用于发射混合光的装置的制作方法

专利名称：用于发射混合光的装置的制作方法
用于发射混合光的装置本发明涉及包括至少两个电致发光光源以及光转换元件的装置，其 用于有效地发射具有不依赖于视角的色点的光。电致发光光源(LED)发射光谱的窄区域中的光。所称的磷光体转 换LED (pcLED)将LED发射的初级辐射的至少一部分转换成次级辐射。 这个过程称为光转换并且用于该目的的材料称为光转换材料。因此， pcLED能够发射作为初级和次级辐射混合的结果而覆盖光谱的更宽区域 的混合光(宽带发射)。为了进行光转换，LED涂敷有例如嵌入到有机 基质(matrix)中的粉末状光转换磷光体材料的光转换层。这种装置构 成用于发射宽带光(由初级和次级辐射的混合产生的混合光)以及特别 是白色光的简单光源。由于LED的工作温度的原因，光转换层的光学性 质随着工作时间变得更长而改变，特别是作为有机基质变成有色的结果 而改变，其意味着强度随着时间而不稳定并且在混合光的色点中存在平 移。文献WO2006/072918Al描述了 一种具有多个相同颜色的蓝色LED 的磷光体转换装置，其用于发射通过混合蓝色初级辐射和磷光体转换的 次级辐射而产生的白色光。为了产生次级辐射，利用了陶瓷光转换材料， 该陶瓷光转换材料的光学性质以及尤其是它的透射和它的转换能力对 于LED工作期间的温度效应不敏感。假定每个LED具有相同的光产额 (yield),那么该装置的亮度通过使用两个LED而增大。除了产生黄色 次级辐射的第一光转换材料之外，在这种情况下陶瓷光转换层也包括用 于产生红色次级辐射的另外的材料，由此发射具有高的颜色再现指数的 宽带白色光。然而，这种类型的装置的缺点在于，混合光的色点随着视 角而变化，在蓝色初级辐射转换成红色次级辐射的过程中出现能量损失 以及这种pcLED装置得到的效率低。因此，本发明的目的是提供用于有效地发射混合光的装置，所述混 合光具有稳定且不依赖于视角的色点。这个目的是通过用于在平均发射方向上发射包括初级和次级辐射的混合光的装置来实现的，该装置包括至少一个第一电致发光光源， 用于发射在第一波长处具有最大强度的第一初级辐射；至少一个第二电 致发光光源，用于发射在比第一波长更大的第二波长处具有最大强度的 第二初级辐射；以及光转换元件，用于吸收所述初级辐射中的至少一个 并且重新发射次级辐射，所述光转换元件;故如此设置，使得混合光中所 有的初级辐射都经过该光转换元件，并且该光转换元件包括陶瓷光转换 材料，其微观结构被选择成使得包括初级和次级辐射的混合光的色点基 本上与视角无关。术语初级辐射和次级辐射在这种情况下指的是在给定 波长处具有最大强度的给定波长范围的发射光，其位置决定了所发射的 初级辐射和次级辐射的颜色。在下面提及例如蓝色初级辐射的地方，该 初级辐射的最大强度处于光谱的蓝色区域中，对于次级辐射，情况也是 如此。
基本上与视角无关的依照本发明的装置的色点借助于用于所述光 转换材料的适当的微观结构来实现，例如借助于适当的颗粒尺寸和/或孔 隙(pore)尺寸来实现，其使得穿过所述光转换材料的光被散射并且所 述初级和次级辐射因而被混合，从而混合光的色点不再依赖于视角。如 果光转换元件的散射效应足够大，那么对于混合光的所有成分获得相同 的朗伯(Lambert)发射特性。利用具有产生太小的散射效应的不适当微 观结构的光转换元件，初级辐射的角分布将由于渐变(shading-off)和/ 或光学效应的原因而明显不同于次级辐射的角分布，后者将由于其在光 转换材料中的各向同性发射而具有宽的朗伯发射特性。由这些成分组成 的混合光将表现出作为视角的函数的显著的色点变化。如果所述陶瓷材 料含有对光转换元件中的初级和次级辐射具有太严重的散射效应的不 适当微观结构，那么混合光的色点将仍然与视角无关，但是由过于严重
损失并且将因而极大地降低所述装置的效率。另一方面，依照本发明的 装置的光转换材料具有适用于维持高的效率同时避免色点依赖于视角 的微观结构。散射的严重性被设置成使得以所述装置的效率的任意可察 觉的降低获得初级和次级辐射的有效混合物。为了允许待评定的色点表 现出与视角无关，在与平均发射方向的不同角度确定整个装置的光谱发 射。措辞"基本上与视角无关"表示色点随视角的变化AuV小于0.02，优 选地小于0.01。在这种情况下，AuV为1976 CIE颜色坐标系统中不同发射角下的两个色点之间的矢量距离。
使用第二LED以便发射更长波长的第二初级辐射防止了在通过光转 换将相同的辐射产生为来自第 一初级辐射的次级辐射的情况下将出现的 那种能量损失。在一个实施例中，第一波长因此处于光谱的蓝色或紫外区 域，并且第二波长处于光谱的红色区域。特别是红色第二初级辐射的使用 防止了在蓝色或紫外初级辐射被转换成红色次级辐射的情况下将出现的 那种光转换中的大的能量损失。如果例如第一初级辐射的一部分被转换成 绿色次级辐射，那么通过将在这种情况下未#_光转换元件转换的红色第二 初级辐射与蓝色第一初级辐射和绿色次级辐射混合可以产生白色光。通过 这种方式，可以如现有技术中所述产生具有任何希望的相关色温(CCT) 并且具有用于照明目的所需的那种类型的良好颜色再现性质的白色光。通 过这种方式，因而可以设计对于其有6000 〉 CCT 〉 2000 K并且其颜色再现 指数Ra大于80的光源。在这种情况下，有必要使用具有600nm与640nm之 间的平均发射波长的红色第二初级辐射。术语"CCT"在这种情况下表示相 关色温，它是其颜色尽可能匹配的黑体辐射体的温度。
在一个实施例中，所述陶瓷光转换材料包括多个氧化(oxidic)粒 子，其平均直径D在50nm与5000nm之间，优选地在100nm与3000nm之间， 特别优选地在200nm与1000nm之间。在一个优选的实施例中，该陶瓷光 转换材料的折射率与所述氧化粒子的折射率之间的差值大于0.2。在另一 个实施例中，该陶瓷光转换材料除了氧化粒子之外还包括多个孔隙，其 平均直径在250nm与2000nm之间，优选地在500nm与1500nm之间，特别 优选地在700nm与1200nm之间。
在分别对应所述粒子和孔隙的这些尺寸下，获得了多晶材料的有利 的散射性态，其同时具有良好的机械强度和光学稳定性。散射粒子或孔 隙的浓度在这种情况下小于多晶材料的5vol.。/c (体积百分比)。光产额
尺寸的孔隙的多晶陶瓷材料而言例如优于80%。在这里，术语孔隙尺寸 和粒子尺寸是分别与相应的孔隙和粒子具有相同体积的球体的直径。多 晶材料中的粒子和孔隙不一定是球体状形状。在这两种情况下，散射效 应由折射率的突变实现。在填充空气的孔隙的情况下，这是多晶材料与 空气之间的折射率之差。在氧化粒子的情况下，例如八1203的粒子具有折 射率1.76,其小于典型地可能为1.8-2.5的周围材料的折射率。折射率之差越大，则孔隙或粒子的散射效应越大。
在另一个实施例中，光转换材料中存在的是光学各向异性，即晶体 结构的折射率沿着晶体的不同轴而不同。在这种情况下，折射率之差通
常小于0.2并且大于0.01,并且有利的光散射仅作为多晶材料的颗粒边界 处的散射的结果而获得。微晶的尺寸，即等体积的球体的直径，在lpm 和30^im之间。在另 一个实施例中，多晶材料的结晶区域由非结晶区域(所 谓的玻璃相)连接。同样在这种情况下，结晶区域与非结晶区域之间的 折射率之差可以用来设定希望的散射性质。
在一个优选的实施例中，陶瓷光转换材料的密度大于相应晶体材料 的理论最大密度的97%。由于这种高的密度，当所述散射性态合乎期望 时获得的是良好的机械强度和光学稳定性以及关于光产额的更大的效 率。
在另 一个实施例中，所述光转换元件优选地通过该光转换元件与所 述第 一和第二电致发光光源之间的硅树脂层光学耦合到这些光源。这保 证了光到光转换元件中的良好的耦合，其对于所述装置的效率具有有利 的影响。
在另 一个实施例中，所述光转换元件在表面法线基本上垂直于混合 光的平均发射方向的侧面上包括反射层。由于光转换元件的光散射效应 的原因，混合光中的一些撞击这些侧面，并且如果其从光转换元件横向 出射，则将不能用于在发射方向上的发射，或者可能地在许多实施例中 将导致色点变成依赖于角度。如果情况如此，则使得这些侧面能够反射 保证了色点是高度稳定的。
在另 一个实施例中，可以借助于操作单元以可变的方式彼此独立地 设置所述第 一和第二初级辐射的强度。可以在依照本发明的装置的操作 期间以这种方式改变混合光的色点。能够彼此独立地设置的强度借助于 能够彼此独立地驱动的第一和第二LED来获得。这可以例如通过使用包 括两个电子驱动器的操作单元来完成，所述两个电子驱动器用于向第一 和第二LED施加两个独立的工作电压，后者彼此在电气上隔离。通过全 部或部分第一初级辐射到一个或多个不同的次级辐射的转换以及能够 打开的可变强度的第二初级辐射的转换，色点的设置可以净支设置成作为 独立地驱动第一电致发光光源(一个或多个)(独立地选择用于笫二电 致发光光源的工作电压)的结果而在相当程度上是可变的。色点的可能变化在这种情况下取决于来自所述LED的初级辐射以 及所述光转换元件的组成和定径(sizing),即吸收能力。通过选择所 述初级和次级辐射处于其最大强度所在的波长，本领域技术人员能够决 定由依照本发明的装置发射的混合光的色点以及所述CIE色度图内的颜 色空间，其中当可以独立地设置所述第一和第二初级辐射的强度时，可
以根据要利用的依照本发明的装置的性质调节所述色点。
在依照本发明的装置的其他实施例中，除了所述第 一和第二电致发 光光源之外，还可以使用另外的电致发光光源，例如第三和第四或者甚 至更多的电致发光光源。上面描述的优点和性质同样适用于这种情况。 如果要彼此独立地操作所述另外的电致发光光源以便允许独立地设置 它们发射的光强度，那么所述操作单元将包括第三或更多驱动器以便允 许施加适当的工作电压。
产生的混合光以及用于吸收所述初级辐射中的至少一个并且重新发射 所述次级辐射的光转换元件，所述光转换元件包括陶瓷材料，其微观结 构被选择成使得从初级和次级辐射产生的混合光的色点基本上与视角 无关。
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例是清楚明白的，并 且将参照这些实施例进行阐述。
在附图中


图1为依照本发明的磷光体转换装置的一个实施例的侧视图。 图2为依照本发明的磷光体转换装置的另一个实施例的侧视图。 图3为依照本发明的磷光体转换装置的另一个实施例的平面视图。 图4示出了用于驱动依照本发明的磷光体转换装置的构件(means )。 图5示出了与为了确定转换层的多晶材料的孔隙直径通过计算而得
到的光分布相比，针对垂直入射到该转换层上的660nm波长的光的透射
T与透射角 的函数关系。
图6示出了当存在光转换元件时(实线)以及当不存在光转换元件
时(虚线)红色和蓝色LED的发射光谱(强度I)与波长X的函数关系。 图7示出了针对依照本发明的装置(■)以及现有技术装置(o)的
色点变化AuV与视角B的函数关系。图8示出了 LED和转:换元件的颜色坐标的实例。
图1为依照本发明的装置的一个实施例的示意性侧视图，其用于发 射混合光5，具有基底1;施加到基底1的两个电致发光光源21和22， 用于发射第一初级辐射51 (第一电致发光光源21)和第二初级辐射52 (第二电致发光光源22);以及光转换元件3，其被设置在第一和第二 电致发光光源21和22上，用于吸收至少第一初级辐射51的至少一部 分以及用于发射次级辐射53并且用于通过光的分布(在当前情况下为 光的散射)混合初级和次级辐射。在这种情况下，电致发光光源可以例 如包括无机LED、有机LED (OLED)或者激光二极管。为了执行转换 光以及分布光的功能，必须将光转换元件设置在第一和第二电致发光光 源21和22的光束路径上。在可替换的实施例中，不一定要将光转换元 件3固定到电致发光光源21和22上。在可替换的实施例中，取决于为 第一和第二初级辐射51和52所选择的所述第一和第二波长以及取决于 所选择的光转换材料，第二初级辐射52的至少一部分同样可以由光转 换元件3吸收并且转换成第二次级辐射。在一个优选的实施例中，为了 产生白色光，与红色LED —起操作蓝色LED，借助于所述光转换材料 将蓝色初级辐射51的一部分转换成绿色和/或黄色次级辐射，从而在与 红色第二初级辐射52的混合处于正确的比例的情况下给出具有高的颜 色再现指数的白色光5。在当前情况下，红色光不是借助于适当的光转 换材料通过光转换而产生，而是直接由红色LED提供，这防止了转换损 失(例如蓝色—红色)并且从而提高了所述装置的效率。
在图l所示的实施例中，光转换元件3例如光学耦合到第一和第二 电致发光光源21和22。 8处的光学耦合可以例如由具有折射率1.5的硅 树脂层实现。在其他的实施例中，也可以用于所述光学耦合的是光导元 件，例如玻璃纤维。
沿着由来自电致发光光源21和22的光所遵循的路径到其中初级辐 射51和52进入光转换元件3的点，8处的光学耦合防止光跨入具有低 的折射率的介质中。作为初级辐射51和52离开电致发光光源21和22 时全反射效应的结果，这种跨越将导致初级辐射51和52的较高比例^L 反射回来，这将导致额外的光损失。除此之外，如果使得光转换元件3 与电致发光光源21和22紧密接触以便给出紧凑的装置，则这也是有利的。
在图l所示的实施例中，光转换单元3包括例如由多晶陶瓷材料制 成的光转换材料。该光转换材料的光散射效应由位于该光转换材料中 的、尺寸在50nm与5000nm之间的氧化粒子产生。例如具有折射率1.76 的Al203粒子可以充当掺杂的YAG陶瓷中的散射中心。这种材料典型地 具有大约1.8 - 2.5的折射率。在这些材料中存在于单独的微晶 (crystallite)之间的孔隙通常填充有空气并且因而具有折射率1。这些 孔隙与所述光转换材料之间的折射率之差产生颗粒边界处的光的进一 步的散射，其在附加的程度上将光分布在光转换元件3上。如果所述孔 隙具有适当的尺寸，例如在250nm与2900nm之间，并且如果孔隙浓度 为1.5vol.%，那么如果该光转换元件的厚度为100nm，则光被散射，使 得关于光转换元件3获得最佳的光分布性质。可以使得两种规定(孔隙 和氧化粒子) 一起在一种材料中实现。从依赖于散射本领(scattering power)的厚度开始，将由不同的电致发光光源21和22发射的初级辐 射51和52均匀地混合在一起，其与光转换元件3发射的次级辐射53 一起给出均匀的感知颜色。次级辐射53的发射在光转换元件3中各向 同性地发生，这有助于与初级辐射51和52的良好的混合。
在初级和次级辐射从光转换元件3出射时，所述磷光体转换装置在 平均发射方向5上发射混合光。该混合光5由第二初级辐射52、次级辐 射53以及在由于其吸收性质的原因光转换元件3对于第一初级辐射51 至少部分地透明的情况下的可能的第一初级辐射51组成。如果光转换 元件3的散射效应足够大，那么对于混合光5的所有成分都获得相同的 朗伯发射特性，这意味着混合光5的色点不再依赖于视角B。利用具有 产生太小的散射效应的不适当微观结构的光转换元件3，由初级辐射源 的光学器件以及所述装置中的任何可能的渐变决定的初级辐射51、 52 的角分布将基本上平行于平均发射方向5,而次级辐射53由于其在所述 光转换材料中的各向同性发射的原因将反而具有宽的朗伯发射特性。由 这些成分组成的混合光将表现出作为视角的函数的宽的色点变化。如果 所述陶瓷材料含有对光转换元件3中的初级和次级辐射51、 52和53产 生太大的散射效应的不适当微观结构，那么尽管混合光的色点将仍然与 视角无关，但是由该过度的散射造成的光转换元件3中的初级和次级辐 射51、 52和53的反射将意味着会存在太高的吸收率，涉及高比例的损失的非辐射光并且将因而极大地降低所述装置的效率。形成对照的是， 依照本发明的装置的光转换材料具有适用于维持高的效率同时避免色 点依赖于视角的微观结构。
在可替换的实施例中，为了允许以可变的方式设置混合光5的色点，
通过例如不同的电子驱动器彼此独立地驱动第一和第二电致发光光源
21和22。如果例如以固定的工作电压操作第一电致发光光源21，那么 如果第二电致发光光源22的工作电压增大，则可以将混合光5的色点 移向第二初级辐射52的颜色。如果它被降低，那么色点移向由第一初 级辐射51以及由通过第一初级辐射51的至少一部分的转换而产生的次 级辐射53给出的色点。取决于在光转换元件3中选择的光转换材料， 次级辐射53也可以通过使用混合物中的不同光转换材料由光谱的多个 不同区域(多个次级子辐射)组成。在其他的实施例中，可以将全部的 第一初级辐射51转换成次级辐射53,并且可以由适当的转换材料将例 如紫外第一初级辐射51转换成不同的次级辐射53，例如蓝色、黄色或 绿色次级辐射，以便产生白色或者某种其他的颜色的混合光5。然而， 也可能将所有或部分的蓝色第一初级辐射51或者某种其他颜色的第一 初级辐射51转换成甚至更长波长的辐射。通过添加例如第二红色初级 辐射52，获得了白色光，其具有可变的色点并且此外以其具有高的颜色 再现指数的宽带发射为特征。
在一个优选的实施例中，第一初级辐射51的最大强度位于200nm 与490nm之间的第一波长处，并且第二初级辐射52的最大强度位于 500nm与800nm之间的第二波长处。所述光转换材并+在这种情况下以以 下事实为特征它不吸收或者转换第二初级辐射52。这保证了在混合光 5中具有高比例的红色，其利用适当的磷光体转换材料给出具有的色温 小于4000K并且具有关于依照本发明的装置的高效率的白色光。
在另 一个实施例中，借助于反射层7使得光转换元件3的基本上垂 直于混合光5的平均发射方向的那些侧面是反射性的。该反射层7可以 例如包括厚度大于30nm的铝。这意味着由于光转换元件3的依照本发 明的光分布效应的原因而在光转换元件3中以相对于平均发射方向5的 大的角度传播的光51、 52、 53不能横向离开光转换元件3并且从而使 得依照本发明的装置在平均发射方向5的方向上具有更大的亮度。
在图1中，依照本发明的装置的实施例也包括包围电致发光光源21和22以及光转换单元3的透镜6。依照本发明的装置的发射性质可以由 透镜6作用以便例如使混合光5聚焦、离焦或转向。图1中通过实例所 示的是具有球面透镜6的实施例，该球面透镜具有光转换元件3与电致 发光光源21和22之间的未;^皮透镜6填充的空间体积4。然而，空间体 积4也可以填充例如硅树脂橡胶。在其他的实施例中，该透镜可以是这 样的形式，使得透镜6直接包围转换元件3和电致发光光源2，而不形 成空间体积4。在其他的实施例中，也可以不带透镜6 (并且因而没有 空间体积4 )地操作依照本发明的装置。
图2示出了依照本发明的装置的另一个实施例，其中与图1所示实 施例形成对照的是，第二电致发光光源22相对于平均发射方向5横向 耦合到光转换元件3。在该装置中，第二初级辐射52以相对于第一初级 辐射51的直角耦合到光转换元件3中，这甚至在磷光体转换材料的光 散射效应不是很大时也产生所述两个初级辐射的良好的混合。在其他的 实施例中，也可以不带透镜6 (并且因而没有空间体积4)地操作依照 本发明的装置。
图3为依照本发明的装置的另一个实施例的平面视图。在这种情况 下，8个第一电致发光光源21置于边长为A的3x3布置的区域中，第 二电致发光光源22处于该布置的中心。阴影区代表光转换元件3，其从 发射方向看设置在光源之上，并且其侧面借助于反射层7而成为反射性 的。为了保证两个初级辐射51和52完全混合，光转换元件3可以例如 具有厚度D,其在光的平均发射方向上等于或大于边长A。中心放置第 二电致发光光源22的事实对于两个初级辐射51和52的混合提供了额 外的帮助。同样可能的是，如果所述光转换元件的光分布性质更大或者 其厚度D更大，则将第二电致发光光源22设置在这种布置的边缘处。
在另一个实施例中，依照本发明的装置可以包括光转换元件3,该 光转换元件在没有初级辐射51或52通过其耦合到该光转换元件3中的 那些区域中在与电致发光光源21和22相邻的侧面上成为反射性的。因 此，没有回射或后向散射的初级和/或次级辐射51、 52或53能够在与平 均发射方向5相反的方向离开依照本发明的装置，这增大了平均发射方 向5的方向上的所述装置的亮度。
为了允许以可变的方式设置由依照本发明的装置发射的混合光5的 色点，必须与笫一电致发光光源21独立地操作第二电致发光光源22。图4示出了用于该目的的实施例，其中操作单元9借助于电连接构件91 向第一光源21施加第一工作电压并且借助于能够独立于第一构件地操 作的连接构件92向第二光源22施加第二工作电压。可以借助于适当的 驱动器以可变的方式通过操作单元9将第一和第二工作电压设置成是不 同的。这种驱动器在现有技术中是已知的。由于所发射的初级辐射51 和52的亮度与工作电压成比例，因而可以在第一和笫二初级辐射之间 设置任何希望的亮度比值，并且因而可以相应地移动由初级和次级辐射 组成的混合光的色点。在另一个实施例中，操作单元9包括具有存储区 域的控制单元10，在该存储区域中存储了能够利用依照本发明的装置设 置的、作为单独的工作电压的函数的色点。于是，控制单元10能够通 过采用希望的存储的值像希望的那样设置混合光5的色点。控制单元10 还可以包括用于补偿老化效应(通过例如调节作为时间函数的相对于初 始操作时的原始电流水平的电流)的算法，所述算法将导致色点的平移 并且因而将借助于定时器在整个工作寿命期间进行校正以便允许稳定 给定的色点。
为了光转换元件3给出依照本发明的光分布效应，所述转换层的磷 光体转换材料必须具有适当的光散射效应。这种适当的光散射效应是通 过使得该材料为具有多个平均直径在250nm与2900nm之间的孔隙或多 个直径在50nm与5000nm之间的氧化粒子的多晶陶瓷材料，或者使得 它为相应的孔隙和氧化粒子的组合来实现的。在这种情况下，这些孔隙 和氧化粒子的折射率必须与所述磷光体转换材料的折射率截然不同。光 散射效应变得越大，则折射率之差越大和/或这种类型的散射中心的数量 越大。尽管所述孔隙典型地为填充11=1的空气的孔隙，这些孔隙的折射 率与任何磷光体转换材料的折射率截然不同，但是所述氧化粒子应当具 有比光转换材料的折射率更低的折射率，其例如具有折射率1.76的 八1203粒子。
依照本发明的光转换材料的 一个实例为如下产生的掺杂铈的YAG 陶瓷
该陶瓷材料由100g A1203 (平均颗粒尺寸为0.35pm,纯度为 99.99%) 、 120.984gY2O3 (平均颗粒尺寸为0.70|tim,纯度>99.99% )、 21.835gGd203 (平均颗粒尺寸为0.40pm)以及1.0197gCeO2 (平均颗粒 尺寸为0.40pm,纯度〉99.0%)的混合物产生，其在辊磨机中与850ml异丙醇和5.0kg氧化铝磨球(直径为2mm)碾磨(mill)达一个小时。这些给定的定量数量考虑了从炽热粉末中损失的水和C02,并且因而大于随后将在陶瓷材料中存在的数量。炽热引起的损失通过在空气中加热到1200°C的炽热直到重量恒定来确定。接着，利用乙烯聚合物粘合剂将该干燥的粉末形式的混合物加工成颗粒材料并且在110°C下干燥。然后，将该颗粒材料单轴紧压成压坯(green compact)并且在3.2kbar的压力下在冷等静压(cold isostatic press)中重新压缩。在包括在空气中在600°C下烧尽粘合剂的步骤之后，在CO的氛围中在1750。C下烧结压坯达2小时。烧结之后获得的是密度为4.66g/cn^的陶瓷材料31,其相应于98.73%的相对密度。在通过研磨(grind)、抛光和锯切(sawing)的陶瓷后处理之后，在空气中在1350°C下再次对单独的转换器晶片进行后退火达4小时。在其他实施例中，作为陶瓷Gd-YAG:Ce材料的可替换物，也可以通过用于将波长从420nm到480nm的初级辐射的至少一部分转换成更长波长的次级辐射的适当方法产生的是以下材料
Lu3-x-yYxAl5012:Cey,其中0^x^1, 0,001 S y S 0.1并且次级辐射处于515 - 540nm, Y3.x.yTbxAl5012:Cey,其中0^x^1, 0.001^y^0.1并且次级辐射处于550 - 590nm或者Lu3_x，YxAl5-aSia012_aNa:CeyPrz,其中0^x￡l, O.OOl^y^O.l, 0.0005 0.01 ^ a S 0.8并JD欠级辐
射处于540 -630nm。
可以通过以下方法产生其他的氧化材冲+ , 例如(SrLx國yCaxBay)2-zSi04:Euz，其中0^x^0.4, 0^y<0,8, 0.001并且次级辐射处于520 - 600nm:
國在还原氛围中在1100。C下将SrC03、 CaCo3以及可选的BaC03与Eu203和Si02混合并且进行煅烧
-碾磨原始磷光体粉末
-在真空下或者在惰性或还原氛围中在20 - lOOMpa的压力下在1300。C - 1400°C下热压原始;痒光体粉末。
可以用作陶资材料的是立方(cubic)材料，例如YAG,或者非立方材料，例如正硅酸盐，如(Sr^yCaxBay)2^Si04:Euz。非立方材料在空间中的不同方向上具有不同的折射率，因为晶体结构在不同的取向下不同。据说存在不同的结晶轴。因此，由于多晶陶瓷材料中的不同区域(微晶或颗粒)的空间取向的原因，即使组成保持相同，折射率仍然可能沿着光所遵循的路径而变化。作为在非立方材料中沿着不同结晶轴的折射率之差的函数，这种材料中所需的散射本领通过附加的散射中心(粒子或孔隙)来设定。
多晶陶瓷材料中的氧化粒子的尺寸也可以通过制造条件来设定。以
具有A1203氧化粒子(次级相)的YAG:Ce (初级相)为例，可以通过使用的八1203起始粉末的浓度和颗粒尺寸与孔隙无关地设定散射。包含过量的Al的YAG陶瓷形成A1203次级相，其颗粒尺寸大约2-10倍于使用的Al203粉末的颗粒尺寸。通过这种方式，在针对其使用了具有400nm平均颗粒尺寸的八1203粉末的、包含5°/。的过量Al的YAG:Ce陶瓷中，获得了大约相当于4%的重量比例的具有1 - 4pm颗粒尺寸的A1203次级相(在YAG晶格中由于反位置(antisite)缺陷的原因可以容忍稍微过量的Al)。如果例如使用了具有lpm平均颗粒尺寸的八1203粉末，那么同样在这种情况下，次级相的颗粒尺寸将至少与所使用的粉末的颗粒尺寸一样大，但是也可以大得多。对于同样浓度的次级相而言，其颗粒的平均直径越小(更多散射)，则被使用并且形成次级相的氧化前驱(precursor)成分(起始材料)的平均直径越小。以适当的方式利用不同的陶瓷材料，也可以代替A1203将其他适当产生的次级相粒子用于光的散射。
包含在多晶陶瓷材料中的孔隙的尺寸可以通过光的散射的测量来确定，如图5中通过实例所示。在这种情况下，厚度为15(Him的陶瓷光转换材料的晶片由垂直于切口平面的波长为660nm的激光照射，并且针对从-80°到80。的相对于晶片法线的角度@范围确定穿过多晶陶瓷材料之后的光分布(透射T)。测量的结果示为图6中的点线，连同针对米氏散射(Mie scattering)而计算的光分布，所述米氏散射在使用的多晶陶瓷材料中出现在具有折射率11=1的粒子(填充了空气的孔隙)(实线A*、 B、 C)处，如针对三种不同的孔隙直径所计算的。米氏散射指的是在球形物体处的电磁波散射。在该图中，曲线A为针对700nm孔隙直径的光分布，曲线B为针对卯0nm孔隙直径的光分布，并且曲线31为针对800nm孔隙直径的光分布。曲线C与测量的光分布匹配良好，这给出了用于多晶陶瓷材料的平均孔隙直径800nm。
实施例图6示出了用于发射混合光的依照本发明的装置的发射光谱。在该图中，发射的初级和次级辐射的强度(任意单位)绘制为以纳米为单位的波长X的函数。实线代表在由第一和第二电致发光光源21和22发射的初级辐射穿过光转换元件3之前该初级辐射的发射光谱。虚线代表在该初级辐射穿过光转换元件之后得到的混合光的发射光谱，所述光转换元件在当前实例中包括光转换材料，其组成为Y2.64Gd0.3Ce0.06Al5O12,其密度为相应晶体材料的理论最大密度的99%，并且其在平均发射方向的方向上的厚度为150prn。在这个实例中，来自依照本发明的装置的混合光5对于3671m/W的流明当量具有3622K的相关色温、颜色再现指数Ra=84、颜色坐标x=0.4074和y=0.4124以及随^L角的最大色点变化<△uV=0.008。这种微小的颜色变化不能为观察者所察觉，并且色点因而对于观察者而言不再依赖于视角。
图7示出了针对依照本发明的装置的色点变化AuV与视角B的函数关系，图6涉及所述装置，该装置(■)与现有技术磷光体转换装置相比，具有蓝色第一和红色第二电致发光光源，(o)只有蓝色电致发光光源。具有相应多晶材料的理论最大密度的99%的密度以及平均辐射方向的方向上的150pm厚度的相同光转换材料Y2.64Gdo.3Ceo.o6Al50u用于这两种装置。蓝色电致发光光源具有CIE 1931色度图中的乂=0.1495和y=0.0309处的色点，并且红色电致发光光源具有CIE 1931色度图中的x=0.6760和y=0.3238处的色点。尽管现有技术装置示出随^L角的直到0.055的色点变化AuV,但是这个变化在依照本发明的装置的情况下降低了不止6倍。AuV-0.055的变化能够容易地为观察者所察觉。因此，与依照本发明的装置形成对照的是，在现有技术装置中，色点在很大程度上依赖于视角。
图8示意性地示出了 CIE1931色度图中的色点，当可以彼此独立地设置由第一和第二光源发射的光的强度时，这些色点能够利用图6和图7涉及的依照本发明的装置来设置。在这种情况下，(a)为蓝色第一电致发光光源的色点，(c)为红色第二电致发光光源的色点，以及(b)为由所选择的光转换材料决定的光转换元件的色点。色点(d)通过针对具有色点(a)的第一初级辐射选择所述光转换元件的厚度和吸收能力来设定。通过借助于操作单元并且借助于得到的第一和第二初级辐射的强度变化来改变第一和第二电致发光光源的工作条件，可以像希望的那样沿着(d)与(c)之间的直线设置混合光5的色点。标记为W的区域为SAE颜色白色区，并且标记为WK的曲线为用于白色光的CIE定
义曲线。
参照附图和描述阐述的实施例仅仅是用于发射混合光的依照本发明的装置以及光转换元件的实例，并且不应当被视为将权利要求限于这些实例。本领域技术人员也可以想到可替换的实施例，并且这些同样3皮权利要求书的范围所覆盖。从属权利要求的编号并不预期暗示这些权利要求的组合不同样构成本发明的有利实施例。
权利要求
1.一种用于在平均发射方向(5)上发射包括初级和次级辐射(51，52，53)的混合光(5)的装置，包括-至少一个第一电致发光光源(21)，用于发射在第一波长处具有最大强度的第一初级辐射(51)，-至少一个第二电致发光光源(22)，用于发射在比第一波长更大的第二波长处具有最大强度的第二初级辐射(52)，以及-光转换元件(3)，用于吸收所述初级辐射(52，52)中的至少一个并且重新发射次级辐射(53)，所述光转换元件(3)被如此设置，使得所述混合光中所有的初级辐射(51，52)都经过该光转换元件(3)，并且该光转换元件(3)包括陶瓷光转换材料，其微观结构被选择成使得包括初级和次级辐射的混合光(5)的色点基本上与视角(B)无关。
2. 如权利要求1所述的用于发射混合光(5)的装置，其特征在于，所 述第一波长处于光谱的蓝色或紫外区域，并且所述第二波长处于光谱的红 色区域。
3. 如权利要求1或2所述的用于发射混合光(5)的装置，其特征在 于，所述陶瓷光转换材料包括多个氧化粒子，其平均直径在50nm与 5000nm之间。
4. 如权利要求3所述的用于发射混合光(5)的装置，其特征在于， 所述陶瓷光转换材料的折射率与所述氧化粒子的折射率之间的差值大 于0.2。
5. 如权利要求3或4所述的用于发射混合光(5)的装置，其特征在 于，所述陶资光转换材料包括多个孔隙，其平均直径在250nm与2900nm之间。
6. 如前面的权利要求中任何一项所述的用于发射混合光(5)的装 置，其特征在于，所述陶瓷光转换材料的密度大于相应晶体材料的理论 最大密度的97%。
7. 如前面的权利要求中任何一项所述的用于发射混合光(5)的装 置，其特征在于，所述光转换元件(3)优选地通过该光转换元件(3) 与所述笫一 (21)和第二 (22)电致发光光源之间的硅树脂层(8)光 学耦合到这些光源(21, 22)。
8. 如前面的权利要求中任何一项所述的用于发射混合光(5)的装置，其特征在于，所述光转换元件(3)在表面法线基本上垂直于混合 光(5)的平均发射方向的侧面上包括反射层(7)。
9. 如前面的权利要求中任何一项所述的用于发射混合光(5)的装 置，其特征在于，可以借助于操作单元(9)以可变的方式彼此独立地 设置所述第一和第二初级辐射(51, 52)的强度。
10. —种预期用于在平均发射方向(5)上发射从初级和次级辐射 (51, 52, 53 )产生的混合光(5)以及用于吸收所述初级辐射(51，52 )中的至少一个并且重新发射所述次级辐射(53 )的光转换元件(3 )， 所述光转换元件(3)包括陶瓷材料，其微观结构被选择成使得从初级 和次级辐射(51, 52, 53 )产生的混合光(5)的色点基本上与视角(B) 无关。
全文摘要
一种用于在平均发射方向(5)上发射包括初级和次级辐射(51，52，53)的混合光(5)的装置，包括至少一个第一电致发光光源(21)，用于发射在第一波长处具有最大强度的第一初级辐射(51)；至少一个第二电致发光光源(22)，用于发射在比第一波长更大的第二波长处具有最大强度的第二初级辐射(52)；以及光转换元件(3)，用于吸收所述初级辐射(52，53)中的至少一个并且重新发射次级辐射(53)，所述光转换元件(3)被如此设置，使得所述混合光中所有的初级辐射(51，52)都经过该光转换元件(3)，并且该光转换元件(3)包括陶瓷光转换材料，其微观结构被选择成使得包括初级和次级辐射的混合光(5)的色点基本上与视角(B)无关。
文档编号H01L33/50GK101542754SQ200780041424
公开日2009年9月23日 申请日期2007年10月29日 优先权日2006年11月7日
发明者H·-H·贝克特尔, M·温特, P·J·施米特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司