WO2012136849A1

WO2012136849A1 - Farbkonversionselement sowie lampe

Info

Publication number: WO2012136849A1
Application number: PCT/EP2012/056463
Authority: WO
Inventors: Franz Schrank; Stefan Tasch
Original assignee: Lumitech Produktion und Entwicklung GmbH
Current assignee: Lumitech Produktion und Entwicklung GmbH
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: DE102011001928A1; EP2705544A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Farbkonversionselement (20) für den Einsatz in einer LED-Lampe oder LED-Leuchte, umfassend ein Trägermaterial mit einer ersten Brechzahl, ein Farbkonversionsleuchtmittel und eine Vielzahl von Formkörpern (40),, wobei das Farbkonversionselement im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders oder Hohlpolyeders aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Lampe und eine Leuchte, die ein solches Farbkonversionselement aufweisen.

Description

Farbkonversionselement sowie Lampe

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Farbkonversionselement, eine Lampe sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Farbkonversionselements. Die Erfindung betrifft insbesondere ein zur Positionierung über einer LED anzubringendes Farbkonversionselement sowie eine Lampe mit einer Licht emittierenden Diode (LED).

Hintergrund der Erfindung

Ein inzwischen typisches Leuchtmittel ist die Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode), die hierin kurz als LED bezeichnet wird. Sie ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement, bei dem Licht emittiert wird, wenn Strom in die Durchlassrichtung des Halbleiters fließt. Die Wellenlänge des Lichtes hängt im Wesentlichen vom Halbleitermaterial und der gewählten Dotierung ab.

Für den Einsatz einer LED bestückten Lampe ist es regelmäßig wünschenswert, nicht nur ein einfarbiges, sondern vielmehr ein weißes Licht zu erhalten. Im Rahmen des vorliegenden Textes wird dabei unter„weißem Licht" eine Mischung aus Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge verstanden, wobei dabei Lichtanteile aus sowohl dem roten, dem grünen, und dem blauen Spektrum enthalten sind.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, mit LEDs weißes Licht zu erzeugen. Eine klassische Methode stellt die additive Mischung der drei erwähnten Grundfarben rot, grün und blau dar. Zur Erzeugung eines solchen Lichts werden mindestens drei LEDs benötigt. Gemäß einer anderen Methode wird eine LED eingesetzt, die ultraviolette Strahlung emittiert. Die ultraviolette Strahlung wird mit Hilfe von Phosphoren in die Farben blau, grün und rot in das sichtbare Spektrum überführt. Allerdings gelingt die vollständige Umwandlung der UV-Strahlung in sichtbares Licht nur mit relativ großen Verlusten, so dass ein solches Licht regelmäßig den Nachteil einer geringen Effizienz aufweist. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von weißem Licht wird mit Hilfe von im blauen Spektralbereich emittierenden LEDs gemacht. Die LEDs werden umgeben von Farbkon- versionsleuchtstoffen, die das blaue Licht anteilig in rotes und/oder grünes Licht überführen. Diese Überführung findet mit Stoffen statt, die durch blaues Licht angeregt werden, und in ihrem Abstrahlspektrum nicht-blaues sichtbares Licht umfassen. Farbkonversion in dem hierin gebrauchten Sinn darf daher nicht mit dem Effekt der Absorption verwechselt werden, bei der Lichtstrahlen bestimmter Wellenlänge lediglich herausgefiltert werden.

Die Farbkonversionsleuchtstoffe sind zumeist entweder direkt auf dem LED-Chip oder dem Gehäuse, welcher den Chip umgibt aufgebracht. So zeigt bspw. Fig. 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Chip, bei dem auf der Leiterplatte 12, bspw. über einen Leitkleber 16, die LED 17 aufgebracht ist, die elektrisch über die Pads 13 und 15 sowie dem Bonddraht 14 (jeweils nur auf der linken Seite beziffert) mit der Leiterplatte verbunden ist. Diese Anordnung befindet sich eingebettet in einer Vergussmasse 10 mit dispergierten Farbkonversionsleuchtstoffen. Die Farbkonversionsleuchtstoffe bewirken die teilweise Umwandlung des blauen Licht in rotes und grünes Licht.

Diese Anordnung ist auf Grund der hohen benötigten Lichtmengen, oftmals limitierend für die Effizienz und die Lebensdauer der LEDs, speziell durch Phosphordegradation. Die systembedingte Wärmeentwicklung der Farbkonversionsleuchtstoffe auf Grund der Verlustleistung und Energiedifferenz zwischen der absorbierten kurzwelligen Strahlung und der emittierten langwelligen Strahlung geschieht in einem kleinen Volumenbereich direkt über dem Chip. Bedingt durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit der verwendbaren Kunststoffe führt dies zu einem starken Temperaturanstieg in diesem Volumenbereich.

Daher werden in Beleuchtungsanwendungen häufig sogenannte„Remote Phosphor Konfigurationen" gewählt, bei welchen der Farbkonversionsleuchtstoff in einer gewissen Entfernung von der LED angebracht ist. Eine günstige Entfernung ist, wenn das Farbkonver- sionselement nicht mehr vom LED Chip selbst erwärmt wird und die Strahlungsdichte nicht mehr zu lokalen Überhitzungen im Remote-Element führt.

Im Wesentlichen sind dabei Systeme bekannt, bei welchen das Farbkonversionselement als Schicht ausgeformt ist, die auf einem transparenten Trägermaterial aufgebracht ist. Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung ist, dass die beleuchtete Phosphorfläche relativ groß sein muss, um thermische Effekte zu vermeiden. Dadurch sind für die Abbildung große optische System notwendig, die oftmals nicht in der gewünschten Lampenanwendung unterzubringen sind.

Neben den bekannten Schichtenlösungen gibt es auch dreidimensionale Farbkonversions- elemente, die in geeignetem Abstand über der LED angebracht werden. Diese Farbkon- versionssysteme sind als hohle Halbkugel ausgeformt, wodurch sich wiederum eine emittierende Oberfläche ergibt, die optisch nur schwer abzubilden ist. Zudem genügt die Größe der Oberfläche in dem Farbkonversionselement regelmäßig nicht, die erzeugte Wärme effizient an die Umgebung abzugeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Farbkonversionselement, eine Lampe, eine Leuchte sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Farbkonversionselements zur Verfügung zu stellen, die die dargestellten Probleme überwindet.

Diese Aufgabe wird gelöst von einem Farbkonversionselement für den Einsatz in einer LED-Lampe, umfassend ein Trägermaterial mit einer ersten Brechzahl und ein Farbkonversionsleuchtmittel, wobei das Farbkonversionselement im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders oder Hohlpolyeders aufweist.

Erfindungsgemäß wird damit die Licht erzeugende Einheit, die LED, nicht in ein Material, das Farbkonversionsleuchtmittel umfasst, eingebettet. Stattdessen wird ein Hohlzylinder bzw. Hohlpolyeder über ihr platziert. Gemäß Ausführungsformen gibt es dabei keinen Kontakt zwischen LED und Hohlzylinder bzw. -polyeder, oder aber lediglich einen geringen (wobei gering in diesem Zusammenhang als weniger von 10% der gesamten Innenfläche des Hohlzylinders bzw. -polyeders verstanden wird).

Dies hat verschiedene Vorteile. Zum Einen kommt damit die Herstellung ohne den zusätzlichen und teils aufwändigen Prozessschritt der Einbettung aus. Das Drüberstülpen des Hohlzylinders bzw. -polyeders ist hingegen ein vorwiegend mechanischer Prozessschritt, der vergleichbar einfach durchzuführen ist.

Darüber hinaus kann die Farbkonversion und die Streuung in einem Element und in einem gewissen Abstand zu der LED deutlich effektiver durchgeführt werden. Es wird eine verbesserte Lichtmischung erreicht. Der Anteil an Streumittel kann die Schichtdicken im Element sowie die Konzentration der Farbkonversionsleuchtstoffe reduzieren. Dies führt zu einer nicht unbedeutenden Reduktion der Kosten, im Wesentlichen erzielt durch die Einsparung der teils sehr teuren Farbkonversionsleuchtstoffe.

Ein Farbkonversionselement besteht typischer Weise aus einem Trägermaterial, das regelmäßig transparent ist. Typische Stoffe sind Acrylate, Polycarbonate, Silikone oder Epoxide. Des Weiteren umfasst das Farbkonversionselement einen Farbkonversions- leuchtstoff. Im Rahmen des vorliegenden Textes wird als „Farbkonversionsleuchtstoff" bzw.„Farbkonversionsleuchtmittel" einen Stoff bezeichnet, der das von der LED emittierte Licht (sog.„primäre Licht") ganz oder teilweise absorbiert und die zugeführte Energie als Licht einer anderen Wellenlänge emittiert.

Das Farbkonversionselement enthält mindestens ein Farbkonversionsmaterial. Typischer Weise enthält es eine Mischung aus mindestens zwei Farbkonversionsmaterialien. Zu den einsetzbaren Konversionsmaterialien gehören insbesondere Silikate (z.B. BOSE), Alumi- nate, Nitride und/oder Granatleuchtstoffe wie zum Beispiel Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), Terbium-Aluminium-Granat, und Lutetium- Aluminium- Granat (LuAG). Günstig sind Farbkonversionsmaterialien mit hoher Temperaturstabilität und hoher Effizienz auch bei hohen Temperaturen. Typischerweise tritt bei Farbkonversionsmaterialien eine reversible Abnahme der Effizienz mit steigender Temperatur auf.

Gemäß Ausführungsformen umfasst das Farbkonversionselement lichtstreuende Zusätze. Angesichts des vorhandenen Trägermaterials können die lichtstreuenden Zusätze dazu ausgelegt sein, das Licht zu brechen. Wie noch im Detail erklärt wird, sind aber auch Zusätze möglich, die in erster Linie auf den Effekt der Totalreflexion beruhen, wobei bei der Totalreflexion nur eine Streuung, aber keine Brechung der Lichtstrahlen erfolgt. Das Ein- bringen von lichtstreuenden Zusätzen erlaubt eine hohe Effizienz der Farbkonversion und eine gleichmäßige Ausleuchtung durch die LED.

Gemäß Ausführungsformen umfassen die lichtstreuenden Elemente ein oder mehrere der folgenden Materialien: Silica, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat, Magnesiumhydroxid, Zinkoxid, Bariumtitanat, und/oder Aluminiumoxid. Bevorzugt sind sphärische Silica mit einer mittleren Korngröße von mindestens 0,5 μιη.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine LED-Lampe zur Verfügung gestellt, die einen LED-Chip sowie ein hierin beschriebenes Farbkonversions- element aufweist, wobei das Farbkonversionselement über dem LED-Chip angeordnet ist.

Eine LED-Lampe, wie sie hierin benutzt wird, ist z.B. ein zum Austausch eingerichtetes Leuchtmittel, das in die Fassung oder an der Halterung einer Leuchte eingebracht werden kann. Dies erfolgt, zum Beispiel, durch einfaches Stecken, durch kombiniertes Stecken und Drehen, oder durch Drehen. Der Ausdruck„Leuchte", wie er hierin benutzt wird, beinhaltet die Fassung bzw. Halterung für die Lampe oder das Leuchtmittel. Unter Halterung bzw. Fassung wird verstanden, dass das LED Leuchtmittel oder die Lampe darin oder daran befestigt werden kann und sich dabei typischer Weise eine starke thermische Kopplung bilden kann. Eine Leuchte weist zum Anschluss an das elektrische Netz regelmäßig Kabel oder Anschlusskontakte auf. Die Leuchte enthält zudem regelmäßig eine angebrachte Elektronik, zum Beispiel zur Steuerung der Leuchte oder zur Umwandlung der Netzspannung in die benötigte Spannung.

Die LED-Lampe enthält typischer Weise einen zur Entgegennahme in der Fassung einer Leuchte vorgesehenen Sockelteil, den zur Lichterzeugung benötigten Halbleiter, sowie möglicher Weise weitere Elemente wie eine um den Halbleiter angebrachte Verspiegelung, den sog. Reflektor, und/oder mindestens ein Schutzglas.

Ein LED-Chip wird hierin verstanden als ein Halbleiterchip, der dazu ausgerichtet ist, als Licht emittierende Diode zu fungieren. Gemäß zahlreichen Ausführungsformen ist ein im blauen Spektralbereich emittierende LED-Chip vorgesehen („blauer LED-Chip"). Es ist aber auch möglich, dass das Farbkonversionselement sowohl einen blauen, und einen ro- ten LED-Chip, oder sowohl einen blauen, als auch einen roten sowie grünen LED-Chip umgibt. Gemäß anderen Ausführungsformen handelt es sich bei dem LED-Chip um einen im ultravioletten Bereich emittierenden Chip.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wird ein Farbkonversionsele- ment, typischer Weise ein Farbkonversionsformkörper, in einem vorgegebenen Abstand zur LED angebracht. Der seitliche Abstand zu der einen oder den mehreren LEDs liegt typischer Weise zwischen 0,5 und 5 mm, insbesondere zwischen 1 und 3 mm. Die Form des Körpers ist im Wesentlichen ein Hohlzylinder oder ein Hohlpolyeder, insbesondere ein Hohlwürfel. Typische Abmessungen des Farbkonversion selements sind, zum Beispiel im Fall des Hohlzylinders, eine Höhe, die dem halben bis doppelten Durchmessers (im Fall einer runden LED) bzw. der halben bis doppelten Seitenlänge (im Fall einer eckigen LED) der abstrahlenden LED's entspricht. Die Anordnung mehrerer LEDs kann bei einer größeren Anzahl von LEDs auch eher rund ausgestaltet sein.

Dadurch ergibt sich auf der Oberfläche des Hohlzylinders eine nicht zu große ebene, weiße Abstrahlfläche, bzw. ergibt sich eine seitliche Abstrahlung, die entsprechend günstig für die Abbildung mittels Reflektoren ist. Durch die dreidimensionale Ausformung des Hohlzylinders ergibt sich des Weiteren eine entsprechend große Oberfläche, die zur Kühlung des Farbkonversionselements und damit des Farbkonversionsmaterial beiträgt.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden als lichtstreuende Elemente Formkörper, insbesondere Formkugeln verwendet. Die Formkörper, insbesondere Formkugeln, sind typischer Weise aus einem transparenten, bevorzugter Weise anorganischem Material, und können beispielsweise aus undotiertem Yttrium-Aluminium-Granat, Glas oder amorphem Siliziumdioxid (Silica) bestehen. Bevorzugt sind sphärische Silica mit Korngrößen von mindestens 0,5 μιη.

Es ist typisch, dass der Farbkonversionsleuchtstoff und/oder die lichtstreuenden Zusätze im Trägermaterial des Farbkonversionselements verteilt sind, wobei die Verteilung bevorzugter Weise homogen ausgestaltet ist. Das Farbkonversionselement ist typischer Weise über dem LED-Chip angeordnet. Gemäß Ausführungsformen, umfasst die teils durch das Farbkonversionselement durchgehende sowie die teils im Farbkonversionselement umge- wandelte Strahlung Anteile aus dem roten (hierin verstanden als zwischen 580 and 800 nm), dem grünen (hierin verstanden als zwischen 500 und 580 nm), und dem blauen Spektralbereich (hierin verstanden als zwischen 400 und 500 nm).

Der Einsatz von Formkörpern führt zu verlustarmen Streuelementen, die das von der LED emittierte Licht innerhalb des Farbkonversionselementes streuen und reflektieren. Dadurch kann die durchschnittliche optische Weglänge von Lichtstrahlen innerhalb des Farbkonversionselements vergrößert werden. Das führt wiederum dazu, dass die Dichte von Farbkonversionsleuchtstoffen in dem Trägermaterial in entsprechendem Maß reduziert werden kann, wobei die abgestrahlten Lichtstrahlen dennoch die gewünschte Teilumwandlung erfahren haben. Zum Beispiel könnte bei einer durchschnittlichen Erhöhung der optischen Weglänge um ca. 10% gegenüber dem identischen Farbkonversionselement ohne den Einsatz von Formkörpern die Menge an Farbkonversionsleuchtstoffen um ca. 10% reduziert werden. Da die Farbkonversionsleuchtstoffe ein wesentlicher Kostentreiber bei der Erzeugung des gewünschten, meist weißen Lichtes sind, können daher die Materialkosten bei der Herstellung von Farbkonversionselementen wesentlich reduziert werden.

Durch die Wahl von anorganischen Materialien für die Formkörper können gleichzeitig der Wärmeausdehnungskoeffizient reduziert und die Wärmeleitfähigkeit in dem Farbkonversionselement erhöht werden. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit wird durch das Einbringen anorganischer Formkörper erreicht, die typischer Weise zudem transparent sind. Durch diese Beimischung gelingt es, die Temperatur innerhalb des Farbkonversionselementes konstanter zu halten. Der Wärmetransport an die Oberfläche ist zudem verbessert, lokale Hotspots werden wirksam vermieden. Auf diese Weise wird auch der Wärmeausdehnungskoeffizient des Formteiles abgesenkt, was wiederum mechanische Spannungen bei Temperaturschwankungen vermindern kann.

Die Formkörper sind typischer Weise derart gewählt, dass die Brechzahl des Formkörpermaterials von der Brechzahl des sie umgebenden Materials des Farbkonversionselements verschieden ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Brechzahl des Formkörpermaterials geringer ist als die Brechzahl des sie umgebenden Materials des Trägermaterials. Zum Beispiel ist die Brechzahl des in den Formkörpern verwendeten Materials kleiner als 1,5, während das Trägermaterial des Farbkonversionselements eine Brechzahl von 1,5 oder mehr aufweist.

Dadurch kann die Anordnung von dem Effekt der Totalreflexion profitieren. Der Effekt der Totalreflexion tritt an der Grenzfläche zweier transparenter Medien auf, wenn Licht aus einem optisch dichteren Medium mit einer Brechzahl nl kommt, und auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium mit der Brechzahl n2 fällt. Ab einem gewissen, über das Snelliussche Brechungsgesetz ermittelbaren Grenzwinkel wird das Licht an der Grenzfläche nicht gebrochen, sondern vollständig reflektiert. Bei der Totalreflexion bleiben die Energie, die Amplitude und die Wellenlänge des Lichtstrahls unverändert.

Die Größe der Formkörper liegt typischer Weise zwischen 0,5 und 50 μιη, bevorzugt zwischen 2 und 20 μηι, wobei sich diese Maße im Fall nicht kugelförmiger eckiger Formkörper auf die längsten Seitenabmessungen, im Fall elliptischer Formkörper auf die große Achse beziehen, und im Fall von kugelförmigen Formkörpern auf den Durchmesser. Gemäß Ausführungsformen ist der volumenmäßig Anteil von Formkörpern innerhalb des Farbkonversionselements bis zu 35%, typischer Weise bis zu 20%, mindestens jedoch 5%. Dadurch können die dargestellten Vorteile in vollem Maße ausgenutzt werden.

Gemäß einer typischen Ausführungsform ist das LED Leuchtmittel eine blaues Licht emittierende Leuchtdiode. Die Kombination zumindest einer blauen LED mit den beschriebenen Farbkonversionselementen erlaubt eine hohe Farbortgenauigkeit ohne Bin- ning, hervorragende Farbwiedergabewerte sowie ein hohes Maß an Gestaltungsraum des gewünschten Abstrahlspektrum.

In den hierin beschriebenen Ausführungsformen können auch verschiedenfarbige LEDs angeordnet werden, welche bspw. im und unter dem Farbkonversionselement zu z. B. weißem Licht vermischt werden können. Zum Beispiel erlaubt grundsätzlich insbesondere der Einsatz der Formkugeln als lichtstreuende Zusätze eine vorteilhafte Anwendung der Mischung von blauen LEDs mit roten LEDs. Der durch den Einsatz der Formkörper benötigte geringe Anteil an Farbkonversionsleuchtstoffen führt für den roten Wellenlängenbereich auch zu einer verminderten Absorption, was den Gesamtwirkungsgrad der Leuchte verbessert. Um die Wärmeableitung des Farbkonversionselements weiter zu erhöhen und damit die Betriebstemperatur weiter zu reduzieren, kann seine Oberfläche strukturiert werden, wie zum Beispiel im einfachsten Fall durch Aufrauen. Das Farbkonversionselement kann eine strukturierte Oberfläche, insbesondere mit Mikroprismen oder mit einer Aufrauhung, aufweist. Unter einer strukturierten Oberfläche wird in den vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungen insbesondere verstanden, dass die Oberfläche des Farbkonversionselemen- tes mit Ausnehmungen und/oder Herausragungen versehen ist, die typischer Weise Abmessungen im mikroskopischen Bereich aufweisen (d.h. kleiner als 5 μιη), wobei sie zusätzlich oder alternativ auch nicht-mikroskopische (d.h. größer als 5 μιη) Abmessungen im Bereich kleiner als 1/10 - 1/5 mm aufweisen können. Die Strukturen können regelmäßig oder unregelmäßig sein.

Die Oberfläche kann z. B. durch den Einsatz von auf der Oberfläche angebrachten Mikroprismen um ein Mehrfaches erhöht werden. Somit kann ein wesentlich verbesserter Transport der Wärme an die Umgebungsluft sichergestellt werden, wodurch die Betriebstemperatur des Farbkonversionselementes zusätzlich abgesenkt werden kann.

Insbesondere in den Ausführungsformen, in denen das Farbkonversionselement lichtstreuende Zusätze enthält, führt eine Strukturierung der Oberfläche zu keiner Beeinträchtigung der Abstrahlcharakteristik.

Die hierin dargestellten Ausführungsformen einer Lampe eignen sich speziell dazu, mit einem Reflektor kombiniert zu werden, um so eine homogen weiß ausgeleuchteten Ab- strahlung zu erzeugen. Alternativ kann dies auch mit Linsen realisiert werden.

Durch eine optionale Verspiegelung des oberen Teils des Farbkonversionselements, wie zum Beispiel der oberen weitgehend ebenen Fläche des Hohlzylinders kann ein Abstrah- lung im Pol des Reflektors erreicht werden, wodurch die Farbhomogenität über den Raumwinkel der Abstrahlung weiter verbessert werden kann.

Das Farbkonversionselement weist auf Grund der Farbkonversionsleuchtstoffe regelmäßig eine nicht weiße, typischer Weise eine gelbliche Körperfarbe auf. Gemäß Ausführungs- formen kann auf das Farbkonversionselement eine Beschichtung aufgebracht werden, zum Beispiel in weiß. Die weiße Erscheinung des Farbkonversionselements wird von den Verbrauchern regelmäßig bevorzugt. Die Beschichtung kann derart ausgelegt sein, dass die Effizienz des Farbkonversionselements nahezu unbeeinträchtigt bleibt, d.h., dass die weiße Schicht nur geringe Absorption (d.h. <10%) des durch sie durchtretenden Lichtes vornimmt. Typische Schichtdicken liegen im Bereich von unter 500 μιη, besonders bevorzugt unter 100 μιη.

Gemäß Untersuchungen der Erfinder ist der Wirkungsgrad (verstanden als emittierte Lichtleistung im sichtbaren Spektrum im Verhältnis zur eingesetzten Strahlungsleistung der blauen LED, insbesondere ohne Korrektur des Stoke Shifts) der beschriebenen Ausführungsformen, ohne zusätzliche weiße Beschichtung, im Vergleich zu Lösungen nach dem Stand der Technik um 5% bis 10% gesteigert.

Durch den Einsatz des beschriebenen Farbkonversionselements ist zudem die zur Wärmeabgabe genutzte Oberfläche im Vergleich zum Materialvolumen des Farbkonversionselements in einem günstigen Verhältnis. Die im Stand der Technik bekannten kugelförmigen Farbkonversionselemente mögen zwar Vorteile in der leichteren Herstellung haben, allerdings haben sie ein zur Wärmeabgabe ungünstigeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Die reduzierte Wärmeerzeugung und bessere Wärmeabgabe reduziert die Betriebstemperatur im Vergleich zu einer Ausführung entsprechend dem Stand der Technik, und kann daher zu einer erhöhten Lebensdauer führen.

Wie bereits angesprochen gelingt es darüber hinaus durch das Einbringen von Formkörpern kleinerer Brechzahl als die des umgebenden Farbkonversionselementmaterials die durchschnittliche optische Wegstrecke von Lichtstrahlen im Farbkonversionselement gegenüber den Ausführungsformen ohne derartige Formkörper zu erhöhen. Damit hat das Licht mehr Gelegenheit, auf Farbkonversionsleuchtstoffe zu treffen. Sollten zudem weitere Elemente zum Brechen von Licht in dem Farbkonversionselement eingebracht sein, hat das Licht zudem mehr Gelegenheit, auf die Elemente zum Streuen zu treffen. Insgesamt erhöht sich somit der Wirkungsgrad des Farbkonversionselements, da pro einfallendem Licht bspw. blauer Wellenlänge mehr ausfallendes Licht auch im anderen Spektralbereich erzeugt werden kann. Andererseits kann die erhöhte optische Wegstrecke bereits bei der Herstellung berücksichtigt werden und die Dichte von Farbkonversionsleuchtstoffen im Farbkonversionselement reduziert werden.

Des Weiteren kann die beschriebene Anordnung auch in einer Retrofit LED Lampe eingesetzt werden. Eine Retrofit LED Lampe, wie sie hierin verstanden wird, weist eine Form identisch zu oder ähnlich einem Glaskolben einer Glühbirne auf, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und in den Haushalten über Jahrzehnte hinweg eingesetzt wurde. Insbesondere die Ausführung mit einer zusätzlichen weißen Beschichtung kann günstig zur Herstellung derartiger Lampen verwendet werden, weil die gewohnte weiße Erscheinung von Verbrauchern bevorzugt wird. Dabei wird die ansonsten oft gewählte Lösung eines Diffusors in der Form des Lampenkolben über dem Farbkonversionselement sowohl im Hinblick auf die Komplexität als auch im Hinblick auf die Effizienz verbessert.

Kurze Darstellung der Figuren

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten LED-Chip.

Figuren 2-8 sind schematische Längsschnitte durch Farbkonversionselemente gemäß Ausführung sformen der vorliegenden Erfindung.

Figuren 9 und 10 sind schematische Längsschnitte durch LED-Lampen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen

In den folgenden beispielhaften Figuren bezeichnet die gleiche Referenznummer die gleiche Einrichtung. Figur 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Farbkon- versionselementes, bei dem das Farbkonversionselement 20 die Form eines Hohlzylinders aufweist, der mit einer seitlichen Bewandung 21 und einem oberen Teil 22 ausgestaltet ist. Das Farbkonversionselement besteht typischer Weise aus einem transparentem Trägermaterial sowie eingebrachten Farbkonversionsleuchtstoff. Der Farbkonversionsleuchtstoff ist normaler Weise homogen im Trägermaterial verteilt, und wurde in den Figuren nicht gesondert beziffert.

Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Farbkonversionselementes, bei dem das Farbkonversionselement 20 eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Im Vergleich zum mathematisch definierten Zylinder kann es dabei Abweichungen insbesondere an den Zylinderecken 35, insbesondere auf der Außenseite, geben, die bspw. produktionsgemäß abgerundet ausgebildet werden.

Ein hierin beschriebener Hohlzylinder oder Hohlpolyeder hat jedoch regelmäßig einen flachen oberen Bereich 38, der eine direkte Ab Strahlung in den zu beleuchtenden Raum erlaubt. Typischer Weise ist der flache obere Bereich mittig in der Lampe angeordnet, sofern ein Reflektor vorhanden ist, auch meist mittig innerhalb des Reflektors.

Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen kann das Farbkonversionselement zumindest teilweise verspiegelt sein. Eine solche Verspiegelung kann insbesondere im flachen oberen Bereich vorgesehen sein. Die Verspiegelung verbessert die Farbhomogenität über den Raumwinkel der Abstrahlung.

Die hohlzylinderähnliche Form weist Seitenwände 21 auf, die typischer Weise eine maximale Abweichung von 20° im Vergleich zum reinen Kreiszylinder aufweisen. Hohlzylinderähnliche Formen weisen eine typischer Weise runde Grundfläche mit einem Radius r auf. Das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen der zylinderähnlichen Form ist gemäß einem Aspekt der Erfindung stets größer als 3/2r, besonders bevorzugt 5/3r. Gemäß Ausführung sformen ist das Verhältnis von Innendurchmesser des Hohlzylinders zur Höhe des Hohlzylinders in etwa 1: 1. Neben der zylindrischen Form kann das Farbkonversionselement auch in einer polyedri- schen Form, insbesondere einer Würfelform vorliegen. Die hierin gezeigten Längsschnitte gelten insofern entsprechend für die Längsschnitte eines Polyeders bzw. einer polyederähnlichen Form. Unter dem Begriff„im Wesentlichen Polyeder-förmig" sollen insbesondere Abweichungen an den Polyederecken im Vergleich zum mathematisch definierten Polyeder eingeschlossen werden (s. beispielsweise Fig. 3).

Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Farbkonversionselementes, bei dem das Farbkonversionselement 20 mit Formkörpern 40 versehen ist. Typischer Weise handelt es sich bei den Formkörpern um Formkugeln mit einer geringeren Brechzahl als die Brechzahl des Trägermaterials 45.

Figur 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Farbkonversionselementes, bei dem die Außenseite des Farbkonversionselements 20 mit nach außen gerichteten Strukturierungen 30 (zum Beispiel Mikroprismen) versehen ist. Die Strukturierungen können, ganz allgemein und nicht nur in dieser Ausführungsform, im Längsschnitt die Form von Mehrecken, insbesondere Dreiecken aufweisen. In dreidimensionaler Ansicht können die Strukturierungen insbesondere pyramidenförmig sein.

Figur 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Farbkonversionselementes, bei dem das Farbkonversionselement 20 sowohl mit Formkörpern 40 versehen ist, als auch eine strukturierte Oberfläche 30 aufweist.

Figur 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Farbkonversionselementes, bei dem das Farbkonversionselement 20 im Wesentlichen die bereits in Fig. 3 schematisierte Form des Hohlzylinders bzw. Hohlpolyeders aufweist, und zudem mit Formkörpern 40 versehen ist. Gemäß nicht gezeigten Ausführungsformen weist die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform eine strukturierte Oberfläche auf. Erkennbar ist zudem wiederum der flache obere Bereich 38.

Figur 8 illustriert anhand des gezeigten Beispiels des Hohlzylinders bzw. -polyeders die in allen Ausführungsformen bestehende Möglichkeit, die Außenoberfläche des Farbkonversionselements mit einer Beschichtung 90 zu versehen. Die Beschichtung kann zum Bei- spiel weiß sein und damit von den Verbrauchern als schöner empfunden werden als bspw. eine gelbe Farbe auf Grund der eingebrachten Farbkonversionsleuchtstoffe. Insbesondere auch die Ausführungsformen, die eine Strukturierung aufweisen, können mit einer Be- schichtung versehen sein.

Figur 9 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine beispielhafte LED-Lampe 100. Das Farbkonversionselement 20, das einem hierin besprochenen Farbkonversionselement entsprechen kann, ist über dem LED-Chip 75 angebracht. Des Weiteren ist die optionale Einbettung des LED-Chips 75 in eine nahezu sphärische Vergussmasse 72 gezeigt, die im Wesentlichen dem Schutz des Halbleiters und dessen Anschlussdrähte dient. Der schematisch dargestellte Reflektor 70 umgibt das Farbkonversionselement 20, und dient dazu, dass seitlich abgestrahltes Licht nach oben (in der gezeigten Darstellung) abgelenkt wird. Der Reflektor ist regelmäßig höher als das Farbkonversionselement. Gemäß besonderen Ausführungsformen entspricht die maximale Höhe des Farbkonversionselements in etwa der Höhe des Reflektors. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Höhe des Farb- konversionslementes weniger als 50% der Höhe des Reflektors.

Die äußeren Abmessungen des Farbkonversionselements werden mit von der Form des Reflektors mitbestimmt. Die Wandstärke des Farbkonversionselements ist eine Funktion des verwendeten Farbkonversionsleuchstoffes, dem Gehalt des Leuchstoffes, der Art der lichtstreuenden Zusätze, der Menge der lichtstreuenden Zusätze, und dem gewünschten Konversionsgrades (d.h. welche Anteile der primären Strahlung re-emittiert werden sollen). Typische Wanddicken liegen zwischen 1,0 und 3,0 mm.

Eine typische Zusammensetzung des Farbkonversionselements lautet wie folgt: ca. 73% Kunststoff, ca. 25% sphärische Silica mit mittlerer Korngröße 8 μιη, ca. 2% Farbkonver- sionsleuchtstoff mit Farbkoordinaten (CIE 1931) x = 0,43 und y = 0,55 (alle Angaben als Gew.%).

Die durch die Figur 10 illustrierten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich von den in Figur 9 illustrierten Ausführungsformen darin, dass das Farbkonversionselement mit Formkörpern, vorliegend Formkugeln, versehen ist. Gemäß Ausführungsformen der hierin beschriebenen LED-Lampe umfasst das abgestrahlte Spektrum keine (d.h. unter 0,2%) ultraviolette Strahlung. Auch der im infraroten Spektralbereich abgestrahlte Anteil ist sehr gering, typischer Weise unter 0,5% bezogen auf die gesamte emittierte Energie.

Claims

Ansprüche

1. Farbkonversionselement (20) für den Einsatz in einer LED-Lampe oder LED-Leuchte, umfassend ein Trägermaterial mit einer ersten Brechzahl, ein Farbkonversionsleucht- mittel und eine Vielzahl von Formkörpern (40), wobei das Farbkonversionselement im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders oder Hohlpolyeders aufweist.

2. Farbkonversionselement (20) nach Anspruch 1, wobei das Farbkonversionsleuchtmit- tel in dem Trägermaterial homogen verteilt ist.

3. Farbkonversionselement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Formkörpern (40) insbesondere Formkugeln sind und der volumenmäßige Anteil der Formkörper im Trägermaterial bevorzugter Weise zwischen 10 % und 30 % liegt.

4. Farbkonversionselement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formkörpermaterial eine zweite Brechzahl aufweist, und die zweite Brechzahl geringer ist als die erste Brechzahl des Trägermaterials (45).

5. Farbkonversionselement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formkörpermaterial aus folgender Gruppe gewählt ist oder eine Kombination aus folgender Gruppe darstellt: Silica, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat, Magnesiumhydroxid, Zinkoxid, Bariumtitanat, Aluminiumoxid, undotierter YAG oder Glas.

6. Farbkonversionselement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbkonversionselement eine Oberfläche mit unregelmäßigen oder regelmäßigen Strukturen (30), insbesondere Mikroprismen, aufweist.

7. Farbkonversionselement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbkonversionselement eine Beschichtung (90) aufweist.

8. Farbkonversionselement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbkonversionselement insbesondere auf der oberen, im Wesentlichen ebenen Fläche eine Verspiegelung aufweist.

9. Licht emittierende Lampe (100), umfassend wenigstens einen LED-Chip (75) sowie ein Farbkonversionselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbkonversionselement über dem LED-Chip angeordnet ist.

10. Licht emittierende Lampe (100) nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend einen Reflektor (70), wobei der Reflektor bevorzugt mindestens so hoch ist wie das Farbkonversionselement.

11. Licht emittierende Lampe (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei mindestens ein blau emittierender LED Chip zur teilweisen Anregung des Farbkonversionsleuchtmittels und mindestens ein rot emittierender LED Chip zur Erzeugung des erwünschten Summenspektrums vorgesehen sind.

12. Leuchte umfassend eine Lampe gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11.

13. Verfahren zur Herstellung eines Farbkonversionselementes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Farbkonversionselement mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens hergestellt wird.