verändert. Gemäß einer ersten Ausführungsform (Figur 1) handelt es sich dabei um einen thermochromatischen Farbstoff. Damit ist das Aussehen des Konversionselements nicht mehr wie herkömmlich unabhängig von der Umgebungstemperatur, sondern variiert temperaturabhängig. Erst oberhalb einer Phasenübergangstempera- tur, die nach Einschalten der Leuchtdiode schnell überschritten wird, wird der thermochromatische Farbstoff und damit das Konversionselement insgesamt transparent und farblos; unterhalb der Phasenübergangstemperatur jedoch ist es vorzugsweise intransparent oder allenfalls durchscheinend, d.h. höchstens teiltransparent. Außerdem besitzt das Konversionselement nun durch die unterhalb der Phasenübergangstemperatur vorhandenen Eigenfarbe des thermochromatischen Farbstoffs, welche die (temperaturunabhängige) Eigenfarbe des Leuchtstoffs überlagert und vorzugsweise komplementär zu dieser ist, bei Raum- temperatur eine neutrale Eigenfarbe (also Weiß, Grau oder
Schwarz), die farblich nicht mehr als störend empfunden wird. Dieses Aussehen besitzt das Konversionselement immer bei ausgeschalteter Leuchtdiode oder jedenfalls schon kurze Zeit nach dem Ausschalten der Leuchtdiode, sobald das Konversions- element unter die Phasenübergangstemperatur des thermochromatischen Farbstoffs abgekühlt ist. Wenn die Leuchtdiode angeschaltet ist und das Konversionselement über die Phasenübergangstemperatur seines thermochromatischen Farbstoffs aufgeheizt ist, ist das Konversionselement transparent und bietet ebenfalls einen farbneutralen Eindruck; der thermochromatische Farbstoff ist hier farblos und transparent und beeinträchtigt deshalb das mit Hilfe des Leuchtstoffs farbneutral konvertierte Licht der farbig emittierenden Leuchtdiode nicht, wie es sonst bei einem gewöhnlichen Farbstoff mit temperaturunabhängigem Aussehen zu erwarten wäre.
Das erfindungsgemäße Konversionselement besitzt somit ein von der Umgebungstemperatur abhängiges Aussehen, sowohl hinsichtlich seiner Eigenfarbe insgesamt (zusammengesetzt aus den Eigenfarben von Leuchtstoff und thermochromatischem Farbstoff) und hinsichtlich seiner Lichtdurchlässigkeit. Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Konversionselements, bei dem als weitere Komponente 2 ein Phasen- wechselmedium 4 vorgesehen ist, beispielsweise ein Chalkoge- nid. Das Phasenwechselmedium 4 besitzt keine Eigenfarbe im Sinne eines Farbstoffs, besitzt jedoch unterschiedliche Ag- gregatszustände und somit eine unterschiedlich starke Reflek- tivität oberhalb und unterhalb seiner Übergangstemperatur. Oberhalb seiner Phasenübergangstemperatur ist das Phasenwechselmedium 4 amorph und relativ schwach reflektierend, wohingegen es unterhalb der Übergangstemperatur (und somit bei Raumtemperatur) kristallin, insbesondere metallisch und deutlich stärker reflektierend ist. In Figur 2 ist das Phasenwechselmedium 4 nicht als kompakte Schicht vorgesehen, sondern in dem Matrixmaterial 6 verteilt (ebenso wie der Leuchtstoff 1) . Konzentration und räumliche Verteilung des Phasen- wechselmediums 4 sind geeignet anzupassen, um eine hinreichende Transparenz im heißen Zustand (d.h. bei leuchtender Leuchtdiode) zu gewährleisten. Bei Raumtemperatur hingegen schirmt die hohe Reflektivität des Phasenwechselmediums 4 die Eigenfarbe des Leuchtstoffs 1 weitestgehend von außen ab; das Konversionselement wirkt auf den Betrachter farbneutral.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Konversionselements 10, bei dem die weitere Komponente 2 räumlich von Leuchtstoff 1 getrennt oder jedenfalls anders räumlich verteilt ist als der Leuchtstoff 1. In einer ersten Schicht 7 befindet sich der Leuchtstoff 1 im Matrixmaterial 6; diese untere oder hintere Schicht 7 ist dadurch beispielsweise gelb oder orange gefärbt. In einer weiteren, separaten Schicht 8, die auch eine Teilschicht 9 des Matrixmaterials 6 sein kann, ist die weitere Komponente 2 verteilt. Diese weitere Schicht 8 bzw. 9 kann ferner mit Leuchtstoff 1 versehen sein oder andernfalls frei von Leuchtstoff sein. Die weitere Komponente 2 in Figur 3 ist entweder ein thermochromatischer Farbstoff 3 (wie in Figur 1) oder ein Phasenwechselmedium 4 (wie in Figur 2) .
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Konversionselements 10, bei dem die weitere, separate Schicht 8 aus- schließlich aus der weiteren Komponente 2 gebildet ist, welches somit eine kompakte, vorzugsweise sehr dünne Schicht bildet. Die Schichtdicken und Schichtdickenverhältnisse in den Figuren 3 und 4 sind nicht maßstäblich dargestellt. In den Figuren 3 und 4 bildet jeweils die obere, separate
Schicht 8 diejenige Seite, die dem Betrachter zugewandt sein wird, wohingegen die untere Schicht 7 nach hinten in Richtung der Leuchtdiode weisen wird oder sogar direkt an ihr befestigt sein wird. Figur 5 zeigt eine schematisierte Anordnung mit zumindest einer Leuchtdiode 5 und einem Konversionselement, deren Bestandteile schematisiert, und zwar räumlich getrennt voneinander dargestellt sind. Die Leuchtdiode 5 ist auf oder in einem Leuchtdiodenchip 15 ausgebildet. In einer ersten Schicht 7, die einem herkömmlichen Konversionselement entsprechen würde, ist Leuchtstoff 1 in dem Matrixmaterial verteilt. In einer zweiten, separaten Schicht 8 ist eine weitere Komponente 2 enthalten, entweder als Hauptbestandteil oder in einem sonstigen Material (beispielsweise demselben Matrixmaterial) vermischt enthalten. Die weitere Komponente 2 ist wiederum entweder ein thermochromatischer Farbstoff 3 oder ein Phasen- wechselmedium 4. Figur 5 zeigt, dass der Leuchtstoff zwischen der Leuchtdiode 5 und der weiteren Komponente 2 anzuordnen ist. Somit befindet sich die weitere Komponente 2 auf der von der Leuchtdiode 5 abgewandten Seite der leuchtstoffhaltigen Schicht 7. Sofern als weitere Komponente 2 ein thermochromatischer Farbstoff 3 eingesetzt wird, ist die Schicht 8 bzw. 9 bei niedriger Temperatur intransparent und farbig (oder anstelle einer bunten Farbe schwarz, grau oder weiß), wobei der Farbeindruck denjenigen des Leuchtstoffs kompensiert. Bei hoher Temperatur ist die Schicht 8 bzw. 9 hingegen transparent und farblos.
Sofern als weitere Komponente 2 ein Phasenwechselmedium 4 eingesetzt wird, ist die Schicht 8 bzw. 9 bei niedriger Temperatur aufgrund ihrer starken Reflektivität intransparent, bei hoher Temperatur jedoch weitgehend transparent und farblos .
Bei beiden Materialgruppen wird daher unterhalb der Phasenübergangstemperatur Tc, insbesondere bei Raumtemperatur Tr, das von außen (d.h. in Figur 5 von rechts) auftreffende Licht in der Schicht 8 bzw. 9, welche die weitere Komponente 2 enthält, absorbiert oder jedenfalls reflektiert, wie in Figur 5 anhand der durchgehenden, nicht unterbrochenen Pfeile dargestellt ist. Dadurch ist die Eigenfarbe des Leuchtstoffs der Schicht 7 von außen nicht sichtbar. Oberhalb der Phasenübergangstemperatur Tc hingegen ist bei beiden Materialgruppen die Schicht 8 bzw. 9 mit der weiteren Komponente 2 farblos und transparent, wie in Figur 5 anhand der gestrichelten Pfeile dargestellt ist.
Figur 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit mindestens einer Leuchtdiode 5 und einem Konversionselement 10. Bei dieser Anordnung 20 ist das Konversionselement 10 beabstandet von der Leuchtdiode 5 bzw. dem Leuchtdiodenchip 15 angeordnet. Auf einem Träger 12 können sich eine oder auch mehrere Leuchtdioden 5 bzw. Leuchtdiodenchips 15 befin- den. Über eine Halterung 13 wird das Konversionselement 10 in einem definierten Abstand vor der Leuchtdiodenanordnung gehalten. Das Konversionselement 10, das hier der Einfachheit halber als planparallele Platte dargestellt ist, ist so angeordnet, dass diejenige Schicht 8, die die weitere Komponente 2 enthält, von der Leuchtdiode 5 abgewandt ist. Somit befindet sich betrachterseitig die weitere Komponente 2 außen vor dem Leuchtstoff 7. Alternativ können, wie in Figur 1 oder 2 dargestellt, der Leuchtstoff 1 und die weitere Komponente 2 homogen miteinander und im Matrixmaterial vermischt sein; das Konversionselement erfordert dann nur eine einzige Schicht. Bei der Bauweise aus Figur 6, die derjenigen von "remote phosphor" -Anwendungen entspricht, wird dank der erfindungsgemäß eingesetzten thermochromatischen Farbstoffe oder Phasen- wechselmedien ein neutrales Aufsehen der Anordnung bei Raum- temperatur erreicht; die bislang gelblich-orange Eigenfarbe des Leuchtstoffs ist neutralisiert.
Figur 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das Konversionselement 10 unmittelbar auf dem Leuchtdiodenchip 15 bzw. auf der dadurch ausgebildeten Leuchtdiode 5 angeordnet ist. Sofern der Leuchtstoff 1 und die weitere Komponente 2 nicht homogen im Konversionselement verteilt sind, existieren wiederum zwei verschiedene Schichten 7, 8, wobei die den thermochromatischen Farbstoff 3 oder das Phasenwechselmedium
4 enthaltende Schicht 8 auf der äußeren, von der Leuchtdiode
5 abgewandten Seite des Konversionselements 10 angeordnet ist .
Für sämtliche der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 7 können insbesondere die in der Beschreibung und/oder in den Patentansprüchen dieser Anmeldung genannten thermochromatischen Farbstoffe oder Phasenwechselmedium eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Konversionselement (10) zum Konvertieren von emittiertem Licht einer oder mehrerer Leuchtdioden (5) , wobei das Konversionselement (10) ein Matrixmaterial (6) und zumindest einen Leuchtstoff (1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Konversionselement (10) ferner eine weitere Komponente (2) aufweist, die entweder ein thermochromatischer Farbstoff (3) oder ein Phasenwechselmedium (4) ist.
2. Konversionselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die weitere Komponente (2) ein thermochromatischer Farb- Stoff (3) ist, der bei Raumtemperatur (Tr) eine Eigenfarbe besitzt und intransparent ist und der oberhalb einer Phasenübergangstemperatur (Tc) , die größer ist als die Raumtemperatur (Tr) , farblos und transparent ist. 3. Konversionselement (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leuchtstoff (1) eine Eigenfarbe besitzt und dass das Konversionselement (10) als weitere Komponente (2) einen thermochromatischen Farbstoff (3) enthält, der bei Raum- temperatur (Tr) eine Eigenfarbe besitzt, die die Eigenfarbe des Leuchtstoffs (1) kompensiert.
4. Konversionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Leuchtstoff (1) eine gelbe bis orange Eigenfarbe besitzt und dass die weitere Komponente (2) ein thermochromatischer Farbstoff (3) ist, der bei Raumtemperatur (Tr) eine blaue oder blaue bis violette Eigenfarbe besitzt.
Konversionselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die weitere Komponente (2) ein thermochromatischer Farbstoff (3) ist, der bei Raumtemperatur (Tr) intransparent sowie schwarz, grau oder weiß ist und der oberhalb einer Phasenübergangstemperatur (Tc) , die größer ist als die Raumtemperatur (Tr) , transparent und farblos ist.
Konversionselement (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die weitere Komponente (2) ein Phasenwechselmedium (4) ist, das bei Raumtemperatur (Tr) kristallin und stark reflektierend ist und das oberhalb einer Phasenübergangstemperatur (Tc) , die größer ist als die Raumtemperatur, amorph und schwächer reflektierend ist.
Konversionselement nach Anspruch 1 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Phasenwechselmedium (4) ein Chalkogenid ist, insbesondere eine Substanz, die zumindest eines, vorzugsweise mehrere der Elemente Germanium, Tellur und Antimon enthält .
Konversionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
sowohl der Leuchtstoff (1) als auch die weitere Komponente (2; 3; 4) in dem Matrixmaterial (6) des Konversionselements (10) verteilt ist.
Konversionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die weitere Komponente (2; 3; 4) als separate Schicht (8) vorliegt oder in einer Teilschicht (9) des Konversionselements (10), die frei von Leuchtstoff (1) ist, an- geordnet ist.
Anordnung (20) mit mindestens einer Leuchtdiode (5) und einem Konversionselement (10) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Konversionselement (10) ein nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildetes Konversionselement ist.
Anordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leuchtdiode (5) eine blaues Licht emittierende
Leuchtdiode ist, deren blaues Licht durch den Leuchtstoff (1) in ein stärker farbneutrales Licht konvertiert wird . 12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Konversionselement (10) beabstandet von der mindestens einen Leuchtdiode (5) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Konversionselement (10) der Leuchtstoff (1) und die weitere Komponente (2; 3; 4) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, wobei der Leuchtstoff (1) näher an der Leuchtdiode (5) angeordnet ist als die weite re Komponente (2; 3; 4) .
14. Anordnung nach Anspruch 10, 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass
das Konversionselement (10) unmittelbar auf einem
Leuchtdiodenchip (15) , in dem die Leuchtdiode (5) ausgebildet ist, angeordnet ist.
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