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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE10146719 A1
Publication typeApplication
Application numberDE2001146719
Publication date17 Apr 2003
Filing date20 Sep 2001
Priority date20 Sep 2001
Also published asEP1296383A2, EP1296383A3, US6674233, US20030052595
Publication number01146719, 2001146719, DE 10146719 A1, DE 10146719A1, DE-A1-10146719, DE01146719, DE10146719 A1, DE10146719A1, DE2001146719
InventorsAndries Ellens, Guenter Huber
ApplicantPatent Treuhand Ges Fuer Elektrische Gluehlampen Mbh
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Beleuchtungseinheit mit mindestens einer LED als Lichtquelle Lighting unit having at least one LED as light source translated from German
DE 10146719 A1
Abstract  translated from German
Beleuchtungseinheit mit mindestens einer LED als Lichtquelle, wobei die LED primäre Strahlung im Bereich 300 bis 430 nm emittiert, wobei diese Strahlung vollständig in längerwellige Strahlung konvertiert wird durch Leuchtstoffe, die der primären Strahlung der LED ausgesetzt sind, wobei die Konversion zumindest unter Zuhilfenahme eines Leuchtstoffs, der grün mit einer Wellenlänge der Peakemission bei 495 bis 540 nm emittiert und der aus der Klasse der Ce-aktivierten Sialone stammt, wobei das Sialon der Formel M¶p/2¶Si¶12-pq¶Al¶p+q¶O¶q¶N¶16-q¶ : Ce·3+· gehorcht, mit M = Ca einzeln oder in Kombination mit Sr, mit q = 0 bis 2,5 und p = 0,5 bis 3. A lighting unit comprising at least one LED as light source, the LED primary radiation emitted 300-430 nm range, which radiation is fully converted into longer-wave radiation by phosphors which are exposed to the primary radiation of the LED, wherein the conversion, at least with the aid of a phosphor , the green emitted at a wavelength of peak emission at 495-540 nm, and the dates of the class of Ce-activated Sialons, wherein the sialon of formula M¶p / 2¶Si¶12-pq¶Al¶p + q¶O ¶q¶N¶16-q¶: Ce + 3 · · obeys individually with M = Ca or in combination with Sr, with q = 0 to 2.5 and p is from 0.5 to 3rd
Claims(13)  translated from German
1. Beleuchtungseinheit mit mindestens einer LED als Lichtquelle, wobei die LED primäre Strahlung im Bereich 300 bis 430 nm, insbesondere 380 bis 420 nm, emittiert, wobei diese Strahlung vollständig in längerwellige Strahlung konvertiert wird durch Leuchtstoffe, die der primären Strahlung der LED ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet , dass die Konversion zumindest unter Zuhilfenahme eines Leuchtstoffs erfolgt der grün mit einer Wellenlänge der Peakemission bei 495 bis 540 nm emittiert und der aus der Klasse der Ce-aktivierten Sialone stammt, wobei das Sialon der Formel M p/2 Si 12-pq Al p+q O q N 16-q : Ce 3+ gehorcht, mit M = Ca einzeln oder in Kombination mit Sr, mit q = 0 bis 2,5 und p = 1,5 bis 3. 1. A lighting unit comprising at least one LED as light source, the LED primary radiation in the range 300 to 430 nm, especially 380 to 420 nm, emitted, this radiation being completely converted into longer-wave radiation by phosphors which are exposed to the primary radiation of the LED , characterized in that the conversion takes place at least with the aid of a phosphor of the green emitting with a peak emission wavelength at 495 to 540 nm and originates from the class of the Ce-activated sialons, the sialon of the formula M p / 2 Si 12- Al pq p + q q N O 16-q: Ce 3+ obeys individually with M = Ca or in combination with Sr, with q = 0 to 2.5 and p = 1.5 bis. 3
2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ca teilweise (bis zu 30 mol-%) durch Sr ersetzt ist. 2. Lighting unit according to claim 1, characterized in that the Ca partially (up to 30 mol%) is replaced by Sr.
3. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass q < 1, insbesondere q ≤ 0,8, und/oder p = 2,5 bis 3 gewählt ist. 3. Lighting unit according to claim 1, characterized in that q <1, in particular q ≤ 0.8, and / or p = 2.5 to 3 selected.
4. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Korndurchmesser des grünen Leuchtstoffs zwischen 0,5 und 5 µm beträgt. 4. Lighting unit according to claim 1, characterized in that the mean grain diameter of the green phosphor is between 0.5 and 5 microns.
5. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von weißem Licht die primär emittierte Strahlung im Wellenlängenbereich 370 bis 420 nm liegt, wobei die primär emittierte Strahlung zumindest drei Leuchtstoffen mit Emissionsmaximum im Blauen (430 bis 470 nm), Grünen (495 bis 540 nm) und Roten (insbesondere 540 bis 620 nm) zur Konversion ausgesetzt ist. 5. Lighting unit according to claim 1, characterized in that, to generate white light, the primary radiation emitted in the wavelength range 370 is up to 420 nm, the primary radiation emitted at least three phosphors with emission maxima in the blue (430-470 nm), Green (495 to 540 nm) and red (in particular 540 to 620 nm) is subjected to the conversion.
6. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere rote Leuchtstoff ein Eu-dotiertes Sialon ist. 6. Lighting unit according to claim 5, characterized in that the further red phosphor is a Eu-doped sialon.
7. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von farbigem Licht die primär emittierte Strahlung im UV-Wellenlängenbereich von 370 bis 420 nm liegt, wobei die primär emittierte Strahlung einem einzigen Leuchtstoff mit Emissionsmaximum im Grünen (495 nm bis 540 nm) entsprechend einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4 ausgesetzt ist. 7. Lighting unit according to claim 1, characterized in that for the generation of colored light, the primary radiation emitted in the UV wavelength range 370-420 nm, wherein the primary radiation emitted a single phosphor having emission peak in the green (495 nm to 540 nm) is exposed to in accordance with one of the preceding claims 1 to 4.
8. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischungsanteil des grünen Leuchtstoffs etwa 0,5 bis 15% beträgt. 8. The illumination unit according to claim 5, characterized in that the mixing ratio of the green phosphor is about 0.5 to 15%.
9. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als primäre Strahlungsquelle eine kurzwellig emittierende Leuchtdiode, insbesondere auf Basis von Ga(ln)N, verwendet wird. 9. The illumination unit according to claim 1, characterized in that is used as primary radiation source emitting a short wavelength light-emitting diode, in particular based on Ga (In) N.
10. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit eine Lumineszenzkonversions-LED ist, bei der die Leuchtstoffe direkt oder mittelbar in Kontakt mit dem Chip stehen. 10. Lighting unit according to claim 1, characterized in that the illumination unit is a luminescence conversion LED in which the phosphors are in direct or indirect contact with the chip.
11. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit ein Feld (Array) von LEDs ist. 11. Lighting unit according to claim 1, characterized in that the illumination unit is a field (array) of LEDs.
12. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Leuchtstoffe auf einer vor dem LED-Feld angebrachten optischen Vorrichtung angebracht ist. 12. Lighting unit according to claim 12, characterized in that at least one of the phosphors is mounted on a mounted in front of the LED array optical device.
13. Leuchtstoff aus der Klasse der Ce-dotierten Sialone, dadurch gekennzeichnet, dass das Ce-dotierte Sialon der Formel M p/2 Si 12-pq Al p+q O q N 16-q : Ce 3+ gehorcht, mit M = Ca einzeln oder in Kombination mit Sr, mit q = 0 bis 0,8 und p = 1,5 bis 3. 13. phosphor is selected from the class of the Ce-doped sialons, characterized in that the Ce-doped sialon of the formula M p / 2 Si 12-pq Al p + q O q N 16-q: Ce 3+ obeyed, with M = Ca individually or in combination with Sr, with q = 0 to 0.8 and p = 1.5 bis third
Description  translated from German
    Technisches Gebiet Technical Field
  • [0001] [0001]
    Die Erfindung geht aus von einer Beleuchtungseinheit mit mindestens einer LED als Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine im Sichtbaren oder Weiß emittierende LED auf Basis einer primär UV emittierenden LED. The invention relates to an illumination unit having at least one LED as light source according to the preamble of claim 1. It is in particular an emitting in the visible or white LED based on a primarily UV-emitting LED.
  • Stand der Technik State of the art
  • [0002] [0002]
    Eine Beleuchtungseinheit mit mindestens einer LED als Lichtquelle, die beispielsweise weißes Licht abgibt, wird derzeit vorwiegend durch die Kombination einer im Blauen bei etwa 460 nm emittierenden Ga(ln)N-LED und eines gelb emittierenden YAG:Ce 3+ -Leuchtstoffs realisiert (US 5 998 925 und EP 862 794). A lighting unit having at least one LED as light source that emits example, white light is currently mainly by the combination of an emitting in the blue at about 460 nm Ga (In) N-LED and a yellow-emitting YAG: Ce 3+ -Leuchtstoffs realized (US 5,998,925 and EP 862,794). Dabei werden für eine gute Farbwiedergabe oft zwei verschiedene Gelb-Leuchtstoffe verwendet wie in WO-A 01/08453 beschrieben. Here, two different yellow phosphors are used as described in WO-A 01/08453 describes a good color reproduction often. Problematisch dabei ist, dass die beiden Leuchtstoffe oft unterschiedliches Temperaturverhalten zeigen, auch wenn ihre Struktur ähnlich ist. The problem here is that the two phosphors often have different temperature characteristics, even if their structure is similar. Ein bekanntes Beispiel ist der im Gelben lumineszierende Ce-dotierte Y- Granat (YAG:Ce) und der im Vergleich dazu längerwellig lumineszierende (Y,Gd)- Granat. A well-known example is the luminescent Ce-doped Y in the Yellow garnet (YAG: Ce) and compared to longer wavelength luminescent (Y, Gd) - garnet. Dies führt zu Farbortschwankungen und Änderungen der Farbwiedergabe bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen. This leads to changes in the color locus and color reproduction at different operating temperatures.
  • [0003] [0003]
    Aus der Veröffentlichung "On new rare-earth doped M-Si-Al-ON materials" von van Krevel, TU Eindhoven 2000, ISBN 90-386-2711-4, Kapitel 11, ist eine Klasse von Leuchtstoffmaterialien bekannt, die in Abkürzung ihrer Struktur als Sialone (α- Sialone) bezeichnet werden, die mit Ce, Eu, oder Tb dotiert sein können. From the publication "On new rare-earth doped M-Si-Al-ON materials" by van Krevel, TU Eindhoven 2000 ISBN 90-386-2711-4, Chapter 11, a class of fluorescent materials are known to those of their abbreviation in structure are called Sialons (α- Sialons), which can be doped with Ce, Eu, Tb or. Bei Dotierung mit Ce wird eine Emission im Bereich von 515 bis 540 nm erzielt bei Anregung mit 365 nm oder 254 nm. When doped with Ce emission in the range 515-540 nm is obtained with excitation at 365 nm or 254 nm.
  • Darstellung der Erfindung Summary of the Invention
  • [0004] [0004]
    Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungseinheit mit mindestens einer LED als Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die sich durch hohe Konstanz bei wechselnden Betriebstemperaturen auszeichnet. It is an object of the present invention to provide a lighting unit having at least one LED as light source according to the preamble of claim 1, characterized by high stability at varying operating temperatures. Eine weitere Aufgabe ist, eine Beleuchtungseinheit bereitzustellen, die weiß emittiert und insbesondere eine hohe Farbwiedergabe und hohe Ausbeute besitzt. A further object is to provide a lighting unit that emits white light and in particular has a high color rendering and high yield.
  • [0005] [0005]
    Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by the characterizing features of claim 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Particularly advantageous configurations are given in the dependent claims.
  • [0006] [0006]
    Erfindungsgemäß wird als Leuchtstoff für die LED-basierte Beleuchtungseinheit ein Sialon verwendet, das grün emittiert und aus der Klasse der Ce-aktivierten Sialone stammt, wobei das Sialon der Formel M p/2 Si 12-pq Al p+q O q N 16-q : Ce 3+ gehorcht, mit M = Ca einzeln oder in Kombination mit Sr, mit q = 0 bis 2,5 und p = 1,5 bis 3. Bevorzugt wird ein hoher Wert für p gewählt, nämlich p = 2,5 bis 3, und ein relativ niedriger Wert für q, nämlich q = 0 bis 1, insbesondere bis 0,8. According to the invention as a phosphor for LED-based lighting unit a sialon used that emits green and comes from the class of the Ce-activated Sialons, wherein the sialon of the formula M p / 2 Si 12-pq Al p + q O q N 16- q: Ce 3+ obeys, where M = Ca individually or in combination with Sr, with q = 0 to 2.5 and p = 1.5 to 3. Preferably, a high value for p is chosen, namely, p = 2.5 to 3, and a relatively low value of Q, namely, q = 0-1, in particular to 0.8. Bevorzugt wird Ca alleine für das Kation M verwendet. Preferably Ca alone is used for the cation M.
  • [0007] [0007]
    Der Ce-Anteil, der einen Teil des Kations M ersetzt, sollte bei 0,5 bis 15%, bevorzugt 1 bis 10%, insbesondere 2 bis 6%, des M-Kations liegen, wodurch eine besonders genaue Wahl der Emissionswellenlänge getroffen werden kann und auch die Lichtausbeute optimiert werden kann. The Ce content, which replaces some of the cation M, should be 0.5 to 15%, preferably 1 to 10%, in particular 2-6%, of the M cation, whereby a particularly precise selection of the emission wavelength can be made and also the luminous efficiency can be optimized. Ein steigender Ce-Gehalt bewirkt im allgemeinen eine Verschiebung der Peakemission zu längeren Wellenlängen hin. An increasing Ce content generally towards a shift in the peak emission at longer wavelengths.
  • [0008] [0008]
    Besondere Vorteile dieses Leuchtstoffs in Verbindung mit einer LED-basierten Beleuchtungseinheit sind seine hohe Effizienz, seine überragende Temperaturstabilität (keine Empfindlichkeit gegen Änderungen der Betriebstemperatur) und eine überraschend hohe Löschtemperatur der Lumineszenz sowie die damit erzielbare hohe Farbwiedergabe, insbesondere bei Kombination mit mindestens einem weiteren Leuchtstoff. Particular advantages of this phosphor in conjunction with an LED-based lighting unit are its high efficiency, its superior temperature stability (no sensitivity to changes in temperature) and a surprisingly high luminescence extinction temperature, as well as the achievable high color rendering, especially in combination with at least one other fluorescent , Die Löschtemperatur, also die Temperatur, bei der die Lumineszenz aufgrund der zugeführten Wärme zerstört wird, ist sogar so hoch, dass sie außerhalb des vorgewählten Messbereichs (maximal 140°C) lag. The quenching temperature, ie the temperature at which the luminescence is destroyed due to the heat supplied is so high that it was outside the selected measurement range (up to 140 ° C).
  • [0009] [0009]
    Ein weiterer Vorteil dieser Leuchtstoffklasse ist, dass bereits das Ausgangsmaterial (insbesondere Si 3 N 4 ) in feinstdisperser Form vorliegt. Another advantage of this class of phosphors is that already the starting material (in particular Si 3 N 4) is present in finely dispersed form. Dieser Leuchtstoff muss daher nicht mehr gemahlen werden, wodurch ein Arbeitsgang gespart wird und keine Effizienzverluste auftreten. This phosphor therefore does not need to be ground to obtain a pass will be saved and are no efficiency losses. Typische mittlere Korngrößen des Leuchtstoffs liegen bei 0,5 bis 5 µm. Typical average particle sizes of the phosphor are 0.5 to 5 microns. Dagegen müssen konventionelle Leuchtstoffe wie YAG : Ce gemahlen werden, damit sie im Gießharz dispergiert bleiben und nicht auf den Boden absinken. In contrast, conventional phosphors, such as YAG need: Ce are ground so that they remain dispersed in the resin and not sink to the bottom. Dieser Mahlvorgang führt häufig zu Effizienzverlusten. This milling often leads to a loss of efficiency. Der erfindungsgemäße Leuchtstoff hat trotz feiner Korngröße des Ausgangsmaterials eine gute Absorption. The phosphor according to the invention has a good absorption despite the fine grain size of the starting material.
  • [0010] [0010]
    Neben der Erzeugung einer farbigen Lichtquelle durch Anregung mittels UV- Strahlung einer LED bietet vor allem die Erzeugung von weißem Licht mit Hilfe dieses Leuchtstoffs Vorteile. In addition to generating a colored light source through excitation by means of UV radiation from an LED, in particular the generation of white light by using this phosphor advantages. Dies geschieht bei einer UV-emittierenden LED als primäre Lichtquelle unter Verwendung mindestens dreier Leuchtstoffe. This happens in a UV-emitting LED as primary light source, using at least three phosphors.
  • [0011] [0011]
    Weißes Licht mit guter Farbwiedergabe wird insbesondere erzeugt durch die Kombination einer UV-LED (z. B. Primäremission bei 300 bis 430 nm, bevorzugt 380 bis 420 nm), eines erfindungsgemäßen Grünleuchtstoffs (Emission zwischen 495-540 nm) und eines blau (Emission: 440-480 nm) sowie eines rot emittierenden Leuchtstoffs (Emission: 560-620 nm). White light with good color rendering is especially generated by the combination of a UV-LED (z. B. primary emission at 300 to 430 nm, preferably from 380 to 420 nm), a green phosphor according to the invention (emission between 495-540 nm) and a blue (emission : 440-480 nm) and a red-emitting phosphor (emission: 560-620 nm).
  • [0012] [0012]
    Als Grün-Leuchtstoff wird M p/2 Si 12-pq Al p+q O q N 16-q : Ce 3+ verwendet. As a green fluorescent M p / 2 Si 12 Al-pq is p + q q N O 16-q: Ce 3+ used. Dabei ist M = Ca einzeln oder in Kombination mit Sr, bevorzugt liegt der Sr-Anteil bei weniger als 30 mol-%. In this case, M = Ca individually or in combination with Sr, preferably, the Sr content is less than 30 mol%. Dieser grüne Leuchtstoff hat eine hervorragende Thermostabilität und zeigt ein ausgezeichnetes Lumineszenzverhalten bei höheren Temperaturen, wie sie für LEDs typisch sind: bis 80°C zeigt er im Rahmen der Messgenauigkeit keinen Rückgang der Lumineszenz. This green phosphor has excellent thermal stability and exhibits excellent luminescence properties at higher temperatures, as it is typical for LEDs: up to 80 ° C, it is within the measurement accuracy does not decrease the luminescence. Im Vergleich dazu weisen die herkömmlichen Granatleuchtstoffe bei 80°C einen deutlich messbaren Rückgang der Lumineszenz auf: er kann 5 bis 30% betragen, abhängig von der gewählten Kationenzusammensetzung im System (Y,Gd,Lu) 3 (Al,Ga) 5 O 12 . In comparison, the conventional garnet phosphors have at 80 ° C a significantly measurable decrease in the luminescence on: it can be 5 to 30%, depending on the selected cation composition in the system (Y, Gd, Lu) 3 (Al, Ga) 5 O 12 ,
  • [0013] [0013]
    Die großen Vorteile von Ce-Sialonen sind ihre ausgeprägte Stabilität gegenüber heißen Säuren, Laugen und auch ihre thermische und mechanische Stabilität. The great advantages of Ce-sialones are their strong resistance to hot acids, alkalis and their thermal and mechanical stability. Überraschenderweise zeigen diese Sialone exzellentes Temperatur-Löschverhalten der Lumineszenz von Aktivatorionen in diesen Verbindungen. Surprisingly, these sialons excellent temperature-quenching behavior of the luminescence of activator ions in these compounds. Das macht diese Verbindungen zu starken Konkurrenten von Leuchtstoffen, die manchmal bei Raumtemperatur heller u/o effizienter leuchten, aber in der Anwendung Lumineszenzverlust durch Temperaturlöschung zeigen. This makes these compounds to strong competitor of phosphors, sometimes at room temperature brighter and / or light more efficiently, but in use Lumineszenzverlust show by thermal quenching. Zum Beispiel hat das blaugrün leuchtende Sr 4 Al 14 O 25 : Eu 2+ eine Quanteneffizienz von etwa 85% bei Raumtemperatur. For example, the blue green glowing Sr 4 Al 14 O 25: Eu 2+, a quantum efficiency of about 85% at room temperature. Bei 100°C aber ist die Effizienz auf etwa 60% gesunken. At 100 ° C but the efficiency has dropped to about 60%. Thiogallate, dotiert mit Eu 2+ , abhängig von ihrer Kationzusammensetzung (MGa 2 S 4 : Eu 2+ ) können im gesamten grünen Bereich lumineszieren, verlieren ebenfalls 20%-30%. Thiogallates doped with Eu 2+, depending on their cation composition (MGA 2 S 4: Eu 2+) can luminesce in the entire green area, also lose 20% -30%. Gelb lumineszierende Ce 3+ -dotierte Granate verlieren, abhängig vom Anteil Gd:Y und Al:Ga bei hoher Temperatur etwa 10-30% der Effizienz bei Raumtemperatur. Yellow luminescent Ce 3+ -doped garnets lose, depending on the Gd content: Y and Al: Ga at a high temperature about 10-30% of the efficiency at room temperature.
  • [0014] [0014]
    Eine Weißmischung kann erzeugt werden auf Basis einer UV-emittierenden LED mittels dieser Ce-dotierten Sialone zusammen mit einem Blauleuchtstoff, wie z. B. BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ (BAM), Ba 5 SiO 4 (Cl,Br) 6 : Eu 2+ , CaLa 2 S 4 : Ce 3+ oder (Ca,Sr,Ba) 5 (PO 4 ) 3 Cl:Eu 2+ (SCAP). A white mixture can be created based on a UV-emitting LED by means of these Ce-doped sialons together with a blue phosphor, such as BaMgAl 10 O 17:. Eu 2+ (BAM), Ba 5 SiO 4 (Cl, Br) 6 : Eu 2+, CaLa 2 S 4: Ce 3+ or (Ca, Sr, Ba) 5 (PO 4) 3 Cl: Eu 2+ (SCAP). Ein weiterer Bestandteil ist ein Rotleuchtstoff wie (Y,La,Gd,Lu) 2 O 2 S : Eu 3+ , SrS : Eu 2+ oder Sr 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ . Another component is a red phosphor such as (Y, La, Gd, Lu) 2 O 2 S: Eu 3+, SrS: Eu 2+ or Sr 2 Si 5 N 8: Eu 2+.
  • [0015] [0015]
    Die Farbwiedergabe kann bei Bedarf noch verbessert werden durch Zugabe eines weiteren Grünleuchtstoffs mit verschobenem Emissionsmaximum (beispielsweise Eu-dotierte Thiogallate oder Sr-Aluminate). The color reproduction can be improved if necessary by adding another green phosphor with shifted emission maximum (eg, Eu-doped thiogallates or Sr aluminates). Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz des Ce-dotierten Sialons als einziger Leuchtstoff zum Erzielen einer farbig emittierenden LED. A further possibility is the use of Ce-doped sialon as a single phosphor to obtain a color-emitting LED.
  • [0016] [0016]
    Abhängig vom Ce 3+ -Gehalt ist die Körperfarbe dieses Materials, insbesondere bei geringem Sauerstoffgehalt, fast weiß über blassgrün bis tief grün. Depending on the Ce 3+ content is the body color of this material, especially at low oxygen content, almost white green to pale green to deep. Wegen der hervorragenden Temperaturstabilität und auch mechanischen Stabilität ist dieses Ce- Sialon gut geeignet als umweltfreundliches grünes Pigment oder Leuchtstoff für verschiedenste Anwendungen. Due to the excellent thermal stability and mechanical stability of Ce sialon is well suited as an environmentally friendly green pigment or phosphor for different applications. Dies gilt insbesondere dann, wenn M durch 5 bis 10% Ce ersetzt ist. This is particularly true when M is replaced by 5 to 10% Ce.
  • [0017] [0017]
    Im allgemeinen ist die Quanteneffizienz umso höher, je kleiner q und je größer p gewählt ist. In general, the quantum efficiency is the higher, the smaller q and the higher p is selected. Besonders bevorzugt ist ein Leuchtstoff mit M = Ca, p = 3 und q = 0. P = 3 and q = Particularly preferred is a phosphor where M = Ca, 0th
  • [0018] [0018]
    Das Licht, das der erfindungsgemäße Leuchtstoff unter UV-Licht emittiert, ist sehr ungesättigtes Grün, mit Farbkoordinaten von x ~ 0.22/y ~ 0.41. The light emitting of the phosphor according to the invention under UV light, is very unsaturated green, with color coordinates of x ~ 0.22 / ~ y 0:41. Die Lumineszenz hängt aber von Ce 3+ -Gehalt ab: die Emission verschiebt sich langweilig bei steigendem Ce 3+ -Gehalt. However, the luminescence depends on Ce 3+ content from: the emission shifts bored with increasing Ce 3+ content.
  • [0019] [0019]
    Überraschend sind die optischen Eigenschaften anders als die der in der Literatur beschriebenen Sialone, zumindest bei geringem Sauerstoffgehalt (unter 5 mol-% des Stickstoffanteils, bevorzugt unter 2 mol-%) und hohem Kationenanteil (p = 1,5 bis 3). Surprisingly, the optical properties are different from the sialons described in the literature, at least in a low oxygen content (less than 5 mol% of the nitrogen content, preferably below 2 mol%) and high cation content (p = 1.5 to 3). Die Proben sind oft weiß bis grünlich-weiß, sie absorbieren deshalb nicht im blauen Bereich und lumineszieren deutlich kurzwelliger als in der Literatur beschrieben. The samples are often greenish-white to white, so they do not absorb in the blue region and luminesce significantly shorter wavelength than described in the literature. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße Leuchtstoff sehr gut geeignet ist für die UV-LED (oder eventuell UV-Anwendungen), und dass er vor allem keine konkurrierende Absorption von blauem Licht zeigt, so dass eine relativ langwellige UV- Primäremission (380 bis 420 nm) gewählt werden kann. This means that the phosphor according to the invention is very well suited for the UV-LED (or possibly UV applications), and that it particularly does not show any competing absorption of blue light, so that a relatively long-wave UV primary emission (380 to 420 nm ) can be selected. Je langwelliger die UV- Emission gewählt werden kann, desto energieärmer ist sie und desto mehr schont sie die LED, was die Lebensdauer verlängert. The longer the wavelength of the UV emission can be chosen, the less energy it is and the more it protects the LED, which prolongs the service life. Dieses vorteilhafte Verhalten zeigen insbesondere Leuchtstoffe mit keinem oder geringem Sauerstoffanteil, also bis höchstens 5 mol-%, bezogen auf Stickstoff, entsprechend der Formel M p/2 Si 12-pq Al p+q O q N 16-q : Ce 3+ , mit M = Ca einzeln oder in Kombination mit Sr, insbesondere mit q = 0 bis 0,7 und p = 2,5 bis 3. This advantageous behavior show, in particular luminescent materials with little or no oxygen content, ie up to at most 5 mol%, based on the nitrogen, corresponding to the formula M p / 2 Si 12-pq Al p + q O q N 16-q: Ce 3+, with M = Ca individually or in combination with Sr, in particular with q = 0 to 0.7 and p = 2.5 bis third
  • Figuren Figures
  • [0020] [0020]
    Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In the following, the invention will be described with reference to several embodiments. Es zeigen: It show:
  • [0021] [0021]
    Fig. 1 ein Halbleiterbauelement, das als Lichtquelle (LED) für weißes Licht dient; Fig. 1, a semiconductor device, which serves for white light as a light source (LED);
  • [0022] [0022]
    Fig. 2 eine Beleuchtungseinheit mit Leuchtstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung; Figure 2 is a lighting unit with phosphors in accordance with the present invention.
  • [0023] [0023]
    Fig. 3 bis 5 das Emissionsspektrum und Reflexionsspektrum von verschiedenen Sialon-Leuchtstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung; Figures 3 to 5, the emission spectrum and reflection spectrum of various sialon phosphors according to the present invention.
  • [0024] [0024]
    Fig. 6 das Temperaturverhalten von Sialon HU18A/01 sowie das Temperaturverhalten von Thiogallat-Leuchtstoff im Vergleich. Fig. 6 shows the temperature behavior of sialon HU18A / 01 as well as the temperature behavior of thiogallate phosphor in comparison.
  • Beschreibung der Zeichnungen Description of the Drawings
  • [0025] [0025]
    Für den Einsatz in einer weißen LED zusammen mit einem GalnN-Chip wird beispielsweise ein Aufbau ähnlich wie in US 5 998 925 beschrieben verwendet. For example, a structure is used similarly as described in US 5,998,925 for use in a white LED together with a GaInN chip. Der Aufbau einer derartigen Lichtquelle für weißes Licht ist in Fig. 1 explizit gezeigt. The structure of a light source for white light is shown explicitly in Fig. 1. Die Lichtquelle ist ein Halbleiterbauelement (Chip 1 ) des Typs InGaN mit einer Peak-Emissionswellenlänge von 400 nm mit einem ersten und zweiten elektrischen Anschluss 2 , 3 , das in ein lichtundurchlässiges Grundgehäuse 8 im Bereich einer Ausnehmung 9 eingebettet ist. The light source is a semiconductor component (chip 1) of type InGaN with a peak emission wavelength of 400 nm with a first and second electrical connection 2, 3, which is embedded in an opaque base housing 8 in the region of a recess 9. Einer der Anschlüsse 3 ist über einen Bonddraht 14 mit dem Chip 1 verbunden. One of the connections 3 is connected via a bonding wire 14 to the chip 1. Die Ausnehmung hat eine Wand 17 , die als Reflektor für die Primärstrahlung des Chips 1 dient. The recess has a wall 17 which serves as reflector for the primary radiation of the chip 1. Die Ausnehmung 9 ist mit einer Vergussmasse 5 gefüllt, die als Hauptbestandteile ein Epoxidgießharz (80 bis 90 Gew.-%) und Leuchtstoffpigmente 6 (weniger als 15 Gew.-%) enthält. The recess 9 is filled with a potting compound 5 which (80 to 90 wt .-%) and phosphor pigments 6 comprises (wt .-% less than 15) as the main component an epoxy casting resin. Weitere geringe Anteile entfallen ua auf Methylether und Aerosil. Further small amounts of, inter alia, methyl ether and Aerosil. Die Leuchtstoffpigmente sind eine Mischung aus BAM, SrS und Sialon-Pigmenten. The phosphor pigments are a mixture of BAM, SrS and sialon pigments.
  • [0026] [0026]
    In Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus einer Flächenleuchte 20 als Beleuchtungseinheit gezeigt. In Fig. 2 shows a part of a surface-lighting fitting 20 as illumination unit. Sie besteht aus einem gemeinsamen Träger 21 , auf den ein quaderförmiges äußeres Gehäuse 22 aufgeklebt ist. It comprises a common support 21, to which a cuboidal outer housing 22 is adhesively bonded. Seine Oberseite ist mit einer gemeinsamen Abdeckung 23 versehen. Its top is provided with a common cover 23. Das quaderförmige Gehäuse besitzt Aussparungen, in denen einzelne Halbleiter-Bauelemente 24 untergebracht sind. The cuboidal housing has cutouts in which individual semiconductor components 24 are accommodated. Sie sind UV- emittierende Leuchtdioden mit einer Peakemission von typisch 360 nm. Die Umwandlung in weißes Licht erfolgt mittels Konversionsschichten, die direkt im Gießharz der einzelnen LED sitzen ähnlich wie in Fig. 1 beschrieben oder Schichten 25 , die auf allen der UV-Strahlung zugänglichen Flächen angebracht sind. They are UV-emitting LEDs with a peak emission of typically 360 nm. The conversion into white light is similar to that in Fig means of conversion layers that sit directly in the resin of each LED. 1 described or layers 25, which are accessible to all of the UV radiation surfaces are attached. Dazu zählen die innen liegenden Oberflächen der Seitenwände des Gehäuses, der Abdeckung und des Bodenteils. These include the inner surfaces of the side walls of the housing, the cover and the base part. Die Konversionsschichten 25 bestehen aus drei Leuchtstoffen, die im roten, grünen und blauen Spektralbereich emittieren unter Benutzung der erfindungsgemäßen Leuchtstoffe. The conversion layers 25 consist of three phosphors which emit in the red, green and blue spectral range using the phosphors according to the invention.
  • [0027] [0027]
    Einige Leuchtstoffe des Sialon-Typs sind in Tab. 1 zusammengefasst. Some phosphors of the sialon type are summarized in Tab. 1. Es handelt sich um Ca-Sialone des Typs Ca 1,5 Si 9 Al 3 N 16 , wobei ein Anteil des Kations Ca, der zwischen 2 und 8 mol-% des Ca liegt, durch Ce ersetzt ist. These are Ca-Sialons type Ca 1.5 Si 9 Al 3 N 16, wherein a portion of the cation Ca which lies mol% of Ca 2-8, is replaced by Ce. Typische Quanteneffizienzen dieser Leuchtstoffe liegen bei 50 bis 70%, wobei sich die Peakemission (max. Em.) von 497 nm bei geringer Ce-Dotierung zu etwa 508 nm bei hoher Ce- Dotierung verschiebt. Typical quantum efficiencies of these phosphors are 50 to 70%, with the peak emission (max. Em.) Of 497 nm at low Ce doping to about 508 nm at high Ce doping shifts. Dieses Verhalten für sauerstofffreie Sialone ist besonders deswegen überraschend weil in der eingangs zitierten Literatur deutlich längerwellige Peakemissionen angegeben sind. This behavior of oxygen-free Sialons is particularly surprising in because in the literature cited significantly longer wavelength peak emissions are given. Vermutlich hat hier der Sauerstoffanteil erhebliche Einwirkung. Presumably this has significant proportion of oxygen exposure. Erfindungsgemäß wird daher auch ein sauerstofffreies Pigment des Ce-Sialon-Typs beansprucht, das seine Peakemission im Bereich 495 bis 510 nm ausbildet. The invention therefore also an oxygen-free pigment of the Ce-sialon type is claimed that forms its peak emission in the range 495-510 nm.
  • [0028] [0028]
    Fig. 3 bis 5 zeigt die Emission und das Reflexionsverhalten verschiedener Sialone als Funktion der Wellenlänge. Fig. 3-5 shows the emission and reflection behavior of various sialons as a function of wavelength.
  • [0029] [0029]
    Im einzelnen zeigt Fig. 3a das Emissionsspektrum des Sialons Ca 1.5 Si 9 Al 3 N 16 : Ce 3+ (2,7 mol-% Anteil des Ce am Kation Ca) (Versuchsnummer HU18A/01) bei Anregung durch 400 nm. Das Maximum liegt bei 499 nm, die mittlere Wellenlänge bei 517 nm. Die Quanteneffizienz QE spezieller Proben war 61 bis 71%, abhängig von den Details der Präparation. Specifically, Figure 3a shows the emission spectrum of the sialon Ca 1.5 Si 9 Al 3 N 16:.. Ce 3+ (2.7 mol% share of Ce on the cation Ca) (trial number HU18A / 01) when excited by 400 nm, the maximum is 499 nm, the central wavelength at 517 nm. The quantum efficiency QE special sample was 61 to 71%, depending on the details of the preparation. Die Reflexion ( Fig. 3b) beträgt bei 400 nm etwa R400 = 66% und bei 360 nm etwa R360 = 57%. The reflection (Fig. 3b) is at 400 nm is about R400 = 66% at 360 nm and approximately R360 = 57%. Diese Daten sind auch in Tab. 1 aufgelistet. These data are also listed in Tab. 1.
  • [0030] [0030]
    Die Synthese des Sialons HU18A/01 wird im folgenden beispielhaft genauer beschrieben. The synthesis of of the sialon HU18A / 01 will be described below by way of example in more detail.
  • [0031] [0031]
    Das Leuchtstoffpulver wird durch eine Hochtemperatur-Festkörperreaktion hergestellt. The phosphor powder is produced by high-temperature solid-state reaction. Dazu werden beispielsweise die hochreinen Ausgangsmaterialien Ca 3 N 2 , AIN, und Si 3 N 4 zusammengemischt mit einem Mol-Verhältnis von 1,44 : 3 : 9. Die Korngröße des Si 3 N 4 liegt bei d 50 = 1,6 µm mit d 10 = 0,4 und d 90 = 3,9 µm. For this example, the high purity raw materials Ca 3 N 2, AlN, and Si 3 N 4 mixed together with a molar ratio of 1.44: 3: 9 The grain size of the Si 3 N 4 is located at d 50 = 1.6 microns with d 10 = 0.4 and d 90 = 3.9 microns. Eine kleine Menge CeO 2 (oder beispielsweise auch Ce-Nitrid) wird zum Zwecke der Dotierung hinzugefügt und ersetzt dabei die entsprechende Molmenge Ca 3 N 2 . A small amount of CeO 2 (or for example also Ce nitride) is added for the purpose of doping and replacing the corresponding molar amount of Ca 3 N 2. Dies entspricht bei einem 2,7 mol-% Anteil des Ce der Bruttoformel (Ca 1.46 Ce 0,04 )Al 3 Si 9 N 16 . This corresponds to a 2.7 mol% share of Ce the empirical formula (Ca 1:46 Ce 0.04) Al 3 Si 9 N 16th Aufgrund der Sauerstoffzugabe zusammen mit dem Ce als Ce-Oxid ist die exakte Bruttoformel als (Ca 1.46 Ce 0,04 )Al 3 Si 9 O 0,045 N 15,97 anzusehen. Due to the addition of oxygen together with the Ce Ce oxide as accurate empirical formula as (Ca 1:46 Ce 0.04) Al 3 Si 9 O 0.045 N is considered to 15.97.
  • [0032] [0032]
    Nachdem die einzelnen Komponenten gut vermischt worden sind, wird das Pulver bei ca. 1700°C für etwa 2 h in einer reduzierenden Atmosphäre (N 2 /H 2 ) erhitzt und reagiert so zu der oben angegebenen Verbindung. After the individual components have been thoroughly mixed, the powder at about 1700 ° C is heated for approximately 2 (N 2 / H 2) h in a reducing atmosphere and so responds to the above identified compound.
  • [0033] [0033]
    Fig. 4 zeigt das Emissionsspektrum ( Fig. 4a) des Sialons Ca 1.5 Al 3 Si 9 N 16 : Ce 3+ (5%) (Versuchsnummer HU31/01) bei Anregung durch 400 nm. Das Maximum liegt bei 498 nm, die mittlere Wellenlänge bei 520 nm. Die Quanteneffizienz QE ist 53%. Fig. 4 shows the emission spectrum of the sialon Ca 1.5 Al 3 Si 9 N 16 (Fig. 4a): Ce 3+ (5%) (trial number HU31 / 01) when excited by 400 nm, the maximum is at 498 nm, the mean. wavelength at 520 nm. The quantum efficiency QE is 53%. Die Reflexion ( Fig. 4b) beträgt bei 400 nm etwa R400 = 55% und bei 360 nm etwa R360 = 48%. The reflection (Fig. 4b) is at 400 nm is about R400 = 55% at 360 nm and approximately R360 = 48%.
  • [0034] [0034]
    Fig. 5 zeigt das Emissionsspektrum ( Fig. 5a) des Sialons Ca 1.5 Al 3 Si 9 N 16 : Ce 3+ (8%) (Versuchsnummer HU32/01) bei Anregung durch 400 nm. Das Maximum liegt bei 508 nm, die mittlere Wellenlänge bei 523 nm. Die Quanteneffizienz QE ist 45%. Fig. 5 shows the emission spectrum of the sialon Ca 1.5 Al 3 Si 9 N 16 (Fig. 5a): Ce 3+ (8%) (trial number HU32 / 01) when excited by 400 nm, the maximum is at 508 nm, the mean. wavelength at 523 nm. The quantum efficiency QE is 45%. Die Reflexion ( Fig. 5b) beträgt bei 400 nm etwa R400 = 48% und bei 360 nm etwa R360 = 40%. The reflection (Fig. 5b) is at 400 nm is about R400 = 48% at 360 nm and approximately R360 = 40%.
  • [0035] [0035]
    In Fig. 6 ist die Quanteneffizienz als Funktion der Temperatur für verschiedene Leuchtstoffe dargestellt. In FIG. 6, the quantum efficiency is shown as a function of temperature for various phosphors. Es zeigt sich, dass das grün emittierende an sich bekannte Thiogallat SrGa 2 S 4 : Eu (Kurve, die durch Dreiecke repräsentiert ist) zwar eine vergleichbare Quanteneffizienz (auf 100% bei Raumtemperatur normalisiert) aufweist wie ein typisches Sialon (Kurve, die durch Rauten repräsentiert ist: hier HU18A/01 aus Tab. 1). It turns out that the green-emitting known per se thiogallate SrGa 2 S 4: Eu (curve represented by triangles), although a comparable quantum efficiency (normalized to 100% at room temperature) has as a typical sialon (curve by diamonds is represented: here HU18A / 01 from Table 1).. Der Wert 100% entspricht jeweils absolut einer Quanteneffizienz von etwa 66%. A value of 100% corresponds to absolute quantum efficiency of about 66%. Erstaunlicherweise verschlechtert sich die Quanteneffizienz des Thiogallats im Betrieb der LED unter typischen Temperaturbelastungen von 80°C bis 100°C deutlich, während der Ce-dotierte Sialon-Leuchtstoff seine Quanteneffizienz fast konstant beibehält. Amazingly, the quantum efficiency of Thiogallats deteriorated during operation of the LED under typical temperature loads of 80 ° C to 100 ° C significantly, while the Ce-doped sialon phosphor quantum efficiency retains its almost constant. Während also ein Ce-dotierter Sialon-Leuchtstoff auf den ersten Blick nur durchschnittliche Ergebnisse (bei Raumtemperatur) zu liefern scheint, ist seine Eignung für Lukoleds und andere temperaturbelastete Beleuchtungseinheiten sogar mit dem als Standard verwendeten YAG:Ce im Belastungsfall direkt vergleichbar. Thus, while a Ce-doped sialon phosphor appears to provide (at room temperature) at first sight only average results, its suitability for Lukoleds and other thermally loaded illumination units even to the one used as a standard YAG is: Ce when loaded directly comparable.
  • [0036] [0036]
    Dies zeigt die besondere Eignung der Ce-dotierten Sialone für den Einsatz in Lumineszenzkonversions-LEDs und dabei insbesondere in Leuchtstoff-Mischungen zusammen mit anderen temperaturstabilen Leuchtstoffen wie beispielsweise SrS. Tab. This shows the particular suitability of the Ce-doped sialons for use in phosphor-converted LEDs and in particular in phosphor blends together with other temperature-stable phosphors such as SrS. Tab. 1 1

Referenced by
Citing PatentFiling datePublication dateApplicantTitle
DE102015110258A1 *25 Jun 201529 Dec 2016Osram GmbhLeuchtstoff, Verfahren zum Herstellen eines Leuchtstoffs und Verwendung eines Leuchtstoffs
US757319015 Feb 200511 Aug 2009National Institute For Materials ScienceLight emitting element and lighting instrument
US840947026 May 20062 Apr 2013Independent Administrative Institution National Institute For Materials SciencePhosphor and light-emitting equipment using phosphor
US973882911 Jun 201522 Aug 2017Mitsubishi Chemical CorporationPhosphor and light-emitting equipment using phosphor
Classifications
International ClassificationC09K11/64, F21S2/00, F21Y101/02, H01L25/13, F21S8/04, C09K11/77, C09K11/08, H01L33/50
Cooperative ClassificationH01L2924/181, F21K9/64, H01L2224/48472, H01L2224/48247, H01L2224/32245, H01L2924/12041, H01L2924/01068, H01L33/502, C09K11/0883, H01L2224/48091, Y02B20/181, C09K11/7721, H01L2224/73265
European ClassificationC09K11/08J, C09K11/77M6, H01L33/50B2
Legal Events
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26 Jul 20078139Disposal/non-payment of the annual fee