專利名稱：具有光轉(zhuǎn)換元件的發(fā)光元件的制作方法
本專利申請要求歐洲專利申請03015972.7和德國專利申請10361661.6的優(yōu)先權(quán)，這些專利申請的公開內(nèi)容通過參考方式結(jié)合在本申請中。
本發(fā)明涉及到一種發(fā)光元件，該發(fā)光元件具有至少一個初級輻射光源，其在工作中發(fā)射初級電磁輻射；以及至少一個光轉(zhuǎn)換元件，利用該光轉(zhuǎn)換元件將至少一部分初級輻射轉(zhuǎn)化為改變了波長的輻射。
例如在DE 101 33 352 A1中描述了這種發(fā)光元件。至少一個發(fā)光二極管用作初級輻射光源，其發(fā)射出波段在300到485nm之間的初級輻射，通過熒光物質(zhì)，這種初級輻射被部分或全部地轉(zhuǎn)換為長波輻射。在該發(fā)光元件中，UV或近UV波段內(nèi)的光輻射可被轉(zhuǎn)化為可見光，該元件尤其適合借助于不同的熒光物質(zhì)產(chǎn)生出高度色彩重現(xiàn)的白光。
這種發(fā)光元件也存在缺點，該元件具有不能忽視的UV或近UV光譜區(qū)域內(nèi)的初級輻射的剩余發(fā)射，特別是在使用高功率的發(fā)光二級管作為初級輻射光源的情況下。但是這種剩余發(fā)射必須盡可能地避免，因為UV或可見的近UV波段內(nèi)的電磁輻射在強烈的作用下對人眼具有損害作用。UV波段或者說紫光波段(400nm-420nm)的輻射根據(jù)射入人眼中的輻射功率高低可以導(dǎo)致對人類眼睛的不同程度的傷害。當波長400nm在以下時主要是白內(nèi)障，也就是晶狀體模糊。當波長在400nm到420nm之間時，還將導(dǎo)致視網(wǎng)膜光化學(xué)能力的下降。
本發(fā)明的目的在于，提供一種發(fā)光元件，該發(fā)光元件具有用于至少部分減小不希望輻射的輻射強度的媒質(zhì)。
本發(fā)明的目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件實現(xiàn)，本發(fā)明的優(yōu)選改進方案以及有利設(shè)計在從屬權(quán)利要求中說明。
根據(jù)本發(fā)明，在開頭所述類型的發(fā)光元件中，在發(fā)光元件的輻射方向上在光轉(zhuǎn)換元件后面安置有一個具有大量納米顆粒的過濾元件，納米顆粒具有過濾物質(zhì)，這些過濾物質(zhì)通過吸收有選擇地將不希望的輻射的至少一個光譜區(qū)域內(nèi)的輻射強度降低。
與本發(fā)明相關(guān)的納米顆粒中應(yīng)理解為是平均顆粒直徑大于或等于0.1nm和小于或等于100nm的顆粒。
相對于可見輻射的波長，這種納米顆粒有相對很小的擴展尺寸。因此，可見光輻射在納米顆粒上基本上不進行非彈性散射，而是瑞利散射，通過瑞利散射使得可見光輻射幾乎沒有能量損失地進行散射，因此通過過濾元件，基本上僅減小了在發(fā)光元件中所產(chǎn)生的電磁輻射的那些波長區(qū)域的輻射強度，過濾物質(zhì)吸收這些輻射。因此，能夠有選擇地降低至少部分不希望的電磁輻射的輻射強度。
本發(fā)明中所提到的概念“不希望的輻射”并不是指這種輻射絕對是不希望的，而是指不希望從該發(fā)光元件產(chǎn)生這樣的輻射，并因此應(yīng)盡可能地避免。
在該發(fā)光元件的有利的實施例中，“不希望的輻射”是指初級輻射或者初級輻射的部分光譜區(qū)域。
這種不希望的輻射來源于小于或等于420nm的波長區(qū)域和大于或等于10nm的波長區(qū)域或者與該波長區(qū)域重疊的波長區(qū)域。
在該發(fā)光元件的其他實施例中，初級輻射光源優(yōu)選具有至少一個發(fā)光二極管，其在工作時產(chǎn)生UV輻射和/或藍光。不希望的輻射的部分光譜區(qū)域的輻射強度優(yōu)選被降低了至少50％。
為了最大限度地避免所希望的輻射在納米顆粒上的非彈性散射，納米顆粒有利地具有d50值，該值(以Q0計量(in Q0 gemessen))小于或等于25nm，優(yōu)先小于或等于21nm和大于或等于1nm。
特別優(yōu)選的是納米顆粒具有d50值，該值(以Q0計量)小于或等于所希望的輻射的最小波長的1/20和大于或等于1nm。在一個特別有利的實施例中，所有納米顆粒的平均直徑最大為所希望輻射的最小波長的1/20。
在優(yōu)選的實施例中，過濾物質(zhì)中包括由金屬氧化物材料組、硫化物材料組、氮化物材料組、硅酸鹽材料組所組成的組中的至少一種材料。根據(jù)本發(fā)明，過濾元件也可以具有帶有不同過濾物質(zhì)的納米顆粒的多個局部群。在這樣的情況下，只有納米顆粒的至少一個局部群中的過濾物質(zhì)必須滿足本發(fā)明或者其實施例的條件。
過濾物質(zhì)尤其優(yōu)選具有二氧化鈦、二氧化鈰、二氧化鋯、氧化鋅、氧化鎢、硫化鋅以及氮化鎵構(gòu)成的組中的至少一種材料。
這些納米顆粒有利地被埋置入一個優(yōu)選對UV輻射不敏感的基體材料中，為此這種基體材料有利地是具有由硅樹脂、旋涂玻璃、硅-化合物以及聚合物構(gòu)成的組中的至少一種材料。
為了盡可能減少納米顆粒在基體材料中的沉積，這些納米顆粒特別有利地具有起到分散作用的表面涂層或者處理過的表面，并以此提高其在基體材料中的分散能力。
本發(fā)明的其他特點，優(yōu)點以及有利之處在下面結(jié)合

圖1到2b中所描述的實施例中給出。
圖1發(fā)光元件的實施例的剖面示意圖；圖2a具有微粒的過濾元件的計算出的透射光譜；以及圖2b根據(jù)本發(fā)明的過濾元件的實施例的計算出的透射光譜。
在實施例和附圖中，相同的或者相同作用的組成部分分別具有同樣的標號。圖中示出的元件沒有根據(jù)比例進行繪制，為了更好地理解，局部進行了放大示出。
在圖1所示的實施例中，過濾元件1安置在用于發(fā)光二極管的常規(guī)的外殼10的輻射輸出耦合面上。外殼10具有“Toplooker”構(gòu)造形式并包括外殼基本構(gòu)型4和第一和第二導(dǎo)電涂層8、9，這些導(dǎo)電層部分地覆蓋在外殼基本構(gòu)型4的壁上。發(fā)光二極管6安裝在第二導(dǎo)電涂層9上，并因此與之導(dǎo)電接觸。發(fā)光二極管芯片6的背離導(dǎo)電涂層9的一側(cè)通過接合線7與第二導(dǎo)電涂層8導(dǎo)電連接。導(dǎo)電涂層例如也反射發(fā)光二極管芯片6在工作時產(chǎn)生的電磁輻射。
發(fā)光二極管芯片6具有一個安置在基底上的外延生長的半導(dǎo)體層序列，其包括在發(fā)光二極管芯片6工作時發(fā)射電磁輻射的活躍區(qū)(圖中未示出)。該半導(dǎo)體層序列的厚度例如可為8μm。
這種半導(dǎo)體層序列例如可以具有常規(guī)的pn結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、單量子阱結(jié)構(gòu)(SQW)或者多量子阱結(jié)構(gòu)(MQM)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這些結(jié)構(gòu)都是熟知的，因此在此將不再進一步闡述。如以GaN為基的多量子阱結(jié)構(gòu)的例子在WO 01/39282 A2中公開，其公開內(nèi)容以參考形式包括在本申請中。
發(fā)光二極管芯片6的半導(dǎo)體層序列例如以InAlGaN為基，也就是說它包括化合物InxAlyGa1-x-yN(其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)的至少一種材料，它發(fā)射例如UV波段的電磁輻射。
發(fā)光二極管芯片6被光轉(zhuǎn)換元件(部分)5封裝，光轉(zhuǎn)換元件5例如具有基于硅樹脂的澆注材料和一種或多種分散在其中的熒光物質(zhì)。運用這種發(fā)射UV波長區(qū)域(或者說UV波段)的輻射的光的發(fā)光二極管芯片作為激發(fā)熒光物質(zhì)的初級輻射源的優(yōu)點是，這種由熒光物質(zhì)發(fā)射的光通常具有比由發(fā)光二極管發(fā)射的光更寬的光譜。例如，因此能夠產(chǎn)生具有彩色重現(xiàn)的白光，該白光與其中初級輻射構(gòu)成大部分光的元件相比被優(yōu)化了。
包含在光轉(zhuǎn)換元件5中的熒光物質(zhì)吸收了大部分發(fā)光二極管芯片6所發(fā)射的具有UV波段的波長的輻射，然后發(fā)射出具有更長的波長的輻射。不同熒光物質(zhì)所發(fā)射的輻射互相混合，產(chǎn)生國際照明委員會比色圖表(CIE-Farbtafel)的一定色彩區(qū)域內(nèi)的光，尤其是白色光。可能使用的熒光物質(zhì)例如是以YAG:Ce，YAG:Tb為基的熒光物質(zhì)顆?；蛘咂渌线m的無機的或者有機的熒光物質(zhì)顆粒，本領(lǐng)域人員對于這些可作為可激發(fā)UV的熒光物質(zhì)顆粒是熟知的。
過濾元件1包括基體材料3，在基體材料中摻入了納米顆粒2。這種基體材料基于硅樹脂，也可以是通過旋涂的方法而涂覆的玻璃、硅化合物或其他紫外線穩(wěn)定的聚合物，如通常是波導(dǎo)材料。
納米顆粒2具有例如作為過濾物質(zhì)的TiO2，其以不同的晶型存在。在銳鈦型的晶型下，二氧化鈦具有例如3.2eV的能帶間隙能量，其對應(yīng)的波長為387nm，這種銳鈦型的晶型下的二氧化鈦的吸收系數(shù)在400nm到380nm的波長區(qū)域中改變了超過2個數(shù)量級。
過濾物質(zhì)也可以具有金紅石晶型的二氧化鈦，其包含在過濾元件1中的濃度例如約為15Gew.％，其中過濾元件具有厚度為50μm的涂層。二氧化鈦例如以顆粒的形式存在，其具有17nm的d50值。
在圖2b中示出了這種過濾元件1在僅考慮散射的情況下根據(jù)輻射波長的不同的電磁輻射的透射情況。當波長在約400nm的情況下，大約有95％的光透射，隨著波長的不斷增大，在約700nm的情況下，增長到超過99％的光透射。因此，由于過濾元件1的納米顆粒2的散射而引起的輻射強度的損失非常小。
在圖2a中同樣示出了具有厚度為50μm的層的過濾元件的透射情況，這種過濾元件具有15Gew.％的金紅石晶型的二氧化鈦，唯一不同的是，二氧化鈦以顆粒大小約為10μm的顆粒形式存在。實際上這樣的過濾元件對所有可見波長區(qū)域的光都是不能穿過的。
考慮到基于圖2b中的透射光譜的過濾元件1除了散射還有二氧化鈦的吸收作用，因此對于小于約420nm的波長光透射將明顯降低。對于波長為412nm的輻射，透射率只超過約1％。因此可以非常有效地減少對眼睛有傷害的輻射和因而不希望的輻射如UV和/或短波的藍光范圍的初級輻射，而不必必須容忍所希望的輻射的輻射強度的過大地減小。
元件所發(fā)射的輻射通過過濾元件的納米顆粒的散射有利地會改善其混合，特別是會改善不同顏色的光的混合。
作為金屬氧化物如二氧化鈦的替換方案，在實施例中，也可以作為替換或者附加而應(yīng)用其他合適的金屬氧化物或者合適的硫化物、氮化物和/或硅酸鹽作為過濾物質(zhì)使用。為此適合的物質(zhì)例如為二氧化鈰、二氧化鋯、氧化鋅、氧化鎢、硫化鋅以及氮化鎵，根據(jù)不希望的輻射也就是說其吸收特性來選擇這些物質(zhì)?？紤]到各個吸收系數(shù)(依賴于波長)，納米顆粒的數(shù)量也要與被吸收輻射的強度的所希望的降低相對應(yīng)。
原則上，在本發(fā)明中，對于來自于可見光波長區(qū)域的光是透光的但是對于不希望的輻射，尤其是來自于UV和/或紫光范圍的輻射具有吸收作用的所有材料均適合于作為過濾物質(zhì)的組成部分。
納米顆粒具有起到分散作用的表面涂層或者起到分散作用的被處理表面，也就是說，這些顆粒表面涂布有合適的分子或者這些分子被納米顆粒所吸收，從而改善納米顆粒在基體材料中的分散能力。
本發(fā)明的保護范圍并不由于對本發(fā)明實施例的描述而受到限制。本發(fā)明更確切地說包括每一個新的特征和每一個特征的組合，其尤其包括權(quán)利要求中的各個特點的每一個組合，甚至包括那些在權(quán)利要求中或在實施例中未明確說明的組合。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件，具有至少一個初級輻射源，其在工作時發(fā)射初級電磁輻射，以及至少一個光轉(zhuǎn)換元件，利用所述光轉(zhuǎn)換元件將至少一部分初級輻射轉(zhuǎn)換為改變了波長的輻射，其特征在于，所述光轉(zhuǎn)換元件在所述發(fā)光元件的輻射方向上在后面安置有帶有多個納米顆粒的過濾元件，這些納米顆粒具有過濾物質(zhì)，所述過濾物質(zhì)通過吸收有選擇地降低不希望的輻射的至少一個部分光譜區(qū)域的輻射強度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述不希望的輻射是初級輻射或者初級輻射的部分光譜區(qū)域。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述不希望的輻射來源于波長小于或等于420nm的UV波長區(qū)域或與該波長區(qū)域重疊的波長區(qū)域。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述初級輻射源具有至少一個發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管在工作時發(fā)射UV輻射和/或藍光。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述不希望的輻射的部分光譜區(qū)域的輻射強度被降低至少50％。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述納米顆粒具有以Q0計量的d50值，該值小于或等于25nm和大于或等于1nm。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述納米顆粒具有以Q0計量的d50值，該值小于或等于21nm和大于或等于1nm。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述納米顆粒具有以Q0計量的d50值，該值小于或等于所希望輻射的最小波長的1/20和大于或等于1nm。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述過濾物質(zhì)具有由金屬氧化物材料組、硫化物材料組、氮化物材料組以及硅酸鹽材料組所構(gòu)成的組中的至少一種材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述過濾物質(zhì)具有由二氧化鈦、二氧化鈰、二氧化鋯、氧化鋅、氧化鎢、硫化鋅以及氮化鎵所構(gòu)成的組中的至少一種材料。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述納米顆粒被埋置于基體材料中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述基體材料對UV輻射不敏感。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)光元件，其特征在于，所述基體材料具有由硅樹脂、旋涂玻璃、硅-化合物以及聚合物構(gòu)成的組中的至少一種材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光元件，該元件具有至少一個初級輻射源，其在工作時發(fā)射初級電磁輻射；以及至少一個光轉(zhuǎn)換元件，利用所述光轉(zhuǎn)換元件將至少部分初級輻射轉(zhuǎn)換為改變了波長的輻射。光轉(zhuǎn)換元件在元件的輻射方向上后方設(shè)置有帶有多個納米顆粒的過濾元件，這種納米顆粒具有過濾物質(zhì)，其通過吸收有選擇地降低不希望的輻射的至少一部分光譜區(qū)域內(nèi)的輻射強度。
文檔編號G02B5/20GK1823428SQ200480019945
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者貝爾特·布勞內(nèi), 京特·魏特爾 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體股份有限兩合公司