DE102017220940A1

DE102017220940A1 - Konverter für eine Konversionsleuchte mit Wärmeleitschicht

Info

Publication number: DE102017220940A1
Application number: DE102017220940.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Daniels
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Die vorliegende Offenbarung zeigt einen Konverter umfassend eine Konversionsschicht (2) und eine Wärmeleitschicht (4) mit einer gegenüber der Konversionsschicht (2) erhöhten Wärmeleitfähigkeit. Ferner wird eine Konversionsleuchte (22) mit einer Wärmeleitschicht (4) bzw. Sicherheitsschicht (24) gezeigt, die bei entsprechend angeordneter Strahlungsquelle (26) bei einem Ablösen der Konversionsschicht (2) von der Sicherheitsschicht (24) eine interne Reflexion einer Anregungsstrahlung (8) in der Sicherheitsschicht (24) bewirkt. Schließlich wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Wärmeleitschicht (4) mittels chemischen Gasabscheidens vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Konverter für eine Konversionsleuchte. Eine Konversionsleuchte umfasst zumindest eine Strahlungsquelle und einen dazu separaten Konverter zum Konvertieren einer von der Strahlungsquelle abgegebenen Anregungsstrahlung in eine Konversionsstrahlung.
Die Konversionsleuchte ist vorzugsweise eine Leuchte mit der sogenannten LARP-Technologie. Das fachsprachliche Akronym LARP steht für Laser Activated Remote Phosphor. Aus dem Stand der Technik sind solche LARP-Systeme bekannt, siehe beispielsweise DE102012223854 A1 und DE102012201307 A1 . Der Konverter ist dabei häufig hohen Temperaturen bzw. Wärmeenergieeinträgen ausgesetzt. Diese rühren zum Einen von der Energie der auf den Konverter einstrahlenden Strahlung und zum Anderen vom Konversionsvorgang an sich her, da die Strahlung dabei teilweise durch den Konverter absorbiert und wellenlängenumgewandelt wird, wobei beim Umwandeln einer hochenergetischer Strahlung in Strahlung mit niedriger Energie (größerer Wellenlänge) ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt („Stokes-Shift“ oder „Stokes-Verschiebung“). Der Konverter umfasst einen Konversionsstoff bzw. Leuchtstoff (auch als Phosphor bezeichnet), und/oder er besteht daraus. Häufig werden Konversionsstoffe eingesetzt, bei denen die Konversionseffizienz von der Temperatur (Erwärmung) abhängt und mit höherer Temperatur abnimmt; dies wird auch als thermisches Quenchen oder thermisches Roll-Over bezeichnet. Hieraus folgt - bei gegebenen bauraumlichen Anforderungen, optischen Anforderungen bezüglich einer Strahlungskonzentration und/oder Kostenanforderungen bezüglich der Menge und/oder Größe des verwandten Konversionsmaterials - eine Leistungsbegrenzung der resultierenden Konversionsleuchte.
Bei Konversionsleuchten mit hoher Strahlungsstärke wird häufig ein Laser, mithin eine kollimierte Strahlung hoher Strahldichte als Anregungsstrahlung verwandt. Daher ist eine Vorsichtsmaßnahme dahingehend zu treffen, dass die Laserstrahlung hoher Strahldichte nicht austritt, sodass bspw. nicht ein Mensch zu Schaden kommt (Auge, Haut). Bekannt ist, hierfür eine Rückmeldungssteuerung, wie eine sogenannte aktive SRS-Sicherheits-Sensorik (SRS = Safety Recognition Sensor), vorzusehen, welche die Unversehrtheit des Konverters erfasst, und bei Vorliegen einer Schädigung ein Erzeugen der Laser-Anregungsstrahlung unterbindet oder deren Strahlungsleistung minimiert. Solche aktiven SRS-Systeme sind in US20160290856 , DE102015213460 und DE 102015220838 beschrieben. Diese Rückmeldungssteuerung bedeutet einen konstruktiven und Hersteller-seitigen Aufwand.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Konversionsleuchte für eine hohe Strahldichte bzw. Leuchtdichte vorzusehen. Dabei sind nach Möglichkeit Aspekte der Serienfertigung und Funktion-erhöhende Aspekte bevorzugt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Konverter gemäß dem Anspruch 1, durch eine Konversionsleuchte gemäß dem Anspruch 13 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungskonverters gemäß dem Anspruch 14. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Unabhängig beanspruchbar ist ein Konverter für eine Konversionsleuchte, umfassend zumindest eine zum zumindest teilweisen Konvertieren einer Anregungsstrahlung in eine Konversionsstrahlung konfigurierte Konversionsschicht, wobei diese zumindest einseitig mit einer Wärmeleitschicht verbunden ist, die eine gegenüber der Konversionsschicht erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Wärmeleitschicht kann dabei als eine Schicht aus einem zum Wärmeleiten geeigneten Material, wie einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest 50 W/mK bzw. Watt je Meter mal Kelvin, definiert sein. Als eine erfindungsgemäße Wärmeleitschicht kann gemäß einem alternativ oder zusätzlich anwendbaren Verständnis eine Schicht sein, aufweisend über 50 Gew.% oder bevorzugter zumindest 75 Gew.% oder noch bevorzugter zumindest 90 Gew.% oder am bevorzugtesten etwa 100 Gew.% zumindest eines oder bevorzugter Weise eines der Materialien Diamant, Saphir, Zinksulfid, Glaskeramik und/oder dergleichen. Für reflektive LARP-Anordnungen können optische reflektierende Materialen mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, wie beispielsweise Kupfer, Silber, Gold oder Siliziumkarbid. Durch die Wärmeleitschicht kann eine bei der Konversion entstehende Wärme abgeführt werden, sodass ein thermisches Quenchen zugunsten einer Leistungserhöhung hemmbar ist.
Der Konverter ist vorzugsweise für eine Konversionsleuchte nach der LARP-Technologie geeignet. Bei der LARP-Technologie wird durch eine Strahlungsquelle eine Anregungsstrahlung abgegeben. Die Strahlungsquelle wird häufig als Lichtquelle bezeichnet, kann aber prinzipiell auch eine elektromagnetische Strahlung außerhalb des sichtbaren Lichts abgeben. Die Anregungsstrahlung wird auch als Anregungsstrahl oder Pumpstrahl oder Pumplaserstrahl bezeichnet bzw. konfiguriert. Die von der Strahlungsquelle abgegebene Anregungsstrahlung trifft auf den Konverter bzw. der Konverter wird mit der Anregungsstrahlung bestrahlt. Der auch als Konversionselement bezeichnete Konverter ist vorzugsweise von der Strahlungsquelle beabstandet angeordnet. Er weist einen Leuchtstoff auf, und/oder er besteht daraus. Die Anregungsstrahlung wird vom Leuchtstoff zumindest teilweise absorbiert und zumindest teilweise in eine Konversionsstrahlung umgewandelt bzw. wellenlängen-umgewandelt, wobei sich dann aufgrund der Stokes-Verschiebung eine Erwärmung des Konversionsmaterial ergibt. Eine vom Konverter abgegebene Ausgangsstrahlung bzw. Nutzstrahlung umfasst also zumindest die Konversionsstrahlung. Die Ausgangsstrahlung kann die Anregungsstrahlung - genauer gesagt: einen nichtkonvertierten und/oder nicht-absorbierten Anteil der Anregungsstrahlung - umfassen. Die Konversionsstrahlung ist vorzugsweise ein Konversionslicht. Die Wellenlängen und somit die spektralen Eigenschaften und/oder Farbe der Konversionsstrahlung werden durch die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs bestimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Konversionsschicht einen einkristallinen Phosphor enthält und/oder daraus besteht. Phosphor wird hier fachsprachlich als eine Gattungsbezeichnung für Leuchtstoffe verwendet. Beispielsweise weist einkristalliner Phosphor vorteilhaft eine seinerseits erhöhte Wärmeleitfähigkeit, eine Polierbarkeit und/oder eine weitgehende Porenfreiheit auf.
Die Schichten Wärmeleitschicht und Konversionsschicht sind vorzugsweise so ausgebildet bzw. dazu konfiguriert, dass sie in einer Strahlungsausbreitungsrichtung einer Konversionsleuchte der Reihe nach angeordnet sind. Mit anderen Worten, wenn eine übliche Konversionsleuchte der Reihe nach die Elemente Strahlungsquelle, Primäroptik, Konverter und Sekundäroptik aufweist, dann ist der erfindungsgemäße Konverter vorzugsweise dazu konfiguriert, dass die gegenüber dem Üblichen veränderte Konversionsleuchte der Reihe nach die Elemente Strahlungsquelle, Primäroptik, Konversionsschicht oder Wärmeleitschicht, Wärmeleitschicht oder Konversionsschicht, eventuell weitere Konversionsschicht oder Konversionsschichten oder Wärmeleitschicht oder Wärmeleitschichten und Sekundäroptik aufweist. Dabei sind erfindungsgemäß zumindest eine Konversionsschicht und zumindest eine Wärmeleitschicht vorgesehen, die miteinander verbunden sind. Diese können in der Strahlungsausbreitungsrichtung am Anfang, am Ende und zwischen Anfang und Ende des Konverters angeordnet sein. Der Konverter kann noch andere Schichten aufweisen, solange zumindest die eine Konversionsschicht mit zumindest der einen Wärmeleitschicht verbunden ist.
Die Erfindung wird auch gelöst durch eine Konversionsleuchte mit einem Konverter wie vorstehend beschrieben und einer Strahlungsquelle (Anregungsstrahlung, Primärlichtquelle). Im Umkehrschluss kann vorgesehen sein, dass der vorstehend beschriebene Konverter für eine Strahlungsquelle wie nachfolgend dargelegt geeignet ist. Bei der Strahlungsquelle handelt es sich vorzugsweise um eine Laserdiode, insbesondere um eine blau emittierende Laserdiode, oder einer Laserdioden-Anordnung (Laserdioden-Array). Alternativ kann die lichtemittierende Komponente eine lichtemittierende Diode (LED) sein. Diese kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten LED oder in Form mindestens eines LED-Chips, der eine oder mehrere Leuchtdioden aufweist, vorliegen. Es können mehrere LED-Chips auf einem gemeinsamen Substrat („Submount“) montiert sein und eine LED bilden, oder einzeln oder gemeinsam beispielsweise auf einer Platine (z.B. FR4, Metallkernplatine, etc.) befestigt sein („CoB“ = Chip on Board). Die mindestens eine LED und/oder die mindestens eine Laserdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, beispielsweise mit mindestens einer Fresnel-Linse oder einem Kollimator. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen LEDs, beispielsweise auf Basis von AlInGaN oder InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Die LED-Chips können direkt emittierend sein oder einen vorgelagerten Leuchtstoff aufweisen. Die LED-Chips können auch als Mikro-LEDs ausgeführt sein. Die Emissionswellenlängen der lichtemittierenden Komponenten können im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich liegen. Die lichtemittierenden Komponenten können zusätzlich mit einem eigenen Konverter ausgestattet sein. Bevorzugt emittieren die LED-Chips weißes Licht im genormten ECE-Weißfeld der Automobilindustrie, beispielsweise realisiert durch einen blauen Emitter und einen gelb/grünen Konverter. Ein Ausschluss einer bestimmten Strahlungsquellenart ist nicht beabsichtigt. Auch der Begriff „Leuchte“ soll eine Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs nicht ausschließen. Die Strahlungsquelle kann eine rotationssymmetrische oder eine nicht-rotationssymmetrische Abstrahlcharakteristik aufweisen.
Eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 150 W/mK führt zu einer guten Wärmeabführleistung. Bevorzugter ist eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 400W/mK. Wenn die Wärmeleitschicht eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 1000 W/mK aufweist, wird eine besonderes hohe Wärmeabführung erreicht.
Wenn die Wärmeleitschicht Diamant zumindest enthält und/oder daraus besteht, wird eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht, mit der Folge, dass durch die bessere Entwärmung die Abnahme der temperaturabhängigen Konversionseffizienz zu höheren Strahlungsleistungen verschoben wird. Mit Diamant als Material der Wärmeleitschicht kann also eine hohe Strahlungsdichte bzw. Leuchtdichte erzielt werden. Als Diamant kann dabei ein kubisch-kristalliner Kohlenstoff und/oder mit zumindest einer zum Wärmeleiten geeigneten Reinheit bezeichnet sein. Das Material Diamant als Wärmeleitschicht weist eine Vielzahl von Vorteilen auf, es ist also synergetisch einsetzbar. Diese Vorteile sind neben eine Wärmeleitfähigkeit von circa 1200 bis 1800 W/mK: eine hohe chemische Beständigkeit, sodass Umweltschutzbestimmungen Rechnung getragen werden kann, eine hohe Härte, sodass eine Bruchsicherheit erhöht und/oder eine Materialstärke verringert werden kann, und ein hoher Brechungsindex, sodass ein später beschriebenes Brechungsindex-basiertes passives Sicherheitskonzept einsetzbar ist.
Wenn die Wärmeleitschicht kleinkristallin strukturiert ist, bzw. wenn sie kleine Kristalle enthält oder daraus etwa besteht, kann die Strahlung brechend verteilt werden, um lokale Strahlungsstärken zu reduzieren. Es können also streuende Eigenschaften von kristallinem bzw. kleinkristallinem Diamant bzw. Wärmeleitmaterial vorteilhaft genutzt werden. Somit können effiziente transmissive und/oder reflektive LARP-Systeme entworfen werden. Eine optische Streuung innerhalb der Wärmeleitschicht ist also ein synergetischer Mehrnutzen. Eine Streuung kann insbesondere zu einer Homogenisierung, wie einer Homogenisierung eines Nutzlichts, einer Farbe bezüglich eines Entstehungs-Orts, und/oder einer Anregungsstrahlungsverteilung, verwendet werden. Wenn die Wärmeleitschicht großkristallin strukturiert ist, bzw. wenn sie große Kristalle enthält oder daraus etwa besteht, kann die Anzahl bzw. Wahrscheinlichkeit von Einschlüssen reduziert werden. Neben dem Reduzieren der Anzahl bzw. Wahrscheinlichkeit von Einschlüssen hat eine einkristalline Wärmeleitschicht den Vorteil besonders großer Festigkeit.
Zum Wärmeüberleiten zwischen der Konversionsschicht und der Wärmeleitungsschicht ist eine unmittelbare Verbindung oder eine Verbindung mittels einer Zwischenschicht bevorzugt. Die Verbindung kann auch ein Anbringen, wie ein Anbringen der Konversionsschicht an der Wärmeleitungsschicht, oder umgekehrt, sein. Mittels der Verbindung kann eine Wärme bzw. Wärmeenergie von dem Konverter vorteilhaft abgeführt werden.
Wenn die Wärmeleitschicht unmittelbar mit der Konversionsschicht verbunden ist, kann eine besonders direkte Wärmeübertragung erreicht werden. Wenn die Wärmeleitschicht mittels Abscheidens, wie direkten Abscheidens, an der Konversionsschicht gebildet ist, kann eine besonders gründliche Verbindung erzielt werden. Ein bekanntes und etabliertes Abscheidungsverfahren kann mit Kostenvorteilen und hoher Prozesssicherheit angewendet werden, wenn die Wärmeleitschicht mittels chemischen Gasabscheidens (Chemical Vapor Deposition, CVD) gebildet ist. Durch ein Abscheiden kann eine Grenzschicht eliminiert oder zumindest stark reduziert sein, sodass höchstens ein besonders geringer thermischer Widerstand einem Wärmeübergang von der Konversionsschicht zur Wärmeleitschicht entgegen steht.
Es kann ferner vorteilhaft sein, beide Schichten separat unter jeweils optimalen Bedingung zu fertigen, und danach die Wärmeleitschicht mittels Ansprengens mit der Konversionsschicht zu verbinden. Unter einem Ansprengen kann man verstehen, eine Kontaktfläche der Wärmeleitschicht und die korrespondierende Kontaktfläche der Konversionsschicht so zu polieren bzw. glätten, dass bei Berührung der beiden Kontaktflächen kovalente und/oder Wasserstoffbrücken- und/oder Van-der-Waals-Bindekräfte wirken und die Kontaktflächen aneinander binden. Dazu muss das Polieren bzw. das Glätten so erfolgen, dass die Kontaktflächen makroskopische Ebenheit der Oberflächen und mikroskopische Glattheit aufweisen.
Wenn die Wärmeleitschicht und die Konversionsschicht mittels einer Zwischenschicht miteinander verbunden sind, kann ein Verbindungsprozess kostengünstig eingesetzt werden. Eine solche Zwischenschicht kann beispielsweise eine Glasschweißstelle (Glaslot-Verbindung) und/oder eine Lötstelle sein.
Die Wärmeübertragung steigt mit der Wärmeübergangsfläche, und daher ist bevorzugt, dass die Konversionsschicht flächig ist, und an zumindest einer der Hauptseiten die zumindest eine Wärmeleitschicht angebracht ist. Eine flächige Gestalt der Konversionsschicht und/oder Wärmeleitschicht kann auch getrennt beansprucht werden. Unter einer flächigen Gestalt kann eine Gestalt verstanden werden, deren Länge und Breite größer als deren Dicke sind, oder zumindest bezüglich der Größenordnung ähnlich sind. Mit vergleichbarem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Wärmeleitschicht flächig ist, und an zumindest einer der Hauptseiten die zumindest eine Konversionsschicht angebracht ist.
Sind zumindest jeweils zwei Wärmeleitschichten und Konversionsschichten vorgesehen, wobei jede der Schichten zu zumindest einer der Schichten des anderen Typs (Konversionsschicht bzw. Wärmeleitschicht) zumindest benachbart ist, kann eine Wärmeabführung verbessert werden.
Wenn in Strahlungsausbreitungsrichtung die erste und die letzte Schicht jeweils eine Wärmeleitungsschicht ist, können Vorteile des Wärmeleitmaterials, die über ein Wärmeleiten hinausgehen, genutzt werden. Wenn das Wärmeleitmaterial beispielsweise eine hohe Festigkeit aufweist, wie beispielsweise Diamant, kann das Konversionsmaterial in und/oder durch die Wärmeleitschichten eingeschlossen werden, um beispielsweise im Falle eines Versagens oder Unfalls das Konversionsmaterial im Strahlausbreitungsweg der Anregungsstrahlung zu halten, die ein hochenergetischer Laser sein kann. In einem solchen Fall kann Funktion-erhöhend die Wärmeleitschicht also auch eine Sicherheitsschicht sein.
Mit anderen Worten, es kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei beispielsweise etwa diamantene Wärmeleitschichten eine oder mehr als eine Konversionsschicht/-en kapseln und/oder einschließen und/oder abdecken, um ein Sicherheitskonzept zu entwickeln.
Der Konverter kann zum transmissiven oder reflektiven Betrieb einer Konversionsleuchte vorbereitet sein.
Der Konverter kann zumindest einseitig mit einer dichroitischen Beschichtung versehen sein. Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass die dichroitische Beschichtung zum Durchlassen und zum Nichtdurchlassen zumindest einer und bevorzugt jeweils einer durch die Konversionsschicht bzw. durch einen in der Konversionsschicht enthaltenen Leuchtstoff passenden Strahlung bzw. Wellenlänge konfiguriert ist. Vorzugsweise ist eine anregungsstrahlungsseitige bzw. strahlungsquellenseitige dichroitische Beschichtung zum Durchlassen einer Anregungsstrahlung und/oder zum Nichtdurchlassen einer Konversionsstrahlung vorbereitet. Eine bevorzugte konversionsstrahlungsseitige bzw. einer Anregungsstrahlungsseite gegenüberliegende dichroitische Beschichtung ist zum Nichtdurchlassen einer Anregungsstrahlung und/oder zum Durchlassen einer Konversionsstrahlung vorbereitet. Mit anderen Worten, es wird gewünscht, dass in einem System vorgesehene Beschichtungen zum Konversionsleuchtenbetrieb geeignet sind. Eine dichroitische Beschichtung erhöht die Gesamteffizienz, da sie vorzugsweise zur Strahlungsquelle gestreute bzw. emittierte Strahlung reflektieren kann.
Unabhängig beanspruchbar ist auch eine Konversionsleuchte umfassend eine an einer Sicherheitsschicht angeordnete Konversionsschicht, wobei ein Einfallswinkel einer Anregungsstrahlung auf die Sicherheitsschicht derart konfiguriert ist, dass die Anregungsstrahlung durch die Sicherheitsschicht in den Konverter einkoppelt, wobei der Einfallswinkel derart konfiguriert ist, dass ein Ablösen des Konverters von der Sicherheitsschicht eine interne Totalreflexion (total internal reflection, TIR) der Anregungsstrahlung in der Sicherheitsschicht bewirkt. Hierbei wird also das herkömmlich angewandte fail-safe-Prinzip, nämlich dass beispielsweise bei Versagen einer den Konverter haltenden Verbindung durch eine Rückmeldungssteuerung aktiv ein sicherer Zustand durch Abschalten einer Strahlungsquelle herbeigeführt wird, durch ein safe-fail-Prinzip ersetzt, nämlich ein Versagen ein automatisch sicheres Versagen bedeutet. Das Sicherheitsprinzip ist ein passives Sicherheitsprinzip, sodass eine Fehlerquelle wie ein elektronischer Fehler ausgeschlossen werden kann, wodurch die Sicherheit nochmals erhöht wird. Somit kann auch bei hohen Strahlungsstärken auf eine Rückmeldungssteuerung verzichtet werden. Wenn die Sicherheitsschicht zur Wärmeleitung geeignet ist, ist sie Funktion-erhöhend also auch eine Wärmeleitschicht. Wenn eine Wärmeleitschicht mit einer Konversionsschicht gemäß der vorstehenden Konversionsleuchte konfiguriert und/oder angeordnet ist, ist sie Funktion-erhöhend also auch eine Sicherheitsschicht. Mit anderen Worten, der technisch somit möglich Verzicht auf die Rückmeldungssteuerung führt zu einem deutlich vereinfachten und/oder kostengünstigeren Sicherheitssystem. Mit nochmals anderen Worten, eine mechanische Sicherung kann zum Ersatz einer elektronischen Sicherung führen.
Unabhängig beanspruchbar ist weiters ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungskonverters, wobei eine Konversionsschicht mittels eines Abscheidungsverfahrens zumindest einseitig mit einer Wärmeleitschicht versehen wird. Die Wärmeleitschicht kann insbesondere eine flächige Wärmeleitschicht sein. Mittels des Verfahrens kann eine besonders gründliche Verbindung erzielt werden. Weiterbildend kann ein chemisches Gasabscheidungsverfahren vorgesehen sein, sodass ein etabliertes Verfahren mit hoher Prozesssicherheit vorgesehen werden kann. Im Übrigen wird auf die vorstehende Beschreibung zur Wärmeleitschicht, insbesondere das chemisch-gasabscheidbare Material Diamant, verwiesen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen schematisch und geschnitten:

1 einen Konverter gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer chemisch-gasabgeschiedenen Wärmeleitschicht,
2 einen Konverter gemäß einer zweiten Ausführungsform mit angesprengter Verbindung,
3 einen Konverter gemäß einer dritten Ausführungsform mit glasgeschweißter Verbindung,
4 einen Konverter gemäß einer vierten Ausführungsform mit gelöteter Verbindung,
5 einen Konverter gemäß einer fünften Ausführungsform mit zwei Konversionsschicht-Wärmeleitschicht-Paaren mit jeweils außenseitiger Wärmeleitschicht,
6 einen Konverter gemäß einer sechsten Ausführungsform mit abwechselnd gereihten Konversions- und Wärmeleitschichten, wobei jeweils außenseitig eine Wärmeleitschicht angeordnet ist,
7 einen Konverter gemäß einer siebten Ausführungsform mit abwechselnd gereihten und glasgeschweißt verbundenen Konversions- und Wärmeleitschichten, wobei jeweils außenseitig eine Wärmeleitschicht angeordnet ist,
8 einen Konverter gemäß einer achten Ausführungsform mit zwei glasgeschweißten Konversionsschicht-Wärmeleitschicht-Paaren mit jeweils außenseitiger Wärmeleitschicht,
9 einen Konverter gemäß einer neunten Ausführungsform mit kleinkristalliner Wärmeleitschicht, und
10 in zwei Teildarstellungen eine Konversionsleuchte gemäß einer zehnten Ausführungsform, wobei ein Einfallswinkel einer Anregungsstrahlung auf eine Sicherheitsschicht in Folge eines Ablösens einer Konversionsschicht zu einer inneren Reflexion der Anregungsstrahlung in der Sicherheitsschicht führt.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Gleiche Elemente sind über die Figuren und Ausführungsformen hinweg mit denselben Merkmalen versehen. Auf eine erneute Beschreibung gleicher Merkmale wird größtenteils verzichtet. Merkmale der einen Ausführungsform können auch in der anderen Ausführungsform enthalten sein, sie sind also untereinander auch auszugsweise austauschbar.
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung kurz beschrieben.
Eine erste Ausführungsform ist in der 1 gezeigt. Ein Konverter 1 umfasst eine flächige Konversionsschicht 2, an welcher an einer Hauptseite eine flächige Wärmeleitschicht 4 aus Gas-abgeschiedenem Diamant angeordnet ist.
Die Konversionsschicht 2 kann auf der der Wärmeleitschicht 4 abgewandten Hauptseite eine dichroitische Beschichtung 6 aufweisen. Vorzugsweise trifft eine Anregungsstrahlung 8 auf die dichroitische Beschichtung 6, und wird von dieser durchgelassen. Andererseits wird im Transmissionsbetrieb vorzugsweise eine von der Konversionsschicht 2 beispielsweise lambertsch abgestrahlte Konversionsstrahlung 10 durch die dichroitische Beschichtung hin zu der gegenüberliegenden Hauptseite reflektiert.
Die Wärmeleitschicht gemäß der ersten Ausführungsform ist beispielsweise weniger als 500µm dick.
Die Konversionsschicht 2 kann eine einen Leuchtstoff enthaltende Konversionsschicht sein. Sie kann auch einkristallinen Phosphor (hier als allgemeine Bezeichnung für Leuchtstoff verwendet) enthalten und/oder daraus bestehen. Einkristalliner Phosphor (Single-Crystal Phosphor SCP) kann beispielsweise ein Cer-dotiertes Yttrium Aluminium Granat (Ce:Y₃Al₅O₁₂) enthalten oder daraus bestehen. Sie kann insbesondere auch Phosphor in einem Matrixwerkstoff, wie Glas und/oder Silikon und/oder Wasserglas oder dergleichen, enthalten.
Eine zweite Ausführungsform ist in der 2 gezeigt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform sind die Konverterschicht 2 und die Wärmeleitschicht 4 vorliegend mittels Ansprengens verbunden. D.h. kurz gesagt, die Konversionsschicht 2 und die Wärmeleitschicht 4 werden derart poliert und/oder aneinander gerieben, dass sie danach mittels molekularer Kräfte aneinander festgelegt sind (siehe Beschreibungsteil). Ferner sind hier die Schichten 2, 4 von der Reihenfolge her vertauscht, wobei die dichroitische Beschichtung 6 an einer der Anregungsstrahlung zugewandten Seite der Wärmeleitschicht 4 angeordnet ist, welche die der Konversionsschicht 2 gegenüberliegende Seite ist. Es ist auch möglich, die durch Ansprengen verbundenen Schichten beispielsweise durch eine zusätzliche Verklebung zu sichern.
Die in der 3 gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber der zweiten Ausführungsform zumindest darin, dass die Schichten 2, 4 mittels eines im Glas-Schweiß-Verfahren, auch als Glas-Bond-Verfahren bezeichnet, eingebrachten Glas-Werkstoffs 12 verbunden sind. Eine Glass-Bond-Vergussmasse kann beispielsweise aus einem niedrig schmelzenden Glas bestehen, vorzugsweise ein TeO2-Glas (z.B. Te-Zn-Na-Oxyd-Glas).
In der vierten Ausführungsform der 4 sind die Konversionsschichten 2, 4 mittels Lötens verbunden, beispielsweise mit einem Lot, das Sn-Ag-Ti-Mg enthält. Eine Lötschicht 14 kann dabei eine Aussparung 16, wie eine Blenden-artige Öffnung, bereitstellen. Alternativ dazu kann ein Kleben, wie ein hochtemperaturfestes Silikonkleben, Verwendung finden.
Die fünfte Ausführungsform der 5 zeigt, dass in einer Strahlungsausbreitungsrichtung von der Anregungsstrahlung 8 zur Konversionsstrahlung 10 die erste und die letzte Schicht 4 jeweils eine Wärmeleitschicht 4 ist, um die Konversionsschichten 2 kapselnd zu sichern. Dabei können die beiden abgebildeten Konversionsschichten 2 miteinander in Kontakt stehen, oder zwischen ihnen kann wie abgebildet ein Spalt 18, wie ein Luftspalt, vorgesehen sein.
Die 6 zeigt anhand einer sechsten Ausführungsform sowohl, dass in Strahlungsausbreitungsrichtung die erste und die letzte Schicht 4 jeweils eine Wärmeleitschicht 4 ist, wie auch zumindest jeweils zwei Wärmeleitschichten 4 und Konversionsschichten 2, wobei jede der Schichten 2, 4 zu zumindest einer der Schichten 2, 4 des anderen Typs zumindest benachbart ist. Die Schichten 2, 4 sind bei der sechsten Ausführungsform durch ein Ansprengen verbunden. Anstelle einer Verbindung durch Ansprengen kann auch eine Glaslotverbindung und/oder eine weitere Verbindungstechnik verwendet werden.
Demgegenüber sind die zur sechsten Ausführungsform vergleichbar gereihten Schichten 2, 4 der in der 7 gezeigten siebten Ausführungsform im Glas-Schweiß-Verfahren mit dem Glas-Werkstoff 12 verbunden. Gemäß einer Variante ist anstelle einer Schweißung mit dem Glas-Werkstoff 12 ein Spalt 18 vorsehbar, wie in der 7 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Als Glass-Bond-Vergussmasse kann auch hier ein niedrig-schmelzendes Te-O2-Glas verwendet werden.
Die 8 zeigt eine achte Ausführungsform, welche sich von der in der 5 gezeigten fünften Ausführungsform durch die Verwendung des Glas-Werkstoffs 12 zum Verbinden der Schichten 2, 4 statt eines Ansprengens unterscheidet.
Die 9 zeigt anhand der neunten Ausführungsform als die Wärmeleitschicht 4 eine Schicht aus kleinkristallinem Diamant 20. Eine kleinkristalline Diamantstruktur kann beispielsweise mittels eines CVD-Verfahrens (CVD = Chemical Vapor Deposition) oder einer Heißdraht-Gasphasenabscheidung an der Konversionsschicht 2 aufgedampft bzw. abgeschieden werden. Auch für diese Ausführungsform gilt, dass sie mit den anderen Ausführungsformen kombinierbar ist. Der kleinkristalline Diamant 20 weist streuende Eigenschaften auf, und er wird hier zum Verteilen einer Anregungsstrahlungsverteilung anregungsstrahlungsseitig angeordnet, um heiße Stellen, sogenannte Hotspots, zu vermeiden.
Schließlich zeigen die 10a und 10b eine zehnte Ausführungsform der Erfindung. Sie stellen einen Konverter 1 in einer ansonsten nicht näher gezeigten Konversionsleuchte 22 dar. Indem vorliegend ein Diamant als das Material der Wärmeleitschicht 4 bzw. Sicherheitsschicht 24 verwendet wird, folgt aus dem hohen Brechungsindex von Diamant, der z.B. für sichtbare Strahlung etwa zwischen 2,4 und 2,5 und beispielsweise bei 2,42 liegen kann, ein Brewster-Winkel von beispielsweise etwa 67,5° bis 68°. Eine Strahlungsquelle 26 ist dementsprechend angeordnet.
In der 10a ist ein Normalbetrieb dargestellt. Die von der Strahlungsquelle 26 abgegebene Anregungsstrahlung 8 trifft auf die Sicherheitsschicht 24 bzw. Wärmeleitschicht 4, geht von dieser in die daran angesprengte oder mittels chemischen Gasabscheidens verbundene Konversionsschicht 2 über, wird beispielsweise vollständig in Konversionsstrahlung 10 umgewandelt, und von der Konversionsschicht beispielsweise lambertsch ausgekoppelt.
In der 10b ist ein Versagensfall dargestellt. Aufgrund eines Unfalls oder dergleichen ist die Konversionsschicht 2 von der Sicherheitsschicht 24 bzw. Wärmeleitschicht 4 unter Bildung eines Spalts 18 abgelöst, welcher dann mit Luft aufgefüllt ist. Dies hat wegen des Brewster-Winkels eine totale interne Reflexion der Anregungsstrahlung 8 in der Sicherheitsschicht 24 zur Folge, so dass keine Anregungsstrahlung 8 an der der Strahlungsquelle 26 abgewandten Seite der Sicherheitsschicht 24 aus der Sicherheitsschicht 24 austritt.
Die vorliegende Offenbarung zeigt also einen Konverter umfassend eine Konversionsschicht 2 und eine Wärmeleitschicht 4 mit einer gegenüber der Konversionsschicht 2 erhöhten Wärmeleitfähigkeit. Ferner wird eine Konversionsleuchte 22 mit einer Wärmeleitschicht 4 bzw. Sicherheitsschicht 24 gezeigt, die bei entsprechend angeordneter Strahlungsquelle 26 bei Ablösen der Konversionsschicht 2 von der Sicherheitsschicht 24 eine interne Reflexion einer Anregungsstrahlung in der Sicherheitsschicht 24 bewirkt. Schließlich wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Wärmeleitschicht 4 mittels chemischen Gasabscheidens vorgeschlagen.
Bezugszeichenliste

Konverter	1
Konversionsschicht	2
Wärmeleitschicht	4
dichroische Beschichtung	6
Anregungsstrahlung	8
Konversionsstrahlung	10
Glas-Werkstoff	12
Lötschicht	14
Aussparung	16
Spalt	18
kleinkristalliner Diamant	20
Konversionsleuchte	22
Sicherheitsschicht	24

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012223854 A1 [0002]
DE 102012201307 A1 [0002]
US 20160290856 [0003]
DE 102015213460 [0003]
DE 102015220838 [0003]

Claims

Konverter für eine Konversionsleuchte (22), umfassen zumindest eine zum zumindest teilweisen Konvertieren einer Anregungsstrahlung (8) in eine Konversionsstrahlung (10) konfigurierte Konversionsschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest einseitig mit einer Wärmeleitschicht (4) verbunden ist, die eine gegenüber der Konversionsschicht (2) erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Konverter gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) Diamant zumindest enthält und/oder daraus besteht.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) kleinkristallin strukturiert ist.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) unmittelbar mit der Konversionsschicht (2) verbunden ist.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) mittels Abscheidens an der Konversionsschicht (2) gebildet ist.
Konverter gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) mittels chemischen Gasabscheidens gebildet ist.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) mittels Ansprengens mit der Konversionsschicht (2) verbunden ist.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) und die Konversionsschicht (2) mittels einer Zwischenschicht (12, 14) miteinander verbunden sind.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (2) flächig ist, und an zumindest einer der Hauptseiten der Konversionsschicht (2) die zumindest eine Wärmeleitschicht (4) angebracht ist.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (4) flächig ist, und an zumindest einer der Hauptseiten der Wärmeleitschicht (4) die zumindest eine Konversionsschicht (2) angebracht ist.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils zwei Wärmeleitschichten (4) und Konversionsschichten (2) vorgesehen sind, wobei jede der Schichten (2, 4) zu zumindest einer der Schichten (2, 4) des anderen Typs zumindest benachbart ist.
Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Strahlungsausbreitungsrichtung die erste und die letzte Schicht jeweils eine Wärmeleitschicht (4) ist.
Konversionsleuchte umfassend eine an einer Sicherheitsschicht (24) angeordnete Konversionsschicht (2), wobei ein Einfallswinkel einer Anregungsstrahlung (8) auf die Sicherheitsschicht (24) derart konfiguriert ist, dass die Anregungsstrahlung (8) durch die Sicherheitsschicht (24) in den Konverter einkoppelt, dadurch gekennzeichnet dass der Einfallswinkel derart konfiguriert ist, dass ein Ablösen des Konverters (2) von der Sicherheitsschicht (24) eine interne Reflexion der Anregungsstrahlung (8) in der Sicherheitsschicht (24) bewirkt.
Verfahren zum Herstellen eines Strahlungskonverters (1), wobei eine Konversionsschicht (2) mittels eines Abscheidungsverfahrens zumindest einseitig mit einer Wärmeleitschicht (4) versehen wird.
Verfahren gemäß dem Anspruch 14, wobei ein chemisches Gasabscheidungsverfahren vorgesehen ist.