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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der lichtemittierenden Vorrichtungen, genauer lichtemittierende Vorrichtungen, die auf dem sog. „Remote-Phosphor”-System beruhen.
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Unter „Remote-Phosphor”-Systemen werden dabei insbesondere Vorrichtungen verstanden, bei der ein Leuchtstoff (Luminophor, engl.: Phosphor) von einer in einem schmalen Wellenlängenbereich Licht emittierenden Lichtquelle entfernt angeordnet ist, üblicherweise gebunden in oder verbunden mit einer Polymer-, Glas- oder Keramik-matrix. Hiermit unterscheidet sich ein Remotephosphor-System grundlegend von einem System, bei dem der Leuchtstoff direkt auf oder an der Lichtquelle angebracht ist, wie beispielsweise bei LED-Lichtquellen bei denen der Leuchtstoff direkt auf dem Licht emittierenden Dice aufgebracht ist. Üblicherweise unterscheidet man dabei zwei grundsätzliche Aufbauten, von denen viele Varianten abgeleitet werden können:
- a) „Remotephosphor in Transmissionsanwendung”: Die Leuchtstoffmatrix wird auf eine Reflexionskammer aufgesetzt, in der sich die LED befindet. Das Licht kann nur durch die Matrix hindurch entweichen (Transmission).
- b) ”Remotephosphor in Remissionsanwendung”: Die Leuchtstoffmatrix wird auf einen reflektierenden Träger aufgebracht oder wird rückseitig mit reflektierendem Material beschichtet, die LED-Lichtquelle befindet sich in oder leicht seitlich der Abstrahlrichtung und strahlt auf die Leuchtstoffmatrix. Das konvertierte Licht wird re-emittiert in Richtung der Lichtquelle bzw. in Abstrahlrichtung. Das durch die Leuchtstoffmatrix gelangte Licht, wird durch die rückseitige Reflexionsschicht auch wieder durch die Leuchtstoffmatrix hindurch in Abstrahlrichtung gelenkt. Das Licht kann also nur in die Remissions-Richtung entweichen.
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Die
DE 10 2006 054 330 A1 betrifft einen Leuchtstoffkörper, der auf natürlichen und/oder synthetischen, hoch stabilen, plättchenförmigen Substraten wie Glimmer (Aluminosilikat), Korund (Al2O3), Silica (SiO2), Glas, ZrO2 oder TiO2 sowie mindestens einem Leuchtstoff basiert, dessen Herstellung über strukturierte Folien sowie dessen Verwendung als LED-Konversionsleuchtstoff für weisse LEDs oder sogenannte Color-on-demand-Anwendungen.
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Wie es generell bei LED-Lichtquellen der Fall ist, besteht für „Remote-Phosphor”-Systeme der ständige Bedarf weiterer Optimierung und Verbesserung. Es ist somit eine Aufgabe eine verbesserte lichtemittierende Vorrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Demgemäß wird eine lichtemittierende Remote-Phosphor-Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend eine konvertierende Leuchtstoffkeramik (als Leuchtstoffmatrix), wobei die Leuchtstoffkeramik
- – plattenförmig aufgebaut ist
- – eine Dicke von ≥ 0,1 mm bis ≤ 2,0 mm besitzt
- – ein Verhältnis von Durchmesser zu Dicke von > 5:1 besitzt
- – sowie die Konzentration an emittierenden Metallionen in der Leuchtstoffkeramik von ≥ 0.01 mmol/cm3 bis 1.0 mmol/cm3 beträgt und
wobei die lichtemittierende Remote-Phosphor-Vorrichtung bei einer aus der Vorrichtung abgestrahlten Strahlungsleistung von ≥ 10 W pro cm2 der nach außen gerichteten Flächen der Leuchtstoffkeramik betrieben wird.
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Überraschenderweise hat sich so herausgestellt, dass die Eigenschaften der lichtemittierenden Vorrichtung bei vielen Anwendungen stark verbessert werden können. Insbesondere bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung bei den meisten Ausführungsformen und konkreten Ausgestaltungen einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
- – Die Maximaltemperatur der Leuchtstoffmatrix kann auf 200°C begrenzt werden
- – Die Effizienz des Systems wird erhöht
- – Hohe Temperaturunterschiede innerhalb der Leuchtstoffmatrix können vermieden werden
- – Ein besonders flaches System kann gebildet werden
- – Ein besonders energiedichtes System mit relativ zur Fläche hoher Strahlungsleistung kann gebildet werden
- – Die Lebensdauer des Systems wird erhöht
- – Die Farbstabilität des emittierten Lichtes entlang der Lebensdauer wird erhöht
- – Ein System aus nichtorganischen Komponenten kann gebildet werden welches relativ unempfindlich ist gegen aggressive Substanzen wie Laugen oder Säuren
- – Ein System aus nichtorganischen Komponenten kann gebildet werden, welches relativ unempfindlich ist gegen energiereiche Strahlung im UV- oder Blaulichtspektrum
- – Eine Assemblierung der Komponenten mit wenigen Assemblierungsschritten wird ermöglicht
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Der Term „konvertierender Leuchtstoff” im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet oder umfasst insbesondere ein Material, welches bei geeigneter Anregung, vorzugsweise im blauen, UV-A oder UV-B-Bereich (also insbesondere von 280–490 nm) Licht emittiert.
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Der Ausdruck „Keramik” im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein kompaktes kristallines oder polykristallines Material mit einer kontrollierten Menge an Poren oder porenfrei.
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Der Ausdruck „polykristallines Material” im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst dabei insbesondere ein Material mit einer Volumendichte von größer 90 Prozent der Hauptkomponente, bestehend zu mehr als 80 Prozent aus einzelnen Kristalldomänen, wobei jede Kristalldomäne einen Durchmesser von 0,1–10 μm und abweichende kristallographische Orientierung besitzt. Die einzelnen Kristalldomänen können über amorphes oder glasartiges Material oder über zusätzliche kristalline Phasen miteinander verbunden bzw. verdünnt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt das kristalline Material eine Dichte von > 90% bis < 100% der theoretischen Dichte. Dies hat sich für viele Anwendungen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft herausgestellt.
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Der Ausdruck „LED Dice” im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst insbesondere ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement, welches das zentrale, Licht emittierende Subsystem einer jeden LED ist. Ein LED Dice besteht für gewöhnlich im Wesentlichen aus einer sogenannten Trägerschicht (z. B. Silizium, Silizium Carbid, Saphir oder Gallium-Nitrid) und aus per Gasphasenabscheidung aufgebrachten dünnen Halbleiterschichten (z. B. GaN, InGan) die die durch Elektrolumineszenz Licht emittierenden Schichten darstellen. Zwischen den Licht emittierenden Schichten und dem Trägermaterial sind für gewöhnlich noch Licht reflektierende Schichten eingebracht um die Effizienz der Dices bezüglich Lichtauskopplung noch zu erhöhen.
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Bei modernen LED-Dices wird vermehrt die Montageart des Dices auf der dem Lichtmodul internen Montagefläche umgekehrt, um eine bessere Wärmekopplung zwischen Licht emittierender Schicht und Montagefläche zu erhöhen, wobei dann von einer ”flip-chip” Systemarchitektur des Dices gesprochen wird.
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Von diesen oben genannten Beispielen des Standes der Technik von LED Dices sind im Sinne der Erfindung jedoch die kommenden LED-Technologien nicht ausgenommen, wie beispielsweise der sogenannten Nano-LEDs, welche stark verkleinerte Mikrostrukturen aufweisen, und sich insbesondere durch ihre 3-dimensional ausgeformten, Licht emittierenden Halbleiterschichten unterscheiden von den schichtartig aufgebauten Halbleiterschichten der heutzutage üblichen LED-Dice Systemarchitektur.
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Der Ausdruck „Dicke” im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst insbesondere die durchschnittliche Dicke.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der Leuchtstoffkeramik von ≥ 0,3 mm bis ≤ 1 mm, noch bevorzugt ≥ 0,4 mm bis ≤ 0, 8 mm. Dies hat sich in der Praxis bewährt.
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Der Ausdruck „Durchmesser” im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst insbesondere die minimale Ausdehnung, wenn die Leuchtstoffkeramik nicht kreisförmig ist sondern z. B. quadratisch oder rechteckig. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Leuchtstoffkeramik sich über mehrere Vorrichtungen erstrecken kann, insbesondere, wenn die Vorrichtungen in ein System eingebettet ist, wie später erläutert. Der Ausdruck „Durchmesser” bezieht sich dann auf den jeweiligen Abschnitt der Leuchtstoffkeramik.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis von Durchmesser zu Dicke von ≥ 10:1, bevorzugt ≥ 15:1, ferner bevorzugt ≥ 20:1. Dies hat sich in der Praxis bewährt.
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Der Term „emittierende Metallionen” umfasst und/oder bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Metallionen, welche bei geeigneter Anregung, vorzugsweise im blauen, UV-A oder UV-B-Bereich, Licht emittieren. Insbesondere bevorzugt sind dabei seltene Erden, insbesondere Europium und/oder Cerionen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Konzentration an emittierenden Metallionen in der Leuchtstoffkeramik von > 0.1 mmol/cm3 bis < 0.5 mmol/cm3.
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Der Term „Strahlungsleistung” im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet oder umfasst insbesondere die aus dem Lichtsystem in den gesamten Raum abgestrahlte Strahlungsleistung (W).
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Ein standardisierter Weg, um die Strahlungsleistung einer Beleuchtungsvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung zu messen, wird beschrieben in der CIE 127:2007 (Measurements of LEDs) der International Commission on Illumination. CIE 127:2007 (Measurements of LEDs) schlägt vor eine Ulbrichtkugel für die Messung zu verwenden, welche auf den Modus ”total flux mode” (gesamte Strahlungsleistung) eingestellt wird um die gesamte Strahlungsleistung (W) zu messen welche von der Beleuchtungsvorrichtung abgestrahlt wird. Um dies zu tun, wird ein Radiometer an die Ulbrichtkugel angeschlossen. Ein Radiometer ist ein Instrument um die Leistung einer Strahlenquelle (Φ) zu messen.
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Es gibt eine Vielzahl von Strahlungsdetektoren welche mit dem Radiometer verwendet werden können, je nach dem zu messenden Wellenlängenbereich. Ein Siliziumdetektor ermöglicht Messungen vom ultravioletten Bereich bis in den Nahinfrarotbereich (200 nm bis 1100 nm). Ein Germaniumdetektor ermöglicht Messungen über den Nahinfrarotbereich hinaus (800 nm bis 1800 nm). Andere Detektoren sind erhältlich für noch längere Wellenlängen, wie zum Beispiel InGaAs-Detektoren.
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Industrielle Standardbeschichtungen können im Inneren der Ulbrichtkugel aufgebracht werden um die Strahlungsleistung der Beleuchtungsvorrichtung im Ultravioletten, Sichtbaren und Infraroten Lichtspektrum zu messen. Zum Beispiel kann eine Teflon (PTFE) Beschichtung aufgebracht werden, welche einen hohen Reflexionsgrad von bis zu 95% im Wellenlängenbereich 250 nm–2500 nm hat.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die lichtemittierende Remote-Phosphor-Vorrichtung eine Reflexionskammer und mindestens eine LED Dice, wobei die Höhe der Reflexionskammer minus die Höhe des LED-Dices > 3% bis < 50% des Durchmessers der Leuchtstoffkeramik beträgt. Dies hat sich als vorteilhaft herausgestellt, überraschenderweise ist schon bei einer Höhe von ≥ 3% bei den allermeisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verminderung von Streuverlusten feststellbar.
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Bevorzugt beträgt die Höhe der Reflexionskammer ≥ 5% bis ≤ 20% des Durchmessers der Leuchtstoffkeramik, weiter bevorzugt ≥ 7% bis ≤ 11% des Durchmessers der Leuchtstoffkeramik.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der LED-Dice Halbleiterschichten welche bei Anlegung von elektrischer Spannung dazu angeregt werden elektromagnetische Strahlung zu emittieren (Elektrolumineszenz). Diese Halbleiterschichten sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
AlGaN (Aluminium Gallium Nitride)
AlInGaP (Aluminium Gallium Indium Phosphide)
GaAs (Galliumarsenide)
GaAsP (Gallium Arsenide Phosphide)
InGaN (Indium Gallium Nitride)
GaN (Gallium Nitride)
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Besonders bevorzugt sind hierbei Halbleiterschichten aus der Gruppe
InGaN (Indium Gallium Nitride)
GaN (Gallium Nitride)
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reflexionskammer mit einem transparentem Medium und/oder Material ausgefüllt, welches einen höheren optischen Brechungsindex als Luft aufweist. Dies hat sich für viele Anwendungen der vorliegenden Erfindung als zweckmäßig herausgestellt. Bevorzugte Materialien sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicone, Gläser und Mischungen daraus.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die konvertierende Leuchtstoffkeramik einen Leuchtstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
rot emittierende Leuchtstoffe:
(Sr1-xCax)S:Eu2+
(Sr1-x-yCaxBay)2Si5N8:Eu2+
(Sr1-x-yCaxBay)2Si5-zAlzN8-zOz:Eu2+
(Sr1-xCax)AlSiN3:Eu2+
SrLiAl3N4:Eu2+
(Ba1-x-ySrxCay)SiN2:Eu2+
ALn1-x-yEuxM2O8:REy
(Ln1-x-yEux)2MO6:RE2y
(Ln1-x-yEux)2M2O9:RE2y
(Ln1-x-yEux)2M3O12:RE2y
(Ln1-x-yEux)2M4O15:RE2y
(Ln1-x-yEux)6MO12:RE6y
(AE1-2x-yEuxAx+y)3MO6:RE3y
A3AE2(Ln1-x-yEux)3(MoO4)8:REy
mit M = Mo, W, A = Li, Na, K, Rb, Cs und AE = Ca, Sr, Ba
sowie 0 ≤ x, y ≤ 1.0, x + y ≤ 1.0 und 0 ≤ z ≤ 1.0
blau emittierende Leuchtstoffe:
(Ba1-x-ySrxCay)2(Mg1-zZnz)Si2O7:Eu2+
(Ba1-xSrx)MgAl10O17:Eu2+
(Ba1-xSrx)Mg3Al14O25:Eu2+
(Ba1-xSrx)Al12O19:Eu2+
(Sr1-x-yCaxMgy)2Si2O6:Eu2+
CaAl2O4:Eu2+
(Ba1-xSrx)Al2Si2O8:Eu2+
(Ba1-xSrx)6BP5O20:Eu2+
(Ca1-x-ySrxBay)5(PO4)3(F1-zClz):Eu2+
(Y1-xGdx)(Nb1-zTaz)O4
mit (wo andwendbar und unabhängig voneinander) 0 ≤ x, y ≤ 1.0, x + y ≤ 1.0 und 0 ≤ z ≤ 1.0
gelb emittierende Leuchtstoffe:
Ba2Si5N8:Eu2+
La3Si6N11:Ce3+
(Ca1-xSrx)Si2N2O2:Eu2+
(Y1-xGdx)3(Al1-yGay)5O12:Ce3+
(Y1-xTbx)3(Al1-yGay)5O12:Ce3+
Ca(Y1-xLux)2Al4SiO12:Ce3+
SrLi2SiO4:Eu2+
(Ca1-xSrx)2SiO4:Eu2+
(Ca1-xSrx)3SiO5:Eu2+
mit (wo andwendbar und unabhängig voneinander) 0 ≤ x, y ≤ 1.0
grün emittierende Leuchtstoffe
Lu3(Al1-xGax)5O12:Ce3+
(Lu1-xYx)3Sc2Al3O12:Ce3+
(Ba1-xSrx)2SiO4:Eu2+
SrAl2O4:Eu2+
Sr4Al14O25:Eu2+
BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+
BaMg3Al14O25:Eu2+,Mn2+
(Ba1-xSrx)Al12O19:Eu2+,Mn2+
Ba3Si6O12N2:Eu
α,β-SiAlONes:Eu
(Sr1-xBax)Si2N2O2:Eu2+
(Sr1-xBax)2SiO4:Eu2+
(Sr1-xBax)3SiO5:Eu2+
(Sr1-x-yBaxCay)Ga2S4:Eu2+
(Lu1-xYx)3(Al1-zGaz)5O12:Ce3+
(Lu1-xYx)3(Al1-zScz)5O12:Ce3+
mit (wo andwendbar und unabhängig voneinander) 0 ≤ x, y ≤ 1.0, x + y ≤ 1.0 und 0 ≤ z ≤ 1.0
NIR (680–900 nm) emittierende Leuchtstoffe:
(Al1-xGax)2O3:Cr3+
(Mg1-xZnx)Al2O4:Cr3+
MgO:Cr3+
(Sr1-x-yBaxCay)(Al1-zGaz)2O4:Cr3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Cr3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zScz)5O12:Cr3+ (Ba1-xSrx)MgAl10O17:Cr3+
(Ba1-xSrx)Mg3Al14O25:Cr3+
(La1-x-yYxGdy)(Al1-zGaz)O3:Cr3+
SrAl4O7:Cr3+
SrAl12O19:Cr3+
Sr3Al2O6:Cr3+
Sr4Al14O25:Cr3+ (La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Cr3+
mit (wo andwendbar und unabhängig voneinander) 0 ≤ x, y ≤ 1.0, x + y ≤ 1.0 und 0 ≤ z ≤ 1.0
IR-A (900–2500 nm) emittierende Leuchtstoffe:
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Pr3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zScz)5O12:Pr3+
(La1-x-yYxGdy)(Al1-zGaz)O3:Pr3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Pr3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)2O3:Pr3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Pr3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)F4:Pr3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Pr3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Pr3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Pr3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Pr3+
(La1-x-yYxGdyLuz)VO4:Pr3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Nd3+
(Lu1-x-yYxGdy)(Al1-zScz)O3:Nd3+
(La1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)O3:Nd3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Nd3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)2O3:Nd3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Nd3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)F4:Nd3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Nd3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Nd3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Nd3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Nd3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)VO4:Nd3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Sm3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zScz)5O12:Sm3+
(La1-x-yYxGdy)(Al1-zGaz)O3:Sm3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Sm3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)2O3:Sm3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Sm3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)F4:Sm3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Sm3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Sm3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Sm3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Sm3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)VO4:Sm3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Dy3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zScz)5O12:Dy3+
(La1-x-yYxGdy)(Al1-zGaz)O3:Dy3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Dy3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)2O3:Dy3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Dy3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)F4:Dy3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Dy3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Dy3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Dy3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Dy3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)VO4:Dy3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Ho3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zScz)5O12:Ho3+
(La1-x-yYxGdy)(Al1-zGaz)O3:Ho3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Ho3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)2O3:Ho3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Ho3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)F4:Ho3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Ho3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Ho3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Ho3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Ho3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)VO4:Ho3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Er3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zScz)5O12:Er3+
(La1-x-yYxGdy)(Al1-zGaz)O3:Er3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Er3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)2O3:Er3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Er3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)F4:Er3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Er3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Er3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Er3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Er3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)VO4:Er3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(A1-zGaz)5O12:Tm3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zScz)5O12:Tm3+
(La1-x-yYxGdy)(Al1-zGaz)O3:Tm3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Tm3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)2O3:Tm3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Tm3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)F4:Tm3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Tm3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Tm3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Tm3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Tm3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)VO4:Tm3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Yb3+
(Lu1-x-yYxGdy)3(A1-zScz)5O12:Yb3+
(La1-x-yYxGdy)(A1-zGaz)O3:Yb3+
(La1-x-yYxGdy)MgAl11O19:Yb3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz):Yb3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)F3:Yb3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz):Yb3+
K(Y1-x-yGdxLuy)3F10:Yb3+
Ba(La1-x-y-zYxGdyLuz)2F8:Yb3+
(Ca1-x-ySrxBay)WO4:Yb3+
(Li1-a-bNaaKb)(La1-x-y-zYxGdyLuz)W2O8:Yb3+
(La1-x-y-zYxGdyLuz)VO4:Yb3+
mit (wo andwendbar und unabhängig voneinander) 0 ≤ a, b, x, y, z ≤ 1.0, x + y + z ≤ 1.0, a + b ≤ 1.0
oder Mischungen dieser Stoffe.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung noch thermische Brücken. Dies hat sich insbesondere zur Wärmeabfuhr bewährt.
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Der Term „thermische Brücken” umfasst und/oder bedeutet insbesondere eine thermische Verbindung von der zu kühlenden Systemkomponente (Leuchtstoffmatrix) mit einer zur Wärmeabfuhr geeigneten Systemkomponente, wobei diese thermische Verbindung realisiert wird durch ein besonders gut wärmeleitendes Material (Wärmeleitfähigkeit ≥ Wärmeleitfähigkeit der Leuchtstoffmatrix) wie beispielsweise Carbon Nano Tubes, Diamantpulver, SiC, Si3N4, MgO, AlN, AlON, Aluminium, Kupfer, Zinn, Zink, Silber oder Gold.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein System, umfassend eine oder mehrere lichtemittierende Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese sind bevorzugt benachbart zueinander in Raster- oder Gitterform angeordnet, so dass eine zugleich kompakte wie vergleichsweise große Gesamtarchitektur erreicht werden kann Die kompakte Systemarchitektur wird im Weiteren dadurch begünstigt wenn die benachbarten Systeme an den zugewandten Seiten die gleichen thermischen Brücken teilen, was insofern eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen – beispielhaft – mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine sehr schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine ausschnittsweise Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1 von schräg oben.
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3 ein System aus mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung
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4 eine Explosionsansicht eines zweiten Systems umfassend mehrere erfindungsgemäßer Vorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
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5 eine sehr schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 die Ansicht auf 5 in einer Schnittansicht schräg von oben; sowie
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7 eine sehr schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine sehr schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei eine konvertierende Leuchtstoffkeramik 10, die auf einer ringförmigen thermisch leitfähigen Schicht 25 aufgesetzt ist, welche wiederum auf einem Trägersubstrat 20 aufgebracht ist, so dass sich eine Reflexionskammer 40 bildet. Auf dem Trägersubstrat ist weiterhin ein LED Dice 30 aufgebracht, zusätzlich sind zwei Metallisierungsebenen 50 vorgesehen, über die die Vorrichtung mechanisch und thermisch verbunden werden kann. Das Trägersubstrat 20 befindet sich weiterhin auf einem Wärmeableiter 60.
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Wie in 1 zu sehen, ist die Leuchtstoffkeramik 10 plattenförmig aufgebaut, so dass der Durchmesser D der Leuchtstoffkeramik 10 im Verhältnis zur Dicke d deutlich größer ist als 5:1. Weiterhin ist die Höhe h der Reflexionskammer 40 angezeigt; die Verhältnisse in 1 sind sehr schematisch, bei den meisten Anwendungen beträgt die Höhe h der Reflexionskammer 3% oder mehr des Durchmessers D.
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2 zeigt die Vorrichtung aus 1 in ausschnittsweiser Draufsicht von schräg oben. Wie in 2 gut zusehen, ist die Leuchtstoffkeramik 10 etwa diskusförmig und liegt auf der ringförmigen thermisch leitfähigen Schicht 25 auf.
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3 zeigt ein System aus mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Wie in 3 gut zu sehen, bilden die – diesmal quadratisch ausgeformten – Leuchtstoffkeramiken 10 ein 3 × 3 Gatter. Weiterhin ist hier zu erkennen dass die thermisch leitfähige Schicht 25 in der hier dargestellten Ausführungsform formschlüssig seitlich an die Leuchtstoffkeramik 10 angebracht ist oder in diese übergeht, wobei hier die thermisch leitfähige Schicht 25 aus dem gleichen Material wie das der Leuchtstoffkeramik gefertigt werden kann.
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Darüber hinaus ist in dieser Ausführungsform zu erkennen dass die thermisch leitfähige Schicht 25 formschlüssig angebracht ist oder übergeht in einen Bodenflansch 25b welcher beispielsweise über eine hier nicht dargestellte bodenseitige Metallisierungsebene thermisch und mechanisch mit einem hier nicht dargestellte Trägersubstrat oder dem Wärmeableiter 60 verbunden werden kann.
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4 zeigt eine Explosionsansicht eines zweiten, deutlich komplexeren Systems umfassend mehrere erfindungsgemäßer Vorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Gemäß 4 ist das System auf einem kupferhaltigen Wärmeableiter 60 schichtförmig aufgebaut. Zuerst ist eine erste Metallisierungsschicht 51 aufgebracht, anschließend eine elektrisch isolierende aber thermisch leitfähige Keramikschicht 80. Darauf ist eine reflektive sowie elektrisch leitfähige Metallisierungsschicht 52 vorgesehen, auf der wiederum ein Rahmen sowie Stege aus Kupfer angebracht sind, welche die thermisch sowie elektrisch leitfähigen Schichten 25A und die Thermovias 25B repräsentieren. Auf diesen ist wiederum eine reflektierende (Lack-)Schicht 70 aufgebracht. Im Zentrum des Systems befindet sich ein Gitter von LEDs 30 welche auf der von den Schichten 25A und 25B nicht bedeckten Metallisierungsschicht 52 aufgebracht sind. Schicht 25A und 25B können sowohl aus separaten oder auch zusammenhängenden Körpern bestehen, diese sind also beispielsweise formschlüssig aus einem Stück oder aus separaten Elementen gefertigt.
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Abschließend ist eine weitere Metallisierungsschicht 53 auf den Thermovias (oder auch: Thermostegen) 25B aufgebracht sowie abschließend eine Leuchtstoffkeramik 10. Die Breite einer einzelnen Reflexionskammer ist dabei durch die Angabe des Durchmessers in 4 definiert, welcher sich von dem Abstand der Thermostege 25B ableitet
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5 zeigt eine sehr schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In 5 ist gut zu sehen, dass ähnlich wie in der Ausführungsform 3 auch hier die Leuchtstoffkeramik 10 formschlüssig übergeht oder angebracht ist an die thermisch leitfähige Schicht 25, welche wiederum formschlüssig angebracht ist oder übergeht in einen Bodenflansch 25b welcher beispielsweise über eine hier nicht dargestellte bodenseitige Metallisierungsebene thermisch und mechanisch mit einem hier nicht dargestellte Trägersubstrat oder dem Wärmeableiter 60 verbunden werden kann.
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Abweichend von 3 hat diese Ausführungsform jedoch einen separaten, im Inneren der Leuchtstoffkeramik 10 angebrachten Bodenflansch, der wiederum wie bereits oben beschrieben über die thermisch leitfähige Schicht mit der Leuchtstoffkeramik verbunden ist und bodenseitig an ein Trägersubstrat oder den Wärmeableiter 60 thermisch und/oder mechanisch verbunden werden kann, wobei Bodenflansch und thermisch leitfähige Schicht aus dem gleichen Material gefertigt werden können wie das der Leuchtstoffkeramik. Die für die Entwärmung der Leuchtstoffkeramik 10 wesentliche Breite der Leuchtstoffkeramik ist dabei durch die Angabe des Durchmessers in 5 definiert.
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6 zeigt die Ausführungsform aus 5 in einer Schnittansicht etwa schräg von oben. In dieser Ansicht ist die Größe der Leuchtstoffkeramik 10 besonders gut zu sehen.
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7 zeigt eine sehr schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der, anders als in 5 und 6, die thermischen Brücken 90 säulenförmig aufgebaut sind. Auch hier bedeckt die Leuchtstoffkeramik wie in 4 mehrere Reflexionskammern, wobei diese Reflexionskammern im Unterschied zu 4 nicht durch balkenförmige Thermostege abgegrenzt sind, sondern abstrakt gebildet werden durch die benachbarten freistehenden Thermovias 90.
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Die Größe einer einzelnen abstrakten Reflexionskammer ist dabei durch die Angabe des Durchmessers in 6 definiert welcher zum einen von dem Abstand der Kammerbildenden Thermovias 90 zueinander sowie durch den Abstand der Kammerbildenden Thermovias 90 und der nächstgelegenen inneren Wandung der thermisch leitfähigen Schicht 25 gebildet werden kann.
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Die Abstände der Thermovias 90 sind in 6 bewusst teilweise unregelmäßig unter der Fläche der Leuchtstoffkeramik verteilt, da es sich in der Praxis gezeigt hat, dass die Abstände der Thermovias von Fall zu Fall verkleinert werden müssen, um die Verteilung dieser Thermovias 90 mit der Verteilung der LED Dices 30 abzugleichen, da die LED Dices beispielsweise elektronisch in zwei parallele Serienschaltung mit gleicher Anzahl von LED Dices verbunden werden müssen. D ist hier also als maximale Kammergröße zu verstehen, die den thermisch bedingten Lichtkonvertierungseffizienzabfall (engl.: thermal quenching) in der Phosphorplatte begrenzt, wobei einzelne Kammergrößen und damit die Abstände der Thermovias aus schaltungstechnisch bedingten Gründen auch reduziert werden können.
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Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert.
