DE102012219873A1

DE102012219873A1 - Lichtsystem mit Farbort-Stabilisierung

Info

Publication number: DE102012219873A1
Application number: DE102012219873.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Frischeisen; Stefan Lange
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-15
Also published as: WO2014067716A1; US9431587B2; US20150311406A1

Abstract

Ein Lichtsystem mit Farbort-Stabilisierung auf Basis von Halbleiterbauelementen weist mindestens zwei verschiedene Arten von Halbleiterbauelementen auf, wobei die Strahlung einer ersten Art von Halbleiterbauelementen von einer ersten Mittel zur Konversion zumindest teilweise konvertiert wird. Die Strahlung der zweiten Art von Halbleiterbauelementen ist längerwellig als die des ersten Halbleiterbauelements, wobei die zweiten Halbleiterbauelementen so angeordnet sind, dass ihre Strahlung im wesentlichen nicht von einem Leuchtstoff absorbiert wird. Zur Farbort-Stabilisierung wird dem ersten Halbleiterbauelement ein zweites Mittel zur Konversion vorgeschaltet, dessen Konversionsverhalten temperaturabhängig ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Lichtsystem mit Farbort-Stabilisierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lichtsysteme sind insbesondere für Allgemeinbeleuchtung geeignet.
Stand der Technik
Aus der US 6 234 648 ist ein Lichtsystem bekannt, bei dem blaue LEDs und rote LEDs zusammen mit einem Leuchtstoff benutzt werden, der die Strahlung der blauen LED in grüne Strahlung verwandelt.
Aus der DE 10 2010 034 913 ist die Verwendung von Materialien für LEDs bekannt, deren Brechungsindex temperaturabhängig ist. Die dort verwendeten Definitionen für Betriebstemperatur, Brechungsindex und Änderung des Brechungsindex als thermo-optischer Koeffizient dn/dT soll auch im folgenden Anwendung finden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lichtsystem bereitzustellen, dessen Farbeindruck bei unterschiedlichen Temperaturen möglichst stabil bleibt. Die unterschiedlichen Temperaturen entstehen oft in der Anlaufphase des Betriebs oder in unterschiedlichen Umgebungen. Bevorzugt ist ein weißer Farbeindruck, jedoch ist ein farbiger Farbeindruck nicht ausgeschlossen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ein Lichtsystem mit Farbort-Stabilisierung auf Basis von Halbleiterbauelementen weist erfindungsgemäß mindestens zwei verschiedene Arten von Halbleiterbauelementen auf, wobei die Strahlung einer ersten Art von Halbleiterbauelementen von einem ersten Mittel zur Konversion zumindest teilweise konvertiert wird. Die Strahlung der zweiten Art von Halbleiterbauelementen ist längerwellig als die des ersten Halbleiterbauelements, wobei die zweiten Halbleiterbauelemente so angeordnet sind, dass ihre Strahlung im wesentlichen nicht von einem Leuchtstoff absorbiert wird. Zur Farbort-Stabilisierung wird dem ersten Halbleiterbauelement ein zweites Mittel zur Konversion vorgeschaltet, dessen Konversionsverhalten temperaturabhängig ist.
Insbesondere wird ein Lichtsystem auf Basis einer ersten Konversions-LED und einer zweiten einfarbigen LED, insbesondere einer roten LED, bereitgestellt.
Die Erfindung bezieht sich im Detail auf Lichtsysteme wie LED-Lampen oder LED-Leuchten, die auf der teilweisen Konversion von Licht von meist blauen oder UV-LEDs durch Leuchtstoff kombiniert mit anderen LEDs größerer Wellenlänge, z.B. rot emittierend, basieren, so dass insgesamt ein bestimmter, meist weißer, Farbeindruck entsteht. Die teilweise Konversion kann entweder chipnah stattfinden, oder man kann eine Remote-Lösung verwenden, in der die LEDs räumlich vom Leuchtstoff getrennt sind. Dabei kann der Leuchtstoff in einer Matrix wie Kunststoff/Polymer, Glas, Silikon o.ä. z.B. als eine Art Kuppel oder Platte über den LEDs angebracht sein.
Da sich die Effizienz der blauen, im allgemeinen auf InGaN basierenden, und der längerwelligen zweiten LEDs, meist roten LEDs, die im allgemeinen auf InGaAlP basieren, mit steigender Temperatur unterschiedlich verändert, führt eine Temperaturerhöhung zu einer Verschiebung des Farborts. In der Regel emittiert das Lichtsystem bei Raumtemperatur bzw. kurz nach dem Einschalten mehr rotes Licht als bei Betriebsbedingungen (d.h. bei höherer Temperatur als Raumtemperatur), wenn man keine Gegenmaßnahmen ergreift.
Die Peakemission der kürzerwelligen ersten LED liegt im allgemeinen in einem Bereich 350 bis 460 nm, die Peakemission der längerwelligen zweiten LED liegt im allgemeinen bei mindestens 500 nm, oft bei mindestens 570 nm.
Für die Kompensation der Farbort-Verschiebung gibt es verschiedene Ansätze:

1. Aktive Regelung der Ströme für erste, insbesondere blaue, und zweite, insbesondere rote, LEDs je nach Temperatur. Diese Variante hat den Nachteil, dass der für die Regelung nötige elektronische Treiber sehr aufwendig und damit teuer ist.
2. Verwendung von geeigneten Leuchtstoffen bzw. Leuchtstoffmischungen damit das Spektrum der konvertierten ersten, vorteilhaft blauen, LEDs zu einer teilweisen Kompensation der Farbort-Verschiebung führt. Hierbei kann man sich zunutze machen, dass sich z.B. die Peak-Wellenlänge der blauen LEDs mit der Temperatur in eine Richtung verschiebt und damit bei manchen Leuchtstoffen bzw. Leuchtstoffmischungen eine Änderung ihres Emissionsspektrums oder auch der relativen Absorption bzw. Anregbarkeit einhergeht. Allerdings kann diese Variante die Farbort-Verschiebung im Fall einer Gruppe von zwei LEDs, die blau und rot emittieren, nicht gut genug kompensieren.
3. Passives optisches Element mit Streumaterial, z.B. Glaspartikel, sind in einer Matrix, z.B. Silikon, über der zweiten, roten LED angebracht. Hier wird der temperaturabhängige Brechungsindex von Silikon ausgenutzt, der mit steigender Temperatur kleiner wird. Die Differenz ist ca. 0,035 zwischen Raumtemperatur und 125°C. Dagegen ist der Brechungsindex von Glas nahezu konstant in diesem Temperaturbereich. Passt man die verwendeten Streumaterialien vom Brechungsindex her so an, dass bei Betriebsbedingungen der Brechungsindex von Streumaterialien und Matrix nahezu gleich ist, dann ist die Streuwirkung bei Betriebsbedingungen minimal, während bei Raumtemperatur eine größere Brechungsindexdifferenz und damit eine höhere Streuwirkung vorliegt. Das passive optische Element führt also dazu, dass bei Raumtemperatur Streuverluste für das Licht der zweiten, roten LEDs auftreten, während bei Betriebsbedingungen das Licht der roten LEDs größtenteils ungestört abgestrahlt wird. Damit wird die Farbort-Verschiebung mit der Temperatur reduziert. Der Effekt kann durch zusätzliche Absorbermaterialien in der Matrix verstärkt werden. Diese Variante hat den Nachteil, dass auch bei Betriebsbedingungen ein Anteil des abgestrahlten Lichts verloren geht, da das optische Element nicht perfekt transparent wird. Damit wird bei Betriebsbedingungen und vor allem bei niedrigeren Temperaturen Licht vernichtet und damit die Effizienz verringert bzw. es werden mehr rote LEDs benötigt und damit die Kosten erhöht.
4. Verwendung eines wellenlängenabhängigen Absorbermaterials bzw. Filters. Man nutzt den Effekt aus, dass sich die Emission der roten LEDs mit steigender Temperatur zu größeren Wellenlängen verschiebt. Es soll daher ein Filter mit einer steilen Transmissionskurve verwendet werden, so dass bei Raumtemperatur ein Teil der Emission absorbiert wird, während bei Betriebsbedingungen das Licht der roten LEDs möglichst ungehindert transmittiert wird. Nachteil bei dieser Variante ist ebenfalls, dass Licht absichtlich vernichtet wird und typischerweise auch bei Betriebsbedingungen ein gewisser Restverlust vorhanden ist.

Die Erfindung sieht als Lösung des Problems vor allem die Verwendung eines zusätzlichen temperaturabhängigen Konverterelements vor, das zumindest der ersten Gruppe von LEDs vorgeschaltet ist und in einem Spektralbereich emittiert, der im Wellenlängenbereicht der zweiten Gruppe von Halbleiterbauelementen liegt. Bevorzugt unterscheidet sich die Emission mindestens eines der im temperaturabhängigen Konverterelement enthaltenen Konvertermaterials nicht oder nur wenig von der Emission des zweiten Halbleiterbauelements. Dies kann beispielsweise durch die geeignete Abstimmung der jeweiligen Peak- oder Dominanzwellenlängen beider Emissionsspektren erreicht werden. Insbesondere können beispielsweise beide Emissionsspektren im roten Spektralbereich liegen.
Dieses Element besteht aus einem oder auch mehreren Leuchtstoffen in einer geeigneten Matrix. Mindestens ein Leuchtstoff, welcher Sekundärstrahlung emittiert, die im Bereich der Emission des zweiten Halbleiterelements liegt und Matrix sind dabei so gewählt, dass die Differenz ihrer Brechungsindices bei niedrigen Temperaturen, z.B. bei Raumtemperatur bzw. kurz nach dem Einschalten der Lampe, sehr gering ist, während die Differenz ihrer Brechungsindices bei höheren Temperaturen, z.B. bei Betriebsbedingungen der Lampe, größer ist. Dadurch wird das Licht, welches das temperaturabhängige Konverterelement durchdringt, bei niedrigen Temperaturen kaum gestreut und die optische Weglänge ist relativ gering, so dass wenig Licht der ersten LED, meist blau, vom Leuchtstoff absorbiert und konvertiert werden kann. Bei höheren Temperaturen wird das Licht stärker gestreut, die optische Weglänge wird größer und es wird mehr blaues Licht absorbiert bzw. konvertiert. Insgesamt ist der im spektralen Bereich des zweiten Halbleiterelements emittierende, insbesondere zum Beispiel rot emittierende Leuchtstoff des temperaturabhängigen Konverterelements bei Raumtemperatur also beinahe „unsichtbar”, d.h. er macht sich nicht bemerkbar, während sich bei höherer Temperatur der Brechungsindex der Matrix ändert und damit die Streuung und Absorption des Lichts durch das temperaturabhängige Konverterelement größer wird.
Ggf. kann das Element auch einen anorganischen Füllstoff umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann der anorganische Füllstoff ein Glas, Quarz, Kieselgel, SiO₂-Partikel, insbesondere sphärische SiO₂-Partikel, ein Borosilicatglas oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Beispielsweise weisen SiO₂-Partikel einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46, Glas einen von 1.45 bis 2.14, ein Borosilicatglas einen von 1.50 bis 1.55 auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst oder besteht der Füllstoff aus einem Silicat, einer Keramik oder einem Aluminiumoxid, beispielsweise Korund.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Matrixmaterial ein Silikon, ein Epoxidharz, ein Acrylharz, ein Polyurethan, ein Polycarbonat oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Das Matrixmaterial kann auch ein Gemisch unterschiedlicher Kunststoffe und/oder Silikone umfassen oder daraus bestehen. Das Matrixmaterial kann insbesondere ein Silikon, ein Methyl substituiertes Silikon, beispielsweise Poly(dimethylsiloxan) und/oder Polymethylphenylsiloxan, ein Cyclohexyl substituiertes Silikon, zum Beispiel Poly(dicyclohexyl)siloxan, oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen.
Beispielsweise kann ein Epoxidharz oder ein Acrylharz einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46 bis 1.60, insbesondere von 1.48 bis 1.53 aufweisen. Ein Polycarbonat weist in der Regel einen höheren Brechungsindex, beispielsweise 1.55 bis 1.65, insbesondere 1.58 bis 1.60 auf. Ein Silikon weist einen Brechungsindex von 1.40 bis 1.54 auf.
Besonders vorteilhaft ist der Brechungsindex des Matrixmaterials so eingestellt, dass er bei Raumtemperatur höher ist, als der Brechungsindex des Füllstoffs, da häufig der thermooptische Koeffizient des Matrixmaterials höher ist als der thermo-optische Koeffizient des Füllstoffs, und somit der Brechungsindex des Matrixmaterials mit steigender Temperatur beim Betrieb des Bauelements schneller abnimmt als der Brechungsindex des Füllstoffs.
Als Matrixmaterial des temperaturabhängigen Konverterelements ist beispielsweise Silikon geeignet, das es in verschiedenen Varianten mit Brechungsindizes zwischen etwa 1,39 und 1,55 gibt. Dabei hängt der Brechungsindex des Silikons vergleichsweise stark von der Temperatur ab und sinkt mit steigender Temperatur. Als Leuchtstoff des temperaturabhängigen Konverterelements kommen alle Materialien in Frage, die bei niedrigeren Temperaturen einen ähnlichen Brechungsindex haben wie das Matrixmaterial. Der Unterschied sollte nicht größer als 10% sein, besser höchstens 5%.
Prinzipiell kommen alle Leuchtstoffe in Frage, die das Licht der blauen LEDs absorbieren und dann bei größerer Wellenlänge sekundär emittieren. Vor allem sind rot emittierende Leuchtstoffe interessant, aber auch orange oder auch grün emittierende Leuchtstoffe. Im ersteren Fall wird bei höheren Temperaturen mehr blaues Licht in rotes Licht konvertiert als bei niedrigen Temperaturen. Damit kann die Farbort-Verschiebung in einem System mit erster und zweiter LED verbessert und stabilisiert werden, so dass es zwischen dem Einschalten und dem Erreichen der Betriebsbedingungen weniger Verschiebung des Farborts gibt. Prinzipiell ist es auch möglich, dass man, ggf. zusätzlich, Leuchtstoffe verwendet, die nicht im roten Spektralbereich emittieren. Auch damit ist eine Beeinflussung des Farborts in Abhängigkeit von der Temperatur möglich.
Dies gilt insbesondere, wenn man als erste LED (bzw. Gruppe von LEDs) eine UV-Emittierende LED verwendet. Dann ist es möglich, daß man z.B. einen Leuchtstoff, der im UV-Bereich absorbiert und im blauen Spektralbereich emittiert, verwendet. Beispiele für einen geeigneten Leuchtstoff sind Leuchtstoffe vom Grundtypus BAM oder SCAP, wie sie im Prinzip bekannt sind.
In diesem Fall kann man diesen blau emittierenden Leuchtstoff über einer UV-LED anbringen und damit je nach Temperatur mehr oder weniger zusätzliches blaues Licht generieren, das seinerseits wieder über einen gelben, grünen oder roten Leuchtstoff weiter konvertiert werden kann.
Der Brechungsindex eines Silikons richtet sich insbesondere nach den organischen Substituenten R¹, R² und R³ am Siliciumatom sowie nach dem Verzweigungsgrad des Silikons. Endständige Gruppen des Silikons lassen sich mit R¹R²R³SiO_1/2, lineare Gruppen mit R¹R²SiO_2/2 und verzweigende Gruppen mit R¹SiO_3/2 beschreiben. R¹ und/oder R² und/oder R³ können an jedem Siliciumatom unabhängig gewählt sein. R¹, R² und R³ sind dabei aus einer Variation von organischen Substituenten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kohlenstoffatomen gewählt. Die organischen Substituenten können in einem Silikon in einem beliebigen Verhältnis zueinander stehen. In der Regel weist ein Substituent 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8, Kohlenstoffatome auf. Beispielsweise sind R¹, R² und R³ aus Methyl, Ethyl, Cyclohexyl oder Phenyl, insbesondere Methyl und Phenyl gewählt. Organische Substituenten mit vielen Kohlenstoffatomen erhöhen in der Regel den Brechungsindex, während kleinere Substituenten zu einem niedrigeren Brechungsindex führen. Beispielsweise kann ein Silikon, das reich an Methylgruppen ist, einen niedrigen Brechungsindex, beispielsweise von 1.40 bis 1.44 aufweisen. Ein Silikon das zum Beispiel reich an Phenylgruppen oder Cyclohexylgruppen ist, kann hingegen einen höheren Brechungsindex aufweisen.
Allgemein kommen als Materialsystem für den temperaturabhängigen Leuchtstoff beispielsweise K₂SiF₆:Mn, CaF2:Eu, SrF2:Eu in Frage. Neben dem Leuchtstoff können noch zusätzlich Streumaterialien mit geeignetem Brechungsindex beigemischt werden. Für dieses grundlegende Konzept sind verschiedene Ausführungsformen denkbar. Im Fall von chipnaher Konversion der ersten, blauen LEDs in z.B. grünes oder gelbes oder rotes Licht kann die Erfindung folgendermaßen realisiert werden:
Das temperaturabhängige Konversionselement kann jeder blauen LED, oder auch nur einem Teil der blauen LEDs, vorgeschaltet werden.
Das Element kann auch allen blauen LEDs gemeinsam vorgeschaltet werden.
Das Element kann ersten, blauen, LEDs und zweiten, roten LEDs gemeinsam vorgeschaltet werden. In diesem Fall wird das rote Licht der LEDs bei Betriebsbedingungen nur ein wenig stärker gestreut, aber kaum absorbiert.
Das temperaturabhängige Konversionselement kann in einer Ausführungsform direkten Kontakt mit den zugehörigen LEDs haben, in einer zweiten Ausführungsform kann es auch als Remote-Element gestaltet sein, z.B. als Platte oder Kuppel über den LEDs. Es hat dann keinen direkten Kontakt mit den LEDs. Daneben sind auch die Kombinationen aus diesen Ausführungsformen möglich, wenn die Konversion der blauen LEDs in z.B. grünes/gelbes/rotes Licht nicht über chipnahe Konversion, sondern über beabstandete Konversion erfolgt. Wenn beide Konversionsschichten als beabstandet gestaltet werden, sind für die Reihenfolge der Remote-Elemente prinzipiell verschiedene Ausführungsformen möglich, außerdem können die Elemente wahlweise über allen LEDs oder nur über einem Teil der LEDs angebracht werden.
Für das Einbringen der Leuchtstoffe im temperaturabhängigen Konversionselement kommen viele etablierte Konversionstechniken in Frage, beispielsweise handelt es sich um mittels Siebdruck, Rakeln oder durch Sprayen hergestellte Plättchen aus Leuchtstoff und einem Matrixmaterial oder auch Volumenverguss, Sedimentation oder elektrophoretische Abscheidung. Außerdem können Herstellmethoden wie Spritzgießen und Extrusion eingesetzt werden.
Die Streuwirkung lässt sich noch verstärken, in dem man Streumaterialien euer mit geeignetem Brechungsindex zugibt.
Die Konversionswirkung im temperaturabhängigen Konverterelement kann verstärkt werden, indem man weitere Leuchtstoffe hinzu gibt. Insbesondere handelt es sich dabei um Leuchtstoffe, die entweder sehr grobkörnig oder sehr feinkörnig sind. Damit sind insbesondere einerseits Leuchtstoffe mit einem d50 von mindestens 10 µm gemeint, andererseits Leuchtstoffe mit einem d50 unter 200 nm. Derartige Zusätze sind deswegen interessant, weil in diesem Fall ihre Streuwirkung relativ gering ist und damit der Effekt der erfindungsgemäßen Lösung auch bei niedrigen Temperaturen kaum beeinflusst wird. Deshalb kann man unter diesen Umständen auch Leuchtstoffe verwenden, deren Brechungsindex von dem der Matrix abweicht. Als sehr feinkörnige Leuchtstoffe können insbesondere auch Quantenpunkte, sog. quantum dots, eingesetzt werden, z.B. in Form von kolloidalen Quantenpunkten. Geeignete Materialien für Quantenpunkte sind beispielsweise Halbleitermaterialien aus den III-V, II-VI oder I-III-VI2 Gruppen, z.B. GaP, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS oder CdSe. Zur Verbesserung der Eigenschaften (z.B. optische Eigenschaften, Stabilität, Löslichkeit) können die Quantenpunkte als core/shell Struktur ausgebildet sein bzw. Liganden enthalten.
Bei Verwendung eines temperaturabhängigen Konversionselements ergibt sich eine Reihe von Vorteilen. Es wird weder kurz nach dem Einschalten noch unter Betriebsbedingungen absichtlich Licht vernichtet, wie es in anderen Techniken, die eingangs erwähnt wurden, geschieht. Erfindungsgemäß wird lediglich das fehlende langwellige, meist rote, Licht bei höheren Temperaturen durch eine zusätzliche Rot-Konversion des Lichts der ersten LED, meist handelt es sich um blaues Licht, kompensiert. Die Farbort-Stabilisierung wird also nicht durch eine destruktive temperaturabhängige Absorption, sondern ganz im Gegenteil durch eine konstruktive temperaturabhängige Konversion erzielt. Deshalb sollten sich deutliche Effizienz-Vorteile ergeben.
Da es sich erfindungsgemäß um ein passives optisches Element handelt, ist diese Lösung im Vergleich zu einer aktiven elektronischen Regelung deutlich günstiger.
Außerdem können durch die Streuwirkung des temperaturabhängigen Konversionselements die Abstrahlungseigenschaften des Lichtsystems verbessert werden, wie z.B. eine homogenere Intensitätsverteilung als Funktion des Abstrahlungswinkels bzw. eine homogenere Verteilung der Farbeigenschaften als Funktion des Abstrahlungswinkels.
Als Leuchtstoffe, die zur Anwendung im zweiten Mittel geeignet sind, werden insbesondere Granate, Orthosilikate, Chlorosilikate, Nitridosilikate und deren Derivate vorgeschlagen wie insbesondere:
(Ca, Sr)8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+
(Sr, Ba, Lu)2Si(O, N)4:Eu2+
(Sr, Ba, Ln)2Si(O, N)4:Eu2+ mit Ln ausgewählt aus den Lanthanoiden mit der Möglichkeit, für Ln auch mehr als ein Lanthanoid zu verwenden
(Sr, Ba)Si2N2O2:Eu2+
(Y, Gd, Tb, Lu)3(Al, Ga)5O12:Ce3+
(Ca, Sr, Ba)2SiO4:Eu2+
(Sr, Ba, Ca, Mg)2Si5N8:Eu2+
(Sr, Ca)AlSiN3:Eu2+
(Sr, Ca)S:Eu2+
(Sr, Ba, Ca)2(Si, Al)5(N, O)8:Eu2+
(Sr, Ba, Ca)2Si5N8:Eu2+
(Sr, Ba, Ca)3SiO5:Eu2+
α-SiAlON:Eu2+
Ca(5 – δ)Al(4 – 2δ)Si(8 + 2δ)N18O:Eu2+
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:

1. Lichtsystem basierend auf mindestens einer ersten und einer zweiten Gruppen von Festkörper-Lichtquellen, wobei ein erstes Mittel zur zumindest teilweisen Konversion der Strahlung zumindest einer ersten Gruppe, dieser Gruppe oder jedem Vertreter dieser Gruppe oder zumindest einem Teil dieser ersten Gruppe vorgelagert ist, wobei das erste Mittel eine einen Leuchtstoff enthaltende Schicht als Konversionsmittel aufweist, die mindestens einen Teil der primären Strahlung der ersten Gruppe in sekundäre Strahlung mit längerer Wellenlänge konvertiert, wobei die zweite Gruppe Strahlung größerer Wellenlänge als die der ersten Gruppe emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Mittel zur zumindest teilweisen Konversion der primären Strahlung der ersten Gruppe vorhanden ist, das zumindest einem Teil der ersten Gruppe vorgelagert ist, wobei dieses Mittel eine Temperaturabhängigkeit der Konversion zeigt, die auf einer unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex eines Leuchtstoff und einer den Leuchtstoff einbettenden Matrix beruht, wobei Leuchtstoff und Matrix so gewählt sind, dass bei Raumtemperatur der Unterschied im Brechungsindex klein ist und bei Betriebstemperatur der Unterschied im Brechungsindex mindestens 1,5-fach so groß ist wie bei Raumtemperatur. Klein heißt, daß der Unterschied höchstens 5% ist, insbesondere höchstens 2%. Insbesondere hat sich ein Wert von 3% bewährt. Raumtemperatur bedeutet eine Temperatur von höchstens 20°C, Betriebstemperatur bedeutet eine Temperatur von mindestens 100 °C. Gruppe bedeutet mindestens ein Element, insbesondere auch eine Vielzahl. Festkörper-Lichtquelle bedeutet einen Chip, LED, Laserdiode, Modul mit derartigem Halbleiterbauteil o.ä.
2. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Matrix des zweiten Mittels vom Typ Silikon ist, dessen Brechungsindex mit steigender Temperatur sinkt.
3. Lichtsystem nach Vorschlag 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels ein Leuchtstoff mit einer Peakemission im Bereich 580 bis 660 nm ist.
4. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Matrix des zweiten Mittels vom Typ Silikon ist, dessen Brechungsindex bei Raumtemperatur einen Wert von n = 1,39 bis 1,55 aufweist.
5. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels bei Raumtemperatur dem der Matrix ähnlich ist, und sich von diesem höchstens um 3% unterscheidet.
6. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe primär blau emittiert, mit insbesondere einer Peakemission im Bereich 430 bis 470 nm.
7. Lichtsystem nach Vorschlag 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels eine Peakemission im roten Spektralbereich bei 580 bis 660 nm aufweist.
8. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe primär UV emittiert, mit insbesondere einer Peakemission im Bereich 330 bis 400 nm.
9. Lichtsystem nach Vorschlag 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels eine Peakemission im blauen Spektralbereich bei 430 bis 470 nm aufweist.
10. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leuchtstoff des zweiten Mittels ausgewählt ist aus der Gruppe K2SiF6:Mn, CaF2:Eu, SrF2:Eu, allein oder in Kombination.
11. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel außerdem Streumaterialen mit geeignetem Brechungsindex aufweist.
12. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel einen Leuchtstoff aufweist, der die primäre Strahlung der ersten Gruppe teilweise in sekundäre Strahlung mit einer Peakwellenlänge im Bereich 480 bis 580 nm konvertiert.
13. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel auch der zweiten Gruppe oder einem Teil davon vorgeschaltet ist.
14. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung beider Gruppen zu weiß mischt, insbesondere mit einer Farbtemperatur im Bereich 2300 bis 8000 K.
15. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel einen weiteren konvertierenden Leuchtstoff aufweist, dessen Streuverhalten dadurch gering gehalten ist, dass der mittlere Durchmesser der Leuchtstoff-Partikel d50 entweder mindestens 10 µm oder höchstens 200 nm beträgt.
16. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels einen mittleren Durchmesser der Leuchtstoffpartikel im Bereich d50 = 0,8 bis 20 µm, bevorzugt bis 8 µm, aufweist.
17. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das zweite Mittel beabstandet von der ersten Gruppe auf einer Kuppel angebracht ist.
18. Lichtsystem nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe primär rot emittiert, mit insbesondere einer Peakemission im Bereich 580 bis 660 nm. Dabei handelt es sich bevorzugt um LEDs vom Typ InGaAlP.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 ein Lichtsystem gemäß dem Stand der Technik;
2 ein zweites Lichtsystem gemäß dem Stand der Technik;
3 bis 12 verschiedene Ausführungsbeispiele für ein neuartiges Lichtsystem.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt den Aufbau eines Lichtsystems 1 für weißes Licht auf RGB-Basis wie an sich bekannt, siehe dazu beispielsweise US-B 7 213 940 . Die Lichtquelle weist als Halbleiterbauelement eine erste Gruppe oder wenigstens eine blaue LED 2 des Typs InGaN mit einer Peakemissionswellenlänge von beispielsweise 450 nm. Das Array enthält weiter als zweite Gruppe oder auch mindestens eine rot emittierenden LED 3. Als ein erstes Konversionsmittel ist der ersten Gruppe, hier der ersten LED 2, chipnah ein gelb oder grün emittierender erster Leuchtstoff 4, wie z.B. YAG:Ce (gelb) oder auch grünes SiA-lON, vorgeschaltet. Das System mischt zu weiß (6), beispielsweise mit einer Farbtemperatur von 2600 K.
Optional ist dem ganzen Modul eine Streuscheibe 5 vorgeschaltet, zur besseren Homogenisierung.
2 zeigt eine andere Anordnung eines vorbekannten Lichtsystems 1, wieder mit erster (2) und zweiter (3) LED wie in 1. Dabei ist das erste Mittel zur Konversion beabstandet von der ersten Gruppe auf einer Kuppel 8 angeordnet, es handelt sich um ein sog. Remote-Phosphor-Konzept. Die Kuppel kann außerdem Streumaterial enthaltne.
3 zeigt im Detail ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, und zwar im Zustand bei niedriger Temperatur, insbesondere Raumtemperatur. Dabei ist die Wirkungsweise der ersten Gruppe von LEDs erläutert, die zweite Gruppe ist hier nicht gezeigt, sie ist ähnlich wie in 1 oder 2.
Ein Vertreter der ersten Gruppe weist hier eine blau (b) emittierende LED 2 auf. Als erstes Mittel zur Konversion ist ihr direkt eine Schicht 14 aus teilweise konvertierendem Leuchtstoff, ähnlich dem in 1 oder 2 erwähnten ersten Leuchtstoff, aufgebracht. Die konvertierte Strahlung ist mit g bezeichnet.
Zusätzlich ist dem ersten Mittel als zweites Mittel eine weitere zweite Schicht 10 vorgeschaltet, hier ist sie direkt auf das erste Mittel aufgebracht. Die zweite Schicht 10 weist mindestens zwei Komponenten auf, und zwar eine Matrix aus Silikon 11 und einen Leuchtstoff 12 mit stark temperaturabhängigen Brechungsindex, stark schematisiert dargestellt. Der Leuchtstoff ist insbesondere K2SiF6:Mn. Dieser hat einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von etwa 1,4 und ist damit für ein Zusammenwirken mit Silikon besonders gut geeignet.
Bei niedriger Temperatur von typisch 20 °C ist der Unterschied im Brechungsindex zwischen Matrix 11 und zweitem temperaturabhängigen Leuchtstoff 12 relativ klein, beispielsweise unter 5%, konkret hier etwa 3%. Deshalb ist die Streuung und damit die optische Weglänge des Lichts sehr gering. Damit ist auch die Rate der Konversion der blauen Primärstrahlung in rote Sekundärstrahlung so gering, dass sie technisch keine wesentliche Rolle spielt.
4 zeigt die Verhältnisse des ersten Ausführungsbeispiels bei hoher Temperatur, typisch sind dies 80 bis 180 °C im Betriebszustand. Bei dieser Temperatur ist die Differenz im Brechungsindex zwischen zweitem Leuchtstoff 12 und einbettender Matrix 11 deutlich höher, z.B. dreimal so hoch wie bei Raumtemperatur. Infolgedessen wird in nennenswertem Maße blaues Licht der LEDs der ersten Gruppe in rotes Licht (r) konvertiert. Dadurch wird die Farbortverschiebung gegenüber der Anfangsphase gleich nach dem Start, wie bei 3 geschildert, zumindest teilweise wieder kompensiert.
5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei die erste Gruppe aus zwei LEDs 2 besteht, von denen jedem ein eigenes zweites Mittel 16 vorgeschaltet ist.
6a zeigt eine Ausführungsform, bei der einer Gruppe von zwei blauen LEDs 2 (erste Gruppe) ein übergreifendes Plättchen 17 mit dem zweiten Mittel vorgeschaltet ist. Jede erste LED 2 weist chipnah das konvertierende erste Mittel 4 auf.
6b zeigt eine Ausführungsform, bei der das zweite Mittel kein separates Plättchen, sondern ein Verguss 18 ist, der nicht nur jeweils vor den blauen LEDs 2 im Strahlengang sitzt, sondern auch seitlich zwischen den beiden LEDs 2.
7a zeigt ein Ausführungsbeispiel analog 6a, bei dem sich das zweite Mittel als Plättchen 20 nicht nur über die erste Gruppe, hier repräsentiert durch zwei blaue LEDs 2, sondern auch über die zweite Gruppe, repräsentiert durch eine rot emittierende LED 3, erstreckt. Alternativ kann sich gemäß
7b das zweite Mittel wieder als Verguss 21 auch auf die Zwischenräume zwischen den Halbleiterelementen 2, 2, 3 erstrecken.
8 zeigt ein Modul, bei dem die erste und zweite Gruppe von LEDs 2, 2, 3 gemeinsam auf einem Substrat 25 sitzt. Die erste Gruppe weist chipnahe Konversionsmittel 4 als erste Mittel auf, zur Konversion in gelb/grün. Das temperaturabhängige zweite Mittel 22 ist in einer alle Lichtquellen überspannenden Kuppel eingebracht oder auf dieser aufgebracht.
9 zeigt als Lichtsystem einen weiß emittierenden LED-Modul, bei dem das zweite Mittel 30 chipnah direkt auf die LEDs 2 der ersten Gruppe von Lichtquellen aufgebracht ist. Erste (2) und zweite (3) Gruppe sind gemeinsam auf ein Substrat 25 aufgetragen. Eine Kuppel 8 überspannt beide Gruppen gemeinsam, wobei diese Kuppel das erste Konversionsmittel 31 aufweist. Diese Anordnung eignet sich besonders gut zur Kompensation, da das erste Mittel 31 keiner allzugroßen Temperaturbelastung ausgesetzt ist, also auch eine gewisse Temperaturempfindlichkeit des Brechungsindex des ersten Leuchtstoffs in Kauf genommen werden kann. Umgekehrt ist der temperaturempfindliche zweite Leuchtstoff im zweiten Mittel 30 einer maximalen Differenz an Temperatur ausgesetzt und kann so seine regulierende Funktion voll entfalten.
10a zeigt ein Lichtsystem, das ähnlich wie in 9 aufgebaut sind, jedoch erstreckt sich hier das temperaturabhängige Konverterelement als Plättchen 20 über beide erste LEDs 2.
10b zeigt ein ähnliches Lichtsystem, wobei sich das temperaturabhängige Konverterelement als Verguss 21 auch zwischen die beiden blauen LEDs 2 erstreckt.
11a zeigt ein ähnliches Lichtsystem, wobei jedoch das Plättchen 20 mit dem zweiten Mittel sich auch über die LED 3 der zweiten Gruppe erstreckt.
11b zeigt ein ähnliches Lichtsystem, wobei sich das temperaturabhängige Konverterelement 21 auch zwischen die blauen (2) und roten (3) LEDs erstreckt
12a zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls, das ähnlich wie in 8 beschrieben aufgebaut ist. Im Unterschied dazu sind blaue (2) und rote (3) LEDs jeweils ohne Leuchtstoff auf dem Substrat 25 montiert. Über sie spannt sich eine erste Kuppel 88, die das zweite Mittel 89, also das temperaturabhängige Konverterelement, enthält. Außerhalb der ersten Kuppel spannt sich eine zweite Kuppel 90, die das erste Mittel 91, also den temperaturunabhängigen Leuchtstoff, der gelb oder grün emittiert, enthält. Die ersten und zweiten Mittel können in ihrer Reihenfolge vertauscht sein.
12b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das 12a ähnlich ist, jedoch ist das erste und zweite Mittel jeweils nur über einem Teil der LEDs, nämlich über die LEDs 2 der ersten Gruppe, platziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6234648 [0002]
DE 102010034913 [0003]
US 7213940 [0041]

Claims

Lichtsystem basierend auf mindestens einer ersten und einer zweiten Gruppen von Festkörper-Lichtquellen, wobei ein erstes Mittel zur zumindest teilweisen Konversion der Strahlung zumindest einer ersten Gruppe, dieser Gruppe oder jedem Vertreter dieser Gruppe oder zumindest einem Teil dieser ersten Gruppe vorgelagert ist, wobei das erste Mittel eine einen Leuchtstoff enthaltende Schicht als Konversionsmittel aufweist, die mindestens einen Teil der primären Strahlung der ersten Gruppe in sekundäre Strahlung mit längerer Wellenlänge konvertiert, wobei die zweite Gruppe Strahlung größerer Wellenlänge als die der ersten Gruppe emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Mittel zur zumindest teilweisen Konversion der primären Strahlung der ersten Gruppe vorhanden ist, das zumindest einem Teil der ersten Gruppe vorgelagert ist, wobei dieses Mittel eine Temperaturabhängigkeit der Konversion zeigt, die auf einer unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex eines Leuchtstoff und einer den Leuchtstoff einbettenden Matrix beruht, wobei Leuchtstoff und Matrix so gewählt sind, dass bei Raumtemperatur der Unterschied im Brechungsindex klein ist und bei Betriebstemperatur der Unterschied im Brechungsindex mindestens 1,5-fach so groß ist wie bei Raumtemperatur.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Matrix des zweiten Mittels vom Typ Silikon ist, dessen Brechungsindex mit steigender Temperatur sinkt.
Lichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels ein Leuchtstoff mit einer Peakemission im Bereich 580 bis 660 nm ist.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Matrix des zweiten Mittels vom Typ Silikon ist, dessen Brechungsindex bei Raumtemperatur einen Wert von n = 1,39 bis 1,55 aufweist.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels bei Raumtemperatur dem der Matrix ähnlich ist, und sich von diesem höchstens um 3% unterscheidet.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe primär blau emittiert, mit insbesondere einer Peakemission im Bereich 430 bis 470 nm.
Lichtsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels eine Peakemission im roten Spektralbereich bei 580 bis 660 nm aufweist.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe primär UV emittiert, mit insbesondere einer Peakemission im Bereich 330 bis 400 nm.
Lichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels eine Peakemission im blauen Spektralbereich bei 430 bis 470 nm aufweist.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leuchtstoff des zweiten Mittels ausgewählt ist aus der Gruppe K2SiF6:Mn, CaF2:Eu, SrF2:Eu, allein oder in Kombination.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel außerdem Streumaterialen mit geeignetem Brechungsindex aufweist.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel einen Leuchtstoff aufweist, der die primäre Strahlung der ersten Gruppe teilweise in sekundäre Strahlung mit einer Peakwellenlänge im Bereich 480 bis 580 nm konvertiert.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel auch der zweiten Gruppe oder einem Teil davon vorgeschaltet ist.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung beider Gruppen zu weiß mischt, insbesondere mit einer Farbtemperatur im Bereich 2300 bis 8000 K.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel einen weiteren konvertierenden Leuchtstoff aufweist, dessen Streuverhalten dadurch gering gehalten ist, dass der mittlere Durchmesser der Leuchtstoff-Partikel d50 entweder mindestens 10 µm oder höchstens 200 nm beträgt.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff des zweiten Mittels einen mittleren Durchmesser der Leuchtstoffpartikel im Bereich d50 = 0,8 bis 20 µm, bevorzugt bis 8 µm, aufweist.
Lichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das zweite Mittel beabstandet von der ersten Gruppe auf einer Kuppel angebracht ist.