DE102004054093A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht unter Verwendung eines Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterials und/oder eines Thiogallat-basierten Phosphormaterials - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht verwendet ein Gruppe-IIB-Element-Selenid-basiertes Phosphormaterial und/oder ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial, um zumindest einen Teil des ursprünglichen Lichtes, das von einer Lichtquelle der Vorrichtung emittiert wird, in ein Licht längerer Wellenlänge umzuwandeln, um das optische Spektrum des Ausgangslichtes zu verändern. Somit können die Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden, um Licht weißer Farbe zu erzeugen.
Description
- Bei dieser Anmeldung handelt es sich um eine Teilfortsetzung der Anmeldung Seriennr: 10/761,763, eingereicht am 21. Januar 2004, für die Priorität beansprucht wird. Die gesamte ältere Anmeldung ist hier durch Bezugnahme aufgenommen.
- Herkömmliche Lichtquellen, wie z. B. Glüh-, Halogen- und Leuchtstofflampen, sind in den vergangenen 20 Jahren nicht wesentlich verbessert worden. Lichtemittierende Dioden („LEDs") sind jedoch hinsichtlich des Betriebswirkungsgrades bis zu einem Punkt verbessert worden, an dem LEDs nun die herkömmlichen Lichtquellen bei herkömmlichen einfarbigen Beleuchtungsanwendungen, wie z. B. Verkehrssignallichtern und Autorücklichtern, ersetzen. Der Grund hierfür liegt teilweise in der Tatsache, dass LEDs viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Lichtquellen aufweisen. Diese Vorteile umfassen eine längere Betriebslebensdauer, einen geringeren Leistungsverbrauch und eine geringere Größe.
- LEDs sind normalerweise einfarbige Halbleiterlichtquellen und sind derzeit in verschiedenen Farben von UV-Blau bis Grün, Gelb und Rot erhältlich. Auf Grund der Schmalbandemissionscharakteristika können einfarbige LEDs nicht direkt für „Weiß-"Lichtanwendungen verwendet werden. Vielmehr muss das Ausgangslicht einer einfarbigen LED mit einem anderen Licht einer oder mehr unterschiedlicher Wellenlängen gemischt werden, um weißes Licht zu erzeugen. Zwei gängige Lösungsansätze zum Erzeugen weißen Lichtes unter Verwendung einfarbiger LEDs umfassen (1) ein Zusammenpacken einzelner roter, grüner und blauer LEDs, so dass das Licht, das von diesen LEDs emittiert wird, kombiniert wird, um weißes Licht zu erzeugen, und (2) ein Einbringen von fluoreszierendem Material in eine UV-, blaue oder grüne LED, so dass ein Teil des ursprünglichen Lichts, das durch den Halbleiterchip der LED emittiert wird, in Licht längerer Wellenlänge umgewandelt wird und mit dem ursprünglichen UV-blauen oder grünen Licht kombiniert wird, um weißes Licht zu erzeugen.
- Von diesen beiden Lösungsansätzen zum Erzeugen weißen Lichtes unter Verwendung einfarbiger LEDs wird der zweite Lösungsansatz dem ersten Lösungsansatz im Allgemeinen vorgezogen. Im Gegensatz zu dem zweiten Lösungsansatz erfordert der erste Lösungsansatz eine komplexere Treiberschaltungsanordnung, da die roten, grünen und blauen LEDs Halbleiterchips umfassen, die unterschiedliche Betriebsspannungsanforderungen aufweisen. Zusätzlich zu den unterschiedlichen Betriebsspannungsanforderungen verschlechtern sich die roten, grünen und blauen LEDs unterschiedlich im Lauf ihrer Betriebslebensdauer, was eine Farbsteuerung über einen längeren Zeitraum unter Verwendung des ersten Lösungsansatzes schwierig macht. Da nur ein einziger Typ von einfarbiger LED für den zweiten Lösungsansatz benötigt wird, kann unter Verwendung des zweiten Lösungsansatzes außerdem eine kompaktere Vorrichtung hergestellt werden, die einen einfacheren Aufbau und geringere Herstellungskosten aufweist. Außerdem kann der zweite Lösungsansatz eine breitere Lichtemission ergeben, was ein weißes Ausgangslicht, das höhere Farbwiedergabecharakteristika aufweist, bedeuten würde.
- Ein Problem bei dem zweiten Lösungsansatz zum Erzeugen weißen Lichtes besteht darin, dass das fluoreszierende Material, das derzeit verwendet wird, um das ursprüngliche UV-, blaue oder grüne Licht umzuwandeln, LEDs ergibt, die im Lauf der Zeit eine nicht gerade wünschenswerte Luminanzeffizienz und/oder Lichtausgabestabilität aufweisen.
- Im Hinblick auf dieses Problem besteht ein Bedarf nach einer LED und einem Verfahren zum Emittieren weißen Ausgangslichtes unter Verwendung eines fluoreszierenden Phosphormaterials mit einer hohen Luminanzeffizienz und einer guten Lichtausgabestabilität.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 20 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
- Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht verwendet ein Gruppe-IIB-Element-Selenid-basiertes Phosphormaterial und/oder ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial, um zumindest einen Teil des ursprünglichen Lichts, das von einer Lichtquelle der Vorrichtung emittiert wird, in Licht längerer Wellenlänge umzuwandeln, um das optische Spektrum des Ausgangslichts zu verändern. Somit können die Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden, um Licht weißer Farbe zu erzeugen.
- Eine Vorrichtung zum Emittieren von Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Lichtquelle, die ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert, und eine Wellenlängenverschieberegion, die optisch mit der Lichtquelle gekoppelt ist, um das erste Licht zu empfangen. Die Wellenlängenverschieberegion umfasst ein Gruppe-IIB-Element-Selenid-basiertes Phosphormaterial, das eine Eigenschaft aufweist, einen Teil des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge umzuwandeln. Die Wellenlängenverschieberegion umfasst ferner ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial, das eine Eigenschaft aufweist, einen Teil des ersten Lichts in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge umzuwandeln. Das zweite Licht und das dritte Licht sind Komponenten des Ausgangslichts.
- Eine Vorrichtung zum Emittieren von Ausgangslicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Lichtquelle, die ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert, und eine Wellenlängenverschieberegion, die optisch mit der Lichtquelle gekoppelt ist, um das erste Licht zu empfangen. Die Wellenlängenverschieberegion umfasst ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial, das eine Struktur aufweist, die durch MNxSy definiert ist, wobei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind. Das Thiogallat-basierte Phosphormaterial weist eine Eigenschaft auf, zumindest einen Teil des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge umzuwandeln. Das zweite Licht ist eine Komponente des Ausgangslichts.
- Ein Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Erzeugen eines ersten Lichts, ein Empfangen des ersten Lichts, was ein Umwandeln eines Teils des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge unter Verwendung eines Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterials und ein Umwandeln eines Teils des ersten Lichts in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge unter Verwendung eines Thiogallat-basierten Phosphormaterials umfasst, und ein Emittieren des zweiten Lichts und des dritten Lichts als Komponenten des Ausgangslichts.
- Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen, die mittels Beispielen der Prinzipien der Erfindung veranschaulicht wird, ersichtlich. Es zeigen:
-
1 ein Diagramm einer Weiß-Phosphorumwandlungs-LED gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2A ,2B und2C Diagramme von Weiß-Phosphorumwandlungs-LEDs mit alternativen Lampenkonfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3A ,3B ,3C und3D Diagramme von Weiß-Phosphorumwandlungs-LEDs mit einem Leitungsrahmen, der eine Reflektorschale gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist; -
4 das optische Spektrum einer Weiß-Phosphorumwandlungs-LED mit einem blauen LED-Chip gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
5 eine Darstellung der Luminanz-(lv-)Verschlechterung über der Zeit für eine Weiß-Phosphorumwandlungs-LED gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Emittieren von Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. - Mit Bezugnahme auf
1 ist eine mittels Phosphor umgewandeltes weißes Licht emittierende Diode (LED)100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die LED100 ist konzipiert, um ein Ausgangslicht „weißer" Farbe mit einer hohen Luminanzeffizienz und einer guten Lichtausgabestabilität zu erzeugen. Das weiße Ausgangslicht wird erzeugt durch ein Umwandeln eines Teils des ursprünglichen Lichtes, das durch die LED100 erzeugt wird, in Licht längerer Wellenlänge unter Verwendung eines Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterials und eines Thiogallat-basierten Phosphormaterials. - Wie es in
1 gezeigt ist, handelt es sich bei der Weiß-Phosphorumwandlungs-LED100 um eine Leitungsrahmenbefestigte LED. Die LED100 umfasst einen LED-Chip102 , Leitungsrahmen104 und106 , einen Draht108 und eine Lampe110 . Der LED-Chip102 ist ein Halbleiterchip, der Licht einer bestimmten Spitzenwellenlänge erzeugt. Somit ist der LED-Chip102 eine Lichtquelle für die LED100 . Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der LED-Chip102 konzipiert, um Licht zu erzeugen, das eine Spitzenwellenlänge in dem blauen Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums aufweist, der bei etwa 420 nm bis 490 nm liegt. Der LED-Chip102 befindet sich an dem Leitungsrahmen104 und ist über den Draht108 elektrisch mit dem anderen Leitungsrahmen106 verbunden. Die Leitungsrahmen104 und106 liefern die elektrische Leistung, die erforderlich ist, um den LED-Chip102 zu treiben. Der LED-Chip102 ist in der Lampe110 eingekapselt, bei der es sich um ein Medium für die Ausbreitung des Lichtes von dem LED-Chip102 handelt. Die Lampe110 umfasst einen Hauptabschnitt112 und einen Ausgabeabschnitt114 . Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausgabeabschnitt114 der Lampe110 kuppelförmig, um als eine Linse zu fungieren. Somit wird das Licht, das von der LED100 als Ausgangslicht emittiert wird, durch den kuppelförmigen Ausgabeabschnitt114 der Lampe110 fokussiert. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Ausgabeabschnitt114 der Lampe100 jedoch horizontal sein. - Die Lampe
110 der Weiß-Phosphorumwandlungs-LED100 ist aus einer transparenten Substanz hergestellt, bei der es sich um jedes beliebige transparente Material handeln kann, wie z. B. klares Epoxid, so dass sich Licht von dem LED-Chip102 durch die Lampe bewegen und aus dem Ausgabeabschnitt114 der Lampe emittiert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Lampe110 eine Wellenlängenverschieberegion116 , bei der es sich ebenfalls um ein Medium zum Ausbreiten von Licht handelt, die aus einer Mischung der transparenten Substanz und zwei Typen von fluoreszierenden Phosphormaterialien, die auf Gruppe-IIB-Element- Selenid118 und Thiogallat119 basieren, hergestellt ist. Das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial118 und das Thiogallat-basierte Phosphormaterial119 werden verwendet, um einen Teil des ursprünglichen Lichtes, das durch den LED-Chip102 emittiert wird, in ein Licht niedrigerer Energie (längerer Wellenlänge) umzuwandeln. Das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial118 absorbiert einen Teil des ursprünglichen Lichtes einer ersten Spitzenwellenlänge von dem LED-Chip102 , was die Atome des Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterials anregt, und emittiert Licht längerer Wellenlänge einer zweiten Spitzenwellenlänge. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial118 eine Eigenschaft auf, einen Teil des ursprünglichen Lichts von dem LED-Chip102 in Licht einer längeren Spitzenwellenlänge in dem roten Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums umzuwandeln, der bei etwa 620 nm bis 800 nm liegt. Ähnlich absorbiert das Thiogallat-basierte Phosphormaterial119 einen Teil des ursprünglichen Lichts von dem LED-Chip102 , was die Atome des Thiogallat-basierten Phosphormaterials anregt, und emittiert Licht längerer Wellenlänge einer dritten Spitzenwellenlänge. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Thiogallat-basierte Phosphormaterial119 eine Eigenschaft auf, einen Teil des ursprünglichen Lichts von dem LED-Chip102 in Licht einer längeren Spitzenwellenlänge in dem grünen Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums umzuwandeln, der bei etwa 490 nm bis 575 nm liegt. Die zweite und dritte Spitzenwellenlänge des umgewandelten Lichts sind teilweise durch die Spitzenwellenlänge des ursprünglichen Lichts und das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial118 und das Thiogallat-basierte Phosphormaterial119 definiert. Das nicht absorbierte ursprüngliche Licht von dem LED-Chip102 und das umgewandelte Licht werden kombiniert, um ein Licht „weißer" Farbe zu erzeugen, das von dem Lichtausgabeabschnitt114 der Lampe110 als Ausgangslicht der LED100 emittiert wird. - Bei einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterial
118 , das in der Wellenlängenverschieberegion116 der Lampe110 enthalten ist, um Phosphor, der aus Zinkselenid (ZnSe) hergestellt ist, das durch einen oder mehr geeignete Dotierstoffe, wie z. B. Kupfer (Cu), Chlor (Cl), Fluor (F), Brom (Br) und Silber (Ag) und Seltenerdelemente, aktiviert ist. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterial118 um Phosphor, der aus ZnSe hergestellt ist, das durch Cu aktiviert ist, d. h. ZnSe:Cu. Anders als herkömmliche fluoreszierende Phosphormaterialien, die zum Erzeugen von Licht weißer Farbe unter Verwendung von LEDs verwendet werden, wie z. B. solche, die auf Aluminium, Oxid, Sulfid, Phosphat und Halophosphat basieren, weist ZnSe:Cu-Phosphor eine hohe Effizienz auf bezüglich der Wellenlängenverschiebeumwandlung von Licht, das von einem LED-Chip emittiert wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass die meisten herkömmlichen fluoreszierenden Phosphormaterialien eine große Bandlücke aufweisen, was verhindert, dass die Phosphormaterialien Licht, z. B. blaues Licht, effizient absorbieren und in Licht längerer Wellenlänge umwandeln. Im Gegensatz dazu weist der ZnSe:Cu-Phosphor eine geringere Bandlücke auf, was einer höheren Effizienz bezüglich der Wellenlängenverschiebeumwandlung über Fluoreszenz gleich kommt. - Bei dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial
119 , das in der Wellenlängenverschieberegion116 der Lampe110 enthalten ist, kann es sich um ein Metall-Thiogallat-basiertes Phosphormaterial handeln, das durch einen oder mehr geeignete Dotierstoffe, wie z. B. Seltenerdelemente, aktiviert ist. Das Metall-Thiogallat-basierte Phosphormaterial kann eine Struktur aufweisen, die durch MNxSy definiert ist, wobei M ein Gruppe-IIA-Element, wie z. B. Barium (Ba), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Magnesium (Mg), ist, N ein Gruppe-IIIA-Element, wie z. B. Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In), ist, und x und y Zahlen sind, z. B. x gleich 2 ist und y gleich 4 ist, oder x gleich 4 ist und y gleich 7 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial119 um ein Gruppe-IIA-Element-Galliumsulfid-basiertes Phosphormaterial, wobei das Gruppe-IIA-Element Ca, Sr und/oder Ba sein kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial119 um Phosphor handeln, der aus Barium-Galliumsulfid hergestellt ist, das durch einen oder mehr geeignete Dotierstoffe, wie z. B. Seltenerdelemente, aktiviert ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Thiogallat-basierten Phosphormaterial119 um Phosphor, der aus Barium-Galliumsulfid hergestellt ist, das durch Europium (Eu) aktiviert ist, d. h. BaGa4S7:Eu. - Der bevorzugte ZnSe:Cu-Phosphor kann durch verschiedene Techniken generiert werden. Eine Technik umfasst ein Trockenvermahlen einer vordefinierten Menge von undotiertem ZnSe-Material in feine Pulver oder Kristalle, die weniger als 5 μm groß sein können. Eine kleine Menge von Cu-Dotierstoff wird dann zu einer Lösung aus der Alkoholfamilie, wie z. B. Methanol, hinzugefügt und mit den undotierten ZnSe-Pulvern kugelvermahlen. Die Menge Cu-Dotierstoff, die zu der Lösung hinzugefügt wird, kann überall zwischen einer minimalen Menge bis zu etwa 6% des Gesamtgewichtes von ZnSe-Material und Cu-Dotierstoff liegen. Das dotierte Material wird dann bei etwa einhundert Grad Celsius (100°C) ofengetrocknet, und der sich ergebende Kuchen wird erneut trockenvermahlen, um kleine Partikel zu erzeugen. Das gemahlene Material wird in einen Tiegel geladen, wie z. B. einen Quarztiegel, und bei einer inerten Atmosphäre bei etwa eintausend Grad Celsius (1.000°C) eine bis zwei Stunden gesintert. Die gesinterten Materialien können dann, falls nötig, gesiebt werden, um ZnSe:Cu-Phosphorpulver mit einer gewünschten Partikelgrößenverteilung, die im Mikrometerbereich sein kann, zu erzeugen.
- Die ZnSe:Cu-Phosphorpulver können weiter verarbeitet werden, um Phosphorpartikel mit einer Silikabeschichtung zu erzeugen. Die Silikabeschichtung auf den Phosphorpartikeln reduziert ein Gruppieren oder Agglomerieren der Phosphorpartikel, wenn die Phosphorpartikel mit einer transparenten Substanz gemischt werden, um eine Wellenlängenverschieberegion in einer LED, wie z. B. die Wellenlängenverschieberegion
116 der Lampe110 , zu bilden. Das Gruppieren oder Agglomerieren von Phosphorpartikeln kann eine LED ergeben, die ein Ausgangslicht erzeugt, das eine uneinheitliche Farbverteilung aufweist. - Um eine Silikabeschichtung auf den ZnSe:Cu-Phosphorpartikeln aufzubringen, werden die gesiebten Materialien einem Ausheilungsprozess unterworfen, um die Phosphorpartikel auszuheilen und Verunreinigungsstoffe zu entfernen. Anschließend werden die Phosphorpartikel mit Silikapulvern gemischt, und dann wird die Mischung in einem Ofen bei etwa 200 Grad Celsius erhitzt. Die angelegte Hitze bildet eine dünne Silikabeschichtung auf den Phosphorpartikeln. Die Silikamenge auf den Phosphorpartikeln beträgt etwa 1% mit Bezug auf die Phosphorpartikel. Die sich ergebenden ZnSe:Cu-Phosphorpartikel mit Silikabeschichtung können eine Partikelgröße von weniger als oder gleich dreißig (30) Mikrometern aufweisen.
- Der bevorzugte BaGa4S7:Eu-Phosphor kann ebenfalls durch verschiedene Techniken generiert werden. Eine Technik umfasst ein Verwenden von BaS und Ga2S3 als Vorläufer. Die Vorläufer werden in einer Lösung aus der Alkoholfamilie, wie z. B. Methanol, zusammen mit einer kleinen Menge von Eu-Dotierstoff, Flussmitteln (Cl und F) und überschüssigem Schwefel kugelvermahlen. Die Menge des Eu-Dotierstoffs, der der Lösung hinzugefügt wird, kann irgendwo zwischen einer minimalen Menge bis etwa 6 % des Gesamtgewichts aller Inhaltsstoffe liegen. Das dotierte Material wird dann getrocknet und nachfolgend gemahlen, um feine Partikel zu erzeugen. Die gemahlenen Partikel werden dann in einen Tiegel, wie z. B. einen Quarztiegel, geladen und bei einer inerten Atmosphäre bei etwa achthundert Grad Celsius (800°C) eine oder zwei Stunden gesintert. Die gesinterten Materialien können dann, falls nötig, gesiebt werden, um BaGa4S7:Eu-Phosphorpulver mit einer gewünschten Partikelgrößenverteilung, die im Mikrometerbereich sein kann, zu erzeugen.
- Ähnlich den ZnSe:Cu-Phosphorpulvern können die BaGa4S7:Eu-Phosphorpulver weiter verarbeitet werden, um Phosphorpartikel mit einer Silikabeschichtung zu erzeugen. Die sich ergebenden BaGa4S7:Eu-Phosphorpartikel mit Silikabeschichtung können eine Partikelgröße von weniger als oder gleich vierzig (40) Mikrometern aufweisen.
- Nach dem Abschluss des ZnSe:Cu- und des BaGa4S7:Eu-Syntheseprozesses können die ZnSe:Cu- und BaGa4S7:Eu-Phosphorpulver mit der gleichen transparenten Substanz der Lampe
110 , z. B. Epoxid, gemischt werden und um den LED-Chip102 aufgebracht werden, um die Wellenlängenverschieberegion116 der Lampe zu bilden. Das Verhältnis zwischen den zwei unterschiedlichen Typen von Phosphorpulvern kann eingestellt werden, um unterschiedliche Farbcharakteristika für die Weiß-Phosphorumwandlungs-LED100 zu erzeugen. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen den ZnSe:Cu-Phosphorpulvern und den BaGa4S7:Eu-Phosphorpulvern 1:5 betragen. Der verbleibende Teil der Lampe110 kann durch ein Aufbringen der transparenten Substanz ohne die ZnSe:Cu- und BaGa4S7:Eu-Phosphorpulver gebildet werden, um die LED100 zu erzeugen. Obwohl die Wellenlängenverschieberegion116 der Lampe110 in1 so gezeigt ist, dass dieselbe eine rechteckige Form aufweist, kann die Wellenlängenverschieberegion in anderen Formen, wie z. B. einer Halbkugel, konfiguriert sein. Außerdem kann es sein, dass die Wellenlängenverschieberegion116 bei anderen Ausführungsbeispielen nicht physisch mit dem LED-Chip102 gekoppelt ist. Somit kann die Wellenlängenverschieberegion116 bei diesen Ausführungsbeispielen anderswo in der Lampe110 positioniert sein. - In den
2A ,2B und2C sind Weiß-Phosphorumwandlungs-LEDs200A ,200B und200C mit alternativen Lampenkonfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Weiß-Phosphorumwandlungs-LED200A von2A umfasst eine Lampe210A , bei der die gesamte Lampe eine Wellenlängenverschieberegion ist. Somit ist bei dieser Konfiguration die gesamte Lampe210A aus der Mischung der transparenten Substanz und der Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien118 und119 hergestellt. Die Weiß-Phosphorumwandlungs-LED200B von2B umfasst eine Lampe210B , bei der eine Wellenlängenverschieberegion216B an der äußeren Oberfläche der Lampe angeordnet ist. Somit wird bei dieser Konfiguration zuerst die Region der Lampe210B ohne die Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien118 und119 über dem LED-Chip102 gebildet, und dann wird die Mischung der transparenten Substanz und der Phosphormaterialien über diese Region aufgebracht, um die Wellenlängenverschieberegion216B der Lampe zu bilden. Die Weiß-Phosphorumwandlungs-LED200C von2C umfasst eine Lampe210C , bei der eine Wellenlängenverschieberegion216C eine dünne Schicht der Mischung der transparenten Substanz und der Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien118 und119 ist, die über den LED-Chip102 aufgetragen ist. Somit wird bei dieser Konfiguration zuerst der LED-Chip102 mit der Mischung der transparenten Substanz und der Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien118 und119 beschichtet oder bedeckt, um die Wellenlängenverschieberegion216C zu bilden, und dann kann der verbleibende Teil der Lampe210C durch ein Aufbringen der transparenten Substanz ohne die Phosphormaterialien über der Wellenlängenverschieberegion gebildet werden. Beispielsweise kann die Dicke der Wellenlängenverschieberegion216C der LED200C zwischen zehn (10) und sechzig (60) Mikrometern liegen, abhängig von der Farbe des Lichtes, das durch den LED-Chip102 erzeugt wird. - Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Leitungsrahmen einer Weiß-Phosphorumwandlungs-LED, an dem der LED-Chip positioniert ist, eine Reflektorschale umfassen, wie es in den
3A ,3B ,3C und3D veranschaulicht ist. Die3A –3D zeigen Weiß-Phosphorumwandlungs-LEDs300A ,300B ,3000 und300D mit unterschiedlichen Lampenkonfigurationen, die einen Leitungsrahmen320 umfassen, der eine Reflektorschale322 aufweist. Die Reflektorschale322 stellt eine vertiefte Region bereit, damit der LED-Chip102 so positioniert ist, dass ein Teil des Lichtes, das durch den LED-Chip erzeugt wird, von dem Leitungsrahmen320 weg reflektiert wird, um von der jeweiligen LED als Nutzausgangslicht emittiert zu werden. - Die unterschiedlichen Lampenkonfigurationen, die im Vorhergehenden beschrieben sind, können bei anderen Typen von LEDs, wie z. B. oberflächenbefestigten LEDs, angewendet werden, um andere Typen von Weiß-Phosphorumwandlungs-LEDs mit Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten und Thiogallat-basierten Phosphormaterialien gemäß der Erfindung herzustellen. Zusätzlich können diese unterschiedlichen Lampenkonfigurationen bei anderen Typen von lichtemittierenden Vorrichtungen, wie z. B. Halbleiterlaservorrichtungen, angewendet werden, um andere Typen von lichtemittierenden Vorrichtungen gemäß der Erfindung herzustellen. Bei diesen lichtemittierenden Vorrichtungen kann es sich bei der Lichtquelle um jede beliebige andere Lichtquelle als einen LED-Chip handeln, wie z. B. eine Laserdiode.
- Unter jetziger Zuwendung zu
4A ist das optische Spektrum424 einer Weiß-Phosphorumwandlungs-LED mit einem blauen (440-480 nm) LED-Chip gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Wellenlängenverschieberegion für diese LED wurde mit fünfundsechzig Prozent (65%) ZnSe:Cu- und BaGa4S7:Eu-Phosphor relativ zu Epoxid gebildet. Die prozentuale Menge oder der Beladungsgehalt von ZnSe:Cu- und BaGa4S7:Eu-Phosphor, der in der Wellenlängenverschieberegion der LED enthalten ist, kann der Phosphoreffizienz ent sprechend variiert werden. Wenn die Phosphoreffizienz erhöht wird, z. B. durch ein Verändern der Menge von Dotierstoff(en), kann der Beladungsgehalt des ZnSe:Cu- und BaGa4S7:Eu-Phosphors reduziert werden. Das optische Spektrum424 umfasst eine erste Spitzenwellenlänge426 bei etwa 460 nm, die der Spitzenwellenlänge des Lichtes entspricht, das von dem blauen LED-Chip emittiert wird. Das optische Spektrum424 umfasst auch eine zweite Spitzenwellenlänge428 bei etwa 540 nm, bei der es sich um die Spitzenwellenlänge des Lichts handelt, das durch den BaGa4S7:Eu-Phosphor in der Wellenlängenverschieberegion der LED umgewandelt wird, und eine dritte Spitzenwellenlänge430 bei etwa 645 nm, bei der es sich um die Spitzenwellenlänge des Lichtes handelt, das durch den ZnSe:Cu-Phosphor in den Wellenlängenverschieberegionen der LED umgewandelt wird. -
5 ist eine Darstellung einer Luminanz-(lv-)Verschlechterung über der Zeit für eine Weiß-Phosphorumwandlungs-LED, die eine Wellenlängenverschieberegion mit fünfundsechzig Prozent (65%) ZnSe:Cu- und BaGa4S7:Eu-Phosphor relativ zu Epoxid gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Wie es durch das Diagramm von5 veranschaulicht ist, erfahren die Luminanzeigenschaften der Weiß-Phosphorumwandlungs-LED über einen längeren Zeitraum hinweg wenig Veränderung, während dieselbe einem Licht hoher Intensität ausgesetzt ist, d. h. dem Licht, das von dem Halbleiterchip der LED emittiert wird. Somit weisen der ZnSe:Cu- und der BaGa4S7:Eu-Phosphor, die bei der LED verwendet sind, eine gute Beständigkeit gegenüber Licht auf. Diese Lichtbeständigkeit ist nicht auf das Licht beschränkt, das von dem Halbleiterchip einer LED emittiert wird, sondern auch jedes externe Licht, wie z. B. Sonnenlicht, einschließlich ultraviolettem Licht. Somit sind LEDs gemäß der Erfindung für eine Verwendung im Freien geeignet und können eine stabile Luminanz über der Zeit mit minimaler Farbverschiebung liefern. Zusätzlich können diese LEDs bei Anwendungen verwendet werden, die hohe Ansprechge schwindigkeiten erfordern, da die Dauer eines Nachleuchtens für den ZnSe:Cu- und den BaGa4S7:Eu-Phosphor kurz ist. - Ein Verfahren zum Erzeugen von weißem Ausgangslicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit Bezug auf
6 beschrieben. Bei Block602 wird ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge erzeugt. Das erste Licht kann durch einen LED-Chip, wie z. B. einen UV- oder blauen LED-Chip, erzeugt werden. Anschließend wird bei Block604 das erste Licht empfangen, und ein Teil des ersten Lichtes wird unter Verwendung des Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterials in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge umgewandelt. Zusätzlich wird bei Block604 ein Teil des ersten Lichts unter Verwendung des Thiogallat-basierten Phosphormaterials in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge umgewandelt. Anschließend werden bei Block606 das erste Licht, das zweite Licht und das dritte Licht als Komponenten des Ausgangslichtes emittiert. - Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von so beschriebenen und veranschaulichten Teilen beschränkt. Außerdem ist die Erfindung nicht auf Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen weißen Ausgangslichts beschränkt. Die Erfindung umfasst auch Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen anderer Typen von Ausgangslicht. Beispielsweise können das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial und/oder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial gemäß der Erfindung bei einer lichtemittierenden Vorrichtung verwendet werden, bei der praktisch das gesamte ursprüngliche Licht, das durch eine Lichtquelle erzeugt wird, in Licht unterschiedlicher Wellenlänge umgewandelt wird, wobei es in diesem Fall sein kann, dass die Farbe des Ausgangslichtes nicht weiß ist. Der Schutzumfang der Erfindung soll durch die hieran angehängten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert sein.
Claims (26)
- Vorrichtung zum Emittieren von Ausgangslicht, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (
102 ), die ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert; und eine Wellenlängenverschieberegion (116 ;210A ,216B ;216C ), die optisch mit der Lichtquelle gekoppelt ist, um das erste Licht zu empfangen, wobei die Wellenlängenverschieberegion ein Gruppe-IIB-Element-Selenid-basiertes Phosphormaterial (118 ) umfasst, das eine Eigenschaft aufweist, einen Teil des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge umzuwandeln, wobei die Wellenlängenverschieberegion ferner ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial (119 ) aufweist, das eine Eigenschaft aufweist, einen Teil des ersten Lichts in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge umzuwandeln, wobei das zweite Licht und das dritte Licht Komponenten des Ausgangslichts sind. - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der zumindest entweder das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) oder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (119 ) mit zumindest einem Seltenerdelement dotiert ist. - Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) der Wellenlängenverschieberegion (116 ;210A ,216B ;216C ) entweder Zinkselenid oder Cadmiumselenid umfasst. - Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) das Zinkselenid umfasst, das durch zumindest ein Element aktiviert ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Kupfer, Chlor, Fluor, Brom und Silber umfasst. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) eine Struktur aufweist, die durch MNXSy definiert ist, wobei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind. - Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) eine Struktur aufweist, die durch entweder MN2S4 oder MN4S7 definiert ist. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) Barium-Galliumsulfid umfasst, das durch ein Seltenmetallelement aktiviert ist. - Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) das Barium-Galliumsulfid umfasst, das durch Europium aktiviert ist, wie es durch die Formel BaGa4S7:Eu definiert ist. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest entweder das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) oder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (119 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Silikabeschichtung aufweisen. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von weniger als oder gleich 30 Mikrometern aufweisen. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von weniger als oder gleich 40 Mikrometern aufweisen. - Verfahren zum Emittieren von Ausgangslicht, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen (
602 ) eines ersten Lichts einer ersten Spitzenwellenlänge; Empfangen (604 ) des ersten Lichts, was ein Umwandeln eines Teils des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge unter Verwendung eines Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierten Phosphormaterials (118 ) und ein Umwandeln eines Teils des ersten Lichts in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge unter Verwendung eines Thiogallat-basierten Phosphormaterials (119 ) umfasst; und Emittieren (606 ) des zweiten Lichts und des dritten Lichts als Komponenten des Ausgangslichts. - Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem zumindest entweder das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) oder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (119 ) mit zumindest einem Seltenerdelement dotiert ist. - Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) entweder Zinkselenid oder Cadmiumselenid umfasst. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) eine Struktur aufweist, die durch MNXSy definiert ist, wo bei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind. - Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) eine Struktur aufweist, die durch entweder MN2S4 oder MN4S7 definiert ist. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) Barium-Galliumsulfid umfasst, das durch ein Seltenmetallelement aktiviert ist. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem zumindest entweder das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) oder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (119 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Silikabeschichtung aufweisen. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von weniger als oder gleich 30 Mikrometern aufweisen, und bei dem das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (119 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Partikelgröße von weniger als oder gleich 40 Mikrometern aufweisen. - Vorrichtung zum Emittieren von Ausgangslicht, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (
102 ), die ein erstes Licht einer ersten Spitzenwellenlänge emittiert; und eine Wellenlängenverschieberegion (116 ;210A ,216B ;216C ), die optisch mit der Lichtquelle gekoppelt ist, um das erste Licht zu empfangen, wobei die Wellenlängenverschieberegion ein Thiogallat-basiertes Phosphormaterial (119 ) umfasst, das eine Struktur aufweist, die durch MNXSy definiert ist, wobei M ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Barium, Calcium, Strontium und Magnesium umfasst, N ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Gallium und Indium umfasst, und x und y Zahlen sind, wobei das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (119 ) eine Eigenschaft aufweist, zumindest einen Teil des ersten Lichts in ein zweites Licht einer zweiten Spitzenwellenlänge umzuwandeln, wobei das zweite Licht eine Komponente des Ausgangslichts ist. - Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der die Wellenlängenverschieberegion (
116 ;210A ,216B ;216C ) ein Gruppe-IIB-Element-Selenid-basiertes Phosphormaterial (118 ) umfasst, das eine Eigenschaft aufweist, einen Teil des ersten Lichts in ein drittes Licht einer dritten Spitzenwellenlänge umzuwandeln, wobei das dritte Licht eine Komponente des Ausgangslichts ist. - Vorrichtung gemäß Anspruch 21, bei der entweder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) oder das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (118 ) mit zumindest einem Seltenerdelement dotiert ist. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der zumindest entweder das Gruppe-IIB-Element-Selenid-basierte Phosphormaterial (
118 ) oder das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (119 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Silikabeschichtung aufweisen. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) eine Struktur aufweist, die durch MN2S4 definiert ist. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) eine Struktur aufweist, die durch MN4S7 definiert ist. - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 25, bei der das Thiogallat-basierte Phosphormaterial (
119 ) Phosphorpartikel umfasst, die eine Silikabeschichtung aufweisen.
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