WO2013092499A1 - Aufbringen eines leuchtstoffs auf ein optisches element - Google Patents

Aufbringen eines leuchtstoffs auf ein optisches element Download PDF

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WO2013092499A1
WO2013092499A1 PCT/EP2012/075816 EP2012075816W WO2013092499A1 WO 2013092499 A1 WO2013092499 A1 WO 2013092499A1 EP 2012075816 W EP2012075816 W EP 2012075816W WO 2013092499 A1 WO2013092499 A1 WO 2013092499A1
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optical element
phosphor
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ceramic
semiconductor
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PCT/EP2012/075816
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Elmar Baur
Carsten Schuh
Ute Liepold
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Osram Gmbh
Osram Opto Semiconductors Gmbh
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H01L2933/0041—Processes relating to semiconductor body packages relating to wavelength conversion elements

Definitions

  • the invention relates to a method for applying an inorganic phosphor to an optical element.
  • the invention further relates to an optical element having an inorganic phosphor applied thereto.
  • the invention also relates to a semiconductor luminescent device with at least one such optical element.
  • the invention is
  • wavelength-converting phosphor is a free-floating, phosphor-containing plate which serves as a transmitted light element emitted by the LED primary light and partially converts this primary light into a secondary light of shorter wavelength
  • the plate can be removed from an LED
  • the wavelength conversion produces a so-called Stokes heat, which corresponds to a wavelength difference between the secondary light and the primary light.
  • Such a phosphor transmitted light element has the disadvantage that it is cooled only by convection and by radiation.
  • ceramic phosphor bodies can be fitted.
  • micromechanical elements high-frequency elements or ultrafast optical modulators (there as a piezoelectric layer of a PZT powder for driving the optical modulators).
  • the object is achieved by a method for applying at least one inorganic phosphor to at least one optical element, wherein the application is carried out by means of a Pulverkaltsprüh compilers.
  • Spraying can, for example, carried out at room temperature can be used as a substrate for the phosphor diverse materials such as plastics, metals, ceramics or
  • Pulverkaltsprüh compiler can also be applied to a
  • Heat conduction inhibiting matrix material can be dispensed with.
  • the powder cold spray method enables a high deposition rate and consequently fast production at a comparatively low cost.
  • three-dimensional (non-planar) surfaces can be coated without additional effort.
  • the applied phosphor is also compacted and can therefore be in a
  • the inorganic phosphor in powder form (“phosphor powder”) is sprayed directly onto at least one desired surface (“application surface”) of the optical element and remains there.
  • Adhesive connectors etc.
  • the Pulverkaltsprüh compiler is an aerosol deposition process. This allows a particularly high compaction of the applied phosphor and thus a particularly stable deposited phosphor layer, which has a high relative thermal conductivity (low number of air inclusions) and a large-area contact with the substrate to achieve a low heat transfer resistance. Overall, the Pulverkaltsprüh compiler thus improves mechanical stability and heat dissipation of the inorganic phosphor. It is still a particularly advantageous embodiment, in particular in combination with the
  • Aerosol deposition method that the at least one inorganic phosphor at least one ceramic Is fluorescent.
  • a ceramic phosphor powder can be brought to such high speeds by the aerosol deposition process that it combines to form a dense ceramic material at the optical element by means of an "in-situ consolidation".
  • the dense ceramic material may in particular form an at least almost completely dense, nanocrystalline ceramic layer.
  • Phosphor powder can indeed because of its high
  • substrate material harmless. These substrate materials are thus also advantageously usable for dense ceramic layers, which in conventional sintering with its consistently higher temperatures (of significantly more than
  • incompatible starting materials are used for the phosphor and the substrate.
  • fine powder particles typically maximum diameter less than 10 microns
  • a carrier gas e.g., O 2, N 2, Ar, He, air, etc.
  • the (oxygen-based) garnet base may be, for example, yttrium aluminum garnet (YAG).
  • the garnet base is typically at least one
  • Doping doped, in particular with at least one lanthanoid such as cerium (Ce), praseodymium, neodymium (Nd), promethium, samarium, europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium,
  • Dysprosium holmium, erbium (Er), thulium, ytterbium (Yb) and / or lutetium.
  • Er erbium
  • Yb thulium
  • YAG Ce converts blue light into yellow light.
  • Phosphor can be, for example Me2Si5N8: Eu or MeSiAlN3: Eu, where "Me” stands for one or more alkaline earth metals. For example, these are exemplified
  • Phosphors convert blue light to red light.
  • the ceramic layers are generated at room temperature in the powder cold spray process, particularly aerosol deposition processes, the risk of chemical reaction between garnet-based phosphor and nitride-based phosphor (i.e., oxidation of nitride) is significantly reduced. In particular, layers of yellow,
  • Oxygen-based (ceramic) phosphor and red Oxygen-based (ceramic) phosphor and red
  • nitride-based (ceramic) phosphor can be generated sequentially, so that it comes only at the interface to contact between the two materials. This also makes it possible to produce warm white (blue-yellow-red) mixed light in particular.
  • Warm white converters can alternatively also be produced in such a way that a ceramic layer of red, on a conventionally produced YAG: Ce ceramic layer
  • Nitride phosphor is applied, or vice versa.
  • a sprayed by the Pulverkaltsprüh compilers phosphor powder has a mean diameter d50 between 300 nanometers and 3
  • the optical element may be any optical element, e.g. a reflector, a rotatable luminous wheel, a translucent substrate, a light source, etc.
  • a reflector e.g. a reflector, a rotatable luminous wheel, a translucent substrate, a light source, etc.
  • any bodies become an optical element, e.g. a heat sink.
  • the optical element is a passive optical element which is spaced from an active optical element.
  • Phosphor is then a phosphor spaced from a light source ("remote phosphor").
  • An active optical element can be understood in particular to be an optical element which actively generates light (light source). Accordingly, a passive optical element may be understood to mean an element which does not generate its own light or convert light from at least one light source, e.g. beam-shaped, in particular reflected. It is still an embodiment that the optical element is an active optical element, in particular
  • the active optical element e.g. a
  • Semiconductor light source may in particular be a semiconductor chip, in particular an LED chip. Because of
  • Room temperature can be generated, it is now possible in particular to apply at least one ceramic phosphor layer directly on the surface of a semiconductor chip.
  • a further embodiment may be advantageous in which at least one intermediate layer is present between the surface of the optical element and the phosphor layer. This at least one
  • Interlayer may be applied in particular using the same cold spray. This training allows a gradual adaptation of the thermal
  • the intermediate layer may also be advantageous to one
  • finished optical element or a precursor thereof be understood. This can facilitate application of the phosphor layer.
  • the method can also be used on surfaces of semiconductor wafers or on regions separated therefrom.
  • a phosphor layer can be applied directly to a wafer, and corresponding LED chips are separated following.
  • the object is also achieved by an optical element which is coated on at least one application surface with at least one inorganic phosphor, wherein the phosphor has been applied to at least one application surface of the optical element by means of a method as described above.
  • optical element can be configured analog.
  • the optical element may be an active optical element, in particular a light-emitting semiconductor chip, or a passive optical element.
  • the optical element is a passive
  • At least one application surface is a reflective, in particular specular, surface. This will be a
  • the application surface can also be a diffusely reflecting surface. It is a development that the optical element is a reflector.
  • the reflector may in particular be a hollow reflector whose inside is covered with the phosphor or its inside
  • the reflector itself can therefore be used as a substrate for the powder coating.
  • the reflector may be a separately manufactured reflector or integrated into another component, e.g. in a heat sink. So the heat sink likes at least one
  • the optical element is an active optical element
  • Semiconductor light source is, is the application surface
  • Application surface is a curved surface. So can, in contrast to previously produced ceramic
  • Fluorescent layers also three-dimensional
  • Multiform design allows. It is a further embodiment that the applied phosphor on at least one application surface a
  • Phosphor layer of a thickness between 50 microns and 200 microns forms. Such a thickness is sufficient for most wavelength conversion applications
  • the density of the phosphor layer can be very high.
  • Application surface is a surface of a substrate made of glass, metal, plastic or a semiconductor material. Such materials have not been easily covered with a ceramic phosphor layer, especially if the application surface is a curved surface.
  • the object is further achieved by a
  • the semiconductor luminescent device may in particular comprise such an active optical element and / or at least one such passive optical element.
  • the semiconductor luminescent device has at least one semiconductor light source, which is one as above
  • the semiconductor luminescent device may with
  • At least one semiconductor light source is arranged at a distance.
  • the at least one semiconductor light source is arranged at a distance.
  • Semiconductor light source at least one light emitting diode.
  • a color may be monochrome (e.g., red, green, blue, etc.) or multichrome (e.g., white). This can also be done by the at least one
  • LED emitted light is an infrared light (IR LED) or an ultraviolet light (UV LED).
  • Light emitting diodes can produce a mixed light; eg a white mixed light.
  • the at least one light-emitting diode can be in the form of at least one individually housed light-emitting diode or in the form of at least one LED chip.
  • Several LED chips can be mounted on a common substrate ("submount").
  • the at least one light-emitting diode can with at least be equipped with its own and / or common optics for beam guidance, eg at least one Fresnel lens,
  • organic LEDs OLEDs, for example polymer OLEDs
  • the at least one semiconductor light source may be e.g. have at least one diode laser. It is an embodiment that the
  • Retrofit lamp is.
  • the invention is particularly advantageous for a retrofit lamp, since it requires a capability for effective heat dissipation in a small space.
  • Retrofit lamps are lamps, which by the design of the mechanical and / or electrical connection elements to replace so-called conventional, ie not semiconductor-based lamps, such as incandescent Halogenglüh- or
  • Discharge lamps are suitable and generally have a similar contour and similar outer dimensions as the conventional lamps to be replaced.
  • the retrofit lamp may in particular be a filament retrofit lamp or a halogen lamp retrofit lamp.
  • the optical element of the incandescent lamp retrofit lamp can be, for example, a piston, a heat sink and / or a central, forwardly projecting reflector for improving omnidirectional light emission.
  • the optical element of the incandescent retrofit lamp may be, for example, a hollow reflector and / or a heat sink.
  • ADM Aerosol deposition method
  • FIG. 3 shows a sectional view in side view of a
  • Fig.l shows an application of a ceramic phosphor 11 to a first substrate 12 by means of a
  • Aerosol deposition method (ADM).
  • the ceramic phosphor 11 e.g. YAG: Ce, becomes high in the aerosol deposition process in powder form
  • a maximum diameter of the powder particles is between 800 nanometers and 1 micrometer.
  • the powder particles of the ceramic phosphor 11 are compacted.
  • the substrate 12 at the application surface 13 for a short time to locally up to about 300 ° C, occasionally up to about 500 ° C, heat. Due to the high impact energy, the powder particles compact and form a highly dense, nanocrystalline
  • this phosphor layer 14 may have a thickness between 100 microns and 200 Have micrometers, but also less or more, eg
  • the substrate 15 is curved. Also on the curved substrate 15 is the
  • Phosphor layer 14 easy to apply.
  • FIG. 3 shows a lighting device 16 with such a
  • the lighting device 16 has a
  • the inside 18 is configured specularly reflective.
  • Hollow reflector 17 consists of a metal body, e.g. aluminum, or glass or plastic, and thus also serves as a heat sink for the phosphor layer 14.
  • the hollow reflector 17 has a bottom-shaped opening 19 for introduction or passage of light emitting diodes 20 applied to a common support 19.
  • the light emitting diodes 20 also illuminate the hollow reflector 17 and thus the phosphor layer 14 with primary light, e.g. with blue light.
  • the primary light incident thereon is at least partially converted into wavelength-converted secondary light, e.g. yellow light, transformed.
  • the reflecting inner surface 18 prevents absorption of light and increases a luminous efficacy.
  • the active optical element 21 shows an active optical element 21 with a phosphor 11 applied in the form of a phosphor layer 22.
  • the active optical element 21 is here
  • LED 20 can be used, in addition or alternatively to that on the inside 18 of the
  • the surface-emitting LED chip may already be isolated or as a precursor in a wafer o.ä. are located.

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Abstract

Ein Verfahren dient zum Aufbringen mindestens eines anorganischen Leuchtstoffs (11) auf ein optisches Element (17), wobei das Aufbringen mittels eines Pulverkaltsprühverfahrens durchgeführt wird. Ein optisches Element (17) ist an mindestens einer Auftragungsfläche (18) mit mindestens einem anorganischen Leuchtstoff (11) belegt, wobei der Leuchtstoff (11) auf mindestens eine Auftragungsfläche (18) des optischen Elements (17) mittels des Verfahrens aufgebracht worden ist. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Reflektoren, insbesondere von Retrofitlampen, und/oder auf Halbleiterlichtquellen, insbesondere Halbleiterchips. Eine Halbleiterleuchtvorrichtung (16) ist mit mindestens einem solchen optischen Element (17), ausgerüstet.

Description

Beschreibung
AUFBRINGEN EINES LEUCHTSTOFFS AUF EIN OPTISCHES ELEMENT Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines anorganischen Leuchtstoffs auf ein optisches Element. Die Erfindung betrifft ferner ein optisches Element mit einem darauf aufgebrachten anorganischen Leuchtstoff. Die Erfindung betrifft auch eine Halbleiterleuchtvorrichtung mit mindestens einem solchen optischen Element. Die Erfindung ist
insbesondere anwendbar auf Reflektoren, insbesondere von Retrofitlampen, und/oder auf wellenlängenkonvertierende
HalbleiterIichtquellen . Zur Anordnung von wellenlängenumwandelndem Leuchtstoff ist eine freischwebende, Leuchtstoff aufweisende Platte bekannt, welche als Durchlichtelement für von der LED ausgestrahltes Primärlicht dient und dieses Primärlicht teilweise in ein Sekundärlicht geringerer Wellenlänge umwandelt ("Down
Conversion") . Die Platte kann entfernt von einer LED
angeordnet sein oder auf mindestens eine Emitterfläche der LED aufgeklebt sein. Hinter der Platte ergibt sich so ein Mischlicht aus dem wellenlängenumgewandelten Sekundärlicht und dem die Platte nicht umgewandelt durchlaufenden
Primärlicht. Durch die Wellenlängenumwandlung entsteht eine sog. Stokes-Wärme, welche einer Wellenlängendifferenz zwischen dem Sekundärlicht und dem Primärlicht entspricht. Ein solches Leuchtstoff-Durchlichtelement weist den Nachteil auf, dass es nur durch Konvektion und durch Strahlungsabgabe gekühlt wird.
Alternativ ist es bekannt, eine LeuchtstoffSchicht auf Teile eines als Kühlkörper dienenden Lampengehäuses aufbringen. Da die Leuchtstoffpartikel in dieser LeuchtstoffSchicht
üblicherweise in einer schlecht wärmeleitenden Silikonmatrix eingebettet sind, ist der Kontakt zu dem Kühlkörper nicht effektiv . Außerdem ist es bekannt, keramische Leuchtstoffkörper zu verwenden, welche eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und diese keramischen Leuchtstoffe an einem Kühlkörper zu
befestigen. So wird eine gute Wärmeableitung von dem
Leuchtstoff erreicht. Jedoch müssen bei diesem Vorgehen die Leuchtstoffkörper zunächst separat als Festkörper hergestellt (gepresst, gesintert o.a.), dann vereinzelt und folgend aufgeklebt werden. Diese Arbeitsschritte sind kostenintensiv, wobei auch nur einfache, plane Geometrien mit solchen
keramischen Leuchtstoffkörpern bestückt werden können.
Aus Jun Akedo : "Room Temperature Impact Consolidation (RTIC) of Fine Ceramic Powder by Aerosol Deposition Method and
Application to Microdevices", Journal of Thermal Spray
Technology, Vol. 17(2), June 2008, pp 181 - 198 ist es bekannt, feinpulvrige keramische Materialien mittels eines Aerosolabscheidungsverfahrens (ADM; "Aerosol Deposition
Method") aufzubringen bzw. als keramische Schicht
abzuscheiden, insbesondere auf mikromechanische Elemente, Hochfrequenzelemente oder ultraschnelle optische Modulatoren (dort als piezoelektrische Schicht aus einem PZT-Pulver zum Antrieb der optischen Modulatoren) .
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 ein Verfahren zum Aufbringen mindestens eines anorganischen Leuchtstoffs auf mindestens ein optisches Element, wobei das Aufbringen mittels eines Pulverkaltsprühverfahrens durchgeführt wird.
Insbesondere da die Verfahrenstemperaturen bei einem
Sprühverfahren vergleichsweise gering sind (das
Sprühverfahren kann z.B. bei Raumtemperatur durchgeführt werden) , können als Substrat für den Leuchtstoff vielfältige Materialien wie Kunststoffe, Metalle, Keramiken oder
Halbleiter verwendet werden. Auch sind dadurch vielfältige anorganische Leuchtstoffe nutzbar. Für das
Pulverkaltsprühverfahren kann ferner auf ein eine
Wärmeleitung hemmendes Matrixmaterial verzichtet werden.
Ferner ermöglicht das Pulverkaltsprühverfahren eine hohe Abscheidungsrate und folglich schnelle Herstellung bei vergleichsweise geringen Kosten. Darüber hinaus können so dreidimensionale (nicht plane) Oberflächen ohne zusätzlichen Aufwand beschichtet werden. Der aufgebrachte Leuchtstoff ist zudem kompaktiert und lässt sich folglich in einer
ausreichenden Dichte anordnen, was eine Wärmeableitung verbessert .
Bei einem Pulverkaltsprühverfahren wird der anorganische Leuchtstoff in Pulverform ( "Leuchtstoffpulver" ) direkt auf mindestens eine gewünschte Oberfläche ("Auftragungsfläche") des optischen Elements aufgesprüht und verbleibt dort.
Insbesondere wird nur der anorganische Leuchtstoff
aufgesprüht, und zwar 'pur' ohne Zusatzstoffe wie
Haftverbinder usw.
Es ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, dass das Pulverkaltsprühverfahren ein Aerosolabscheidungsverfahren ist. Dieses ermöglicht eine besonders hohe Kompaktierung des aufgebrachten Leuchtstoffs und damit eine besonders stabile abgeschiedene Leuchtstoffschicht , welche eine hohe relative Wärmeleitfähigkeit (geringe Zahl von Lufteinschlüssen) und einen großflächigen Kontakt zu dem Substrat zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstands aufweist. Insgesamt verbessert das Pulverkaltsprühverfahren also eine mechanische Stabilität und Wärmeableitung des anorganischen Leuchtstoffs. Es ist noch eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, insbesondere in Kombination mit dem
Aerosolabscheidungsverfahren, dass der mindestens eine anorganische Leuchtstoff mindestens ein keramischer Leuchtstoff ist. Ein keramisches Leuchtstoffpulver kann insbesondere durch das Aerosolabscheidungsverfahren auf so hohe Geschwindigkeiten gebracht werden, dass es sich an dem optischen Element durch einen "in-situ-Konsolidierung" zu einem dichten keramischen Material verbindet. Das dichte keramische Material kann insbesondere eine zumindest fast vollständig dichte, nanokristalline Keramikschicht bilden. Es brauchen also nicht erst separat Keramiken hergestellt, vereinzelt und folgend auf eine Auftragungsfläche aufgebracht zu werden, sondern das optische Element wird direkt
beschichtet. Dadurch ergeben sich erheblich geringere Kosten und es lassen sich komplexere Geometrien realisieren. Die sich ergebenden Leuchtstoffschichten sind mechanisch
besonders widerstandsfähig und hochgradig wärmeleitend.
Beim Auftreffen des hochbeschleunigten keramischen
Leuchtstoffpulvers können zwar aufgrund seiner hohen
kinetischen Energie lokal erhöhte Temperaturen von bis zu ca. 300°C, gelegentlich auch von bis zu 500°C, am Substrat auftreten, jedoch sind diese Temperaturen, da sie nur
punktuell auftreten, für viele Kunststoffe,
Halbleitermaterialien und z.B. auch für Glas als
Substratmaterial unschädlich. Diese Substratmaterialien sind also vorteilhafterweise auch für dichte keramische Schichten nutzbar, was bei einem herkömmlichen Sintern mit seinen durchgängig höheren Temperaturen (von deutlich mehr als
1000°C) nicht mehr der Fall ist. Folglich können ganz
allgemein nicht herkömmlich sinterbare sowie bei dauernd anliegenden höheren Temperaturen von mehr als 400 °C
inkompatible Ausgangsmaterialien für den Leuchtstoff und das Substrat verwendet werden.
Bei dem Aerosolabscheidungsverfahren werden insbesondere feine Pulverpartikel (typischer maximaler Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer) zunächst in einem Trägergas (z.B. 02, N2, Ar, He, Luft etc.) zur Aerosolerzeugung dispergiert und danach über eine Düse in eine Unterdruckkammer
transportiert. Dabei werden die Pulverpartikel hochgradig beschleunigt (Druckdifferenzstrecke) , um dann auf dem
Substrat aufzutreffen .
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine keramische Leuchtstoff mindestens einen granatbasierten
Leuchtstoff umfasst. Die (sauerstoffbasierte) Granatbasis kann beispielsweise Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) sein. Die Granatbasis ist typischerweise mit mindestens einem
Dotierelement dotiert, insbesondere mit mindestens einem Lanthanoid wie Cer (Ce) , Praseodym, Neodym (Nd) , Promethium, Samarium, Europium (Eu) , Gadolinium (Gd) , Terbium,
Dysprosium, Holmium, Erbium (Er) , Thulium, Ytterbium (Yb) und/oder Lutetium. Beispielsweise wandelt YAG:Ce blaues Licht in gelbes Licht um.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine keramische Leuchtstoff mindestens einen nitridbasierten
(Keramik- ) Leuchtstoff umfasst. Ein nitridbasierter
Leuchtstoff kann beispielsweise Me2Si5N8:Eu oder MeSiAlN3:Eu sein, wobei "Me" für ein oder mehrere Erdalkalimetalle steht. Beispielsweise wandeln diese beispielhaft aufgeführten
Leuchtstoffe blaues Licht in rotes Licht um.
Da die Keramikschichten bei dem Pulverkaltsprühverfahren, insbesondere Aerosolabscheidungsverfahren, bei Raumtemperatur erzeugt werden, ist die Gefahr einer chemischen Reaktion zwischen granatbasiertem Leuchtstoff und nitridbasiertem Leuchtstoff (d.h. einer Oxidation des Nitrids) wesentlich geringer. Insbesondere können Schichten von gelbem,
Sauerstoffbasiertem (Keramik- ) Leuchtstoff und rotem,
nitridbasiertem (Keramik- ) Leuchtstoff nacheinander erzeugt werden, so dass es nur an der Grenzfläche zu Kontakt zwischen beiden Materialien kommt. Dadurch lässt sich insbesondere auch warmweißes (blau-gelb-rotes) Mischlicht erzeugen.
Warmweiße Konverter lassen sich alternativ auch so erzeugen, dass auf eine konventionell hergestellte YAG:Ce- Keramikschicht eine keramische Schicht von rotem
Nitridleuchtstoff aufgebracht wird, oder umgekehrt. r
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass ein mittels des Pulverkaltsprühverfahrens versprühtes Leuchtstoffpulver einen mittleren Durchmesser d50 zwischen 300 Nanometern und 3
Mikrometern aufweist. Denn es hat sich gezeigt, dass sich bei einem solchen Durchmesser eine besonders stabile und dichte Leuchtstoffschicht gebildet hat.
Das optische Element kann jedes beliebige optische Element sein, z.B. ein Reflektor, ein drehbares Leuchtrad, ein lichtdurchlässiges Substrat, eine Lichtquelle usw. Durch das oberflächliche Aufbringen des Leuchtstoffs kann jeder
beliebige Körper zu einem optischen Element werden, z.B. ein Kühlkörper .
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das optische Element ein passives optisches Element ist, welches von einem aktiven optischen Element beabstandet ist. Der mindestens eine
Leuchtstoff ist dann ein von einer Lichtquelle beabstandeter Leuchtstoff ("Remote Phosphor"). Dadurch können
Lichtumwandlungsprozesse thermisch besonders günstig
durchgeführt werden. Unter einem aktiven optischen Element kann insbesondere ein optisches Element verstanden werden, welches aktiv Licht erzeugt (Lichtquelle) . Entsprechend kann unter einem passiven optischen Element ein Element verstanden werden, welches kein eigenes Licht erzeugt bzw. Licht von mindestens einer Lichtquelle umformt, z.B. strahlformt, insbesondere reflektiert. Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das optische Element ein aktives optisches Element, insbesondere
Halbleiterlichtquelle, ist und das Aufbringen des mindestens einen anorganischen Leuchtstoffs ein Aufbringen auf
mindestens eine Emitterfläche des aktiven optischen Elements umfasst. Das aktive optische Element, z.B. eine
Halbleiterlichtquelle, kann insbesondere ein Halbleiterchip, insbesondere ein LED-Chip, sein. Da durch das
Pulverkaltsprühverfahren, insbesondere Aerosolabscheidungsverfahren, keramische Schichten bei
Raumtemperatur erzeugt werden können, ist es nun insbesondere möglich, mindestens eine keramische LeuchtstoffSchicht direkt auf die Oberfläche eines Halbleiterchips aufzubringen.
Dadurch entfällt ein nachträgliches Aufkleben auf den Chip, und es ist eine gute thermische Anbindung gegeben. Das
Verfahren ist darüber hinaus deutlich schneller und
preiswerter als das Herstellen separater keramischer
Konverterplättchen, so dass sich der Vorteil der guten
Wärmeleitung von Konverterkeramiken nicht nur bei
hochpreisigen Halbleiterlichtquellen, insbesondere
Leuchtdioden, rentiert.
Besonders hierfür, aber auch für Leuchtstoffschichten auf anderen optischen Elementen kann eine weitere Ausgestaltung vorteilhaft sein, bei der zwischen der Oberfläche des optischen Elements und der LeuchtstoffSchicht mindestens eine Zwischenschicht vorhanden ist. Diese mindestens eine
Zwischenschicht kann insbesondere unter Nutzung desselben Kaltsprühverfahrens aufgebracht sein. Diese Ausbildung ermöglicht eine stufenweise Anpassung des thermischen
Ausdehnungsgradienten, so dass thermisch induzierte
Spannungen, die zu einem Abplatzen, einer Rissbildung, einem Brechen der Schicht oder sogar des optischen Elements, insbesondere Halbleiters, führen können, unterdrückt werden. Die Zwischenschicht mag auch vorteilhaft sein, um eine
Beeinträchtigung der Oberfläche des optischen Elements, insbesondere Halbleiters, während des Aufsprühens des
Leuchtstoffs zu vermeiden.
Durch eine geringfügige Schädigung der Chipoberfläche, bedingt durch das Abscheideverfahren, kann evtl. sogar auf eine Aufrauung der Chipoberfläche verzichtet werden, die üblicherweise zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz prozessiert wird. Dies spart zusätzliche Prozesskosten.
Ganz allgemein kann unter einem optischen Element ein
fertiges optisches Element oder ein Vorprodukt davon verstanden werden. Dies kann eine Aufbringung der LeuchtstoffSchicht vereinfachen.
Es ist insbesondere eine Weiterbildung, dass das Verfahren auch auf Oberflächen von Halbleiter-Wafern oder auf daraus vereinzelten Bereichen anwendbar ist. Beispielsweise kann eine LeuchtstoffSchicht direkt auf einen Wafer aufgebracht werden, und entsprechende LED-Chips folgend vereinzelt werden. Auch ist es möglich, LED-Chips oder Gruppen davon zunächst zu vereinzeln, folgend in Gruppen zusammenzuführen (z.B. nach einem Testen auf Emissionseigenschaften, z.B. im Rahmen eines sog. "Binning") und dann diese Gruppen gemeinsam zu besprühen. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein optisches Element, das an mindestens einer Auftragungsfläche mit mindestens einem anorganischem Leuchtstoff belegt ist, wobei der Leuchtstoff auf mindestens eine Auftragungsfläche des optischen Elements mittels eines Verfahrens wie oben beschrieben aufgebracht worden ist. Dadurch können die gleichen Vorteile erreicht werden wie oben für das Verfahren beschrieben, und das optische Element kann analog ausgestaltet sein. Dadurch werden die gleichen Vorteile ermöglicht wie durch das
Verfahren, und das optische Element kann analog ausgestaltet werden.
So kann das optische Element ein aktives optisches Element, insbesondere lichtemittierender Halbleiterchip, oder ein passives optisches Element sein.
Insbesondere falls das optische Element ein passives
optisches Element ist, ist es eine Ausgestaltung, dass mindestens eine Auftragungsfläche (Oberfläche zur Auftragung oder Aufbringung von Leuchtstoff) eine reflektierende, insbesondere spekulare, Fläche ist. Dadurch wird eine
Lichtausbeute erhöht. Die Auftragungsfläche kann auch eine diffus reflektierende Fläche sein. Es ist eine Weiterbildung, dass das optische Element ein Reflektor ist. Der Reflektor kann insbesondere ein Hohlreflektor sein, dessen Innenseite mit dem Leuchtstoff belegt ist bzw. dessen Innenseite
mindestens eine Auftragungsfläche aufweist. Der Reflektor selbst kann also als ein Substrat für die Pulverbeschichtung verwendet werden.
Der Reflektor kann ein separat hergestellter Reflektor sein oder in ein anderes Bauteil integriert sein, z.B. in einen Kühlkörper. So mag der Kühlkörper mindestens eine
reflektierende Auftragungsfläche aufweisen.
Insbesondere für den Fall, dass das optische Element ein aktives optisches Element, insbesondere
Halbleiterlichtquelle, ist, ist die Auftragungsfläche
bevorzugt eine Emitterfläche.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass mindestens eine
Auftragungsfläche eine gekrümmte Fläche ist. So lassen sich, im Gegensatz zu bisher hergestellten keramischen
Leuchtstoffschichten, auch dreidimensionale
Auftragungsflächen mit dichtem Leuchtstoff, insbesondere dichter Keramik, beschichten, was eine besonders
vielgestaltige Formgebung ermöglicht. Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass der aufgebrachte Leuchtstoff auf mindestens einer Auftragungsfläche eine
LeuchtstoffSchicht einer Dicke zwischen 50 Mikrometern und 200 Mikrometern bildet. Eine solche Dicke ist für die meisten Anwendungen zur Wellenlängenumwandlung ausreichend,
insbesondere da die Dichte der LeuchtstoffSchicht sehr hoch sein kann.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die
Auftragungsfläche eine Oberfläche eines Substrats aus Glas, Metall, Kunststoff oder eines Halbleitermaterials ist. Solche Materialien ließen sich bisher nicht einfach mit einer keramischen LeuchtstoffSchicht belegen, insbesondere falls die Auftragungsfläche eine gekrümmte Fläche ist. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine
Halbleiterleuchtvorrichtung mit mindestens einem optischen Element wie oben beschrieben. Dadurch werden die gleichen Vorteile erreicht wie oben für das Verfahren und das optische Element beschrieben, und die Halbleiterleuchtvorrichtung kann analog ausgestaltet sein.
Die Halbleiterleuchtvorrichtung kann insbesondere ein solches aktives optisches Element und/oder mindestens ein solches passives optisches Element aufweisen.
Die Halbleiterleuchtvorrichtung weist insbesondere mindestens eine Halbleiterlichtquelle auf, welche ein wie oben
beschriebenes aktives optisches Element sein kann, es aber nicht zu sein braucht.
Insbesondere mag die Halbleiterleuchtvorrichtung mit
mindestens einem passiven optischen Element ausgerüstet sein, das an mindestens einer Auftragungsfläche anorganischen
Leuchtstoff aufweist, wobei der Leuchtstoff von der
mindestens einen Halbleiterlichtquelle beabstandet angeordnet ist . Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine
Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei
Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z.B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z.B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen
Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere
Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z.B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat ("Submount") montiert sein. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z.B. mindestens einer Fresnel-Linse,
Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z.B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs ) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z.B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen . Es ist eine Ausgestaltung, dass die
Halbleiterleuchtvorrichtung eine Lampe, insbesondere
Retrofitlampe, ist. Die Erfindung ist für eine Retrofitlampe besonders vorteilhaft, da diese eine Fähigkeit zur effektiven Wärmeableitung bei geringem Bauraum benötigt. Retrofitlampen sind Lampen, die durch die Gestaltung der mechanischen und/oder elektrischen Anschlusselemente zum Ersatz von sogenannten konventionellen, also nicht halbleiterbasierten Lampen, beispielsweise Glüh- Halogenglüh- oder
Entladungslampen, geeignet sind und im Allgemeinen eine ähnliche Kontur sowie ähnliche Außenabmessungen wie die zu ersetzenden konventionellen Lampen aufweisen.
Die Retrofitlampe kann insbesondere eine Glühlampen- Retrofitlampe oder eine Halogenlampen- Retrofitlampe sein. Das optische Element der Glühlampen-Retrofitlampe kann beispielsweise ein Kolben, ein Kühlkörper und/oder ein zentraler, nach vorne vorstehender Reflektor zur Verbesserung einer omnidirektionalen Lichtabstrahlung sein. Das optische Element der Glühlampen-Retrofitlampe kann beispielsweise ein Hohlreflektor und/oder ein Kühlkörper sein.
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.
Fig.1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine
Aufbringung eines keramischen Leuchtstoffs auf ein erstes Substrat mittels eines
Aerosolabscheidungsverfahrens (ADM) ;
Fig.2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine
Aufbringung eines keramischen Leuchtstoffs auf ein zweites Substrat mittels des
Aerosolabscheidungsverfahrens ;
Fig.3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine
Leuchtvorrichtung mit einem so aufgebrachten
Leuchtstoff; und
Fig.4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein aktives optisches Element mit einem so
aufgebrachten Leuchtstoff.
Fig.l zeigt eine Aufbringung eines keramischen Leuchtstoffs 11 auf ein erstes Substrat 12 mittels eines
Aerosolabscheidungsverfahrens (ADM) .
Der keramische Leuchtstoff 11, z.B. YAG:Ce, wird bei dem Aerosolabscheidungsverfahren in Pulverform mit hoher
Geschwindigkeit auf eine Auftragungsfläche 13 des Substrats 12 aufgesprüht. Dabei beträgt ein maximaler Durchmesser der Pulverpartikel zwischen 800 Nanometern und 1 Mikrometer.
Mit Auftreffen auf das Substrat 12 werden die Pulverpartikel des keramischen Leuchtstoffs 11 kompaktiert. Durch den
Verlust an kinetischer Energie kann sich das Substrat 12 an der Auftragungsfläche 13 für kurze Zeit auf lokal bis zu ca. 300°C, gelegentlich auf bis zu ca. 500°C, erwärmen. Durch die hohe Aufprallenergie kompaktieren die Pulverpartikel und bilden eine hochgradig dichte, nanokristalline
LeuchtstoffSchicht 14. Diese LeuchtstoffSchicht 14 kann beispielsweise eine Dicke zwischen 100 Mikrometern und 200 Mikrometern aufweisen, aber auch weniger oder mehr, z.B.
abhängig von einer Abscheidungsrate und einer Prozessdauer.
Fig.2 zeigt eine Aufbringung des keramischen Leuchtstoffs 11 auf ein zweites Substrat 15 mittels des
Aerosolabscheidungsverfahrens . Während das Substrat 12 eine plane Auftragungsfläche 13 aufweist, ist das Substrat 15 gekrümmt. Auch auf das gekrümmte Substrat 15 ist die
LeuchtstoffSchicht 14 problemlos aufbringbar.
Fig.3 zeigt eine Leuchtvorrichtung 16 mit einer so
aufgebrachten LeuchtstoffSchicht 14 aus keramischem
Leuchtstoff 11. Die Leuchtvorrichtung 16 weist einen
Hohlreflektor 17 auf, dessen Innenseite 18 als eine
Auftragungsfläche für die LeuchtstoffSchicht 14 dient. Die Innenseite 18 ist spekular spiegelnd ausgestaltet. Der
Hohlreflektor 17 besteht aus einem Metallkörper, z.B. aus Aluminium, oder aus Glas oder Kunststoff und dient folglich auch als ein Kühlkörper für die LeuchtstoffSchicht 14.
Der Hohlreflektor 17 weist eine bodenförmige Öffnung 19 zur Einführung oder Durchführung von auf einem gemeinsamen Träger 19 aufgebrachten Leuchtdioden 20 auf. Im Betrieb beleuchten die Leuchtdioden 20 auch den Hohlreflektor 17 und damit die LeuchtstoffSchicht 14 mit Primärlicht, z.B. mit blauem Licht. In der LeuchtstoffSchicht 14 wird das darauf einfallende Primärlicht zumindest teilweise in wellenlängenumgewandeltes Sekundärlicht, z.B. gelbes Licht, umgewandelt. Dabei beugt die spiegelnde Innenseite 18 einer Absorption von Licht vor und erhöht eine Lichtausbeute.
Fig.4 zeigt ein aktives optisches Element 21 mit einem so aufgebrachten Leuchtstoff 11 in Form einer LeuchtstoffSchicht 22. Das aktive optische Element 21 ist hier ein
oberflächenemittierender Leuchtdiodenchip oder ein Package mit einem solchen Chip, dessen oberseitige Emitterfläche 23 mit der LeuchtstoffSchicht 22 belegt ist. Dies ergibt
zusammen einen Mischlicht ausstrahlenden Leuchtdiodenchip 24, welcher beispielsweise in der Leuchtvorrichtung 16 als
Leuchtdiode 20 verwendet werden kann, und zwar zusätzlich oder alternativ zu der auf der Innenseite 18 des
Hohlreflektors 17 aufgebrachten Leuchtschicht 14.
Der oberflächenemittierende Leuchtdiodenchip mag bereits vereinzelt sein oder sich als Vorprodukt noch in einem Wafer o.ä. befinden. 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.
, n
15
Bezugs zeichenliste
11 Leuchtstoff
12 Substrat
13 Auftragungsfläche
14 LeuchtstoffSchicht
15 Substrat
16 Leuchtstoff orrichtung
17 Hohlreflektor
18 Innenseite
19 Öffnung
20 Leuchtdioden
21 Aktives optisches Element
22 LeuchtstoffSchicht
23 oberseitige Emitterfläche
24 Leuchtdiodenchip

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Aufbringen mindestens eines anorganischen Leuchtstoffs (11) auf mindestens ein optisches Element (12; 15; 17; 21), wobei das Aufbringen mittels eines Pulverkaltsprühverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei
Pulverkaltsprühverfahren ein
Aerosolabscheidungsverfahren ist .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe der mindestens eine anorganische Leuchtstoff mindestens ein keramischer Leuchtstoff (11) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine keramische Leuchtstoff (11) mindestens einen
granatbasierten Leuchtstoff und/oder mindestens einen nitridbasierten Leuchtstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe das optische Element (12; 15; 17; 21) ein passives optisches Element (12; 15; 17) ist, welches von einem aktiven optischen Element beabstandet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe das optische Element (12; 15; 17; 21) ein aktives optisches Element (21), insbesondere
Halbleiterlichtquelle, ist und das Aufbringen des mindestens einen anorganischen Leuchtstoffs (11) ein Aufbringen auf mindestens eine Emitterfläche (23) des aktiven optischen Elements (21) umfasst.
Optisches Element (12; 15; 17; 21), das an mindestens einer Auftragungsfläche (13; 18; 23) mit mindestens einem anorganischem Leuchtstoff (11) belegt ist, wobei der Leuchtstoff (11) auf mindestens eine
Auftragungsfläche (13; 18; 23) des optischen Elements (12; 15; 17; 21) mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebracht worden ist.
8. Optisches Element (12; 15; 17; 21) nach Anspruch 7,
wobei das optische Element ein passives optisches
Element (12; 15; 17) ist.
9. Optisches Element (12; 15; 17) nach Anspruch 8, wobei mindestens eine Auftragungsfläche (13; 18) eine
reflektierende, insbesondere spekulare, Fläche (18) ist.
10. Optisches Element (12; 15; 17) nach Anspruch 7, wobei das optische Element ein aktives optisches Element (21), insbesondere Halbleiterlichtquelle, ist und die
Auftragungsfläche eine Emitterfläche (23) ist.
11. Optisches Element (15; 17) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei mindestens eine Auftragungsfläche (13; 18; 23) eine gekrümmte Fläche ist.
12. Optisches Element (12; 15; 17; 21) nach einem der
Ansprüche 7 bis 11, wobei der aufgebrachte Leuchtstoff (11) auf mindestens einer Auftragungsfläche (13; 18; 23) eine LeuchtstoffSchicht (14; 22) einer Dicke zwischen 50 Mikrometern und 200 Mikrometern bildet.
13. Optisches Element (12; 15; 17) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Auftragungsfläche (13; 18; 23) eine Oberfläche eines Substrats aus Glas, Metall, Kunststoff oder eines Halbleitermaterials ist.
14. Halbleiterleuchtvorrichtung (16) mit mindestens einem optischen Element (17) nach einem der Ansprüche 7 bis 13.
15. Halbleiterleuchtvorrichtung (16) nach Anspruch 14, wobei die Halbleiterleuchtvorrichtung eine Lampe, insbesondere Retrofitlampe (16), ist.
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