Die Erfindung betrifft einen Leuchtstoff, ein Verfahren zur Herstellung des Leuchtstoffs und eine Beleuchtungsvorrichtung, die insbesondere den Leuchtstoff umfasst. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102020 202726.9 deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Bislang sind nur wenige effiziente Leuchtstoffe bekannt, die blaue Primärstrahlung effizient in orange Sekundärstrahlung konvertieren. Für den roten bis tiefroten Spektralbereich sind z. B. die Systeme (Ca,Sr,Ba)2Si5Ns:Eu ²⁺ und (Ca,Sr)AISiN3:Eu ²⁺ weit verbreitet. Mit dem System (Ca,Sr,Ba)2Si5Ns:Eu ²⁺ sind üblicherweise Dominanzwellenlängen von A _dom > 580 nm realisierbar, mit (Ca,Sr)AISiN3:Eu ²⁺ sogar nur A _dom > 587 nm. Auch die orangen Leuchtstoffe a-SiAIONe realisieren üblicherweise Dominanzwellenlängen mit A _dom > 580 nm.

Für die Konversion in den grünen und gelben Spektralbereich werden üblicherweise Vertreter des Granatsystems (Y,Gd,Tb)3AlsOi2:Ce ³⁺ verwendet. Damit ist es möglich, Dominanzwellenlängen bis zu maximal A _dom = 575 nm zu realisieren (TbsAlsO^: A _dom = 575 nm, spektrale Halbwertsbreite FWHM = ca. 125 nm).

Es ergibt sich eine deutliche Lücke für den orangen Farbbereich, d. h. 575 nm < A _dom ^ 585 nm, die derzeit nur von wenigen Leuchtstoffen bedient werden kann. Um daher orange Spektren zu realisieren werden heute üblicherweise Kombinationen aus mindestens zwei Leuchtstoffen eingesetzt. Häufig sind in solchen Kombinationen ein grüner bis gelber Leuchtstoff aus dem Granatsystem mit einem roten Leuchtstoff z. B. aus dem System (Ca,Sr,Ba) ₂ Si ₅ N ₈ :Eu ²⁺ oder (Ca,Sr)AISiN ₃ :Eu ²⁺ kombiniert. Damit kann dann ein entsprechendes oranges Gesamtspektrum realisiert werden. Gegenüber der Verwendung eines einzelnen Leuchtstoffes ist es jedoch deutlich komplizierter, ein System aus mehreren Komponenten zu verwenden. Damit werden sowohl die Entwicklung als auch Fertigungsprozesse deutlich aufwendiger. Für manche Anwendungsformen, wie z. B. als Konversionskeramik, ist es oft aufwendig oder nicht möglich, verschiedene Leuchtstoffe zu kombinieren.

Konversionsleuchtstoffe für den orangen Spektralbereich werden daher dringend benötigt und können zu effizienteren und/ oder einfacheren und damit günstigeren Lösungen für die Anwendung beitragen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen neuen Leuchtstoff, ein Verfahren zur Herstellung des Leuchtstoffs und eine neue Beleuchtungsvorrichtung mit dem hier beschriebenen vorteilhaften Leuchtstoff zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird bzw. diese Aufgaben werden durch einen Leuchtstoff, ein Verfahren und eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Es wird ein Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel (A ^a (i-a)Z ^z _a )(B ^b (i-ß)C ^c ß)2X ^x (i-ö)Y ^y (2-£), mit A = Na, K, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr und/oder Ba,

Z = mindestens ein Aktivator,

B = Si, AI, Zn, Zr, Hf und/oder Ti,

C = Li, Mg, Zr, Hf, Ti und/oder Na, X = O und/ oder N,

Y = O und/ oder N, a, z, b, c, x, y = mittlere Ladung der Atome, wobei

(-1)h[(1-d)c + (2-e)g] = (1-a)a + a z + 2[(1-ß)b+ß c], mit h = 0,9 bis 1,1, d+ e< 0,25, a= 0,2 bis 0,001,

2/3 > ß> 0, e= 0 bis 0,25, und d= 0 bis 0,25, angegeben.

Die Gitterplätze der Elemente „A“, „B“ und „C“ können dabei jeweils von Atomen eines oder mehrerer Elemente besetzt sein.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung handelt es sich bei einem Leuchtstoff um einen Stoff, der elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs (Primärstrahlung) in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs (Sekundärstrahlung) umwandelt.

Vorliegend werden Leuchtstoffe anhand von Summenformeln beschrieben. Es ist bei den angegebenen Summenformeln möglich, dass der Leuchtstoff weitere Elemente etwa in Form von Verunreinigungen aufweist, wobei diese Verunreinigungen zusammengenommen bevorzugt einen Gewichtsanteil an dem Leuchtstoff von höchstens 1 Promille oder 100 ppm (parts per million) oder 10 ppm aufweisen sollten.

Ein erfindungsgemäßer Leuchtstoff weist zudem mindestens einen Aktivator auf. Der Aktivator ist insbesondere für die Emission von Strahlung des Leuchtstoffs verantwortlich. Geeignete Aktivatoren sind beispielsweise Europium, Cer, Ytterbium und/oder Mangan. Zusätzlich können noch Sm und/oder Pr als Dotierung in dem Leuchtstoff vorliegen.

Der Aktivator kann in einer Menge zwischen 0,0001 mol% und 5 mol%, basierend auf der Gesamtmenge des Leuchtstoffs, in dem Leuchtstoff vorliegen, vorzugsweise in einer Menge zwischen 0,001 mol% und 0,4 mol%. In einer Ausführungsform ist der Aktivator in dem Leuchtstoff in einer Menge von 0,16% mol%, 0,32 mol%, oder 1 mol% vorhanden.

Die Menge des Aktivators kann auch in Bezug auf die jeweilige Atomlage angegeben werden. Beispielsweise kann die Menge des Aktivators zwischen 0,001 % und 20 % bezogen auf die Atomlage sein, vorzugsweise zwsichen 0,1 % und 10 %, stärker bevorzugt zwischen 0,5 % und 5 %.

Der mindestens eine Aktivator kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Eu ²⁺ , Ce ³⁺ , Yb ²⁺ und Mn ⁴⁺ .

Unter der „Halbwertsbreite“ wird hierin die spektrale Breite bei halber Intensität des Maximums eines Emissionspeaks bzw. einer Emissionsbande verstanden.

Als „Peakwellenlänge“ wird hierin die Wellenlänge im Emissionsspektrum eines Leuchtstoffs bezeichnet, bei der die maximale Intensität im Emissionsspektrum bzw. einer Emissionsbande liegt.

Die Dominanzwellenlänge A _dom ist eine Möglichkeit, nicht spektrale (polychromatische) Lichtmischungen durch spektrales (monochromatisches) Licht, welches eine ähnliche Farbtonwahrnehmung erzeugt, zu beschreiben. Im CIE Farbraum kann die Linie, die einen Punkt für eine bestimmte Farbe und den CIE-x = 0,333, CIE-y = 0,333 verbindet, so extrapoliert werden, dass sie den Umriss des Raums in zwei Punkten trifft. Der Schnittpunkt, der näher an der besagten Farbe liegt, repräsentiert die Dominanzwellenlänge der Farbe als Wellenlänge der reinen Spektralfarben an diesem Schnittpunkt. Die Dominanzwellenlänge ist also die Wellenlänge, die von dem menschlichen Auge wahrgenommen wird.

In einer Ausführungsform sind in dem Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel (A ^a (i-a)Z ^z a)(B ^b (i-ß)C ^c ß)2X ^x (1-ö)Y ^y (2-£),

A = Ca, Mg, Sr und/oder Ba,

Z = Eu oder Ce,

B = Si und/oder AI,

C = Li und/oder Mg, X = 0 und/ oder N, und

Y = 0 und/ oder N. In dieser Ausführungsform sind die Parameter a, b, c, x, y, z, a, ß, d und e wie vorstehend definiert.

In einerweiteren Ausführungsform sind in dem Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel (A ^a ₍ i-a)Z ^z a)(B ^b ₍ i-ß)C ^c ß)2X ^x (i-ö)Y ^y (2- _E) ,

A = Ca und/oder Sr,

Z = Eu,

B = Si und/oder AI,

C = Li und/oder Mg, X = 0 und/ oder N, und

Y = 0 und/ oder N. In dieser Ausführungsform sind die Parameter a, b, c, x, y, z, a, ß, d und e wie hierin definiert.

In einerweiteren Ausführungsform sind in dem Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel (A ^a ₍ i-a)Z ^z a)(B ^b ₍ i-ß)C ^c ß)2X ^x (i-ö)Y ^y (2- _E) ,

A = Ca und/oder Sr,

Z = Eu,

B = Si, C = Li und/oder Mg,

X = O und/ oder N, und

Y = O und/ oder N. In dieser Ausführungsform sind die Parameter a, b, c, x, y, z, a, ß, d und e wie hierin definiert.

In einerweiteren Ausführungsform sind in dem Leuchtstoff mit der allgemeinen Summenformel (A ^a _(i -a)Z ^z a)(B ^b _(i -ß)C ^c ß)2X ^x (i-ö)Y ^y (2- _E) ,

A = Sr,

Z = Eu oder Ce,

B = Si,

C = Li,

X = N,

Y = 0, und ß = 0,5. In dieser Ausführungsform sind die Parameter a, b, c, x, y, z, a, d und e wie hierin definiert.

In einer Ausführungsform der hierin genannten Formeln kann der Parameter „a“ 1 bis 3 sein, vorzugsweise 2. Durch den Parameter „a“ wird die mittlere Ladung der Atome A angegeben. Wenn A mehrere Atomsorten umfasst, dann wird der Parameter „a“ als Durchschnittswert aus den Ladungen der Atome und deren Anzahl berechnet.

In einer Ausführungsform der hierin genannten Formeln kann der Parameter „b“ 2 bis 5 sein, vorzugsweise 3 bis 4. Durch den Parameter „b“ wird die mittlere Ladung der Atome B angegeben. Wenn B mehrere Atomsorten umfasst, dann wird der Parameter „b“ als Durchschnittswert aus den Ladungen der Atome und deren Anzahl berechnet.

In einer Ausführungsform der hierin genannten Formeln kann der Parameter „c“ 1 bis 4 sein, vorzugsweise 1 bis 3, weiter bevorzugt 1 bis 2. Durch den Parameter „c“ wird die mittlere Ladung der Atome C angegeben. Wenn C mehrere Atomsorten umfasst, dann wird der Parameter „c“ als Durchschnittswert aus den Ladungen der Atome und deren Anzahl berechnet.

In einer Ausführungsform der hierin genannten Formeln kann der Parameter „x“ -2 bis - 3 sein. Durch den Parameter „x“ wird die mittlere Ladung der Atome X angegeben. Wenn X mehrere Atomsorten umfasst, dann wird der Parameter „x“ als Durchschnittswert aus den Ladungen der Atome und deren Anzahl berechnet.

In einer Ausführungsform der hierin genannten Formeln kann der Parameter „y“ -2 bis - 3 sein. Durch den Parameter „y“ wird die mittlere Ladung der Atome Y angegeben. Wenn Y mehrere Atomsorten umfasst, dann wird der Parameter „y“ als Durchschnittswert aus den Ladungen der Atome und deren Anzahl berechnet.

In einer Ausführungsform der hierin genannten Formeln kann der Parameter „z“ 2 bis 5 sein vorzugsweise 2 bis 3, weiter bevorzugt 2. Durch den Parameter „z“ wird die mittlere Ladung der Atome Z angegeben. Wenn Z mehrere Atomsorten umfasst, dann wird der Parameter „z“ als Durchschnittswert aus den Ladungen der Atome und deren Anzahl berechnet.

Leuchtstoffe der allgemeinen Summenformel (A ^a (i- _a) Z ^z _a )(B ^b (i-ß)C ^c ß)2X ^x (i-ö)Y ^y (2- _E) , und Leuchtstoffe gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen emittierten insbesondere oranges Licht mit einer Dominanzwellenlänge A _d om im Bereich von 565 nm bis 595 nm, vorzugsweise im Bereich von 575 nm bis 585 nm. Die breite Emissionsbande der Leuchtstoffe kann eine spektrale Halbwertsbreite FWHM im Bereich von 100 nm bis 200 nm, vorzugsweise 120 nm bis 160 nm um das spektrale Maximum A _pea k im Bereich von 550 nm bis 650 nm, vorzugsweise 570 nm bis 620 nm aufweisen.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Leuchtstoff die Summenformel (Sro _,99 Euo _, oi)(Sio _,5 Lio _,5 ) ₂ 0 ₂ N auf. Die Summenformel (Sro _,99 Euo _, oi)(Sio _,5 Lio _,5 ) ₂ 0 ₂ N wird vorliegend vereinfacht auch als SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ angegeben. Der Leuchtstoff SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ ist ein Eu ²⁺ -aktivierter Leuchtstoff, der blaue Primärstrahlung in orange Sekundärstrahlung umwandelt. SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ kann dabei oranges Licht mit einer Dominanzwellenlänge von A _dom = 579 nm emittieren. Die breite Emissionsbande kann eine spektrale Halbwertsbreite FWHM = 143 nm um das spektrale Maximum bei A _pe ak = 593 nm aufweisen. Damit eignet sich SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ als oranger Leuchtstoff beispielsweise für die Anwendung in LEDs. Er kann z. B. hervorragend als Einzelkonversionsleuchtstofflösung für warmweiße LEDs eingesetzt werden.

Gemäß einer Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff der vorliegenden Erfindung in einer tetragonalen Raumgruppe.

In einer weiteren Ausführungsform kristallisiert der Leuchtstoff der vorliegenden Erfindung in der tetragonalen Raumgruppe / 4 oder einer davon ableitbaren

Untergruppe.

Eine Raumgruppe G1 besteht aus einer Menge von Symmetrieoperationen. Wenn eine andere Raumgruppe G2 aus einer Untermenge dieser Symmetrieoperationen besteht, dann ist sie eine Untergruppe von G1. Untergruppen werden dabei als translationen gleich oder klassengleich klassifiziert. Beispielhafte Untergruppen zur tetragonalen Raumgruppe / 4 sind 12, P 4 , C2, R2i, P2 und P1.

Die Leuchtstoffe können bei einer Anregung mit einer Primärstrahlung im Bereich von ca. 330 nm bis ca. 450 nm Sekundärstrahlung im orangen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere mit einer Peakwellenlänge zwischen ca. 570 nm bis ca. 620 nm, bevorzugt ca. 585 nm bis ca. 610 nm, und einer Halbwertsbreite über 100 nm, bevorzugt über 120 nm emittieren.

In einer Ausführungsform kann der Leuchtstoff Primärstrahlung aus dem UV bis blauen Spektralbereich absorbieren und in Sekundärstrahlung konvertieren, die eine Peakwellenlänge A _pe a _k zwischen ca. 570 nm und ca. 620 nm, bevorzugt zwischen ca. 585 nm und ca. 610 nm aufweist.

Der Leuchtstoff kann zudem eine Halbwertsbreite von über 100 nm, bevorzugt über 120 nm aufweisen. Der Leuchtstoff kann eine Halbwertsbreite im Bereich von ca. 125 nm bis 145 nm aufweisen.

Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtstoffes der allgemeinen Summenformel (A ^a (i- _a) Z ^z _a )(B ^b (i-ß)C ^c ß)2X ^x (i-ö)Y ^y (2- _E) gerichtet. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte:

- Bereitstellen einer Mischung von Oxiden, Oxid-Präkursoren und/oder Nitrid- Präkursoren unabhängig voneinander ausgewählt von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen, Si, AI, Zn, Zr, Hf, Ti, Eu, Ce, Yb und /oder Mn; und

- Aussetzen der Mischung einer inerten und/oder reduzierenden Atmosphäre (z. B. N ₂ , NH ₃ oder Gemische aus N ₂ und H ₂ ) im Druckbereich von 1 bar bis 200 bar bei Temperaturen im Bereich von 750 °C bis 1800 °C.

Bei den Oxid-Präkursoren und bei den Nitrid-Präkursoren handelt es sich insbesondere um Stoffe, die während eines Glühvorgangs durch Reaktion Oxide bzw. Nitride bilden. Beispiele für Oxid-Präkursoren und Nitrid-Präkursoren sind Oxalate, Nitrate, Carbonate, Amide und Imide, die elementaren Metalle bzw. Legierungen daraus (z. B. LiAlO). Bei dem Glühvorgang kann es sich um das Aussetzen der Mischung einer inerten Und/oder reduzierenden Atmosphäre (z. B. N2, NH3 oder Gemische aus N2 und H2) im Druckbereich von 1 bar bis 200 bar bei Temperaturen im Bereich von 750 °C bis 1800 °C handeln.

In einer Ausführungsform ist die Mischung von Oxiden, Oxid-Präkursoren und/oder Nitrid-Präkursoren unabhängig voneinander ausgewählt von Ca, Sr, Mg, Li, Si und /oder Eu.

In einer Ausführungsform ist die Mischung von Oxiden, Oxid-Präkursoren und/oder Nitrid-Präkursoren unabhängig voneinander ausgewählt von Sr, Li, Si und /oder Eu. In einer Ausführungsform erfolgt die Synthese bei 900 °C und 100 bar N2-Atmosphäre. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Synthese bei 1500 °C und einer strömenden NH3-Atmosphäre. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Synthese bei 800 °C und strömender NH3-Atmosphäre.

Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffs ist im Vergleich zu vielen anderen Herstellungsverfahren für Leuchtstoffe sehr einfach durchzuführen. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung bei moderaten Temperaturen erfolgen und ist daher sehr energieeffizient. Die Anforderungen beispielsweise an den verwendeten Ofen sind damit gering. Die Edukte sind in der Regel kostengünstig kommerziell erhältlich und nicht toxisch.

In einer Ausführungsform wird eine Mischung aus Oxiden und Nitriden des jeweiligen Elements/ der Elemente des resultierenden Leuchtstoffs bereitgestellt. Mit anderen Worten werden in dieser Ausführungsform ein Alkalimetalloxid (z. B. LhO) und ein Alkalimetallnitrid (z. B. LhN) bereitgestellt, falls der resultierende Leuchtstoff ein Alkalimetall (z. B. Li) aufweist.

In einer Ausführungsform wird das Ion des Aktivators vorzugsweise als Oxid zugegeben.

In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner den Schritt auf, dass die bereitgestellte Mischung vermengt wird, beispielsweise mit einem Mörser (z. B. Handmörser, Mörsermühle), einer Mühle (z. B. Kugelmühle), einem Mischer (z. B. Mehrachsmischer), etc..

Die vermischten Substanzen werden dann vorzugsweise in ein geeignetes Gefäß überführt, wie beispielsweise einem Tiegel, z. B. aus Korund oder Nickel. Die Mischung kann anschließend unter 100 bar Druck einer IS -Atmosphäre ausgesetzt werden.

Die Mischung wird vorzugsweise zusätzlich einer erhöhten Temperatur von 900 °C ausgesetzt.

Das entstandene Produkt kann dann mehrere Aufarbeitungsschritte durchlaufen, wie z. B. Mahlung, Siebung, Waschung, Trocknung. Diese können zwar noch Eigenschaften wie die Korngröße, Morphologie, Haftungseigenschaften etc. verändern, wirken sich jedoch nicht auf die erfindungsgemäßen Konversionseigenschaften oder die Kristallstruktur des entstandenen Leuchtstoffes aus.

Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein Konversionselement gerichtet, umfassend mindestens einen Leuchtstoff gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei einem Konversionselement handelt es sich um ein Bauteil, mittels dessen Primärstrahlung in Sekundärstrahlung umgewandelt werden kann.

Ein erfindungsgemäßes Konversionselement kann neben mindestens einem Leuchtstoff auch weitere Komponenten umfassen. So kann das Konversionselement eine Matrix umfassen, in der der mindestens ein Leuchtstoff eingebettet ist. Bei der Matrix kann es sich z. B. um ein Silikon, ein Epoxid, ein Harz, ein Glas, eine keramische Matrix oder ein Hybridmaterial handeln. In einer Ausführungsform umfasst das Konversionselement einen erfindungsgemäßen Leuchtstoff. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Konversionselement mindestens einen erfindungsgemäßen Leuchtstoff sowie mindestens einen weiteren Leuchtstoff aus dem Stand der Technik. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Konversionselement aus einem erfindungsgemäßen Leuchtstoff. Der Leuchtstoff konvertiert dabei zumindest teilweise oder vollständig die elektromagnetische Primärstrahlung in elektromagnetische Sekundärstrahlung.

In einer Ausführungsform weist das Konversionselement nur einen erfindungsgemäßen Leuchtstoff auf. Das Konversionselement kann dabei die Primärstrahlung teilweise in Sekundärstrahlung konvertieren (Teilkonversion). Die Gesamtstrahlung, die ausgesendet wird, ist somit eine Mischstrahlung aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung. Insbesondere liegt eine Wellenlänge oder das Emissionsmaximum der Primärstrahlung im sichtbaren blauen Bereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen ca. 400 nm und ca. 470 nm.

Eine Mischstrahlung, beispielsweise eine weiße Mischstrahlung, eignet sich insbesondere für die Allgemeinbeleuchtung. Beispielsweise kann Weißlicht mit einem warmweißen Farbton (Farbtemperatur CCT = 3000 K) und einem CRI 75 bei 45 % visuellem Nutzeffekt erzeugt werden.

Alternativ kann das Konversionselement die Primärstrahlung vollständig in Sekundärstrahlung konvertieren. Dies kann auch als Vollkonversion bezeichnet werden. Eine Vollkonversion mittels eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffes bzw. eines erfindungsgemäßen Konversionselement eignet sich insbesondere für orange LED- Anwendungen, z. B. Blinklicht für Automobile oder zusätzliches oranges Blitzlicht für Mobiltelefone.

Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung umfassend einen Leuchtstoff gemäß der vorliegenden Erfindung oder ein Konversionselement gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die hierin genannten Ausführungsformen für einen erfindungsgemäßen Leuchtstoff bzw. ein erfindungsgemäßes Konversionselement gelten auch für die Beleuchtungsvorrichtung und umgekehrt. In einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine Halbleiterschichtfolge, die zur Emission von elektromagnetischer Primärstrahlung eingerichtet ist und ein Konversionselement, das den Leuchtstoff umfasst und zumindest teilweise die elektromagnetische Primärstrahlung in elektromagnetische Sekundärstrahlung konvertiert. Das Konversionselement umfassend den Leuchtstoff ist vorzugsweise im Strahlengang der Halbleiterschichtfolge angeordnet.

Bevorzugt emittiert die Beleuchtungsvorrichtung in Teilkonversion warmweißes Licht, und in Vollkonversion oranges Licht mit einer Dominanzwellenlänge A _d om im Bereich von 565 nm bis 595 nm, vorzugsweise im Bereich von 575 nm bis 585 nm.

Bei der Halbleiterschichtfolge kann es sich um einen GaN Chip oder InGaN Chip (Adom = 450 nm) handeln.

Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Beleuchtungsvorrichtung um eine Leuchtdiode („light emitting diode“, LED). Vorzugsweise kann mit der Beleuchtungsvorrichtung weißes, insbesondere warmweißes Licht emittiert werden. In einer alternativen Ausführungsform kann mit der Beleuchtungsvorrichtung auch farbiges, insbesondere oranges Licht emittiert werden.

Figuren

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Fig. 1 zeigt einen Strukturausschnitt von SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ .

Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Emissionsspektren.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Strukturausschnitt von SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ . Dargestellt sind die Lagen der Sr-Atome (schwarze Kreise), die tetragonalen Pyramiden, die die Li-Atome umgeben (schwarz) und die Tetraeder, die Si umgeben (gestreift). Die Struktur ist stark fehlgeordnet. Das Bild zeigt einen Ausschnitt, wie er innerhalb der Struktur vorliegen kann. Dabei handelt es sich nur um eine mögliche lokale Anordnung, die im Rahmen der Fehlordnung möglich ist. An der Stelle eines jeden dargestellten Tetraeders oder einer tetragonalen Pyramide kann in der benachbarten Elementarzelle stattdessen auch eine der anderen beiden Möglichkeiten realisiert sein, also einer von zwei möglichen Tetraedern oder die tetragonale Pyramide.

Fig. 2 zeigt das Emissionsspektrum von SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ . Auf der x-Achse ist die Wellenlänge in Nanometern aufgetragen und auf der y-Achse die Intensität in Prozent. Der Leuchtstoff emittiert bei Anregung mit blauer Strahlung bei 448 nm breitbandig im orangen Spektralbereich mit einer Dominanzwellenlänge von A _d om = 579 nm, in dem nicht viele bekannte Leuchtstoffe emittieren. Er kann daher ohne Kombination mit anderen Leuchtstoffen für Lösungen eingesetzt werden, die breitbandige Emission in diesem Spektralbereich benötigen. Die breite Emissionsbande weist eine spektrale Halbwertsbreite FWHM = 143 nm um das spektrale Maximum bei A _pe ak = 593 nm auf.

Fig. 3 zeigt ein simuliertes LED-Spektrum für eine warmweiße Konversionslösung mit SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ als einzigen Konversionsleuchtstoff. Der Leuchtstoff emittiert bei Anregung mit blauer Strahlung bei 446 nm. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge in Nanometern aufgetragen und auf der y-Achse die Intensität in Prozent. Das Spektrum hat eine Farbtemperatur von ca. 3000 K, einen Farbwiedergabeindex („colour rendering index“, CRI) von CRI = 75 und eine optische Lichtausbeute (“luminous efficacy radiation“, LER) von LER = 304 Im/W. Der Farbwiedergabeindex wird dabei aus dem Emissionsspektrum durch Vergleich definierter Testfarben berechnet, das Verfahren ist im Technischen Report CIE 13.3-1995 der Internationalen Beleuchtungskommission CIE beschrieben.

Fig. 4 zeigt das Emissionsspektrum von Vergleichsbeispiel 1. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge in Nanometern aufgetragen und auf der y-Achse die Intensität in Prozent. Vergleichsbeispiel 1 ist eine LED mit einem blauen Chip (A _d om = 446 nm) und einer Konversionsschicht in Silikon aus einem roten Nitrid leuchtstoff der Gruppe (Ca,Sr,Ba) Si N :Eu ²⁺ und einem gelbgrünen Granatleuchtstoff der Gruppe (Y,Lu) ₃ (AI,Ga) ₅ 0i ₂ :Ce ³⁺ . Sie erreicht bei ähnlichem Farbwiedergabeindex CRI = 82 eine vergleichbare optische Lichtausbeute von LER = 308 Im/W.

Fig. 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung 1 , insbesondere einer Konversions-LED. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 weist zumindest einen hier beschriebenen erfindungsgemäßen Leuchtstoff auf. Zusätzlich kann ein weiterer Leuchtstoff oder eine Kombination von Leuchtstoffen in der Beleuchtungsvorrichtung vorhanden sein. Die zusätzlichen Leuchtstoffe sind dem Fachmann bekannt und werden nicht näher ausgeführt.

Die Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß Fig. 5 weist eine Halbleiterschichtfolge 2 auf, die auf einem Substrat 4 angeordnet ist. Die Halbleiterschichtfolge steht dabei bevorzugt in direktem mechanischen Kontakt mit dem Substrat 4 und ist vorzugsweise auf das Substrat 4 geklebt. Das Substrat 4 kann beispielsweise reflektierend sein. Über der Halbleiterschichtfolge 2, die Primärstrahlung aussendet, ist ein Konversionselement 3 angeordnet. Das Maximum der Primärstrahlung kann in einem Wellenlängenbereich von ca. 330 nm bis ca. 470 nm liegen. Das Konversionselement 3 ist im Strahlengang der Primärstrahlung angeordnet. Vorzugsweise wird die Primärstrahlung nur durch das Konversionselement 3 geleitet und nicht durch das Substrat 4. In alternativen Ausführungsformen kann die Primärstrahlung auch seitlich an dem Konversionselement 3 aus der Halbleiterschichtfolge 2 ausgesendet werden. Das Konversionselement 3 weist bevorzugt einen erfindungsgemäßen Leuchtstoff auf. Der Leuchtstoff kann in einem Matrixmaterial, wie beispielsweise ein Silikon, Epoxid, ein Harz oder Hybridmaterial, oder in Glas eingebettet sein. Der Leuchtstoff kann dabei als Partikel vorliegen. Der Leuchtstoff kann auch als Keramik vorliegen. Der Leuchtstoff kann die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandeln. Ein oder mehrere Maxima der Sekundärstrahlung kann in einem Wellenlängenbereich von ca. 460 nm bis ca. 800 nm liegen. Das Konversionselement 3 steht in direktem mechanischen Kontakt mit der Halbleiterschichtfolge 2. Das Konversionselement kann dabei mittels eines geeigneten Klebers auf die Halbleiterschichtfolge 2 aufgebracht sein. Alternativ kann das Konversionselement 3 auch zur Halbleiterschichtfolge 2 beabstandet angeordnet sein.

Das Konversionselement 3 kann durch Spritzguss-, Spritzpress- oder durch Spraycoating-Verfahren aufgebracht werden. Alternativ kann das Konversionselement 3 auch vorgefertigt sein und mittels eines sogenannten Pick-and-Place-Prozesses auf die Halbleiterschichtfolge 2 aufgebracht werden.

Die Beleuchtungsvorrichtung 1 kann zudem elektrische Kontaktierung (hier nicht gezeigt) aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 kann zudem weitere Bauteile aufweisen, wie eine Schutzschicht, Bragg-Spiegel oder weitere Konversionselemente, die hierin nicht gezeigt werden.

Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung aufweisen.

Ausführungsbeispiel Zur Synthese von SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ werden die Edukte EU2O3, SrO, Sr3N ₂ , S1O2, S13N4, L O und L13N miteinander vermengt. Dies kann z. B. in einem Handmörser, einer Mörsermühle, einer Kugelmühle, einem Mehrachsmischer oder Ähnlichem erfolgen. Die Edukte werden anschließend in einen Tiegel überführt. Tabelle 1 zeigt beispielhafte Einwaagen der Edukte.

Tabelle 1

Dieser Tiegel kann z. B. aus Korund oder Nickel bestehen. Das Eduktgemenge wird anschließend unter N2- Atmosphäre bei 100 bar für 16 Stunden bei 900 °C zur Reaktion gebracht. Nach erfolgter Reaktion und Abkühlung wird das Produkt aufgemahlen, was z. B. wieder in einem Handmörser, einer Mörsermühle oder einer Kugelmühle erfolgen kann. Anschließend wird das erhaltene Produkt charakterisiert.

Man erhält ein orangefarbenes Pulver, das unter ultraviolettem oder blauem Licht intensiv orangefarben emittiert. Tabelle 2 zeigt kristallographische Daten von SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ .

Tabelle 2

Tabelle 3 zeigt kristallographische Lageparameter von SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ .

Tabelle 3

Ui _so ist der isotrope Auslenkungs- oder Temperaturfaktor, der im Wesentlichen wiedergibt, in welche Richtung und wie stark das Atom um seine Gleichgewichtslage schwingt.

Die Struktur von SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ wurde mittels Einkristallröntgenbeugung bestimmt. Die Struktur ist verwandt zur Struktur zweier bekannter blauer Leuchtstoffe: CasMg7Si9N22 und Sr8Mg7Si9N22. Die Struktur kann als tetragonal beschrieben werden. Die Struktur kann jedoch auch in größeren Elementarzellen und in anderen Raumgruppen, z. B. Untergruppen der hier für die Beschreibung verwendeten, tetragonalen Raumgruppe, beschrieben werden. Es handelt sich dabei dann um alternative Beschreibungen derselben Struktur.

Nach dem Modell, das hier gewählt wurde, kristallisiert SrLiSi02N:Eu2+ in der tetragonalen Raumgruppe IT. Die Gitterparameter, kristallographischen Daten sowie die grundlegenden Güteparameter der röntgenographischen Bestimmung finden sich in Tabelle 1. Die kristallographischen Lageparameter sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Die Struktur ist in diesem Modell stark ungeordnet. Damit ist gemeint, dass zur Beschreibung der Struktur eine Elementarzelle herangezogen wird, bei der mehrere Atome zusammen statistisch eine ähnliche Stelle in der Elementarzelle einnehmen. Pro Stelle ist aber jeweils nur eines dieser Atome wirklich vorhanden. Wenn sich z. B. Atom A und Atom B eine entsprechende Position teilen, bedeutet das dann, dass in einer Elementarzelle an dieser Stelle nur Atom A, in einer anderen nur Atom B vorhanden ist.

So sind in diesem Modell bei dem Leuchtstoff SrLiSi0 ₂ N:Eu ²⁺ Si und Li auf einer ähnlichen Stelle in der Elementarzelle fehlgeordnet, die gekennzeichnet ist durch zwei kristallographische Lagen. Auf einer Position findet sich nun entweder ein Li-Atom oder ein Si-Atom. Wenn an dieser Position ein Li-Atom vorhanden ist, dann ist es von fünf Anionen tetragonal pyramidal umgeben. Wenn an dieser Position ein Si-Atom vorhanden ist, dann sitzt es an einer von zwei möglichen Positionen, auf denen es tetraedrisch durch vier Anionen umgeben ist. Um diese unterschiedlichen Umgebungen realisieren zu können, sind auch eine der O-Lagen und die N-Lage statistisch unterbesetzt.

Ein erfindungsgemäßer Leuchtstoff hat eine sehr hohe Halbwertsbreite im Vergleich zu anderen Leuchtstoffen. Beispielsweise weist er eine höhere Halbwertsbreite als Granate auf, die als sehr breitbandig bekannt sind. Zudem lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Leuchtstoffes Farbkonzepte verwirklichen, die in der Regel nur durch eine Kombination mehrerer Leuchtstoffe erreichbar sind. Somit kann ein erfindungsgemäßer Leuchtstoff als Einzelkonverter ohne weiteren Leuchtstoff eingesetzt werden und eine hohe Farbwiedergabe bei gleichzeitig hoher Farbtemperatur erreicht werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden effiziente Leuchtstoffe zur Verfügung gestellt, mittels denen der orange Spektralbereich abgedeckt werden kann. Es kann somit im Vergleich zu früheren Lösungen, bei denen mehrere Leuchtstoffe kombiniert werden mussten, um den Spektralbereich abzudecken, Material eingespart werden und neue Anwendungen realisiert werden.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1 Beleuchtungsvorrichtung

2 Halbleiterschichtfolge 3 Konversionselement

4 Substrat