Die Erfindung betrifft einen LED-gestützten Leuchtkörper, das unter Verwendung von blauem oder violettem Licht oder ultravioletter Strahlung von Halbleiterlumineszenzdioden und einer nicht mit dem Halbleiterbauelement direkt verbundenen Luminophorschicht (Leuchtstoff) beispielsweise auf oder in einer Glas- oder Plastikkappe besteht und für das Auge wahrnehmbares weisses Licht gewünschter Farbtemperatur aussendet. Das Leuchtelement besteht aus nackten gebondeten Chips mit pn-Übergang, kann aber auch aus herkömmlichen kommerziellen Halbleiterlumineszenzdioden und aus verkappten Chips mit pn-Übergang (sogenannten SMD-LED) zusammengesetzt sein, über die in hybrider Form eine Schutzkappe mit lumineszenzfähigem Leuchtstoff gesetzt wird, wobei die Ausführung dieser Schutzkappe, die auch die Form und Wirkung einer Linse haben kann, weitgehend die Abstrahlcharakteristik des Leuchtelementes bestimmt. Das Leuchtelement hat gegenüber herkömmlichen weißen Lichtemitterdioden den Vorteil, daß unterschiedliche Prinzipien der Erzeugung weißen Lichtes genutzt werden können, wie z. B. die additive Farbmischung der Injektions- und Photolumineszenz für die Wahrnehmung weissen Lichtes oder die totale Absorption der Injektionslumineszenz durch die Luminophorzentren, wobei die so erzeugte Photolumineszenz entsprechend der Luminophorzusammensetzung allein weisses oder andersfarbiges Licht gewünschter Farbtemperatur abstrahlt. Eine Unterstützung ungerichteter Abstrahlung kann durch Streuzentren, die neben den Luminophorzentren in den Umhüllungskörper eingebettet sind, erreicht werden.

Halbleiterlichtemitterdioden werden heute für nahezu alle gewünschten Emissionsfarben gefertigt. Seit einigen Jahren werden auch weißes Licht emittierende Halbleiterdioden von unterschiedlichen Produzenten hergestellt. Derartige Lichtemitterdioden weisen im Normalfalle einen pn-Übergang in einem Ga(In)N-Chip auf, der bei genügend großem Flussstrom blaues Licht mit hoher Effizienz aussendet /1/. Die blaue Emissionsbande hat eine kleine Halbwertsbreite von etwa 20 nm und verschiebt sich mit zunehmender Flussstromdichte geringfügig zu kürzeren Wellenlängen. Das vom Auge wahrzunehmende weisse Licht entsteht nun durch additive Farbmischung derart, daß der Luminophor, der als Konversionsleuchtstoff wirkt und sich normalerweise in einem Epoxidharz auf dem pn-Übergang befindet, einen Anteil der blauen Injektionslumineszenz absorbiert und ihn mit einer eindeutig unter 100 % liegenden Effizienz im langwelligeren Spektralbereich wieder reemittiert. Die Struktur und Breite der Photolumineszenzbande hängt von den Eigenschaften des Luminophors ab (siehe 1). Der Leuchtstoff kann entweder aus anorganischen Phosphoren wie beispielsweise aus einer Y₃A₁₅O₁₂Ce₃⁺-Verbindung, kurz als YAG:Ce bezeichnet, und aus einer Sr₂SiO₄:Eu-Zusammensetzung oder auch aus organischen Farbstoffen wie Lumogen F083 oder anderen Farbstoffen bestehen /2/. Diese Art der weissen LED ist in den Erfindungen /P1-P3/ DE 19625622 A1, DE 19638677 A1 und 10057599 A1 beschrieben worden. Sie betreffen jedoch nur mit dotiertem Epoxidharz abgedeckte GaInN-pn-Übergänge. Die Form der Photolumineszenzbande, deren Maximum normalerweise im Gelben liegt, und die Anteile der Intensität der Injektionslumineszenz im Blauen bestimmen die korrelierte Farbtemperatur und den Farbwiedergabeindex der weissen Lichtemitterdiode, die zwischen etwa 3.000 K (warm-weiss) und fast 20.000 K (kalt-weiss) liegen kann. Typische Spektren handelsüblicher warm-weisser (1 blaue Bande der Injektionslumineszenz; 2 gelbe Bande der Photolumineszenz) und kalt-weisser (3 blaue Bande der Injektionslumines; 4 gelbe Bande der Photolumineszenz) LED sind in der 1 enthalten, die durch korrelierte Farbtemperaturen von etwa 2.567 K (1a) bzw. 6.797 K (1b) charakterisiert werden. Der Farbwiedergabeindex derartiger weisser LED kann bisher inaximale Werte von 80 erreichen. Die in großen Stückzahlen von unterschiedlichen Herstellern entwickelten und gefertigten hybriden weissen Lichtemitterdioden weisen, wie es auch die Kurven 1,2 und 3,4 der 1 zum Ausdruck bringen, eine sehr große Streuung in der korrelierten Farbtemperatur auf, die durch die unterschiedlich dicke, luminophorhaltige Epoxidharzschicht sowie durch die Art des Leuchtstoffs auf dem pn-Übergang und die schwer zu dosierende Konzentration des Luminophors im Epoxidharz verursacht wird.

Außerdem altern infolge der mechanischen Spannungen zwischen luminophorhaltigem Epoxidharz und dem GaInN-Chip sowie den kleinen Kontakten die weissen LED wesentlich schneller als andere farbige LED auf Ga(In)N-Basis. Es verändern sich sowohl in blauen als auch in weissen LED die Transmission der Plastikverkappung, die wahrscheinlich durch den kurzwelligen, an der Grenze zum UV liegenden Anteil der Injektionslumineszenz getrübt wird, als auch die Kontaktwiderstände, was ebenfalls mit der notwendigen kurzwelligen Strahlung und auch mit der Plastikkarbonisierung zusammenhängen dürfte (s. /3/). Es besteht daher die Notwendigkeit, den optisch aktiven Strahler ohne jegliche Epoxidschichtverkappung zu verwenden. Das bedeutet, dass ein direkter mechanischer Kontakt zwischen dem Chip und dem Träger des Konversionsleuchtstoffes vermieden werden muß. Gelingt das, dann ist auch eine geringere Abhängigkeit der Farbkoordinaten vom Flußstrom durch den LED-Chip und in Abhängigkeit von der Entfernung zu erwarten, die bei herkömmlichen weißen LED sehr groß ist, da die Strahlausbreitung der Injektionslumineszenz gerichteter als die der Photolumineszenz ist, was im Nahbereich die gewünschte Farbtemperatur, im Fernbereich aber weit höhere, durch die blaue Injektionslumineszenz bestimmte Farbtemperatur ergibt. Dies erschwert den Einsatz herkömmlicher weisser LED in Lampen, Signalgebern und in Displays sehr. Will man solche LED mit unterschiedlicher Farbtemperatur in einem größeren Ensemble in Form von Anzeigen, Leuchten oder Bildschirmen nutzen, muß ein hoher technischer Aufwand geleistet werden, um LED gleicher Farbtemperatur zu selektieren, da das menschliche Auge ein sehr empfindlicher Sensor bei direkten Farbvergleichen ist und kleinste Farbunterschiede sofort erkennen kann. Dieser Aufwand erfordert sowohl gute Meßmethoden und teure Automaten als auch ein geschultes Personal, was die Kosten in die Höhe treibt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Abstrahlung der LED-Leuchtstofflampen im Normalfalle in alle Richtungen gleichmäßig, so daß sie erstmals zur Allgemeinbeleuchtung ohne optische Hilfsmittel eingesetzt werden können

Daher ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Leuchtkörper vorzustellen, der diese Nachteile nicht aufweist. Dazu wird erfindungsgemäß von den Erfahrungen der Leuchtstofflampenfertigung ausgegangen.

Die Erfindung des LED-Leuchtkörpers kann dadurch charakterisiert werden, daß kurzwelliges blaues oder violettes Licht oder auch UV-Strahlung von Halbleiterlumineszenzdioden derart verwendet werden, daß sie einen darüber angebrachten, mit einem Leuchtstoff beschichteten Träger bzw. Umhüllungskörper oder durch im Umhüllungskörper eingebettete Leuchtstoffe und gegebenenfalls auch Streuzentren, der das Leuchtelement hermetisch nach abschließt oder auch noch mit einem linsenförmigen Epoxidharz vergossen werden kann, zur Photolumineszenz anregen. Vorteilhafterweise kann die Deckplatte oder das einhüllende Gehäuse vorgefertigt werden, in dem man beispielsweise physikalische Technologien wie eine Sputterbeschichtung, eine thermische Verdampfung, Spin-Coating-Verfahren oder auch Tauchverfahren für eine reproduzierbare Schichtherstellung nutzt bzw. bei der Herstellung von Kunststoffe die Leuchtstoffe und Streuzentren einmischt. Bei Verwendung zuverlässiger physikalischer Technologien ist es folglich einfacher als bei herkömmlichen Verfahren, Schichten mit reproduzierter Schichtdicke und angestrebter Zusammensetzung herzustellen. Außerdem sind auch eventuell notwendige Temperungen der Schichten bei relativ hohen Temperaturen möglich, da die optische Deckkappe oder das umhüllende Gehäuse während der Montage aufgesetzt bzw. über geschoben werden und somit in spezifischen Technologieschritten unabhängig von der optisch aktiven Halbleiterlumineszenzdiode behandelt werden kann. Auch die in der Halbleitertechnologie übliche impulsmäßige Kurzzeitausheilung RTA (Rapid Thermal Annealing) kann eingesetzt werden, was auch die Verwendung von Plastik- und insbesondere von Polymermaterialien ermöglicht. Das ist für eine effiziente Herstellung von LED-Leuchtelementen ein technisch und technologisch sowie auch kostenmäßig bedeutsamer Vorteil. Außerdemn können in diese Struktur auch künftige UV-Lumineszenzdiodenchips auf der Basis von AlGaN bzw. AlN, die Injektionslumineszenzbanden bis zu 285 nm besitzen /4/ und folglich eine effizientere Anregung des Leuchtstoffes als bei blauem Licht ermöglichen. Um den Chip nicht der unterschiedlichen Umgebungsfeuchtigkeit auszusetzen und damit die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit negativ zu beeinflussen (Zunahme der parasitären Oberflächenströme) und um die Verschlechterung der Kontaktwiderstände zu verhindern, wird die Montage in einer inerten und trockenen Gasatmosphäre ausgeführt und die LED-Lampe hermetisch verschlossen.

Seit vielen Jahren ist bekannt, daß in Leuchtstofflampen Luminophorschichten verwendet werden, die durch UV-Photonen, erzeugt durch eine Gasentladung, zur Photolumineszenz angeregt werden. Die vom Luminophor ausgesandte Photolumineszenz besteht aus Banden, die von sehr starken und im Luminophor nicht vollständig absorbierten Linien der Gasentladung durchsetzt werden. Sie ergeben durch additive Farbmischung weisses Licht, dessen korrelierte Farbtemperatur gewöhnlich zwischen 2.400 und 6.000 K entsprechend DIN 5035 liegen kann. Außerdem weisen sie meist einen relativ niedrigen Farbwiedergagabeindex auf /5/. Im Gegensatz zu Leuchtstofflampen treten bei weissen LED nur zwei Emissionsbanden im Blauen und im Gelben auf, die sich im blau-grünen Bereich überlappen und eine eindeutige korrelierte Farbtemperatur und einen wesentlich höheren Farbwiedergabeindex besitzen. Die dominante Wellenlänge &lgr;_d liegt normalerweise im gelben Spektralbereich, kann sich aber auch bei sehr intensitätsstarker blauer Bande, also bei sehr kalt-weissen LED, in der Nähe des Peaks der blauen Bande befinden. Die Intensität der blauen Bande der Injektionslumineszenz im Verhältnis zur Bandenintensität der gelben Photolumineszenz bestimmt die Farbtemperatur, die in weiten Grenzen variiert werden kann. Beeinflußt wird dieses Verhältnis dadurch, daß die Konzentration der Luminophorzentren im Epoxidharz über dem Chip unterschiedlich sein kann und daß die Dicke und Form der Epoxidharzschicht variiert, da sie technologisch schwer konstant zu halten ist.

Diese technologischen Mängel führen dann zu LED mit sehr unterschiedlichen Farbtempeperaturen und erlauben diesbezüglich keine stabile Fertigung. Außerdem kann die blaue Injektionslumineszenzbande bis in den violetten, ja unter Umständen bis in den nahen ultravioletten Bereich auslaufen, was unter Umständen beim Langzeiteinsatz zu Schädigungen im Epoxidharz und folglich zu einer schnelleren Degradation führen kann. Das dürfte auch mit ein Grund dafür sein, daß die Einsatzlebensdauern von weißen LED wesentlich kleiner als die der blauen LED sind, obwohl die gleichen Chip verwendet werden. Bei Verwendung von noch kürzerwelligen LED-Chips zur Photolumineszenzanregung dürfte sich diese Erscheinung noch verstärken. Da die Entwicklung neuer LED-Materialien (GaN, AlN) schnell voranschreitet, stehen bald LED mit Peakwellenlängen unter weit 350 nm zur Verfügung, d.h. bis zu Wellenlängen, die bei Hg-Gasentladungen auftreten und in Leuchtstofflampen genutzt werden /4/. So kommen also in naher Zukunft die LED-Anregungswellenlängen denen der Gasentladung sehr nahe und könnten eine ähnlich hohe Quantenausbeute erreichen. Daher stellt sich zwingend die Frage, ob diese kurzwelligen LED nicht anstelle einer Gasentladung verwendet werden können. In solchen Fällen würde allein der Leuchtstoff durch die kurzwellige Strahlung angeregt werden, wobei die Auswahl desselben derart erfolgen muß, daß allein die Photolumineszenzbande zum wahrnehmbaren weissen Licht führt. Hier liegen jedoch national und international seit Jahren umfangreiche Erfahrungen und Materialangebote vor, die ohne Schutzrechtsverletzungen genutzt werden können /6/.

Die Erfindung möge nun an anhand der folgenden Figuren mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen genauer beschrieben werden.

1a: Spektrale Verteilung des Emissionsspektrums einer handelsüblichen warmweissen LED mit der blauen Bande der Injektionslumineszenz 1 und der gelben Bande der Photolumineszenz 2 sowie T_c = 2.567 K

1b: Spektrale Verteilung des Emissionsspektrums einer handelsüblichen kalt weissen LED mit der blauen Bande der Injektionslumineszenz 3 und der gelben Bande der Potolumineszenz 4 sowie T_c = 6.797 K

2: Schematischer Aufbau eines LED-Leuchtkörpers unter Verwendung eines LED-Chips 6 und eines mit einem Luminophor 14 beschichtenten Umhüllungskörpers 16

3a: Struktureller Aufbau eines LED-Leuchtkörpers unter Verwendung von zwei LED-Chips G

3b: Struktureller Aufbau einer LED-Leuchtstofflampe unter Verwendung von mindestens drei LED-Chips 6 auf einem dreieck- bzw. prismenförmigen LED-Träger 19

4a: Schematische Darstellung einer LED-Leuchtstofflampe in Form eines Radialstrahlers bei einseitiger Einstrahlung

4b: Schematische Darstellung einer LED-Leuchtstofflampe in Form eines Radialstrahlers bei zweiseitiger Einstrahlung

5: LED-Leuchtkörper in Form eines Rundumstrahlers mit einfacher LED-Verteilung

6: LED-Leuchtkörper in Form eines Rundumstrahlers mit zweifacher LED-Verteilung

7: LED-Leuchtstofflampe in Form einer herkömmlichen Glühlampe mit Edisonsockel

In ersten Ausführungsbeispiel gemäß der schematischen 2 befinde sich auf einer Leiterplatte 5 der LED-Chip G mit dem pn-Übergang 7. Die Schichten 8 und 9 dienen zur höheren Lichtauskopplung und stellen Verspiegelungsschichten und Schichten mit niedrigerem Brechungsindex gegenüber dem Chipmaterial dar, wobei sie auch seitlich am Chip heruntergezogen werden können. Die Zuführung des Injektionsstromes erfolgt über die Kontakte 11 und 12 bzw. über den Bonddraht 10. Der Kontakt 11 weist eine spiegelnde Oberfläche auf und kann auch als Kalotte mit Hohlspiegelwirkung ausgeführt sein. Vom pn-Übergang gehen die Strahlen der Injektionslumineszenz 13 aus, die infolge einer Teilabsorption in der Luminophorschicht 15 die Leuchtstoffzentren 14 zur Photolumineszenz anregen. Die geschwächten Strahlen der Injektionslumineszenz 17 breiten sich nahezu gradlinig durch die Deckplatte 16 aus, während die Photolumineszenz 18 eine isotrope Raumverteilung aufweist und über den gesamten Halbraum verteilt sein kann. Wird die Luminophorschicht dicker gewählt, dann werden die Strahlen 13 vollständig in 15 absorbiert und die nach außen tretende Strahlung wird allein von der Photolumineszenz 18 getragen. Während im ersteren Falle das weisse Licht durch eine additive Farbmischung aus der Injektionslumineszenz und der Photolumineszenz entsteht, muß im zweiten Falle der Leuchtstoff so ausgewählt werden, daß allein die Photolumineszenz das weisse Licht ergibt. Beide Fälle weisen nahezu die gleiche Lampenstruktur auf. Im zweiten Fall sind die Anregungswellenlänge sowie ins UV ausdehnbar, wie LED-Chip vorliegen, also in naher Zukunft bis nahezu 250 nm.

Das zweite Ausführungsbeispiel möge anhand der 3 erläutert werden.

In einem runden, teiltransparenten und innen mit einem Leuchtstoff beschichteten Rohr 16, wie schematisch in 3a dargestellt, befinde sich eine Leiterplatte 5, die unten und oben je ein LED-Chip 6 trägt. Das von den pn-Übergängen emittierte Licht 13 wird teilweise in der innen befindlichen Luminophorschicht 18 absorbiert und regt die Leuchtstoffzentren 18 zur Photolumineszenz an. Damit leuchtet die LED-Lampe nahezu rundum. Um eine noch bessere Lichtverteilung zu erreichen, kann der Leiterplattenträger 19 auch in Dreieck- oder Pyramidenform ausgeprägt werden, so dass er, wie in 3b für eine Dreieckform ausgeführt, drei LED-Chips 6 trägt. Hier ist eine nahezu gleichmäßige Rundumemission garantiert. Auch in diesen Anordnungen kann die Luminophorschicht so dick und in solcher Zusammensetzung gewählt werden, dass sehr effiziente, ultraviolette Strahlung emittierende Lumineszenzdioden eingesetzt werden können. In 16 kann auch die Einmischung der Farbstoffe und zusätzlicher Streuzentren erfolgen.

Um eine vollständige Rundumanregung in langen, innen beschichteten und teiltransparenten Röhren zu ermöglichen, kann die beidseitig mit LED bestückte Leiterplatte auch mit den jeweils paarigen LED um eine kleinen Winkel von etwa 10° gedreht sein, um in der nachfolgenden Positon (Bestückung) wieder die ursprüngliche Stellung einzunehmen. Durch diese Form der alternierenden Verdrehung der LED-Trägerplatte um kleine Winkel, bei der nebeneinander in einer Reihe angebrachte LED-Chips in etwas unterschiedliche Richtungen abstrahlen, ist eine vollständige und gleichmäßig Rundumanregung gegeben.

Weitere Ausführungsbeispiele sind schematisch in den 4, 5, 6 und 7 veranschaulicht. In der 4a emittieren die LED 6 in einen teiltransparenten Hohlkörper 16, der sowohl Streuzentren als auch Lumineszenzzentren enthält. Dadurch wird sowohl die gestreute Injektionslumineszenz als auch die durch eine Teilabsorption der Injektionslumineszenz erzeugte Photolumineszenz 18 nach außen dringen und das Rohr 16 als LED-Leuchtstofflampe wirken lassen. Ist die Länge des Rohres 16 so groß, daß keine homogene Anregung über die gesamte Länge mehr möglich ist, kann die gleiche LED-Anordnung beidseitig gemäß 4b genutzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind neben nackten Chips auch SMD-LED und auch verkappte Radial-LED einsetzbar. Auch die Verwendung andersfarbiger LED beliebiger Bauform kann bei Verwendung eines einhülllenden Körpers mit Streuzentren herangezogen werden, um farbige Rumdumleuchten ohne zusätzliche Leuchtstoffe zu erhalten.

Ebenfalls kann auch eine Anregung und Lichtstreuung gemäß der 5 eingesetzt werden. Hier befinden sich die LED-Chips 6 oder SMD-LED an einem inneren Versatz in einer doppelseitigen Leiterplattenbestückung des Rohres 16, das wieder Streu- und Lumineszenzzentren enthält. Dieser Versatz kann auch im Rohr mehrfach wiederholt werden (s. 6), so dass eine sehr helle LED-Rundumlampe aufgebaut werden kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel soll die Form einer matten Glühlampe unter Verwendung von LED-Chips nachgebildet werden, deren Lebensdauer sich um ein Vielfaches gegenüber einer Glühlampe erhöhen würde, wobei der Energieverbrauch drastisch abgesenkt werden kann. In einem Glas- oder Plastikkolben 16 befinden sich wieder innen Luminophorzentren 14, die das Licht oder die Strahlung der LED-Chips teilweise absorbieren und in Photolumineszenz umwandeln. Im Glas- bzw. Plastikkolben ist aus dem Schraubsockel hervorgehend ein Halter mit elektrischen Zuleitungen 21 für die LED 6, die beispielsweise auf einen würfel- oder oktaederförmigen (d. h. auf regulären Polyedern) Träger 22, angebracht sind, der in Analogie zu einer bekannten Glühlampe wirkt. Dadurch ist eine Energiesparlampe hoher Lebensdauer gegeben, die ohne Schwierigkeiten anstelle bisheriger Glühlampen eingesetzt werden kann, wobei allerdings eine Spannungsanpassung durch eine elektronische Schaltung im Sockel an eventuell vorliegende Netzversorgungen nötig ist. Die Verwendung eines Plastikkolbens führt zu einer äußerst geringen Bruchgefahr und ist nur dadurch möglich, daß die Temperatur der LED-Chips bzw. der LED sich nahezu auf Zimmertemperatur befindet, was den Gebrauchswert extrem verbessert und die Entsorgung leichter macht. Durch die Wahl der Größe des Chips und der Anregungsstrahlung sind Lumenwerte erreichbar, die heutige Glühlampen- und Halogenstrahlerwerte bald übertreffen werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Einmischung von Streu- und Luminophorzentren in den Umhüllungskörper erfolgen, so dass eine Vorfertigung des Umhüllungskörpers durch Methoden der Polymerphysik und -chemie vorgenommen werden kann, da man auf diesen Gebieten die Einmischung der notwendigen Zentren und die Formgebungsprozesse gut beherrscht.

• /P1/ U.Reh et al.: "Lichtabstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement", DE 19625622 A1, 02. 01. 1998.
• /P2/ P. Schlotter et al.: "Mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement", DE 19638677 A1, 02. 04. 1998.
• /P3/ K. Keller: "Lichterzeugende Anordnung", OS DE 10 057 559 A1, 21. 11. 2000.

• /1/ S. Nakamura and G. Fasol: "The Blue Laser Diode", Springer-Verlag, Berlin 1997.
• /2/ J. Baur, P. Schlotter, and J. Schneider: "White light emitting diode", Festkörperprobleme 37 (1998), 67–78.
• /3/ G. Meneghesso, S. Levada, E. Zanoni et al.: "Reliability of visible GaN LEDs in plastic package", Microelectrionics Reliability 43 (2003) 1737–1742.
• /4/ A. Chitnis, V. Adivarahan, J.P. Zhang et al.: "Milliwatt power AlGaN quantum well deep ultraviolet light emitting diodes", phys. stat. sol. (a) 200(2003)1, 99–102.
• /5/ – "Lichtprogramm 2002/2003", OSRAM-Katalog.
• /6/ H.L. Burrus: "Lamp phosphors", Mills & Boon Limited 1972.