DE102012222475A1

DE102012222475A1 - Leuchtdiode aufweisend mehrere leuchtstoffbereiche

Info

Publication number: DE102012222475A1
Application number: DE102012222475.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Biebersdorf; Florian Bösl; Krister Bergenek; Ralph Wirth
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-12
Also published as: US10396251B2; CN104956502B; CN104956502A; US20170301830A1; WO2014086784A1; US20150303354A1; US9735321B2

Abstract

Eine Leuchtdiode (11) weist einen LED-Chip (12) mit mindestens einer Emitterfläche (15) zur Emission von Primärlicht und mehrere Leuchtstoffbereiche (17, 18) auf, welche der mindestens einen Emitterfläche (15) optisch nachgeschaltet sind, wobei zumindest ein härterer der Leuchtstoffbereiche (17) in einem anderen, weicheren der Leuchtstoffbereiche (18) eingebettet ist. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Konversions-Leuchtdioden, insbesondere auf oberflächenemittierende Leuchtdioden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode, aufweisend einen LED-Chip mit mindestens einer Emitterfläche zur Emission von Primärlicht und aufweisend mehrere Leuchtstoffbereiche, welche der mindestens einen Emitterfläche optisch nachgeschaltet sind. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Konversions-Leuchtdioden, insbesondere auf oberflächenemittierende Leuchtdioden, z.B. senkrecht abstrahlende sog. Top-LEDs.
Warm-weißes Licht wird typischerweise dadurch erzeugt, dass von einem LED-Chip abgestrahltes Primärlicht mittels mindestens eines Leuchtstoffs zumindest teilweise in Licht anderer Wellenlänge umgewandelt oder konvertiert wird, und die so erzeugten verschiedenen Anteile von Licht unterschiedlicher Farbe einen warmweißen Summenfarbort aufweisen. Beispielsweise mag blaues Primärlicht mittels eines 'roten' Farbstoffs zumindest teilweise in rotes Licht und mittels eines 'grünen' Farbstoffs zumindest teilweise in grünes Licht umgewandelt werden. Das sich ergebende Mischlicht ist rot-grün-blau bzw. weiß, wobei ein warmweißer Farbton beispielsweise durch einen hohen Rotanteil oder durch eine zusätzliche Wellenkonversion in ein gelbes oder orangefarbenes Licht erreicht werden kann.
Jedoch treten bei der Wellenlängenumwandlung außer der Stokes-Wärme noch andere Verluste auf. So kann der Leuchtstoff als Füllmaterial (z.B. Pulver) in einem lichtdurchlässigen Matrixmaterial (z.B. Silikon) eingebettet sein. Dies mag jedoch wenig effizient sein, da die Lichtleistung merklich durch das Matrixmaterial verringert werden kann. Eine Verbesserung der Effizienz wird durch die sogenannte "lokale Vollkonversion" (engl: "local full conversion") bewirkt. Dabei wird der grüne und/oder gelbe Farbanteil durch ein Keramikplättchen erzeugt, was sehr effizient ist. Jedoch gibt es zur Zeit noch keine rotes Licht abstrahlende Keramikplättchen. Für den roten Farbanteil kann, wie es sich aus internen, noch nicht veröffentlichten Versuchen ergab, ein Loch in dem Keramikplättchen erzeugt werden und mit einer Mischung aus Silikon und rotem Farbstoff gefüllt werden. Für geeignete Farborte muss dieses Loch jedoch so groß sein, dass das Keramikplättchen nur noch einen kleinen Rand aufweist. Dies bedingt jedoch eine schlechtere Stabilität des Keramikplättchens, und zudem wird bei der Herstellung viel Material verworfen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtdiode, aufweisend einen LED-Chip mit mindestens einer Emitterfläche zur Emission von Primärlicht und aufweisend mehrere Leuchtstoffbereiche, welche der mindestens einen Emitterfläche optisch nachgeschaltet sind, wobei zumindest ein härterer der Leuchtstoffbereiche in einem anderen, weicheren der Leuchtstoffbereiche eingebettet ist.
Dies ergibt den Vorteil, dass der (mindestens eine) härtere Leuchtstoffbereich nicht bearbeitet zu werden braucht, um den weicheren Leuchtstoffbereich aufzunehmen. Der härtere Leuchtstoffbereich wird folglich strukturell nicht mehr geschwächt und ist zudem einfacher und preiswerter herstellbar. Auch ist der härtere Leuchtstoffbereich so leichter handhabbar, kann z.B. angesaugt werden.
Dass der (mindestens eine) härtere Leuchtstoffbereich in den weicheren Leuchtstoffbereich eingebettet ist, bedeutet insbesondere, dass der weichere Leuchtstoffbereich aus einem zumindest anfänglich (bei der Herstellung) fließfähigen Material besteht, welches insbesondere aushärtbar ist. Dadurch wird der härtere Leuchtstoffbereich dicht umgeben. Es ist also eine Weiterbildung, dass der weichere Leuchtstoffbereich aus einem fließfähigen Material besteht bzw. hergestellt worden ist.
Der härtere Leuchtstoffbereich mag vollständig in den weicheren Leuchtstoffbereich eingebettet sein und also allseitig davon umgeben sein. Der härtere Leuchtstoffbereich mag alternativ teilweise in den weicheren Leuchtstoffbereich eingebettet sein und also nur teilweise, z.B. nur lateral, davon umgeben sein.
Die Leuchtdiode mag einen oder mehrere härtere Leuchtstoffbereiche aufweisen. Bei mehreren Leuchtstoffbereichen mögen diese gleich aufgebaut sein, insbesondere eine gleiche Form, Größe und/oder Material aufweisen, oder mindestens zwei der mehreren härteren Leuchtstoffbereiche mögen sich unterscheiden, z.B. in Bezug auf ihre Form, ihre Größe und/oder ihr Material, z.B. einschließlich der Farbe des von Ihnen abgestrahlten Lichts.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der härtere Leuchtstoffbereich aus einem harten Material besteht. Unter einem harten Material kann insbesondere ein praktisch nur elastisch (nicht plastisch) verformbares Material verstanden werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Leuchtdiode einen oder mehrere Leuchtstoffbereiche in Form von Plättchen aufweist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass zumindest ein härterer der Leuchtstoffbereiche aus Keramik besteht. Eine solche Keramik dient als Leuchtstoff ('Leuchtstoff-Keramik') und ermöglicht eine hocheffiziente Wellenlängenumwandlung. Solche Leuchtstoff-Keramiken sind grundsätzlich bekannt und brauchen hier nicht genauer beschrieben zu werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Keramik aus LuAG:Ce, YAG:Ce (beide optional mit Dotierung Gd, Sc und/oder Ga) oder (Sr,Ba)SiON:Eu besteht. Eine solche Keramik mag insbesondere zur Erzeugung eines grünen bis gelben Sekundärlichts verwendet werden.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der weichere der Leuchtstoffbereiche ein Matrixmaterial aus Kunststoff aufweist, welches mit mindestens einem Leuchtstoff als Füllmaterial versetzt ist. Der Kunststoff ist vorzugsweise ein zur Herstellung der Leuchtdiode fließfähiger bzw. viskoser Kunststoff.
Der Kunststoff mag insbesondere Silikon, Epoxidharz und/oder mindestens einen Thermoplasten, insbesondere auch ein Polyblend davon, aufweisen.
Der Leuchtstoff mag insbesondere ein roter oder orangefarbener Leuchtstoff sein.
Besonders bevorzugt wird ein Leuchtstoff-Keramikplättchen, das in von mit rotem Leuchtstoff gefülltem Silikon eingebettet ist.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Leuchtstoffbereiche in einem Lichtpfad des Primärlichts nebeneinander angeordnet sind. Dadurch werden Wechselwirkungen der Leuchtstoffbereiche verringert.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Leuchtstoffbereiche Bereiche eines Leuchtstoffplättchens darstellen und eine Emitterfläche des LED-Chips bedecken. Der LED-Chip mag dazu insbesondere ein oberflächenabstrahlender LED-Chip sein. Zusammen mit der Ausgestaltung, dass die Leuchtstoffbereiche in einem Lichtpfad des Primärlichts nebeneinander angeordnet sind, kann dies insbesondere bedeuten, dass unterschiedliche Leuchtstoffbereiche nebeneinander angeordnet sind, also "lateral separiert" aufgebracht sind.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der zumindest eine härtere der Leuchtstoffbereiche von dem anderen, weicheren der Leuchtstoffbereiche lateral umgeben ist. Das Leuchtstoffplättchen lässt sich so besonders einfach aufbringen. Der weichere der Leuchtstoffbereiche mag einen oder mehrere härtere Leuchtstoffbereiche lateral umgeben.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der härtere der Leuchtstoffbereiche eine kreisscheibenförmige Grundform aufweist.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass das Primärlicht blaues Licht ist, ein härterer der Leuchtstoffbereiche das blaue Primärlicht zumindest teilweise in grünes bis gelbes Licht umwandelt und der weichere der Leuchtstoffbereiche das blaue Primärlicht zumindest teilweise in rotes Licht umwandelt, z.B. je nachdem welcher Rotleuchtstoff verwendet wird. Dadurch kann eine RGB-Farbmischung erreicht werden. Jedoch können grundsätzlich auch noch weitere und/oder andere Leuchtstoffe verwendet werden. So mögen zusätzlich (z.B. als härterer Leuchtstoffbereich oder als Füllstoff des weicheren Leuchtstoffbereichs) weitere Leuchtstoffe eingesetzt werden, z.B. ein gelber, ein orangefarbener und/oder ein bernsteinfarbener (amber) Leuchtstoff. Auch mag anstelle oder zusätzlich zu der grünen Leuchtstoffkeramik eine Licht anderer Wellenlänge abstrahlende Leuchtstoffkeramik verwendet werden.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der weichere der Leuchtstoffbereiche mittels eines Druckverfahrens hergestellt worden ist. Das Druckverfahren mag z.B. einen Sieb- oder Schablonendruck umfassen, insbesondere über mindestens einen Leuchtkeramikkörper (bevorzugt Leuchtkeramikplättchen).
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der weichere der Leuchtstoffbereiche mittels eines Gussverfahrens hergestellt worden ist. Das Gussverfahren mag insbesondere ein Übermolden oder ein Spritzvergießen mindestens eines Leuchtkeramikkörpers (bevorzugt Leuchtkeramikplättchen) umfassen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung der Leuchtdiode wie oben offenbart.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Leuchtdiode;
2 zeigt die erfindungsgemäße Leuchtdiode in einer Draufsicht; und
3A–3B zeigen einen Ablauf eines ersten Verfahrens zum Herstellen eines Leuchtstoffplättchens der erfindungsgemäßen Leuchtdiode und
4 zeigen einen Ablauf eines zweiten Verfahrens zum Herstellen eines Leuchtstoffplättchens der erfindungsgemäßen Leuchtdiode.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtdiode 11 mit einem LED-Chip 12, welcher eine rückwärtige Auflagefläche 13 und eine Vorderseite 14 mit einer nach vorne oder oben Primärlicht abstrahlenden Emitterfläche 15 aufweist (Top-LED). Der LED-Chip 12 strahlt also in einen vorderen Halbraum ab. Das Primärlicht mag beispielsweise blaues Licht sein.
Auf der Vorderseite 14 liegt ein Leuchtstoffplättchen 16 auf, das die Emitterfläche 15 vollflächig bedeckt. Wie in Draufsicht auch aus 2 ersichtlich, weist das Leuchtstoffplättchen 16 zwei Leuchtstoffbereiche auf, nämlich einen kreisförmigen ersten Leuchtstoffbereich 17 aus keramischem Leuchtstoff und einen zweiten Leuchtstoffbereich 18 aus mit Leuchtstoffpulver verfülltem Kunststoff-Matrixmaterial, insbesondere Silikon. Die beiden Leuchtstoffbereiche 17 und 18 weisen eine zumindest im Wesentlichen gleiche Höhe auf. Der erste (härtere) Leuchtstoffbereich 17 ist in Bezug auf eine Längsachse L der Leuchtdiode 11 mittig angeordnet, während der zweite (weichere) Leuchtstoffbereich 18 den ersten Leuchtstoffbereich 17 seitlich (lateral) umgibt. Der erste Leuchtstoffbereich 17 ist folglich seitlich (lateral) in den zweiten Leuchtstoffbereich 18 eingebettet.
Im Betrieb des LED-Chips 12 der Emitterfläche 15 emittiertes Primärlicht wird sowohl in den ersten Leuchtstoffbereich 17 eingestrahlt und dort z.B. zumindest teilweise in grünes Licht umgewandelt als auch in den zweiten Leuchtstoffbereich 18 eingestrahlt und dort z.B. zumindest teilweise in rotes Licht umgewandelt. Die Leuchtstoffbereiche 17, 18 sind also der Emitterfläche 15 optisch nachgeschaltet und in einem Lichtpfad des Primärlichts nebeneinander angeordnet. Von dem Leuchtstoffplättchen 16 wird dadurch insgesamt mit hoher Effizienz ein rot-grün-blaues bzw. warm-weißes Mischlicht abgestrahlt. Durch die laterale Trennung der Leuchtstoffbereiche 17, 18 wird deren gegenseitige Beeinflussung gering gehalten.
3A zeigt einen Schritt eines ersten Verfahrens zum Herstellen des Leuchtstoffplättchens 16 mittels eines Druckverfahrens. In diesem Schritt werden mehrere vorgefertigte erste Leuchtstoffbereiche 17 in Form von kreisscheibenförmigen Leuchtstoffkeramik-Plättchen in einer Maske 19 platziert.
In einem folgenden Schritt wird die Maske 19 mit den darin befindlichen ersten Leuchtstoffbereichen 17 bedruckt, und zwar mit dem noch viskosen Material des zweiten Leuchtstoffbereichs 18. Das Material des zweiten Leuchtstoffbereichs 18 wird so in die freien seitlichen Zwischenräume zwischen der Maske 19 und den ersten Leuchtstoffbereichen 17 verfüllt.
Nach Aushärten des Materials des zweiten Leuchtstoffbereichs 18 wird die Maske 19 entfernt, wodurch die fertigen Leuchtstoffplättchen 16 vereinzelt werden, wie in 3B gezeigt.
Folgend können die Leuchtstoffplättchen 16 auf den LED-Chip 12 aufgebracht werden, z.B. aufgeklebt werden.
4 zeigt einen Schritt eines zweiten Verfahrens zum Herstellen des Leuchtstoffplättchens 16, und zwar mittels eines Gussverfahrens.
Bei dem Gussverfahren wird, der erste Leuchtstoffbereich 17 in eine Gussform 19 platziert und dann mit dem Material des zweiten Leuchtstoffbereichs 18 vergossen, hier: bis zu einer Oberkante des ersten Leuchtstoffbereichs 17, aber die Emitterfläche 15 nicht bedeckend.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

11: Leuchtdiode
12: LED-Chip
13: rückwärtige Auflagefläche
14: Vorderseite
15: Emitterfläche
16: Leuchtstoffplättchen
17: erster Leuchtstoffbereich
18: zweiter Leuchtstoffbereich
19: Maske
20: Gussform
L: Längsachse

Claims

Leuchtdiode (11), aufweisend – einen LED-Chip (12) mit mindestens einer Emitterfläche (15) zur Emission von Primärlicht und aufweisend – mehrere Leuchtstoffbereiche (17, 18), welche der mindestens einen Emitterfläche (15) optisch nachgeschaltet sind, wobei – zumindest ein härterer der Leuchtstoffbereiche (17) in einem anderen, weicheren der Leuchtstoffbereiche (18) eingebettet ist.
Leuchtdiode (11) nach Anspruch 1, wobei zumindest ein härterer (17) der Leuchtstoffbereiche aus Keramik besteht.
Leuchtdiode (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der weichere der Leuchtstoffbereiche (18) einen Matrixmaterial aus Kunststoff aufweist, welcher mit mindestens einem Leuchtstoff als Füllmaterial versetzt ist.
Leuchtdiode (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffbereiche (17, 18) in einem Lichtpfad des Primärlichts nebeneinander angeordnet sind.
Leuchtdiode (11) nach Anspruch 4, wobei die Leuchtstoffbereiche (17, 18) Bereiche eines Leuchtstoffplättchens (16) darstellen und eine Emitterfläche (15) des LED-Chips (12) bedecken.
Leuchtdiode (11) nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine härtere der Leuchtstoffbereiche (17) von dem anderen, weicheren der Leuchtstoffbereiche (18) lateral umgeben ist.
Leuchtdiode (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei härtere der Leuchtstoffbereiche (17) eine kreisscheibenförmige Grundform aufweist.
Leuchtdiode (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Primärlicht blaues Licht ist, ein härterer der Leuchtstoffbereiche (17) das blaue Primärlicht zumindest teilweise in grünes bis gelbes Licht umwandelt und der weichere der Leuchtstoffbereiche (18) das blaue Primärlicht zumindest teilweise in rotes Licht umwandelt.
Leuchtdiode (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der weichere der Leuchtstoffbereiche (18) mittels eines Druckverfahrens hergestellt worden ist.
Leuchtdiode (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der weichere der Leuchtstoffbereiche (18) mittels eines Gussverfahrens hergestellt worden ist.