WO2018158090A1 - Konversionselement, optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines konversionselements - Google Patents

Konversionselement, optoelektronisches bauelement und verfahren zur herstellung eines konversionselements Download PDF

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WO2018158090A1
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WO
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conversion element
conversion
radiation
matrix material
laser source
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PCT/EP2018/053911
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French (fr)
Inventor
Angela Eberhardt
Florian Peskoller
Jörg FRISCHEISEN
Thomas HUCKENBECK
Michael Schmidberger
Jürgen Bauer
Dennis Sprenger
Jürgen HAGER
Maximilian Vogl
Oliver WOISETSCHLÄGER
Vera STÖPPELKAMP
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Osram Gmbh
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    • H01S5/023—Mount members, e.g. sub-mount members
    • H01S5/02325—Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches

Definitions

  • the invention relates to a conversion element. Furthermore, the invention relates to an optoelectronic component. Furthermore, the invention relates to a method for producing a conversion element.
  • LARP applications Laser Activated Remote Phosphor
  • Radiation angle, efficiency and / or stability e.g., to humidity, radiation, temperature, chemical
  • Object of the present invention is a
  • a further object of the invention is a suitable for LARP applications
  • Conversion element at least one or exactly one
  • the conversion element has at least one matrix material. In the matrix material, the at least one conversion material is introduced or embedded.
  • the conversion element has a substrate. On or at the substrate, this is at least one matrix material and the at least one
  • Substrate may have further layers which form, for example, the coating of the substrate.
  • the coating can be formed dichroitisch.
  • the substrate may additionally or alternatively have an antireflection coating.
  • the matrix material comprises or consists of at least one condensed sol-gel material selected from the group consisting of: water glass, metal phosphate,
  • the conversion element is arranged in the beam path of a laser or light source.
  • the conversion element is optional with respect to
  • Variation of the beam direction can be different
  • the converter can be used in a transmissive or reflective configuration become.
  • the described converter element can be particularly useful in combination with such technologies in a system
  • the deflection is preferably or exclusively by the movement of either one or more optical elements, e.g. Mirrors and / or lenses.
  • the radiation of the laser source is arranged dynamically to the conversion element.
  • the inventors have recognized that the use of the conversion element described here in a LARP arrangement provides improved heat dissipation, radiation and radiation
  • Matrix materials such as silicones or epoxies.
  • Very thin layers which have a high proportion of conversion material in the matrix material, can be produced.
  • the conversion element can have a high light scattering and is preferably exclusively made
  • the matrix material can be highly filled with the conversion material and thus formed very thinly as a layer.
  • the conversion element can have a scattering over pores in the layer and over refractive index differences of the materials.
  • the matrix material with the conversion material is in particular formed as a layer and can directly on be applied to the substrate, ie without an additional organic or inorganic adhesive layer.
  • Beam deflection elements a targeted control of the light distribution can be achieved, including the switching off and / or dimming of the laser and thus the resulting light distribution in certain areas. This can be used to other road users
  • Conversion element on at least one wavelength-converting conversion material.
  • the conversion material absorbs radiation having a first dominant wavelength (and possibly a surrounding spectral range) and converts radiation having a second dominant wavelength (and possibly a surrounding spectral range) which is preferably greater than the first dominant wavelength.
  • Wavelength is known to the person skilled in the art and is therefore not explained in detail at this point.
  • conversion materials may preferably be inorganic materials with
  • wavelength-converting properties are used.
  • a known phosphor such as e.g. Garnet, orthosilicate and / or nitridosilicate.
  • Materials for the conversion material are, for example:
  • luminescent materials such as quantum dots, organic dyes or
  • Conversion material and / or matrix material on the substrate by means of doctoring, screen printing, stencil printing, dispensing,
  • the substrate may be transmissive or transparent.
  • the substrate may also be formed reflecting, preferably with a reflectivity between 0.95 and 1, in particular in the wavelengths of
  • a substrate materials may be used, which are selected from the following group: sapphire, ceramic, glass, glassy materials, glass ceramic, other transparent or translucent materials.
  • the substrate may comprise one or a combination of the following materials: alumina, polycrystalline alumina, ceramics, aluminum, copper, metals, highly reflective
  • Aluminum with or through deposited layer system e.g. made of silver or a dichroic coating.
  • the reflective shaped substrates are suitable for the so-called reflective LARP and the transparent substrates for the transmissive LARP.
  • no appreciable change means no measurable change or up to a maximum of 5% degradation in the primary and / or secondary wavelength range. The same applies to the
  • the substrate can be structured.
  • the substrate may be a structured sapphire substrate or may be formed as one or more microlenses that may be on the
  • the substrate can be any organic compound having surface properties structured.
  • the substrate can be any organic compound having surface properties structured.
  • the substrate can be any organic compound having surface properties structured.
  • the substrate can be any organic compound having surface properties structured.
  • the substrate may have a coating.
  • Coating may for example have a scattering layer to increase the light extraction.
  • the coatings may be arranged downstream of the matrix material.
  • Coatings can also be referred to as encapsulation.
  • the encapsulation should protect against environmental influences, such as moisture.
  • the substrate may have functional coatings such as
  • dichroic or interference coatings may have antireflective properties or filter properties, such as the transmission or reflection of certain wavelength ranges.
  • dichroic coatings are preferably used which largely reflect the light emitted by the laser source transmit and that of the conversion material
  • Laser beam can be increased and the direction substrate emitted or scattered converted light is largely reflected back in the forward direction.
  • Matrix material containing layer facing sapphire be applied.
  • a dichroic coating consists of several thin layers
  • the dichroic coating can have two main functions: on the one hand, it ensures high transmission of the incoming one
  • the dichroic coating described above can be any dichroic coating.
  • the substrate may have further configurations.
  • the substrate may be structured.
  • the conversion material may be capable of
  • Radiation of the laser source in particular a laser beam or multiple laser beams to completely absorb and emit with a changed longer wavelength.
  • a so-called full conversion takes place here, ie that the radiation of the laser source does not contribute to less than 5% of the resulting total radiation.
  • the conversion material is capable of partially absorbing the radiation of the laser source, so that the total radiation emerging from the conversion element is composed of the laser radiation and the converted radiation. This can also be called partial conversion.
  • the total radiation can be white mixed light. According to at least one embodiment, the
  • Conversion material in the matrix material has a proportion of more than 50% by weight, better still more than 60% by weight, preferably more than 65% by weight or more than 70% by weight or more than 75% by weight or more than 80% by weight or more than 85% by weight or more than 90% by weight or more than 95% by weight.
  • the conversion material may have a volume fraction, for example, of more than 10 or 20% by volume, better still more than 30% by volume, preferably more than 35% by volume or more than 40% by volume or more than 45% by volume or more than 50% by volume. or more than 55% by volume or more than 60% by volume or more than 65% by volume or more than 70% by volume or more than 75% by volume in that
  • Conversion material has.
  • the proportion of the matrix material in the conversion element is, for example, max. 70% by volume, better max. 65% by volume, preferably max. 60% by volume or max. 55% by volume or max. 50% by volume or max. 45% by volume or max. 40% by volume or max. 35 vol% or max. 30 vol% or max. 25% by volume or max. 20% by volume or max. 15% by volume or max. 10% by volume or max. 5% by volume. This corresponds for example to one
  • the volume fraction of the matrix is between 10% by volume and 65% by volume and the mass fraction is between 5% by weight and 40% by weight.
  • the refractive difference to the conversion material is> 0.2.
  • Conversion element and organic conversion materials such as organic dyes, or have quantum dots.
  • Conversion element scattering particles or fillers on.
  • the scattering particles or fillers are Conversion element scattering particles or fillers.
  • the scattering particles or fillers may have a
  • the particle size can be between several nanometers to several tens of microns. Smaller particles can be used to adjust the viscosity of the suspension during coating. Larger particles can be used to make a compact
  • Conversion element and / or contribute to improved heat dissipation, moisture resistance, or thickness homogeneity.
  • Scattering can be changed and / or the mechanical stability can be improved.
  • Conversion element scattering particles or fillers on.
  • the scattering particles or fillers are Conversion element scattering particles or fillers.
  • the scattering particles or the fillers may have a different shape, for example, spherical, rod-shaped or
  • the particle size can be between a few nanometers to a few tens of micrometers.
  • An additive may be aerosil or silica, such as sipernate.
  • silica such as sipernate.
  • Conversion element made of several layers, which in layer thickness, compactness, matrix material,
  • Conversion material, scatterers and / or fillers may vary. According to at least one embodiment, the
  • the conversion material is incorporated, preferably dispersed.
  • the conversion material may be homogeneously distributed in the matrix material.
  • the conversion material in the matrix material may have a
  • Concentration gradients for example, in the direction away from the laser source, an increase in the concentration of
  • the backscatter can be reduced.
  • the backscatter of the blue light that is, the light emitted from the laser beam can be reduced.
  • Matrix material preferably has no organic
  • Matrix material at least one sol-gel material or consists thereof.
  • Sol-gel materials are here and in the
  • sol-gel process is a process for producing inorganic or hybrid polymeric materials from colloidal dispersions, the so-called sols.
  • the starting materials are also referred to as precursor materials. Out of them arise in
  • Solution in a first basic reaction finest particles. Due to the special processing of the brine, powders, fibers, layers or aerogels can be produced.
  • the essential basic process of the sol-gel process is the hydrolysis of the precursor materials and the condensation between the resulting reactive species.
  • the sol-gel process is sufficiently known to the person skilled in the art and will not be explained in detail here.
  • the sol-gel material may be condensed. This is
  • the sol-gel material is produced by condensation.
  • the sol-gel material is selected from the following group:
  • Metal phosphate aluminum phosphate, alkoxytetramethoxysilane, tetraethylorthosilicate, methyltrimethoxysilane,
  • this consists
  • Potassium water glass between 1: 3 to 3: 1.
  • the ratio between lithium water glass and potassium water glass is 1: 3, 1: 1 or 3: 1, preferably 1: 1.
  • the alkali water glasses may for example have a modulus of 1.5 to 5, preferably a modulus of 2.5 to 4.5.
  • the matrix material consists of water glass and a chemical hardener, as a result of which, in addition to possibly formed alkali carbonate, a further by-product is formed. In the case of a phosphate hardener, this would be an alkali phosphate.
  • the matrix material is free of organic materials. Preferably that is
  • Matrix material free of silicone and / or epoxy This is an advantage as silicones and epoxides can degenerate under the action of blue light. They do this especially under the influence of high temperatures and high radiation density of blue or short-wave light, as they often prevail in LARP applications. Therefore, if the matrix material contains silicone and / or epoxy, it may become irreversible
  • Matrix material aluminum phosphate, monoaluminum phosphate, or a modified monoaluminum phosphate or water glass, wherein the conversion material is capable of
  • the conversion element is applied to a substrate made of sapphire, wherein the substrate in the
  • Matrix material in addition to a chemical hardener.
  • a chemical hardener preferably a phosphate
  • curing the matrix material for example between a temperature of 150 ° C to 350 ° C for water glass, it is possible to produce a conversion element that is very stable to moisture. In particular, this shows
  • Test duration which was determined by means of a moisture test.
  • aluminum phosphate Preferably, with aluminum phosphate,
  • Monoaluminium phosphate added no chemical hardener.
  • the aluminum phosphate described here, monoaluminum phosphate or modified monoaluminum phosphate preferably has a molar ratio of Al to P of 1: 3 to 1: 1.5 and hardens in particular at temperatures between 300 ° C and 400 ° C.
  • In the solutions can be more elements or
  • Compounds be included, but preferably max. 1 mole% of alkali and halogen compounds.
  • organic matrix materials or organic sol-gel materials such as alkoxysilanes (TEOS),
  • the laser source has at least one laser beam with a dominant wavelength of 410-490 nm, preferably 430-470 nm, particularly preferably 440-460 nm.
  • more than one laser beam for example, six laser beams, form the laser source, which are performed together as a stack in parallel over the converter.
  • the laser source one or more lasers having the same or different wavelengths may be used.
  • the laser beam has a wavelength from the blue spectral range.
  • UV, green, yellow, orange, red spectral range are used.
  • the radiation of the laser source hits the laser directly during operation
  • a primary optics used to pre-collimate the laser light, possibly in a beam combiner to summarize and form the beam.
  • this primary optic can contain all the usual elements, eg lenses and lens stacks / arrays, or even reflective ones
  • optical elements The use of refractive optical elements is also possible.
  • dichroic mirrors is also possible. This may be formed of multiple layers and, for example, an alternating sequence of titanium dioxide and silicon dioxide layers
  • Layer thickness of 70 ym preferably at most 60 ym, preferably at most 50 ym or at most 45 ym or a maximum of 40 ym or a maximum of 35 ym or a maximum of 30ym or a maximum of 25 ym or a maximum of 20 ym formed for partial conversion.
  • Full conversion is the conversion element with a maximum layer thickness of 150 ym, better at most 130 ym, preferably at most 110 ym or at most 90 ym or at most 80 ym or a maximum of 70 ym or a maximum of 60 ym or a maximum of 50 ym or a maximum of 40 ym.
  • the conversion element has a layer thickness between 10 and 30 ym after curing. This can with Advantage the heat generated in the conversion material are easily dissipated and the spot broadening are kept low.
  • the invention further relates to an optoelectronic
  • the optoelectronic portion is Component.
  • the optoelectronic portion is Component.
  • the component has a laser source which emits radiation during operation, a conversion element which is that of the laser source
  • Conversion element is arranged and at least partially reflects the radiation emitted by the conversion element radiation and for the emitted from the laser source
  • the conversion element has a substrate which is a dichroic coating
  • the dichroic coating the light of the laser source, especially at vertical or nearly
  • the layer stack can be made of titanium dioxide and titanium dioxide
  • Silicon dioxide layers are formed, which are preferably arranged alternately.
  • the layer stack is
  • the layer stack may be constructed, for example, of tantalum (V) oxide and silicon dioxide layers.
  • the radiation of the laser source is arranged dynamically or statically relative to the conversion element.
  • the radiation of the laser source hits the conversion element via a transmissive substrate during operation.
  • the invention further relates to an optoelectronic
  • Substrate (2) and matrix material (3) is arranged, wherein at least a portion of the radiation of the laser source (1), the substrate and the dichroic layer stack
  • the invention further relates to a method for producing a conversion element. Preferably, with the method described here, the method described here
  • the method for producing a conversion element comprises the steps:
  • the matrix material is condensed and is produced or crosslinked by means of a sol-gel process at a temperature between 150 ° C. and 400 ° C., the matrix material being selected from the following group: water glass, metal phosphate, aluminum phosphate, monoaluminum phosphate,
  • Conversion material directly on a substrate may have a dichroic coating disposed directly on the matrix material or conversion material.
  • a dichroic coating disposed directly on the matrix material or conversion material.
  • the efficiency can be increased, especially for devices with a high energy density and / or
  • Damage to the conversion element can be generated.
  • the Thermal Rollover can be done as follows:
  • Thermal rollover occurs when, despite increasing the laser power (excitation), the total radiation or the converted radiation does not increase further, but may even fall.
  • the preparation of the conversion material described herein is more favorable compared to ceramic converters that need to be adhered to a substrate, especially when
  • inorganic conversion materials are to be produced in one process step, for example by spray coating or doctor blading.
  • spray coating or doctor blading By this is meant that several elements are processed at once, i. It is more practical and cheaper than single ceramic
  • Conversion materials eg garnets with different doping or different Al / Ga or Lu / Y content
  • Conversion materials use or a mixture of conversion materials.
  • the conversion materials described here have greater flexibility than ceramic converters with respect to adjustment of the color location or the color rendering index (CRI) of the total radiation.
  • Conversion element can be used for example in projection applications, endoscopy or stage lighting.
  • the conversion element can be produced as a composite on a sapphire wafer. After the sapphire wafer is coated, it can be singulated, for example by sawing. Such a process can improve homogeneity and yield and reduce process costs.
  • Conversion material embedded in the matrix material This allows the color location or the color rendering index (CRI) to be adjusted. For example, warm white mixed light can be produced by combining green and red conversion materials.
  • the change of the color location can change the visibility of a headlamp or in a vehicle,
  • Conversion material has a mean particle diameter between 1 and 25 ym, in particular between 2 and 15 ym, preferably between 3 and 9 ym. In accordance with at least one embodiment, this is
  • Conversion element activated with an activator or dopant.
  • concentration of the dopant may be between 0.1% and 10%, for example 3%, as in (Yo.97Ceo.03) 3AI5O12.
  • lanthanides or the rare earths may be used, in garnet phosphors in particular Ce.
  • Dopant concentration or by the addition of fillers or scattering particles or by filling the pores or holes with additional (preferably inorganic) material is particularly important when a collimated laser light is to be scattered or converted by the conversion element.
  • FIGS. 1A to 2F each show a conversion element according to an embodiment
  • Figures 3A to 31 are each an electron micrograph of a conversion element according to a
  • FIGS. 1A and 1B show the substrate 2, which is shown thinner than the layer thickness of the layer with the matrix material 3, although the layer thickness of the substrate 2 (about 500 ⁇ m) is preferably greater than the layer thickness of the layer with the matrix material 3 (approx 25 ym).
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional illustration of a conversion element 100 according to an embodiment.
  • the conversion element 100 has a substrate 2 on which a matrix material 3 is arranged. In the matrix material 3, the conversion material 4 is introduced to the
  • Wavelength conversion is set up.
  • the conversion material 4 is homogeneously distributed in the matrix material 3.
  • FIG. 1B shows the distribution of the
  • Conversion material 4 a garnet, such as YAG: Ce, can be used.
  • FIGS. 2A to 2D each show a side view of a conversion element 100 according to an embodiment arranged in a LARP arrangement.
  • the distance laser conversion element can have a few cm.
  • FIG. 2A shows a laser source 1 which is set up to emit a primary radiation or first radiation 5.
  • the first radiation 5 impinges directly on the substrate 2, which is for example sapphire and transmissively shaped.
  • the substrate 2 is the matrix material 3 and the
  • the conversion material 4 absorbs the primary radiation 5 and emits one
  • the conversion element 100 may be designed for full conversion or partial conversion.
  • the conversion element according to FIG. 2B shows a substrate 2, which is designed to be reflective.
  • the substrate 2 is designed to be reflective.
  • the laser source 1 can be arranged on a heat sink 8. Both the laser source 1 as Also, the matrix material 3 and the substrate 2 may further be arranged on a support 7.
  • the carrier 7 can be
  • the laser beam 5 can radiate perpendicular to and / or at a certain angle to the conversion element 100 here.
  • the laser beam of the laser source 1 may be capable of scanning the surface of the conversion element 100 or moving thereon. This
  • the laser source 1 is mechanically immovably mounted with respect to the conversion element 100.
  • FIG. 2C shows the arrangement of the laser source 1 at an angle to the substrate 2 and matrix material 3. The same applies to the conversion element according to FIG. 2D.
  • the laser source 1 is integrated into a light guide.
  • the matrix material 3 and the substrate 2 can analogously to the previous versions
  • the laser source 1 and the substrate 2 with the matrix material 3 are not arranged on a common carrier.
  • the primary radiation 5 can strike the substrate 2 or matrix material 3 in a free-running manner, as in FIG. 2C, or via an optical waveguide, as shown in FIG. 2D.
  • the substrate 2 is formed transmissively. In the case of a reflective substrate 2, this is facing away from the laser beam 5 and strikes the first
  • FIG. 2E substantially corresponds to the embodiment of FIG. 2A.
  • the lens or a collimator can be arranged between the laser source 1 and the conversion element 100.
  • FIG. 2E substantially corresponds to the embodiment of FIG. 2A.
  • the collimator can be arranged between the laser source 1 and the conversion element 100.
  • the dichroic coating 21 is arranged directly on the matrix material 3.
  • Antireflection coating 22 is arranged on the side facing away from the matrix material 3 of the substrate 2.
  • FIGS 3A to 31 respectively show
  • FIG. 3A shows a side view of a
  • the conversion element 100 can be used for a headlight.
  • Potassium water glass with a chemical hardener, for example aluminum phosphate, is used as matrix material 3.
  • the chemical hardening takes place by an ion exchange, in this case potassium ions by aluminum ions. This means that aluminum ions are incorporated into the silicate network, which increases the moisture resistance. As a by-product arises
  • the conversion material 4 is in particular a garnet, such as YAGaG: Ce, the radiation from the yellow
  • Dichroic / interference layer stack in particular of silicon dioxide and titanium dioxide, on, here in the
  • the layer stack has in particular a thickness of about 3 ym.
  • the substrate 2 has in particular a layer thickness of about 500 ym.
  • Conversion material has a thickness of about 25 ym. Right next to this layer of water glass and
  • Conversion material is arranged an air layer, here marked with area III.
  • D denotes the working distance
  • U denotes the high voltage
  • V magnification.
  • the proportions in percent by weight of the conversion material 4 and chemical hardener to potassium water glass and water is 1: 0.9 wt%, that is 52.5 wt% solid particles in one
  • the conversion material to potassium water glass and water is as 1: 1.03 wt%, that is 49.2 wt% or 15.3 vol% conversion material in the suspension.
  • the conversion material to potassium water glass is 1: 0.25% by weight, ie 80% by weight
  • Conversion material 4 in the conversion element 100 corresponds to a volume fraction of about 55% of
  • FIG. 3B shows a corresponding plan view of the electron micrograph shown in FIG. 3A.
  • water glass was also used as matrix material 3 for the conversion element 100. It was a suspension of potassium waterglass as a solution, aluminum phosphate as a chemical hardener and a
  • the suspension was diluted with water.
  • Liquid components in the suspension varied between 1: 2 and 1: 0.5, in particular between 1: 1 and 1: 0.8, preferably 1: 0.5.
  • the suspension was applied to a substrate 2,
  • the wet coating has a layer thickness of between 10 .mu.m and 150 .mu.m, especially between 20 .mu.m and 100 .mu.m, particularly preferably between 30 .mu.m and 80 .mu.m.
  • the coated substrate 2 was dried and cured at a temperature between 150 ° C and 350 ° C. Then, they were shown as shown in the figure of FIG. 3A
  • the coating thickness after drying and curing at 350 ° C is about 30 ym.
  • This conversion element 100 already exhibits too high a degree of conversion for typical cold-white applications, for example for headlight applications. For an application as a car headlight, the layer could be correspondingly thinner to achieve the matching color location.
  • layers with a layer thickness after drying and hardening of only 10 ⁇ m to 20 ⁇ m can be produced.
  • Such conversion elements 100 are with regard to
  • FIG. 3C shows, from left to right, an air layer (region I), the substrate 2 (region II), the matrix material 3 and the electron micrograph of FIG Conversion material 4 (area III) and an air layer (area IV).
  • FIG. 3D shows an example of an electron micrograph, wherein a mixture of different water glasses is used as the matrix material 3.
  • a mixture of different water glasses is used as the matrix material 3.
  • Lithium water glass as a solution and a garnet (YAG: Ce) has been used.
  • the solution can also be diluted with water.
  • the mass ratio of the water glass is between 1 to 99 wt% lithium water glass and 99 to 1 wt% potassium water glass, in particular between 10 and 90 wt%
  • Lithium water glass and 90 and 10 wt% potassium water glass more preferably between 25 and 75 wt% lithium water glass and 75 to 25 wt% potassium water glass, more preferably between 40 to 60 wt% lithium water glass and 60 to 40 wt% potassium water glass.
  • the mass ratio was 50% by weight of lithium water glass to 50% by weight of potassium water glass.
  • the mass ratio between the solid and liquid components in the suspension varied between 1: 1 and
  • the coating and the temperature treatment is carried out analogously to the embodiment of FIG. 3C.
  • the figure 3D shows the electron micrograph of a sample which has been cured at 150 ° C. This is stable in the 1000 hour test at 85 ° C and 85% relative humidity. After curing, the proportion of the matrix material (3) is only about 10% by weight or about 15% by volume, creating a
  • FIGS. 3E and 3F show plan views and side views of electron micrographs
  • FIG Potassium water glass is used with a hardener as the matrix material 3.
  • the matrix material 3 is excellent
  • the structures are very porous compared to normal phosphor in glass (Phosphor in Glass, PiG).
  • FIG. 3G shows an electron micrograph, in which case aluminum phosphate is used as matrix material 3.
  • aluminum phosphate is used as matrix material 3.
  • the mass ratio of the solid components to the liquid components in the suspension is between 1: 2 and 1: 0.5, more preferably between 1: 1.5 and 1: 0.9,
  • the suspension is applied to a substrate by means of doctor blading, for example, the wet coating having a layer thickness between 10 and 150 ⁇ m, preferably between 20 and 100 ⁇ m, particularly preferably between 30 and 80 ⁇ m.
  • the substrate is dried and cured at a temperature between 300 ° C and 400 ° C.
  • the layer thickness is about 35 ym and the matrix content is about 60% by volume or about 30% by weight. Due to the higher matrix content, the
  • the refractive index of the matrix is about 1.5 and that of the embedded one
  • FIGS. 3A, 3C, 3D, 3F, 3G and 31 show a side view of a broken conversion element 100.
  • Figures 3H and 31 show the plan view and the
  • Wafer size can be produced. These are then cut into smaller conversion elements, for example by means of a diamond saw. A good adhesion of the layer and a good layer stability is necessary so that it does not come to chipping or chipping at the edges when sawing.
  • FIG. 4A shows the spatially resolved luminance of a so-called static LARP component in accordance with FIG.
  • Static measurement here means that the laser source 1 is directed to the conversion element 100 without the beam of the laser source 1 moving on the conversion element 100.
  • the blue stimulation of the laser beam is about 50 ym x 250 ym (l / e ⁇ .).
  • the area includes the
  • the converter temperature is 80 ° C.
  • the substrate 2 is a sapphire substrate having a dichroic coating or a dichroic layer stack and may have one on the opposite side
  • FIG. 4C respectively shows the luminance of a dynamic LARP component according to an embodiment with water glass as matrix material 3 with L max of approximately 110 Mcd / m 2.
  • the laser beam scans the conversion element 100, that is, moves on the conversion element 100.
  • the scan frequency is 133 Hz. It is blue
  • Input power is about 1.6 W and the
  • the substrate 2 is a
  • Sapphire substrate with a dichroic stack of layers located between the substrate and the conversion element.
  • the substrate On the opposite side of the substrate (laser-facing side), the substrate has an antireflection layer. The width of the
  • Scanning image is about 9.5 mm.
  • FIG. 4D shows the comparative example with a
  • FIG. 5A shows the relative luminance in a.U.
  • Embodiment formed as a dynamic LARP Embodiment formed as a dynamic LARP.
  • Scan frequency is 133 Hz.
  • the blue excitation spot is approximately 50 ym x 250 ym (l / e ⁇ ).
  • the blue input power is approximately 1.6 W.
  • the converter temperature is 80 ° C.
  • a substrate a sapphire substrate with a
  • FIG. 5A shows the advantage of the conversion element 100 with the matrix material water glass compared to conventional ceramic
  • the l / e ⁇ width is 250 ym for the conversion element 100 with water glass and 575 ym for the ceramic converter.
  • Figure 5B shows the luminance curve L in cd / m2 of a conventional ceramic converter 1-1 and a
  • Conversion element 1-2 according to one embodiment as a dynamic LARP component.
  • the scanning frequency, the blue excitation spot, the power, the converter temperature and the substrate the same statements apply as for FIG. 5A. Again, the conversion element 100 with the
  • Matrix material water glass a smaller half width than the conventional ceramic converter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Konversionselement (100) aufweisend ein wellenlängenkonvertierendes Konversionsmaterial (4), ein Matrixmaterial (3), in dem das Konversionsmaterial (4) eingebracht ist, ein Substrat (2), an dem das Matrixmaterial (3) und das Konversionsmaterial (4) direkt angeordnet ist, wobei das Matrixmaterial (3) zumindest ein kondensiertes Sol-Gel Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan oder Metallalkoxan, wobei das Konversionselement (100) im Strahlengang einer Laserquelle (1) angeordnet ist, wobei das Konversionselement (100) in Bezug auf die Laserquelle (1) mechanisch unbeweglich montiert ist, wobei die Strahlung der Laserquelle (1) dynamisch zum Konversionselement (100) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
KONVERSIONSELEMENT, OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KONVERSIONSELEMENTS
Die Erfindung betrifft ein Konversionselement. Ferner betrifft die Erfindung ein optoelektronisches Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements.
In so genannten LARP-Anwendungen (Laser Activated Remote Phosphor) ist es erforderlich, eine hohe Leuchtdichte zu erzeugen. Darüber hinaus ist eine geringe Spotverbreiterung wichtig, d.h. inwiefern sich die Leuchtfläche (z.B. bezogen auf 1/e2 Wert des Maximums) der konvertierten Strahlung gegenüber der Leuchtfläche (=Anregungsfläche) des anregenden Laserstrahls vergrößert, der Kontrast zwischen Bereichen, die beleuchtet werden sollen und Bereichen, die nicht beleuchtet werden sollen (z.B. bei adaptiven Scheinwerfern),
Farbhomogenität über die Konverterfläche und über den
Abstrahlwinkel, die Effizienz und/oder die Stabilität (z.B. gegenüber Feuchte, Strahlung, Temperatur, chemischen
Einflüssen etc. um eine lange Lebensdauer des Bauteils zu gewährleisten) . Als LARP-Anwendungen werden hier und im
Folgenden diejenigen Anwendungen bezeichnet, die mit Hilfe einer Laserquelle, aufweisend zumindest einen Laserstrahl, ein Konversionselement als Lichtquelle nutzbar machen. Das schließt nicht aus, dass ein Teil des Laserlichts auch noch vorhanden ist und damit mit zur Gesamtemission beitragen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Konversionselement bereitzustellen, das für LARP -Anwendungen geeignet ist, insbesondere für LARP-Anwendungen stabil ist oder eine hohe Leuchtdichte aufweist. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein für LARP-Anwendungen geeignetes
optoelektronisches Bauelement bereitzustellen. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements bereitzustellen, das ein stabiles
Konversionselement erzeugt.
Diese Aufgaben werden durch ein Konversionselement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 16 und ein
Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements gemäß Anspruch 17 gelöst.
In zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement zumindest ein oder genau ein
wellenlängenkonvertierendes Konversionsmaterial auf. Das Konversionselement weist zumindest ein Matrixmaterial auf. In dem Matrixmaterial ist das zumindest eine Konversionsmaterial eingebracht oder eingebettet. Das Konversionselement weist ein Substrat auf. Auf oder an dem Substrat ist das zumindest eine Matrixmaterial und das zumindest eine
Konversionsmaterial, insbesondere direkt, angeordnet.
Direkt meint hier, dass zwischen dem Matrixmaterial und/oder Konversionsmaterial und dem Substrat keine weiteren Schichten oder Elemente angeordnet sind. Mit anderen Worten kann das Konversionselement kleberfrei auf dem Substrat befestigt werden. Es wird das Konversionselement also auf dem Substrat nicht mit einem weiteren Adhäsivmaterial befestigt. Das
Substrat kann weitere Schichten aufweisen, die beispielsweise die Beschichtung des Substrats bilden. Die Beschichtung kann dichroitisch ausgeformt sein. Das Substrat kann zusätzlich oder alternativ eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
Das Matrixmaterial weist zumindest ein kondensiertes Sol-Gel- Material auf oder besteht daraus, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat,
Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat , modifiziertes
Aluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan,
Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan . Das Konversionselement ist im Strahlengang einer Laser- oder Lichtquelle angeordnet.
Das Konversionselement ist optional in Bezug auf die
Laserquelle oder Lichtquelle mechanisch unbeweglich montiert. Mechanisch unbeweglich montiert meint hier insbesondere, dass sich die relative räumliche Position des Konversionselements und der Laserquelle nicht ändern. Dabei kann die Laserquelle zumindest einen Laserstrahl aufweisen, dessen Strahlrichtung sich relativ zum Konversionselement räumlich nicht ändert. Alternativ kann die Laserquelle, vorzugsweise inklusive primärer strahlführender Optik, zumindest einen Laserstrahl aufweisen, der seine Strahlrichtung variieren kann. Die
Variation der Strahlrichtung kann über verschiedene
Technologien realisiert werden. Dies beinhaltet z.B. MEMS
(micro-electro-mechanical System) Elemente oder Piezoantriebe aber auch Polygonspiegel / rotierende Walzen, aber auch typische in CD und Blue Ray Playern eingesetzte Technologien wie „Voice Coil Actuators" können hier verwendet werden.
Generell können alle Technologien verwendet werden, die es erlauben, einen Laserstrahl zusammen mit primären optischen Elementen über den Konverter zu scannen. Der Konverter kann in transmittiver oder reflektiver Konfiguration eingesetzt werden. Das beschriebene Konverterelement kann in Kombination mit solchen Technologien in einem System besonders
vorteilhaft in scannenden LARP Systemen, insbesondere im AM Bereich (AM = Automotive) eingesetzt werden. Detaillierte Beschreibung dieser Systeme werden nachfolgend dargestellt. Die Ablenkung erfolgt vorzugsweise oder ausschließlich über die Bewegung entweder eines oder mehrerer optischer Elemente wie z.B. Spiegel und/oder Linsen.
Insbesondere ist die Strahlung der Laserquelle dynamisch zum Konversionselement angeordnet.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Verwendung des hier beschriebenen Konversionselements in einer LARP-Anordnung eine verbesserte Wärmeabfuhr, Strahlungs- und
Temperaturstabilität aufweist, verglichen mit einem
herkömmlichen Konversionselement, aufweisend organische
Matrixmaterialien, wie Silikone oder Epoxide.
Es können sehr dünne Schichten, die einen hohen Anteil an Konversionsmaterial in dem Matrixmaterial aufweisen, erzeugt werden. Das Konversionselement kann eine hohe Lichtstreuung aufweisen und ist vorzugsweise ausschließlich aus
anorganischen Materialien geformt. Vorzugsweise ist das
Konversionsmaterial und das Matrixmaterial auf einem
transmissiven Substrat angeordnet. Das Matrixmaterial kann mit anderen Worten mit dem Konversionsmaterial hochgefüllt sein und damit sehr dünn als Schicht ausgeformt sein. Zudem kann das Konversionselement eine Streuung über Poren in der Schicht und über Brechzahlunterschiede der Materialien aufweisen. Das Matrixmaterial mit dem Konversionsmaterial ist dabei insbesondere als Schicht ausgeformt und kann direkt auf dem Substrat appliziert werden, d.h. ohne eine zusätzliche organische oder anorganische Kleberschicht.
Bisher bekannte Konversionselemente für LARP-Anwendungen zeigen den Nachteil der Spotverbreiterung und/oder eines schlechten Kontrasts. Diese Parameter sind allerdings sehr wichtig, beispielsweise für die Automobilanwendung, z.B. wie die Anwendung der Konversionselemente in einem Scheinwerfer, insbesondere bei Applikationen, die auf ein ADB (Advanced Driving Beam) System abzielen, auch bekannt unter dem Namen
„Glare-Free HB". Diese Systeme können unter anderem mit einer der oben genannten Strahlrichtungsablenkungstechnologien realisiert werden. Einer oder mehrere Laserstrahlen werden hier über ein Konversionselement gescannt. Dies kann in einer oder in zwei Dimensionen realisiert werden. Die resultierende örtliche konvertierte Lichtverteilung wird mit einer
sekundären Optik ins Fernfeld abgebildet. Durch
Synchronisierung von Lasertreiber und
Strahlablenkungselementen kann eine gezielte Steuerung der Lichtverteilung erreicht werden, unter anderem auch das Abschalten und/oder Dimmen der Laser und damit auch der resultierenden Lichtverteilung in bestimmten Bereichen. Dies kann genutzt werden, um andere Verkehrsteilnehmer
(entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge, etc.) auszublenden. Sobald diese aus dem Gesichtsfeld der
Scheinwerfer verschwunden sind kann die De-Glaring Zone wieder voll beleuchtet werden. Gerade um in vertikalen und horizontalen De-Glaring Zonen gute Performance zu erreichen, ist es essentiell die Themen Spotverbreiterung und Kontrast zu optimieren. Beispiele und Messwerte für die hier zu erreichenden Vorteile finden sich in den entsprechenden
Figuren. Gesetzliche Regelungen hierzu kann der bekannten Norm ECE-R 123 entnommen werden, beispielsweise die Anwendung der Konversionselemente in einem Scheinwerfer.
Aber auch andere Lichtverteilungen wie z.B. Abblendlicht oder Nebellicht benötigen in vertikaler Richtung genügend Schärfe und Kontrast um die gesetzlichen Forderungen der ECE-R 19 und der ECE-R 112 zu erfüllen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement zumindest ein wellenlängenkonvertierendes Konversionsmaterial auf. Das Konversionsmaterial absorbiert eine Strahlung mit einer ersten dominanten Wellenlänge (und ggf. einem umgebenden spektralen Bereich) und konvertiert Strahlung mit einer zweiten dominanten Wellenlänge (und ggf. einem umgebenden spektralen Bereich) , die vorzugsweise größer als die erste dominante Wellenlänge ist. Die dominante
Wellenlänge ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Als Konversionsmaterialien können vorzugsweise anorganische Materialien mit
wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften verwendet werden. Beispielsweise eignet sich als Konversionsmaterial ein bekannter Leuchtstoff wie z.B. Granat, Orthosilikat und/oder Nitridosilikat . Materialien für das Konversionsmaterial sind beispielsweise :
• (Y,Gd,Tb,Lu)3(Al,Ga)50i2:Ce3+
· (Sr,Ba,Ca,Mg)2Si5N8:Eu2+
• (Ca, Sr) 8Mg (Si04) 4Cl2:Eu2+
• ( Sr, Ba, Ln) 2S1 (0, N) 4 : Eu2+ mit Ln : zumindest ein Element der Lanthanoide
• (Sr,Ba) Si2N202 :Eu2+
· (Ca, Sr,Ba) 2Si04:Eu2+
• (Sr,Ca) AlSiN3:Eu2+
• (Sr, Ca) S :Eu2+ (Sr,Ba,Ca)2(Si,Al)5(N,0)8:Eu2
(Sr,Ba,Ca)3Si05:Eu2
-SiA10N:Eu2+
ß-SiA10N:Eu2+
-δ) AI (4-2δ) Si (8+25) Ni80:Eu2
und andere Leuchtstoffe, lumineszierende Materialien, wie Quantendots, organischer Farbstoffe oder
lumineszierendes Glas. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionsmaterial und/oder Matrixmaterial auf dem Substrat mittels Rakeln, Siebdruck, Schablonendruck, Dispensen,
Sprühbeschichtung, Spin Coating, elektrophoretischer
Abscheidung oder durch eine Kombination dieser verschiedenen Methoden erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Substrat auf. Das Substrat kann transmissiv oder durchsichtig ausgeformt sein. Als
durchsichtig wird hier und im Folgenden ein Substrat
bezeichnet, das eine interne Transmission von > 90 %, vorzugsweise > 95 %, besonders bevorzugt > 99 % aufweist, insbesondere im Bereich der Wellenlänge der Primärstrahlung (Laser) . Interne Transmission meint hier die Transmission ohne Reflektion an den Oberflächen (Fresnel-Reflektion) .
Alternativ kann das Substrat auch reflektierend ausgeformt sein, vorzugsweise mit einem Reflexionsgrad zwischen 0,95 und 1, insbesondere im Bereich der Wellenlängen der
Primärstrahlung und/oder der Sekundärstrahlung.
Als Substrat können Materialien verwendet werden, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Saphir, Keramik, Glas, glasartige Materialien, Glaskeramik, andere transparente oder transluzente Materialien. Alternativ kann das Substrat ein Material oder eine Kombination der folgenden Materialien aufweisen: Aluminiumoxid, polykristallines Aluminiumoxid, Keramik, Aluminium, Kupfer, Metalle, hochreflektierendes
Aluminium mit oder durch aufgebrachtem/s Schichtsystem, z.B. aus Silber oder einer dichroitischen Beschichtung . Die reflektierend ausgeformten Substrate sind für das so genannte reflektive LARP und die transparenten Substrate für das transmissive LARP geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine hohe thermische Leitfähigkeit von > 0,2 W/ (m*K) , bevorzugt ^ 0,5 W/ (m*K) , besonders bevorzugt > 0,7 W/ (m*K) oder > 1,0 W/ (m*K) auf. Zusätzlich kann das Substrat einen guten
Widerstand gegenüber Feuchtigkeit, Strahlung und/oder
Temperaturen aufweisen, was insbesondere von Vorteil für Anwendungen im Automobilbereich ist. Beispielsweise weist das Substrat keine merkliche Änderung der transmissiven und reflektierenden Eigenschaften nach z.B. einem Feuchtetest bei 85°C und 85% rel. Feuchte bei >=1000h auf. Keine merkliche Änderung bedeutet insbesondere keine messbare Änderung oder eine bis maximal 5%ige Verschlechterung im primären und/oder sekundären Wellenlängenbereich. Gleiches gilt für die
Langzeit-Temperatur-Beständigkeit bei >= 180°C, besser
>=200°C für >=lh, besser >=5h, idealerweise >=10h als auch für die Strahlungsbeständigkeit. Diamant hat eine
Wärmeleitfähigkeit von cirka 2300 W/m*K. Saphir von cirka 40 W/m*K. Beides ist für transparente Materialien sehr gut geeignet. Glas weist eine Wärmeleitfähigkeit von cirka 0,75 W/m*K auf je nach Material. Das Substrat kann strukturiert sein. Beispielsweise kann das Substrat ein strukturiertes Saphirsubstrat sein oder als eine oder mehrere Mikrolinsen ausgeformt sein, die auf der
Oberfläche strukturiert sind. Das Substrat kann ein
photonisches Kristallgitter auf der Oberfläche aufweisen. Dies ist von Vorteil, insbesondere um die Lichteinkopplung und/oder -auskopplung zu erhöhen und damit die Effizienz zu steigern. Zum anderen kann damit eine verbesserte
Winkelemissionscharakteristik oder eine Strahlformung in eine oder verschiedene Richtungen erzeugt werden. Die Oberfläche des Substrats kann beispielsweise mittels Aufrauung,
Sandstrahlen, Schleifen, Polieren oder Ätzen modifiziert werden . Das Substrat kann eine Beschichtung aufweisen. Die
Beschichtung kann beispielsweise eine Streuschicht aufweisen, um die Lichtauskopplung zu erhöhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Beschichtungen auf. Die Beschichtungen können dem Matrixmaterial nachgeordnet sein. Die
Beschichtungen können auch als Verkapselung bezeichnet werden. Die Verkapselung soll gegen Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit, schützen.
Das Substrat kann funktionelle Beschichtungen wie
dichroitische oder Interferenzbeschichtungen aufweisen. Diese Beschichtungen können antireflektierende Eigenschaften oder Filtereigenschaften, wie beispielsweise die Transmission oder Reflexion von bestimmten Wellenlängenbereichen, aufweisen. Für die so genannten transmissiven LARP Anwendungen werden vorzugsweise dichroitische Beschichtungen verwendet, die das von der Laserquelle emittierte Licht größtenteils transmittieren und das von dem Konversionsmaterial
emittierte Licht größtenteils reflektieren. Dabei ist es von Vorteil, wenn die dichroitische Beschichtung oder der
Schichtenstapel zwischen Substrat und Matrixmaterial
angeordnet ist und die Anregung mittels Laserstrahls von der Substratseite her erfolgt. Damit kann eine höhere Effizienz erreicht werden, da die Transmission des anregenden
Laserstrahls erhöht werden kann und das Richtung Substrat emittierte oder gestreute konvertierte Licht zu einem großen Teil wieder in Vorwärtsrichtung reflektiert wird.
Die dichroitische Beschichtung kann auf die der
Matrixmaterial enthaltenden Schicht zugewandten Saphirseite aufgebracht werden. Im allgemeinen besteht eine dichroitische Beschichtung aus mehreren dünnen Schichten mit
Brechungsindexdifferenzen, um Interferenzen für die
weilenlängen- und richtungsabhängige Veränderung der
Strahlung im System zu verwenden. Hier kann die dichroitische Beschichtung zwei Hauptfunktionen aufweisen: Sie sorgt zum einen für eine hohe Transmission der eingehenden
Laserstrahlung und zum anderen für eine hohe Reflektivität des umgewandelten Lichts, das aus dem Konversionselement kommt. Beide Effekte erhöhen die Effizienz oder Wirksamkeit des Umrichtersystems, weil mehr Licht in der interessanten Top-Halbkugel verwendet werden könnte. Diese Funktionsweise ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Die oben beschriebene dichroitische Beschichtung kann
alternativ oder zusätzlich auf einer beliebigen weiteren Außenseite des Substrats und/oder auf dessen Kantenseiten und/oder auf der dem Substrat abgewandten Seite des
Konversionselements angeordnet sein. Das Substrat kann weitere Ausgestaltungen aufweisen.
Beispielsweise kann das Substrat strukturiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial dazu befähigt, die Strahlung der
Laserquelle zu absorbieren und in Strahlung mit veränderter längerer Wellenlänge zu konvertieren und zu emittieren.
Das Konversionsmaterial kann dazu befähigt sein, die
Strahlung der Laserquelle, insbesondere eines Laserstrahls oder mehrere Laserstrahlen, vollständig zu absorbieren und mit veränderter längerer Wellenlänge zu emittieren. Mit anderen Worten findet hier eine so genannte Vollkonversion statt, dass also die Strahlung der Laserquelle gar nicht oder zu weniger als 5 % an der resultierenden Gesamtstrahlung beiträgt .
Alternativ ist das Konversionsmaterial dazu befähigt, die Strahlung der Laserquelle teilweise zu absorbieren, sodass die aus dem Konversionselement austretende Gesamtstrahlung sich aus der Laserstrahlung und der konvertierten Strahlung zusammensetzt. Dies kann auch als Teilkonversion bezeichnet werden. Die Gesamtstrahlung kann weißes Mischlicht sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionsmaterial in dem Matrixmaterial einen Anteil von mehr als 50 Gew%, besser mehr als 60 Gew%, vorzugsweise mehr als 65 Gew% oder mehr als 70 Gew% oder mehr als 75 Gew% oder mehr als 80 Gew% oder mehr als 85 Gew% oder mehr als 90 Gew% oder mehr als 95 Gew% auf. Das Konversionsmaterial kann einen Volumenanteil beispielsweise von mehr als 10 oder 20 Vol%, besser mehr als 30 Vol%, vorzugsweise mehr als 35 Vol% oder mehr als 40 Vol% oder mehr als 45 Vol% oder mehr als 50 Vol% oder mehr als 55 Vol% oder mehr als 60 Vol% oder mehr als 65 Vol% oder mehr als 70 Vol% oder mehr als 75 Vol% in dem
Matrixmaterial aufweisen. Beispielsweise ist der
Volumenanteil zwischen 40 Vol% und 85 Vol% und der
Masseanteil zwischen 60 Gew% und 90 Gew% . Dadurch kann ein Konversionselement bereitgestellt werden, das sehr dünn ausgeformt ist und eine hohe Konzentration des
Konversionsmaterials aufweist. Der Anteil des Matrixmaterials in dem Konversionselement beträgt beispielsweise max. 70 Vol%, besser max. 65 Vol%, vorzugsweise max. 60 Vol% oder max. 55 Vol% oder max. 50 Vol% oder max. 45 Vol% oder max. 40 Vol% oder max. 35 Vol% oder max. 30 Vol% oder max. 25 Vol% oder max. 20 Vol% oder max. 15 Vol% oder max. 10 Vol% oder max. 5 Vol%. Dies entspricht beispielsweise einem
Gewichtsanteil von max. 60 Gew%, besser max. 55 Gew%, vorzugsweise max. 50 Gew% oder max. 45 Gew% oder max. 40 Gew% oder max. 35 Gew% oder max. 30 Gew% oder max. 25 Gew% oder max. 20 Gew% oder max. 15 Gew% oder max. 10 Gew% oder max. 5 Gew% an Matrixmaterial im Konversionselement. Beispielsweise liegt der Volumenanteil der Matrix zwischen 10 Vol% und 65 Vol% und der Masseanteil zwischen 5 Gew% und 40 Gew% .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement eine Porosität von mehr als 0,1 Vol% oder mehr als 1 Vol% oder mehr als 2 Vol% oder mehr als 5 Vol% oder mehr als 10 Vol%, besser mehr als 15 Vol~6 , vorzugsweise mehr als 20 Vol% oder mehr als 25 Vol% oder mehr als 30 Vol% oder mehr als 35 Vol% oder mehr als 40 Vol% oder mehr als 45 Vol% oder mehr als 50 Vol% in dem Matrixmaterial auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Matrixmaterial aus kondensiertem Sol-Gel einen Anteil
zwischen 10 und 65 Vol% oder zwischen 5 und 40 Gew% auf. Alternativ oder zusätzlich ist der Brechungsunterschied zum Konversionsmaterial > 0,2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann das
Konversionselement auch organische Konversionsmaterialien, wie organische Farbstoffe, oder Quantendots aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Streupartikel oder Füllstoffe auf. Die Streupartikel oder Füllstoffe können beispielsweise
Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirconiumdioxid, Zinkoxid, andere keramische als auch glasige Partikel, Metalloxide oder andere anorganische Partikel sein. Die Streupartikel oder die Füllstoffe können eine
unterschiedliche Form aufweisen, beispielsweise kugelförmig, stäbchenförmig oder scheibenförmig, wobei die Partikelgröße zwischen einigen Nanometer bis zu einigen zehn Mikrometer sein kann. Kleinere Partikel können genutzt werden, um die Viskosität der Suspension bei der Beschichtung einzustellen. Größere Partikel können zur Herstellung eines kompakten
Konversionselements und/oder zur verbesserten Wärmeabführung, Feuchteresistenz, oder Dickenhomogenität beitragen. Die
Streuung kann verändert und/oder die mechanische Stabilität kann verbessert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Streupartikel oder Füllstoffe auf. Die Streupartikel oder Füllstoffe können beispielsweise
Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bariumsulfat, Bornitrid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, YAG, Orthosilikat , Zinkoxid oder Zirkoniumdioxid sowie A10N, SiAlON oder Kombinationen oder Derivate davon oder andere keramische als auch glasartige Partikel, Metalloxide oder andere anorganische Partikel sein. Die Streupartikel oder die Füllstoffe können eine unterschiedliche Form aufweisen, beispielsweise kugelförmig, stäbchenförmig oder
scheibenförmig, wobei die Partikelgröße zwischen einigen Nanometer bis zu einigen zehn Mikrometer sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement Additive auf. Ein Additiv kann Aerosil oder Kieselerde, wie beispielsweise Sipernat, sein. Damit kann die Viskosität der Suspension modifiziert werden und der Anteil zwischen der flüssigen und der festen Komponente eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement aus mehreren Schichten hergestellt, die in Schichtdicke, Kompaktheit, Matrixmaterial,
Konversionsmaterial, Streuern und/oder Füllstoffen variieren können . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement ein Matrixmaterial auf. In dem
Matrixmaterial ist das Konversionsmaterial eingebracht, vorzugsweise eindispergiert . Das Konversionsmaterial kann in dem Matrixmaterial homogen verteilt sein. Alternativ kann das Konversionsmaterial in dem Matrixmaterial einen
Konzentrationsgradienten, beispielsweise in Richtung weg von der Laserquelle eine Erhöhung der Konzentration des
Konversionsmaterials in dem Matrixmaterial, aufweisen.
Beispielsweise können größere Partikel näher zum Substrat hin angeordnet sein und kleinere Partikel an der Oberfläche des Konversionselements, also von der dem Substrat abgewandten Seite, angeordnet sein. Damit kann die Rückstreuung reduziert werden. Insbesondere kann die Rückstreuung des blauen Lichts, also des von dem Laserstrahl emittierten Lichts, reduziert werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionsmaterial und/oder Matrixmaterial jeweils
anorganisch. Das Konversionsmaterial weist vorzugsweise keine organischen Farbstoffe als Konvertermaterial auf. Das
Matrixmaterial weist vorzugsweise keine organischen
Materialien auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Matrixmaterial zumindest ein Sol-Gel-Material auf oder besteht daraus. Sol-Gel-Materialien werden hier und im
Folgenden als diejenigen Materialien bezeichnet, die mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt sind. Der Sol-Gel-Prozess ist ein Verfahren zur Herstellung von anorganischen oder hybridpolymeren Materialien aus Kolloidaldispersionen, den so genannten Solen. Die Ausgangsmaterialien werden auch als Precursormaterialien bezeichnet. Aus ihnen entstehen in
Lösung in einer ersten Grundreaktion feinste Teilchen. Durch die spezielle Weiterverarbeitung der Sole lassen sich Pulver, Fasern, Schichten oder Aerogele erzeugen. Dabei ist der wesentliche Grundprozess des Sol-Gel-Prozesses die Hydrolyse der Precursormaterialien und die Kondensation zwischen den dabei entstehenden reaktiven Spezies. Der Sol-Gel-Prozess ist dem Fachmann hinreichend bekannt und wird an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Das Sol-Gel-Material kann kondensiert sein. Damit ist
gemeint, dass das Sol-Gel Material durch Kondensation erzeugt wird . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Sol-Gel- Material aus folgender Gruppe ausgewählt: Wasserglas,
Monoaluminiumphosphat , modifiziertes Aluminiumphosphat,
Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das
Matrixmaterial aus Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder einem modifiziertem Monoaluminiumphosphat. Alternativ besteht das Matrixmaterial aus Wasserglas oder aus Wasserglas und einem chemischen Härter. Als Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte, glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und/oder Lithiumsilikate oder ihre
wässrigen Lösungen bezeichnet. Damit unterscheidet sich
Wasserglas von einem herkömmlichen Glas insbesondere durch seine Eigenschaften, wie die Porosität. Das Matrixmaterial kann zumindest aus Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder einer Mischung daraus bestehen oder diese Alkaliwassergläser aufweisen. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere eine Kombination von Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas hervorragende Eigenschaften für das Matrixmaterial aufweist. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und
Kaliumwasserglas zwischen 1:3 bis 3:1. Insbesondere ist das Verhältnis zwischen Lithiumwasserglas und Kaliumwasserglas 1:3, 1:1 oder 3:1, vorzugsweise 1:1.
Die Alkaliwassergläser können beispielweise ein Modul von 1,5 bis 5 besitzen, vorzugsweise ein Modul von 2,5 bis 4,5. Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das Matrixmaterial aus Wasserglas und einem chemischen Härter, wodurch neben ggf. entstehendem Alkalicarbonat ein weiteres Nebenprodukt entsteht. Im Falle eines Phosphathärters wäre dies ein Alkaliphosphat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial frei von organischen Materialien. Vorzugsweise ist das
Matrixmaterial frei von Silikon und/oder Epoxid. Das ist von Vorteil, da Silikone und Epoxide unter Einwirkung von blauem Licht degenerieren können. Dies tun sie besonders unter dem Einfluss hoher Temperaturen und hoher Strahlungsdichte von blauem bzw. kurzwelligerem Licht, wie sie häufig bei LARP Anwendungen vorherrschen. Daher kann das Matrixmaterial, wenn es Silikon und/oder Epoxid enthält, irreversibel
degenerieren. Bei scannendem LARP ist dies insbesondere bei einem Ausfall des lichtablenkenden Elementes kritisch, wodurch sich die durchschnittliche blaue Leistungsdichte in dem Teil des Konverters, in dem der Spot zu stehen kommt, um ein Vielfaches erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Matrixmaterial Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder ein modifiziertes Monoaluminiumphosphat oder Wasserglas auf, wobei das Konversionsmaterial dazu befähigt ist, die
Strahlung der Laserquelle zu absorbieren und zumindest teilweise in Strahlung mit veränderter Wellenlänge zu
konvertieren, wobei das Konversionselement auf einem Substrat aus Saphir aufgebracht ist, wobei das Substrat im
Strahlengang der von dem Konversionsmaterial emittierten oder absorbierten Strahlung oder im Strahlengang der
Laserstrahlung angeordnet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Matrixmaterial zusätzlich einen chemischen Härter auf. Durch Zugabe eines chemischen Härters, vorzugsweise ein Phosphat, und Aushärten des Matrixmaterials, beispielsweise zwischen einer Temperatur von 150 °C bis 350 °C für Wasserglas, ist es möglich, ein Konversionselement zu erzeugen, das sehr stabil gegenüber Feuchtigkeit ist. Insbesondere zeigt dieses
Konversionselement eine hohe Stabilität bei 85 °C, 85 % relativer Luftfeuchtigkeit und 1000 Stunden für die
Testdauer, was mittels eines Feuchtetests bestimmt wurde. Vorzugsweise wird bei Aluminiumphosphat,
Monoaluminiumphosphat oder bei modifiziertem
Monoaluminiumphosphat kein chemischer Härter zugesetzt. Das hier beschriebene Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat oder modifizierte Monoaluminiumphosphat besitzt vorzugsweise ein molares Verhältnis von AI zu P von 1:3 bis 1:1,5 und härtet insbesondere bei Temperaturen zwischen 300 °C und 400 °C aus. In den Lösungen können weitere Elemente oder
Verbindungen enthalten sein, jedoch vorzugsweise max . 1 Mol% an Alkali und Halogenverbindungen.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei Verwendung von
Wasserglas oder Aluminiumphosphat oder Monoaluminiumphosphat oder modifiziertem Monoaluminiumphosphat ein
Konversionselement mit einem anorganischen Matrixmaterial erzeugt werden kann, das bei geringen Temperaturen
langzeitstabil ausgehärtet werden kann, im Vergleich zu organischen Matrixmaterialien oder organischen Sol-Gel- Materialien, wie beispielsweise Alkoxisilane (TEOS) ,
Alkoxide, Alkoxane. Geringe Aushärtungstemperaturen sind vorteilhaft, um Beschädigungen beispielsweise an dem Substrat oder an einer Verkapselung oder einer weiteren Beschichtung, wie beispielsweise einer dichroitischen Beschichtung, zu vermeiden. Eine permanente oder bleibende Schädigung des Leuchtstoffes während dem Einbettungsprozess wird ebenfalls vermieden bzw. minimiert. Die Verwendung von organischen oder teilweise organischen Sol-Gel-Materialien ist zwar möglich, aber nicht bevorzugt, weil die chemische Reaktion bei derart geringen Temperaturen nicht vollständig erfolgt. Dies kann zu einer Instabilität des Konversionselements und damit zu einer Reduzierung der Lebensdauer führen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laserquelle zumindest einen Laserstrahl mit einer dominanten Wellenlänge von 410 - 490 nm, vorzugsweise 430 - 470 nm, besonders bevorzugt 440 - 460 nm auf. Alternativ können auch mehr als ein Laserstrahl, beispielsweise sechs Laserstrahlen, die Laserquelle bilden, die gemeinsam als Stapel parallel über den Konverter geführt werden. Als Laserquelle können ein oder mehrere Laser mit gleichen oder verschiedenen Wellenlängen verwendet werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Laserstrahl eine Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich auf.
Alternativ können auch andere Wellenlängen, die
beispielsweise aus dem UV, grünen, gelben, orangen, roten Spektralbereich ausgewählt sind, verwendet werden.
Gemäß zumindest einer einfachen Ausführungsform trifft im Betrieb die Strahlung der Laserquelle direkt auf das
Konversionselement auf. Mit anderen Worten sind zwischen der Laserquelle und dem Konversionselement keine weiteren
Schichten, Elemente, Linsen oder optische Elemente
angeordnet. Üblicherweise wird aber, besonders bei der
Verwendung von mehreren Laserdioden, eine primäre Optik eingesetzt, um das Laserlicht vorzukollimieren, eventuell in einem Beam Combiner zusammenzufassen und den Strahlgang zu formen. Diese primäre Optik kann je nach Applikation und Bauraumverhältnissen alle üblichen Elemente enthalten, z.B. Linsen und Linsenstapel/-arrays, oder auch reflektive
optische Elemente. Auch die Verwendung von refraktiven optischen Elementen ist möglich. Auch die Verwendung von dichroitischen Spiegeln ist möglich. Dieser kann aus mehreren Schichten geformt sein und beispielsweise eine alternierende Abfolge von Titandioxid- und Siliziumdioxidschichten
aufweisen .
Desweiteren kann das System in Bezug auf das Konverterelement als reflektives LARP und transmissives LARP verwendet werden. Als reflektives LARP wird ein System bezeichnet, bei dem der Laser, anders als beim transmissiven LARP, nicht gegenüber der Eintrittsseite der Laserstrahlung des Konversionsmediums austritt, sondern reflektiert wird und an der ursprünglichen Eintrittsseite der Laserstrahlung auch wieder austritt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement als Schicht mit einer maximalen
Schichtdicke von 70 ym, besser maximal 60 ym, vorzugsweise maximal 50 ym oder maximal 45 ym oder maximal 40 ym oder maximal 35 ym oder maximal 30ym oder maximal 25 ym oder maximal 20 ym für Teilkonversion ausgeformt. Für
Vollkonversion ist das Konversionselement mit einer maximalen Schichtdicke von 150 ym, besser maximal 130 ym, vorzugsweise maximal 110 ym oder maximal 90 ym oder maximal 80 ym oder maximal 70 ym oder maximal 60 ym oder maximal 50 ym oder maximal 40 ym ausgeformt.
Beispielsweise weist das Konversionselement eine Schichtdicke zwisehen 10 und 30 ym nach der Aushärtung auf. Damit kann mit Vorteil die in dem Konversionsmaterial erzeugte Wärme leicht abgeführt werden und die Spotverbreiterung gering gehalten werden . Die Erfindung betrifft ferner ein optoelektronisches
Bauelement. Vorzugsweise weist das optoelektronische
Bauelement ein hier beschriebenes Konversionselement auf. Dabei gelten alle Definitionen und Ausführungen des
Konversionselements auch für das optoelektronische Bauelement und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine Laserquelle, die im Betrieb Strahlung emittiert, ein Konversionselement, das die von der Laserquelle
emittierte Strahlung zumindest teilweise in eine Strahlung mit veränderter längerer Wellenlänge konvertiert, und einen Schichtenstapel, der zwischen der Laserquelle und dem
Konversionselement angeordnet ist und zumindest die von dem Konversionselement emittierte Strahlung zumindest teilweise reflektiert und für die von der Laserquelle emittierte
Strahlung durchlässig ist, auf. Das Konversionselement weist ein Substrat auf, das eine dichroitische Beschichtung
aufweisen kann. Die dichroitische Beschichtung kann das Licht der Laserquelle vor allem bei senkrechtem oder nahezu
senkrechtem Einfall transmittieren während sie es bei größeren Winkeln teils reflektiert, wenn z.B. Laserlicht in dem Konversionselement rückgestreut wird und unter anderem Winkel auf den dichroitischen Spiegel auftrifft. Der Schichtenstapel kann aus Titandioxid- und
Siliziumdioxidschichten geformt sein, die vorzugsweise alternierend angeordnet sind. Der Schichtenstapel ist
zwischen der Laserquelle und dem Konversionselement angeordnet. Dadurch kann die von dem Konversionselement emittierte Strahlung an dem Schichtenstapel reflektiert werden und die von der Laserquelle emittierte Strahlung kann durch den Schichtenstapel durchgelassen werden. Alternativ kann der Schichtenstapel beispielsweise auch aus Tantal (V) - oxid- und Siliziumdioxidschichten aufgebaut sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Strahlung der Laserquelle dynamisch oder statisch zum Konversionselement angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform trifft im Betrieb die Strahlung der Laserquelle über ein transmissives Substrat auf das Konversionselement.
Die Erfindung betrifft ferner ein optoelektronisches
Bauelement. Dabei gelten alle gemachten Ausführungen zum Konversionselement und dessen Herstellung auch für das optoelektronische Bauelement und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Bauelement auf:
- eine Laserquelle, die im Betrieb Strahlung emittiert,
- ein hier beschriebenes Konversionselement, das einen
dichroitischen Schichtenstapel aufweist, der zwischen
Substrat (2) und Matrixmaterial (3) angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der Strahlung der Laserquelle (1) das Substrat und den dichroitischen Schichtenstapel
transmittiert und das Konversionsmaterial (4) die
transmittierte Strahlung in Strahlung mit veränderterer längerer Wellenlänge konvertiert, wobei die konvertierte Strahlung von dem dichroitischen Schichtenstapel reflektiert wird . Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements. Vorzugsweise wird mit dem hier beschriebenen Verfahren das hier beschriebene
Konversionselement hergestellt. Dabei gelten alle
Definitionen und Ausführungen des Konversionselements auch für das Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements und umgekehrt.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements die Schritte auf:
A) Bereitstellen eines Matrixmaterials,
B) Einbringen eines anorganischen wellenlängenkonvertierenden Konversionsmaterials in das Matrixmaterial,
wobei das Matrixmaterial kondensiert ist und mittels Sol-Gel- Verfahren bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 400 °C erzeugt oder vernetzt wird, wobei das Matrixmaterial aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat, Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat ,
Alkoxytetramethoxysilan, Tetraethylorthosilikat ,
Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan, und C) Aufbringen des Matrixmaterials und des
Konversionsmaterials direkt auf ein Substrat. Das Substrat kann eine dichroitische Beschichtung aufweisen, die direkt an dem Matrixmaterial oder Konversionsmaterial angeordnet ist. Durch das hier beschriebene Konversionselement kann ein kleinerer emittierender Leuchtfleck erzeugt werden. Damit ergibt sich ein besserer Kontrast zwischen den Flächen, die beleuchtet werden sollen, und den Flächen, die nicht beleuchtet werden sollen. Dies kann beispielsweise durch eine reduzierte Streustrahlung oder eine reduzierte Halo- oder Korona-Umgebung um die beleuchtete Fläche im Vergleich beispielsweise zu keramischen Konvertern beobachtet werden.
Diese Vorteile können insbesondere in so genannten scannenden LARP-Systemen für den Automobilbereich angewendet werden. Zudem können die hier beschriebenen Konversionselemente eine höhere Leuchtdichte aufweisen verglichen mit
Keramikkonvertern. Bei anderen Konversionselementen ist häufig die Spotverbreiterung derart schlecht dass die
Leuchtfläche auf dem Konversionselement über eine zusätzliche Blende definiert werden muss um einen unbeabsichtigten Halo- bzw. Korona-Effekt zu vermeiden. Bei der hier vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, aufgrund der geringen
Spotverbreiterung auf eine derartige Blende zu verzichten, wodurch die Kosten gesenkt werden.
Zudem kann die Effizienz erhöht werden, insbesondere bei Bauelementen mit einer hohen Energiedichte und/oder
Temperaturen durch die bessere Wärmeableitung. Dies reduziert die Temperatur in den Konversionsmaterialien und damit das thermische Quenchen der Konversionsmaterialien verglichen mit organischen Matrixmaterialien, die in der Regel eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit von < 0.5 W/ (m*K) besitzen. Die maximale Betriebsleistung und/oder Temperatur kann gesteigert werden, bevor der so genannte „Thermal Rollover" des Konversionsmaterials erzeugt wird oder irreversible
Beschädigungen des Konversionselements erzeugt werden.
Das Thermal Rollover kann wie folgt Zustandekommen:
1. Beim Betrieb wird im Konversionselement Hitze erzeugt
(wegen Stokes-Hitze bei Konversion von z.B. blau nach gelb; durch Verluste wegen Quanteneffizienz <100% oder wegen
Absorption)
2. Bei höherer Temperatur besitzen die meisten
Konversionsmaterialien thermisches Quenchen, d.h. die
Quanteneffizienz sinkt mit steigender Temperatur
3. Durch das thermische Quenchen wird mehr Hitze erzeugt, was zu noch mehr thermischem Quenchen führen kann
4. Thermal Rollover tritt dann auf, wenn trotz Erhöhung der Laserleistung (Anregung) die Gesamtabstrahlung bzw. die konvertierte Strahlung nicht weiter steigt sondern womöglich sogar fällt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen dem
Substrat und dem Matrixmaterial und/oder Konversionsmaterial keine Kleberschicht angeordnet. Mit anderen Worten kann das Matrixmaterial mit Konversionsmaterial direkt an oder auf das Substrat, beispielsweise direkt auf die Beschichtung des Substrats, aufgebracht oder angebracht werden. Im Vergleich dazu müssen keramische Konverter geklebt werden, wobei der Kleber gewöhnlich eine geringe thermische Leitfähigkeit und maximale thermische Belastbarkeit aufweist.
Die Herstellung des hier beschriebenen Konversionsmaterials ist günstiger verglichen mit Keramikkonvertern, die auf einem Substrat aufgeklebt werden müssen, insbesondere wenn
verschiedene anorganische Konversionsmaterialien in einem Prozessschritt hergestellt werden sollen, beispielsweise durch Spray Coating oder Doctor Blading. Damit ist gemeint, dass mehrere Elemente auf einmal prozessiert werden, d.h. es ist praktischer und günstiger als einzelne keramische
Konverter aufzukleben. Zudem kann man bei dem hier
beschriebenen Konversionselement verschiedene
Konversionsmaterialien (z.B. Granate mit unterschiedlicher Dotierung oder unterschiedlichem Al/Ga bzw. Lu/Y Gehalt) verwenden oder eine Mischung von Konversionsmaterialien.
Damit besitzen die hier beschriebenen Konversionsmaterialien eine größere Flexibilität als keramische Konverter bezüglich Einstellung des Farbortes oder des Farbwiedergabeindex (CRI) der Gesamtstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das
Konversionselement im Automobilbereich, beispielsweise in Scheinwerfern, verwendet. Alternativ kann das
Konversionselement beispielsweise bei Projektionsanwendungen, Endoskopie oder Bühnenbeleuchtung verwendet werden.
Das Konversionselement kann als Verbund auf einem Saphirwafer erzeugt werden. Nachdem der Saphirwafer beschichtet ist, kann dieser vereinzelt werden, beispielsweise durch Sägen. Ein derartiger Prozess kann die Homogenität und die Ausbeute verbessern und die Prozesskosten reduzieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mehr als ein
Konversionsmaterial in dem Matrixmaterial eingebettet. Damit kann der Farbort oder der Farbwiedergabeindex (CRI) angepasst werden. Beispielsweise kann durch Kombination von grünen und roten Konversionsmaterialien warmweißes Mischlicht erzeugt werden. Die Veränderung des Farbortes kann die Sichtbarkeit eines Scheinwerfers oder in einem Fahrzeug verändern,
beispielsweise bei Regen, Schnee oder Nebel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionsmaterial einen mittleren Partikeldurchmesser zwischen 1 und 25 ym, insbesondere zwischen 2 und 15 ym, vorzugsweise zwischen 3 und 9 ym auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement mit einem Aktivator oder Dotierstoff aktiviert. Die Konzentration des Dotierstoffs kann zwischen 0.1% und 10%, beispielsweise 3%, wie bei ( Yo.97Ceo.03) 3AI5O12, sein Als Dotierstoff können beispielsweise Lanthanoide oder die Seltenen Erden verwendet werden, bei Granatleuchtstoffen insbesondere Ce .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Konversionselement keine Löcher auf. Damit sind
Inhomogenitäten in dem Konversionselement gemeint, wie beispielsweise Poren oder andere Löcher, die zur Transmission von blauem Licht ohne Konversion oder Streuung eingerichtet sind. Dies kann beispielsweise durch die Partikelgröße der Konversionsmaterialien oder durch die
Dotierstoffkonzentration oder durch Zusatz von Füllstoffen oder Streupartikeln oder durch Auffüllen der Poren oder Löcher mit zusätzlichem (bevorzugt anorganischem) Material beeinflusst werden. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn ein kollimiertes Laserlicht durch das Konversionselement gestreut oder konvertiert werden soll.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Die Figuren 1A bis 2F jeweils ein Konversionselement gemäß einer Ausführungsform, die Figuren 3A bis 31 jeweils eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Konversionselements gemäß einer
Ausführungsform, und die Figuren 4A bis 5B die Leuchtdichte gemäß einer
Ausführungsform und von Vergleichsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten
Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben zu groß dargestellt werden.
Beispielsweise zeigen die Figuren 1A und 1B das Substrat 2, das dünner dargestellt als die Schichtdicke der Schicht mit dem Matrixmaterial 3, obwohl bevorzugt die Schichtdicke des Substrats 2 (ca. 500 ym) größer ist als die Schichtdicke der Schicht mit dem Matrixmaterial 3 (ca. 25 ym) .
Die Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Konversionselements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Konversionselement 100 weist ein Substrat 2 auf, auf dem ein Matrixmaterial 3 angeordnet ist. In dem Matrixmaterial 3 ist das Konversionsmaterial 4 eingebracht, das zur
Wellenlängenkonversion eingerichtet ist. In diesem Beispiel ist das Konversionsmaterial 4 homogen in dem Matrixmaterial 3 verteilt. Die Figur 1B zeigt die Verteilung des
Konversionsmaterials 4 in dem Matrixmaterial 3 mittels eines Konzentrationsgradienten oder Korngrößengradienten. Größere Partikel des Konversionsmaterials 4 sind zum Substrat 2 hin angeordnet, kleinere Partikel zur entgegengesetzten Seite des Substrats 1 angeordnet. Das Matrixmaterial 3 kann
beispielsweise Wasserglas oder Monoaluminiumphosphat oder modifiziertes Monoaluminiumphosphat sein. Als
Konversionsmaterial 4 kann ein Granat, wie YAG:Ce, verwendet werden .
Die Figuren 2A bis 2D zeigen jeweils eine Seitenansicht eines Konversionselements 100 gemäß einer Ausführungsform, das in einer LARP-Anordnung angeordnet ist. Der Abstand Laser- Konversionselement kann einige cm aufweisen.
Die Figur 2A zeigt eine Laserquelle 1, die zur Emission einer Primärstrahlung oder ersten Strahlung 5 eingerichtet ist. Die erste Strahlung 5 trifft direkt auf das Substrat 2 auf, das beispielsweise Saphir ist und transmissiv ausgeformt ist. Dem Substrat 2 ist das Matrixmaterial 3 und das
Konversionsmaterial 4 nachgeordnet. Das Konversionsmaterial 4 absorbiert die Primärstrahlung 5 und emittiert eine
Sekundärstrahlung 6. Das Konversionselement 100 kann zur Vollkonversion oder Teilkonversion ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Konversionselement 100 hier oder in den anderen Ausführungsbeispielen klebstofffrei .
Das Konversionselement gemäß der Figur 2B zeigt ein Substrat 2, das reflektierend ausgebildet ist. Das Substrat 2
erstreckt sich über die Grundseite des Matrixmaterials 3, in dem das Konversionsmaterial 4 eingebettet ist, und an eine Seitenfläche des Matrixmaterials 3. Die von der Laserquelle 1 emittierte Primärstrahlung 5 trifft somit direkt auf das Matrixmaterial 3 auf, wird durch das Konversionsmaterial 4 in Strahlung mit veränderter Wellenlänge konvertiert und an dem Substrat 2 reflektiert. Die Laserquelle 1 kann auf einer Wärmesenke 8 angeordnet sein. Sowohl die Laserquelle 1 als auch das Matrixmaterial 3 und das Substrat 2 können ferner auf einem Träger 7 angeordnet sein. Der Träger 7 kann
beispielsweise eine Leiterplatte sein. Der Laserstrahl 5 kann hier senkrecht und/oder unter einem bestimmten Winkel zum Konversionselement 100 einstrahlen.
In den Ausführungsformen der Figuren 2A und 2B ist das
Konversionselement in Bezug auf die Laserquelle mechanisch unbeweglich montiert. Der Laserstrahl der Laserquelle 1 kann dazu befähigt sein, die Oberfläche des Konversionselements 100 abzuscannen oder sich auf dieser zu bewegen. Dies
schließt nicht aus, dass bei Bewegung des Laserstrahls die Laserquelle 1 in Bezug auf das Konversionselements 100 mechanisch unbeweglich montiert ist.
Die Figur 2C zeigt die Anordnung der Laserquelle 1 in einem Winkel zum Substrat 2 und Matrixmaterial 3. Das Gleiche gilt für das Konversionselement gemäß der Figur 2D. Bei dem
Konversionselement der Figur 2D ist die Laserquelle 1 in einen Lichtleiter integriert. Das Matrixmaterial 3 und das Substrat 2 können analog den bisherigen Ausführungen
ausgestaltet sein. Bei der Figur 2C sind die Laserquelle 1 und das Substrat 2 mit dem Matrixmaterial 3 nicht auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Die Primärstrahlung 5 kann freilaufend, wie in Figur 2C, oder über einen Lichtleiter, wie in Figur 2D gezeigt, auf das Substrat 2 beziehungsweise Matrixmaterial 3 treffen. Das Substrat 2 ist transmissiv ausgeformt. Im Falle eines reflektiven Substrats 2 ist dieses dem Laserstrahl 5 abgewandt und trifft zuerst auf das
Matrixmaterial 3. Zwischen Laserquelle 1 und dem Konversionselement 100 können optische Elemente, wie Linse oder Kollimator, angeordnet sein (siehe Figur 2F) . Die Figur 2E entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der Figur 2A. Im Unterschied zur Figur 2A weist die
Ausführung der Figur 2E eine dichroitische Beschichtung 21 und/oder eine Antireflexbeschichtung 22 als Teil des
Substrats 2 auf. Die dichroitische Beschichtung 21 ist direkt an dem Matrixmaterial 3 angeordnet. Die
Antireflexbeschichtung 22 ist auf der dem Matrixmaterial 3 abgewandten Seite des Substrats 2 angeordnet.
Die Figuren 3A bis 31 zeigen jeweils
rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines
Konversionselements 100.
Die Figur 3A zeigt eine Seitenansicht einer
elektronenmikroskopischen Aufnahme des Konversionselements 100 mit Wasserglas als Matrixmaterial 3, hier mit Bereich I gekennzeichnet. Das Konversionselement 100 kann für einen Scheinwerfer verwendet werden. Als Matrixmaterial 3 wird Kaliumwasserglas mit einem chemischen Härter, beispielsweise Aluminiumphosphat verwendet. Die chemische Härtung erfolgt durch einen Ionenaustausch, in diesem Fall Kaliumionen durch Aluminiumionen. Das bedeutet, dass Aluminiumionen in das silikatische Netzwerk eingebaut werden, wodurch sich die Feuchtebeständigkeit erhöht. Als Nebenprodukt entsteht
Kaliumphosphat .
Das Konversionsmaterial 4 ist insbesondere ein Granat, wie beispielsweise YAGaG:Ce, der Strahlung aus dem gelben
Spektralbereich emittiert und feinkörnig ausgeformt ist. Das Substrat 2, hier mit Bereich II in der Aufnahme
gekennzeichnet, ist Saphir und weist einen
dichroitischen/Interferenz-Schichtenstapel , insbesondere aus Siliziumdioxid und Titandioxid, auf, der hier in der
elektronenmikroskopischen Aufnahme nicht sichtbar ist. Der Schichtenstapel weist insbesondere eine Dicke von ca. 3 ym auf. Das Substrat 2 weist insbesondere eine Schichtdicke von ca. 500 ym auf. Die Schicht aus Wasserglas und
Konversionsmaterial weist eine Dicke von ungefähr 25 ym auf. Rechts neben dieser Schicht aus Wasserglas und
Konversionsmaterial ist eine Luftschicht angeordnet, hier mit Bereich III gekennzeichnet. D bezeichnet den Arbeitsabstand, U bezeichnet die Hochspannung und V die Vergrößerung. Die Anteile in Gewichtsprozent des Konversionsmaterials 4 und chemischen Härter zu Kaliumwasserglas und Wasser beträgt 1:0,9 Gew%, das heißt 52,5 Gew% Festpartikel in einer
Suspension. Ohne Betrachtung des Härtemittels beträgt das Konversionsmaterial zu Kaliumwasserglas und Wasser wie 1:1,03 Gew%, das heißt 49,2 Gew% oder 15,3 Vol% Konversionsmaterial in der Suspension. Nach der Aushärtung ohne Betrachtung des Härters und Wasser beträgt der Anteil Konversionsmaterial zu Kaliumwasserglas 1:0,25 Gew%, das heißt 80 Gew%
Konversionsmaterial 4 in dem Konversionselement 100. Dies entspricht einem Volumenanteil von ca. 55% des
Konversionsmaterials 4 bzw. ca. 45 Vol% oder 20 Gew% des Matrixmaterials 3 in dem Konversionselement 100.
Die Figur 3B zeigt eine entsprechende Draufsicht auf die in Figur 3A gezeigte elektronenmikroskopische Aufnahme.
Bei der Aufnahme der Figur 3C wurde ebenfalls Wasserglas als Matrixmaterial 3 für das Konversionselement 100 verwendet. Es wurde eine Suspension aus Kaliumwasserglas als Lösung, Aluminiumphosphat als chemischer Härter und ein
Granatleuchtstoff YAGaG:Ce als Konversionsmaterial 4
verwendet. Optional wurde die Suspension mit Wasser verdünnt. Das Massenverhältnis der Festkomponenten zu
Flüssigkomponenten in der Suspension variierte zwischen 1:2 und 1:0,5, insbesondere zwischen 1:1 und 1:0,8, vorzugsweise 1:0,5. Die Suspension wurde auf ein Substrat 2,
beispielsweise mittels Doctor Blading, aufgebracht, so dass die Nassbeschichtung eine Schichtdicke zwischen 10 ym und 150 ym, besonders zwischen 20 ym und 100 ym, besonders bevorzugt zwischen 30 ym und 80 ym, aufweist. Anschließend wurde das beschichtete Substrat 2 getrocknet und ausgehärtet bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 350 °C. Dann wurden die wie in der Abbildung der Figur 3A gezeigten
elektronenmikroskopischen Aufnahmen (REM) aufgenommen. Die Beschichtungsdicke nach Trocknung und Aushärtung bei 350 °C beträgt ca. 30 ym. Dieses Konversionselement 100 zeigt bereits einen zu hohen Konversionsgrad für typische kaltweiße Anwendungen, beispielsweise für Scheinwerfer-Anwendungen. Für eine Anwendung als Autoscheinwerfer könnte die Schicht entsprechend noch dünner sein um den passenden Farbort zu erzielen . Durch die Verwendung des Konversionsmaterials mit einer kleinen Partikelgröße und einer hohen Aktivatorkonzentration können Schichten mit einer Schichtdicke nach der Trocknung und Härtung von lediglich 10 ym bis 20 ym erzeugt werden. Derartige Konversionselemente 100 sind im Hinblick auf
Wärmeableitung und Spotverbreiterung von Vorteil. Die
elektronenmikroskopische Aufnahme der Figur 3C zeigt von links nach rechts eine Luftschicht (Bereich I), das Substrat 2 (Bereich II), das Matrixmaterial 3 und das Konversionsmaterial 4 (Bereich III) und eine Luftschicht (Bereich IV) .
Die Figur 3D zeigt beispielhaft eine elektronenmikroskopische Aufnahme, wobei als Matrixmaterial 3 eine Mischung aus verschiedenen Wassergläsern verwendet wird. Hier ist eine Suspension aus einem Gemisch von Kaliumwasserglas und
Lithiumwasserglas als Lösung und einem Granat (YAG:Ce) verwendet worden. Optional kann die Lösung auch mit Wasser verdünnt werden. Das Masseverhältnis des Wasserglases ist zwischen 1 bis 99 Gew% Lithiumwasserglas und 99 bis 1 Gew% Kaliumwasserglas, insbesondere zwischen 10 und 90 Gew%
Lithiumwasserglas und 90 und 10 Gew% Kaliumwasserglas, besonders bevorzugt zwischen 25 und 75 Gew% Lithiumwasserglas und 75 bis 25 Gew% Kaliumwasserglas, besonders bevorzugt zwischen 40 bis 60 Gew% Lithiumwasserglas und 60 bis 40 Gew% Kaliumwasserglas. Bei dieser Probe lag das Masseverhältnis bei 50 Gew% Lithiumwasserglas zu 50% Gew% Kaliumwasserglas. Das Masseverhältnis zwischen den festen und der flüssigen Komponente in der Suspension variierte zwischen 1:1 und
1:0,1, vorzugsweise zwischen 1:0,6 und 1:0,2, insbesondere zwischen 1:0,4 und 1:0,3. Bei dieser Probe lag das Verhältnis bei 1:0,36. Die Beschichtung und die Temperaturbehandlung ist analog dem Ausführungsbeispiel der Figur 3C durchgeführt. Die Figur 3D zeigt die elektronenmikroskopische Aufnahme einer Probe, die bei 150 °C ausgehärtet wurde. Diese ist im 1000 Stunden-Test bei 85°C und 85% relativer Feuchte stabil. Nach der Aushärtung beträgt der Anteil des Matrixmaterials (3) nur noch ca. 10 Gew% bzw. ca. 15 Vol%, wodurch ein
Konversionselement 100 mit einem hohen Füllgrad an
Konversionsmaterial (4) entsteht.
Die Figuren 3E und 3F zeigen Draufsichten und Seitenansichten von elektronenmikroskopischen Aufnahmen, wobei Kaliumwasserglas mit einem Härter als Matrixmaterial 3 verwendet wird. Das Matrixmaterial 3 ist hervorragend
geeignet, um ein Konversionselement 100 mit einer hohen
Effizienz bereitzustellen. Die Strukturen sind im Vergleich zu normalem Leuchtstoff im Glas (Phosphor in Glass, PiG) sehr porös .
Die Figur 3G zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme, wobei hier als Matrixmaterial 3 Aluminiumphosphat verwendet wird. Hier wurde eine Suspension aus modifiziertem
Monoaluminiumphosphat als Lösung und einem Granat (YAGaG:Ce) verwendet. Das Masseverhältnis der festen Komponenten zu den flüssigen Komponenten in der Suspension ist zwischen 1:2 und 1:0,5, besonders bevorzugt zwischen 1:1,5 und 1:0,9,
insbesondere bevorzugt zwischen 1:1,3 und 1:1. Die Suspension wird auf einem Substrat beispielsweise mittels Doctor Blading aufgebracht, wobei die Nassbeschichtung eine Schichtdicke zwischen 10 und 150 ym, bevorzugt zwischen 20 und 100 ym, besonders bevorzugt zwischen 30 und 80 ym, aufweist.
Anschließend wird das Substrat getrocknet und ausgehärtet bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 400 °C. Nach der
Trocknung und Aushärtung bei 350 °C beträgt die Schichtdicke ca. 35 ym und der Matrixgehalt liegt bei ca. 60 Vol% bzw. ca. 30 Gew% . Durch den höheren Matrixgehalt werden die
Zwischenräume zwischen den Leuchtstoffkörnern mehr aufgefüllt was in einer geringeren Porosität und in einer
geschlosseneren Oberfläche resultiert als bei den Beispielen mit Wasserglas als Matrix. Der Brechungsindex der Matrix liegt bei ca. 1,5 und der des eingebetteten
Konversionsmaterials bei ca. 1,8, wodurch sich ein hoher Brechungsunterschied einstellt, der durch die zudem
vorhandenen Poren noch verstärkt wird. Dadurch entsteht eine hohe Streuung, die sich positiv auf den Hell-Dunkel-Kontrast der beleuchteten Fläche auswirkt. Beim Wasserglas ist der Brechungsunterschied zwischen den Materialien ähnlich, aufgrund der höheren Porosität streuen diese Schichten aber noch stärker und zeigen deshalb eine noch geringere
Strahlbreite und einen noch besseren Hell-Dunkel-Kontrast als die Schichten mit Aluminiumphosphatmatrizen in Verbindung mit einer hohen Leuchtdichte.
Die elektronenmikroskopischen REM-Aufnahmen der Figuren 3A, 3C, 3D, 3F, 3G und 31 zeigen eine Seitenansicht eines gebrochenen Konversionselements 100.
Die Figuren 3H und 31 zeigen die Draufsicht und die
Seitenansicht von elektronenmikroskopischen Aufnahmen des Ausführungsbeispiels für Aluminiumphosphat als
Matrixmaterial. Mit diesem Matrixmaterial kann ein hoch effizientes Konversionselement 100 bereitgestellt werden. Es können exzellente Adhäsion und Vereinzelungs-Ergebnisse erzielt werden. Zudem weist das Matrixmaterial eine poröse Struktur auf, die aber auch dichter hergestellt werden kann. Die Konversionselemente können deshalb kostengünstig in
Wafer-Größe hergestellt werden. Diese werden dann in kleinere Konversionselemente beispielsweise mittels Diamantsäge zerteilt. Dabei ist eine gute Adhäsion der Schicht und eine gute Schichtstabilität nötig, damit es beim Sägen nicht zu Abplatzungen oder Ausbrüchen an den Kanten kommt.
Die Figur 4A zeigt die ortsaufgelöste Leuchtdichte eines so genannten statischen LARP-Bauteils gemäß einer
Ausführungsform mit Wasserglas als Matrixmaterial 3.
Statische Messung meint hier, dass die Laserquelle 1 auf das Konversionselement 100 gerichtet ist, ohne dass sich der Strahl der Laserquelle 1 auf dem Konversionselement 100 bewegt. Die blaue Anregung des Laserstrahls ist ungefähr 50 ym x 250 ym (l/e^.) . Die Fläche umfasst den
Intensitätsbereich der innerhalb des 1/e2 Werts des Maximums liegt. Es ist eine blaue Eingangsleistung von ungefähr 0,66 W eingestellt. Die Konvertertemperatur beträgt 80 °C. Das Substrat 2 ist ein Saphirsubstrat mit einer dichroitischen Beschichtung oder einem dichroitischen Schichtenstapel und kann auf der gegenüberliegenden Seite eine
Antireflexbeschichtung aufweisen. Die Breite des Bildes ist ungefähr 1 mm. Die Messungen zeigen, dass der Emissionsspot für das Konversionsmaterial 4 im Matrixmaterial 3 Wasserglas kleiner ist als bei einem keramischen Konverter (Figur 4B) . Die Figur 4C zeigt jeweils die Leuchtdichte eines dynamischen LARP-Bauteils gemäß einer Ausführungsform mit Wasserglas als Matrixmaterial 3 mit Lmax zirka 110 Mcd/m^. Dynamisch
bedeutet, dass der Laserstrahl das Konversionselement 100 abscannt, sich also auf dem Konversionselement 100 bewegt. Die Scanfrequenz beträgt 133 Hz. Es erfolgt eine blaue
Anregung mit ungefähr 50 ym x 250 ym (l/e^) . Die blaue
Eingangsleistung beträgt ungefähr 1,6 W und die
Konvertertemperatur 80 °C. Das Substrat 2 ist ein
Saphirsubstrat mit einem dichroitischen Schichtenstapel, der sich zwischen Substrat und Konversionselement befindet. Auf der Gegenseite des Substrates (laserzugewandte Seite) besitzt das Substrat eine Antireflexschicht . Die Breite des
scannenden Bildes ist ungefähr 9,5 mm.
Die Figur 4D zeigt das Vergleichsbeispiel mit einem
keramischen Konverter, der mit Silikon auf den dichroitischen Schichten des Substrates aufgeklebt ist. Aus dem Vergleich der Bilder 4C und 4D ist zu erkennen, dass das
erfindungsgemäße Konversionselement 100 hervorragende
optische Eigenschaften aufweist, da auch hier die
Strahlbreite im Konversionselement deutlich schmäler ausgeprägt ist, wodurch sich ein besserer Hell-Dunkel
Kontrast realisieren lässt. Dies ist insbesondere für
Automobilanwendung wichtig. Die Figur 5A zeigt die relative Leuchtdichte in a.U.
(arbitrary units) als Funktion des Abstandes d in ym des Laserstrahls 1-1, eines herkömmlichen keramischen Konverters 1-2 und eines Konversionselements 1-3 gemäß einer
Ausführungsform als dynamisches LARP ausgeformt. Die
Scanfrequenz beträgt 133 Hz. Der blaue Anregungsspot ist ungefähr 50 ym x 250 ym (l/e^) . Die blaue Eingangsleistung beträgt ungefähr 1,6 W. Die Konvertertemperatur beträgt 80 °C. Als Substrat wurde ein Saphirsubstrat mit einem
dichroitischen Schichtenstapel und einer
Antireflexbeschichtung verwendet. Aus der Figur 5A ist der Vorteil des Konversionselements 100 mit dem Matrixmaterial Wasserglas im Vergleich zu herkömmlichen keramischen
Konvertern zu erkennen, dass das abgestrahlte Licht bei vergleichbarer Leuchtdichte deutlich schmäler ausgeprägt ist, d.h. eine geringere Spotverbreiterung besitzt. Das bedeutet, dass weniger Halo/Korona/Streulicht erzeugt wird und dadurch ein besserer Hell-Dunkel-Kontrast vorhanden ist. Die l/e^- Breite ist bei dem Konversionselement 100 mit Wasserglas 250 ym und bei dem keramischen Konverter 575 ym.
Die Figur 5B zeigt die Leuchtdichtekurve L in cd/m2 eines herkömmlichen keramischen Konverters 1-1 und eines
Konversionselements 1-2 gemäß einer Ausführungsform als dynamisches LARP-Bauteil . Für die Scanfrequenz, den blauen Anregungsspot, die Leistung, die Konvertertemperatur und das Substrat gelten die gleichen Ausführungen wie zu Figur 5A. Auch hier zeigt das Konversionselement 100 mit dem
Matrixmaterial Wasserglas eine kleinere Halbwertsbreite als der herkömmliche keramische Konverter. Der Peak des
Konversionselements der Ausführungsform ist höher als der Peak des herkömmlichen keramischen Konverters, was eine höhere Leuchtdichte bedeutet. Außerdem ist die
Spotverbreiterung des Konversionselements der Ausführungsform geringer. Der Kontrast, hier angegeben als das Verhältnis der Intensität bei Abstand von 1 mm vom Peak zur Peakintensität beträgt beim Wasserglas ca. 1:95 und bei der herkömmlichen Keramik ca. 1:30. Die Intensität des Konversionselements der Ausführungsform fällt mit größer werdendem Abstand vom Peak schneller ab als beim keramischen Konverter. Dadurch liegt beim Konversionselement der Ausführungsform weniger
Halo/Korona/Streulicht und dadurch ein besserer Hell-Dunkel- Kontrast vor.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
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 10 2017 104 128.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste optoelektronisches Bauelement
100 Konversionselement
1 Laserquelle oder Lichtquelle
2 Substrat
3 Matrixmaterial
4 Konversionsmaterial
5 Primärstrahlung oder die von der Laserquelle emittierte Strahlung
6 Sekundärstrahlung oder die von dem Konversionsmaterial emittierte Strahlung
7 Träger
8 Wärmesenke
9 optisches Element
21 dichroitische Beschichtung
22 Antireflexbeschichtung

Claims

Patentansprüche
Konversionselement (100) aufweisend
ein wellenlängenkonvertierendes Konversionsmaterial (4), ein Matrixmaterial (3), in dem das Konversionsmaterial (4) eingebracht ist,
ein Substrat (2), an dem das Matrixmaterial (3) und das Konversionsmaterial (4) direkt angeordnet ist,
wobei das Matrixmaterial (3) zumindest ein kondensiertes Sol-Gel-Material aufweist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Metallphosphat,
Aluminiumphosphat, Monoaluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan,
Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol,
Metallalkoxid, Metalloxan, Metallalkoxan,
wobei das Konversionselement (100) im Strahlengang einer Laserquelle (1) angeordnet ist,
wobei das Konversionselement (100) in Bezug auf die
Laserquelle (1) mechanisch unbeweglich montiert ist, wobei die Strahlung der Laserquelle (1) dynamisch zum Konversionselement (100) angeordnet ist.
2. Konversionselement (100) nach Anspruch 1,
wobei das Matrixmaterial (3) Aluminiumphosphat,
Monoaluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, oder Wasserglas aufweist,
wobei das Konversionsmaterial (4) dazu befähigt ist, die Strahlung der Laserquelle (1) zu absorbieren und zumindest teilweise in Strahlung mit veränderter Wellenlänge zu
konvertieren, wobei das Konversionselement (100) auf einem Substrat (2) aus Saphir aufgebracht ist, wobei das Substrat (2) im Strahlengang der von dem Konversionsmaterial (4) emittierten oder absorbierten Strahlung angeordnet ist.
3. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionsmaterial (4) und das Matrixmaterial (3) jeweils anorganisch ausgeformt sind.
4. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Matrixmaterial (3) aus kondensiertem Sol-Gel mit einem Anteil zwischen 10 und 65 Vol% oder zwischen 5 und 40 Gew% aufweist, und wobei der Brechungsunterschied zum
Konversionsmaterial > 0,2 ist.
5. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Laserquelle (1) eine dominante Wellenlänge zwischen 430 nm bis 470 nm aufweist.
6. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Matrixmaterial (3) frei von Silikon und/oder Epoxy ist .
7. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Matrixmaterial (3) aus Aluminiumphosphat,
Monoaluminiumphosphat oder modifiziertem
Monoaluminiumphosphat besteht.
8. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (3) aus Wasserglas und einem
chemischen Härter besteht.
9. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Matrixmaterial (3) zumindest Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder eine Mischung daraus aufweist .
10. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionsmaterial (4) dazu befähigt ist, die Strahlung der Laserquelle (1) zu absorbieren und in Strahlung mit veränderter längerer Wellenlänge zu konvertieren und zu emittieren.
11. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionsmaterial (4) dazu befähigt ist, die Strahlung der Laserquelle (1) vollständig zu absorbieren und mit veränderter längerer Wellenlänge zu emittieren.
12. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionsmaterial (4) dazu befähigt ist, die
Strahlung der Laserquelle (1) teilweise zu absorbieren, so dass die aus dem Konversionselement (100) austretende
Gesamtstrahlung sich aus der Strahlung der Laserquelle (1) und der konvertierten Strahlung zusammensetzt.
13. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei im Betrieb die Strahlung der Laserquelle (1) über ein transmissives Substrat auf das Konversionselement trifft.
14. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Konversionsmaterial (4) aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Granat, Orthosilikat , Nitridosilikat .
15. Konversionselement (100) nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche,
das als Schicht mit einer maximalen Schichtdicke von 40 ym ausgeformt ist.
16. Optoelektronisches Bauelement aufweisend,
eine Laserquelle (1), die im Betrieb Strahlung emittiert, ein Konversionselement (100) nach zumindest einem der
Ansprüche 1 bis 15, das einen dichroitischen Schichtenstapel aufweist, der zwischen Substrat (2) und Matrixmaterial (3) angeordnet ist,
wobei zumindest ein Teil der Strahlung der Laserquelle (1) das Substrat und den dichroitischen Schichtenstapel
transmittiert und das Konversionsmaterial (4) die
transmittierte Strahlung in Strahlung mit veränderterer längerer Wellenlänge konvertiert, wobei die konvertierte Strahlung von dem dichroitischen Schichtenstapel reflektiert wird .
17. Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15 mit den
Schritten:
A) Bereitstellen eines Matrixmaterials (3) ,
B) Einbringen eines anorganischen wellenlängenkonvertierenden Konversionsmaterials (4) in das Matrixmaterial (3), wobei das Matrixmaterial (3) kondensiert ist und mittels Sol- Gel-Verfahren bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 400 °C erzeugt wird, wobei das Matrixmaterial (3) aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Wasserglas, Monoaluminiumphosphat, modifiziertes Monoaluminiumphosphat, Metallphosphat,
Aluminiumphosphat, Alkoxytetramethoxysilan,
Tetraethylorthosilikat , Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Titanalkoxid, Kieselsol, Metallalkoxid, Metalloxan oder Metallalkoxan, und
C) Aufbringen des Matrixmaterials und des
Konversionsmaterials direkt auf ein Substrat.
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