DE102013205329A1 - Method for producing a phosphor ceramic - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtstoffkeramik (11) umfassend: Bereitstellen eines anorganischen Matrixmaterials (2), welches eine Silizium-Nitrid-Verbindung aufweist; Bereitstellen eines Dotierungselements (12) zum Bilden von Lumineszenzzentren in dem Matrixmaterial (2); Bereitstellen eines Sinterhilfsmittels (3) zum Verdichten des Matrixmaterials (2); Bilden eines Grünkörpers (7, 15), indem das Matrixmaterial (2), das Dotierungselement (12) und das Sinterhilfsmittel (3) zumindest teilweise miteinander gemischt werden; und Sintern des Grünkörpers (7, 15). Die Erfindung betrifft zudem eine Leuchtstoffkeramik (11) hergestellt nach dem Verfahren sowie eine lichtemittierende Vorrichtung (17, 30) umfassend die Leuchtstoffkeramik (11).The invention relates to a method for producing a fluorescent ceramic (11) comprising: providing an inorganic matrix material (2) which has a silicon-nitride compound; Providing a doping element (12) for forming luminescence centers in the matrix material (2); Providing a sintering aid (3) for compacting the matrix material (2); Forming a green body (7, 15) by at least partially mixing the matrix material (2), the doping element (12) and the sintering aid (3) with one another; and sintering the green body (7, 15). The invention also relates to a fluorescent ceramic (11) produced by the method and a light-emitting device (17, 30) comprising the fluorescent ceramic (11).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtstoffkeramik. Die Erfindung betrifft zudem eine Leuchtstoffkeramik sowie eine lichtemittierende Vorrichtung mit der Leuchtstoffkeramik. The present invention relates to a method for producing a phosphor ceramic. The invention also relates to a phosphor ceramic and a light-emitting device with the phosphor ceramic.
Leuchtstoffe werden in Konversionselementen beispielsweise für Leuchtdioden (LED) oder Szintillatoren eingesetzt, um elektromagnetische Strahlung eines Wellenlängenbereiches in elektromagnetische Strahlung eines anderen langwelligeren Wellenlängenbereiches zu konvertieren. Der Konversionseffekt beruht dabei auf Photolumineszenz, etwa Fluoreszenz oder Phosphoreszenz. Phosphors are used in conversion elements, for example for light-emitting diodes (LED) or scintillators, in order to convert electromagnetic radiation of one wavelength range into electromagnetic radiation of another longer wavelength range of wavelengths. The conversion effect is based on photoluminescence, such as fluorescence or phosphorescence.
Zum Herstellen solcher Konversionselemente wird ein Leuchtstoff in ein Matrixmaterial, wie ein transparentes Harz, eingebettet. In LEDs ist das Konversionselement über einem licht-emittierenden Halbleiter-Chip platziert, um einen Teil des blauen Primärlichts in langwelligeres Licht zu konvertieren und Licht verschiedener Farben zu erzeugen. Additive Farbmischung des Primärlichts und des konvertierten Lichts erzeugt das Emissionsspektrum der LED, beispielsweise weißes Licht. In Szintillatoren wird das Konversionselement mit einem photosensitiven Element ausgestattet, um zum Beispiel in der Nuklearmedizin oder der Röntgendiagnostik hochenergetische Strahlung zu detektieren. Dem Leuchtstoff kommt hierbei die Aufgabe zu, die hochenergetische Strahlung in sichtbares Licht zu konvertieren, das dann von dem photosensitiven Element detektiert wird. To fabricate such conversion elements, a phosphor is embedded in a matrix material, such as a transparent resin. In LEDs, the conversion element is placed over a light-emitting semiconductor chip to convert a portion of the blue primary light into longer-wavelength light and produce light of different colors. Additive color mixing of the primary light and the converted light produces the emission spectrum of the LED, such as white light. In scintillators, the conversion element is equipped with a photosensitive element in order, for example, to detect high-energy radiation in nuclear medicine or X-ray diagnostics. The phosphor here has the task to convert the high-energy radiation into visible light, which is then detected by the photosensitive element.
Neben dem Einbetten des Leuchtstoffes in ein Harz kommen in Konversionselementen auch anorganische Leuchtstoffe in Leuchtstoffkeramiken zum Einsatz. Bei anorganischen Leuchtstoffen handelt es sich um lumineszierende Materialien, welche aus einem anorganischen Wirtsgitter bestehen, in das Lumineszenzzentren (Aktivatorionen) eingelagert sind. Als Wirtsgitter werden häufig Oxide, Nitride oder Silizium-Aluminium-Oxynitride (SiAlONe) eingesetzt, deren Lumineszenzeigenschaften durch Dotierung mit Seltenerdionen (z.B. Cer, Europium) aktiviert werden. Gegenüber harz-basierten Konversionselementen haben Konversionselemente auf Basis von Leuchtstoffkeramiken den Vorteil, dass diese eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen und daher eine verbesserte Konversionseffizienz ermöglichen. In addition to embedding the phosphor in a resin, inorganic phosphors in phosphor ceramics are also used in conversion elements. Inorganic phosphors are luminescent materials which consist of an inorganic host lattice in which luminescence centers (activator ions) are incorporated. Frequently used as host lattices are oxides, nitrides or silicon-aluminum oxynitrides (SiAlONs) whose luminescence properties are activated by doping with rare earth ions (for example cerium, europium). Compared with resin-based conversion elements, conversion elements based on phosphor ceramics have the advantage that they have better thermal conductivity and therefore enable improved conversion efficiency.
Zum Herstellen solcher Keramiken sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Beispielsweise werden druckbasierte Sinterverfahren, wie Gas-Druck-Sintern (GPS, Gas Pressure Sintering), Heiß-Druck-Sintern (HPS, Hot Pressure Sintering) oder Plasma-Sintern (SPS, Spark Plasma Sintering), eingesetzt. Ziel dieser Techniken ist es, Keramiken mit hohen Dichten bereitzustellen. Die Herstellung mit druckbasierten Verfahren ist jedoch aufwändig. Insbesondere für die Massenproduktion ist es daher wünschenswert drucklose Sinterverfahren anzuwenden. Hierzu eignen sich insbesondere rein temperaturbasierte Sinterverfahren. Um die gewünschten hohen Dichten zu erreichen, werden die Stoffe zum Herstellen der Keramik hohen Temperaturen zwischen 1600–2200ºC ausgesetzt. Bei Leuchtstoffen, insbesondere nitridischen Systemen, können derart hohe Temperaturen jedoch zur Degradation (Zersetzung) des Leuchtstoffes führen. For producing such ceramics, different methods are known. For example, pressure-based sintering methods, such as gas pressure sintering (GPS), hot pressure sintering (HPS) or plasma sintering (SPS, spark plasma sintering) are used. The aim of these techniques is to provide ceramics with high densities. The production with pressure-based methods, however, is expensive. For mass production in particular, it is therefore desirable to use pressureless sintering processes. In particular, purely temperature-based sintering processes are suitable for this purpose. To achieve the desired high densities, the materials for making the ceramic are exposed to high temperatures between 1600-2200 ° C. In phosphors, in particular nitridic systems, however, such high temperatures can lead to degradation (decomposition) of the phosphor.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein verbessertes, druckloses Verfahren zum Herstellen einer Leuchtstoffkeramik bereitzustellen, mit dem auch bei niedrigen Temperaturen beispielsweise < 1700ºC hohe Dichten in der Leuchtstoffkeramik erreicht werden. It is therefore an object of the invention to provide an improved, non-pressurized method for producing a phosphor ceramic, with which even at low temperatures, for example, <1700 ° C high densities are achieved in the phosphor ceramic.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtstoffkeramik vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen eines anorganischen Matrixmaterials, welches eine Siliziumnitrid-basierte Verbindung aufweist;
Bereitstellen eines Dotierungselements zum Bilden von Lumineszenzzentren in dem anorganischen Matrixmaterial;
Bereitstellen eines Sinterhilfsmittels zum Verdichten des anorganischen Matrixmaterials;
Bilden eines Grünkörpers, indem das anorganische Matrixmaterial, das Dotierungselement und das Sinterhilfsmittel zumindest teilweise miteinander gemischt werden; und
Sintern oder Erwärmen des Grünkörpers. A method for producing a phosphor ceramic is proposed, which comprises the following steps:
Providing an inorganic matrix material comprising a silicon nitride-based compound;
Providing a doping element for forming luminescent centers in the inorganic matrix material;
Providing a sintering aid for compacting the inorganic matrix material;
Forming a green body by at least partially mixing the inorganic matrix material, the doping element and the sintering aid; and
Sintering or heating the green body.
Der Einsatz des Sinterhilfsmittels beim Herstellen einer Leuchtstoffkeramik ermöglicht es, mit drucklosen Verfahren auch bei moderaten Temperaturen beispielsweise < 1700ºC, insbesondere zwischen 800 und 1600 ºC, hohe Dichten in der Leuchtstoffkeramik zu erreichen. Dabei bewirkt das Sinterhilfsmittel, dass sich während des Erwärmens, also während des Sinterns, oxynitridische und/ oder silikathaltige Flüssigphasen aus dem nitridischen Matrixmaterial und dem Sinterhilfsmittel bei moderaten Sintertemperaturen bilden. Durch diese Flüssigphasen kann die Füllung von Porenräumen während des Sinterns beschleunigt werden, und die Dichte der hergestellten Leuchtstoffkeramik steigt an. The use of the sintering aid in the manufacture of a phosphor ceramic makes it possible to achieve high densities in the phosphor ceramics using pressureless processes even at moderate temperatures, for example <1700 ° C, in particular between 800 and 1600 ° C. The sintering aid here causes oxynitridic and / or silicate-containing liquid phases of the nitridic matrix material and the sintering aid to form at moderate sintering temperatures during the heating, that is to say during sintering. By these liquid phases, the filling of pore spaces during sintering can be accelerated, and the density of the produced phosphor ceramics increases.
Drucklose Verfahren oder drucklose Sinterverfahren bezeichnen dabei Verfahren, die bei Atmosphärendruck (1 atm) durchgeführt werden und ausschließlich auf der Erhöhung der Temperatur also der Erwärmung beruhen. Weitere Vorkehrungen, um während des Erwärmens Druck auf den Grünkörper, also das anorganische Matrixmaterial mit dem Dotierungselement und dem Sinterhilfsmittel, auszuüben, können somit vermieden werden. Beispielsweise ist weder ein Anlegen eines Vakuums oder Arbeiten unter Gasdruck noch ein Pressen des Grünkörpers während des Sinterns notwendig, wodurch der Herstellungsaufwand reduziert wird. Pressure-free processes or pressureless sintering processes denote processes which are carried out at atmospheric pressure (1 atm) and are based exclusively on the increase in the temperature, ie the heating. Further measures to pressure the green body during the heating, that is to say the inorganic matrix material with the doping element and the sintering aid, exercise can thus be avoided. For example, it is neither necessary to apply a vacuum or to work under gas pressure nor to press the green body during sintering, thereby reducing the production outlay.
Mit Hilfe des Sinterhilfsmittels können in drucklosen Verfahrens auch bei niedrigen Temperaturen < 1700ºC und insbesondere < 1600ºC geometrische Dichten > 70% und insbesondere > 80% realisiert werden. Dabei wird die Degradation oder Zersetzung des Dotierungselementes durch die moderaten Temperaturen reduziert. Die geometrische Dichte bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang den prozentualen Anteil der Werkstoffdichte, also der Dichte der hergestellten Leuchtstoffkeramik, im Vergleich zur reinen Feststoffdichte, also der Dichte der Ausgangsmaterialien zum Herstellen der Leuchtstoffkeramik. Die geometrische Dichte ergibt sich damit beispielsweise aus dem Verhältnis zwischen Dichte der hergestellten Leuchtstoffkeramik (berechnet aus Masse und Volumen) zur Pulverdichte des Ausgangsmaterials für die Keramik. Ausgangsmaterialien sind hierbei das anorganische Material, das Dotierungselement und das Sinterhilfsmittel. Die geometrische Dichte ist damit ein Maß für das Feststoffvolumen in der Leuchtstoffkeramik oder ein Maß für den Anteil an Feststoffvolumen in der Leuchtstoffkeramik. Weiterhin wird durch die hohe Dichte die optische Transparenz der Leuchtstoffkeramik verbessert, da Phasengrenzen zwischen Poren und Feststoffmaterial reduziert werden, welche zu Streuung und damit verringerter Lichtdurchlässigkeit führen. With the aid of the sintering aid, geometric densities> 70% and in particular> 80% can be realized in a pressureless process even at low temperatures <1700 ° C. and in particular <1600 ° C. The degradation or decomposition of the doping element is reduced by the moderate temperatures. In the present context, the geometric density designates the percentage of the material density, ie the density of the phosphor ceramics produced, in comparison to the pure solid density, ie the density of the starting materials for producing the phosphor ceramics. The geometric density thus results, for example, from the ratio between the density of the phosphor ceramics produced (calculated from mass and volume) and the powder density of the starting material for the ceramic. Starting materials here are the inorganic material, the doping element and the sintering aid. The geometric density is thus a measure of the volume of solids in the phosphor ceramics or a measure of the proportion of solids volume in the phosphor ceramics. Furthermore, the high density improves the optical transparency of the phosphor ceramics, since phase boundaries between pores and solid material are reduced, which leads to scattering and thus reduced light transmission.
Eine Leuchtstoffkeramik bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang ein keramisches Material mit einem Dotierungselement oder Leuchtstoff, welches elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches oder Frequenzbereiches in elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereiches oder Frequenzbereiches konvertiert. Der erste Wellenlängenbereich oder Frequenzbereich ist dabei durch die Anregungswellenlängen oder Anregungsfrequenzen und der zweite Wellenlängenbereich oder Frequenzbereich durch die Emissionswellenlängen oder Emissionsfrequenzen der Leuchtstoffkeramik und insbesondere dem in das anorganische Matrixmaterial oder Wirtsgitter eingebetteten Dotierungselement gegeben. Weiterhin unterscheiden sich die Anregungswellenlängen oder -frequenzen von den Emissionswellenlängen oder -frequenzen. Dabei ist die Anregungswellenlänge kleiner als die Emissionswellenlänge beziehungsweise die Anregungsfrequenz größer als die Emissionsfrequenz. A phosphor ceramic in the present context refers to a ceramic material with a doping element or phosphor which converts electromagnetic radiation of a first wavelength range or frequency range into electromagnetic radiation of a second wavelength range or frequency range. The first wavelength range or frequency range is given by the excitation wavelengths or excitation frequencies and the second wavelength range or frequency range by the emission wavelengths or emission frequencies of the phosphor ceramic and in particular the doping element embedded in the inorganic matrix material or host lattice. Furthermore, the excitation wavelengths or frequencies differ from the emission wavelengths or frequencies. In this case, the excitation wavelength is smaller than the emission wavelength or the excitation frequency is greater than the emission frequency.
Die Leuchtstoffkeramik weist dazu ein anorganisches Matrixmaterial auf, in das zumindest ein Dotierungselement als Lumineszenzzentrum eingebettet ist. Das anorganische Matrixmaterial kann dabei als Wirtsgitter für das Dotierungselement fungieren, wobei das Dotierungselement (engl. dopant) die Lumineszenzzentren in dem anorganischen Matrixmaterial bildet und die lumineszierenden Eigenschaften der Leuchtstoffkeramik bereitstellt. Die in der Leuchtstoffkeramik stattfindende Konversion kann auf Photolumineszenz, insbesondere Fluoreszenz oder Phosphoreszenz, beruhen. D.h. elektromagnetische Strahlung mit der Anregungswellenlänge wird von der Leuchtstoffkeramik, insbesondere dem im anorganischen Matrixmaterial eingebetteten Dotierungselement, absorbiert und anschließend spontan oder zeitverzögert mit einer zur Anregungswellenlänge unterschiedlichen, vorzugsweise kleineren, Emissionswellenlänge emittiert. For this purpose, the phosphor ceramic has an inorganic matrix material into which at least one doping element is embedded as a luminescence center. The inorganic matrix material can act as a host lattice for the doping element, wherein the dopant element forms the luminescence centers in the inorganic matrix material and provides the luminescent properties of the luminescent ceramic. The conversion occurring in the phosphor ceramics can be based on photoluminescence, in particular fluorescence or phosphorescence. That Electromagnetic radiation having the excitation wavelength is absorbed by the phosphor ceramic, in particular the doping element embedded in the inorganic matrix material, and then emitted spontaneously or with a time delay with an emission wavelength that is different, preferably smaller, than the excitation wavelength.
In einer Ausführungsform enthält das anorganische Matrixmaterial zum Herstellen der Leuchtstoffkeramik ein Metall-Silizium-Nitrid oder ein Metall-Silizium-Oxynitrid. Insbesondere enthält das Silizium-Nitrid-basierte Matrixmaterial mindestens eine anorganische Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Verbindungen der Strukturformel MAlSiN3, M2Si5N8 MYSi4N7 oder Oxynitriden mit allgemeiner Strukturformel MSi2O2N2, MSi3O3N4, MxSi12-m-nAlm+nOnN16-n (0 < n, m < 12 und n + m ≤ 12), Si6-zAlzOzN8-z (0 < z ≤ 4.2), wobei ein Teil der Si-N Bindungen durch Al-O oder Al-N Bindungen substituiert ist. In one embodiment, the inorganic matrix material for producing the phosphor ceramics comprises a metal-silicon nitride or a metal-silicon oxynitride. In particular, the silicon nitride-based matrix material contains at least one inorganic compound selected from the group consisting of compounds of the structural formula MAILi 3 , M 2 Si 5 N 8 MYSi 4 N 7 or oxynitrides with general structural formula MSi 2 O 2 N 2 , MSi 3 O 3 N 4 , M x Si 12-mn Al m + n O n N 16-n (0 <n, m <12 and n + m ≤ 12), Si 6-z Al z O z N 8-z (0 <z ≤ 4.2), wherein a part of the Si-N bonds is substituted by Al-O or Al-N bonds.
Weiterhin bezeichnet M ein metallisches Element, das insbesondere mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetall, Erdalkalimetall und Übergangsmetall enthält. Beispielsweise kann das Alkalimetall mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Lithium (Li), Natrium (Na) und Kalium (K) enthalten. Das Erdalkalimetall kann mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba) enthalten. Das Übergangsmetall kann mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Mangan (Mn) und Yttrium (Y) enthalten. Furthermore, M denotes a metallic element which contains in particular at least one element selected from the group consisting of alkali metal, alkaline earth metal and transition metal. For example, the alkali metal may contain at least one element selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na) and potassium (K). The alkaline earth metal may contain at least one element selected from the group consisting of magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr) and barium (Ba). The transition metal may contain at least one member selected from the group consisting of titanium (Ti), manganese (Mn) and yttrium (Y).
Bevorzugt ist das metallische Element ein Alkalimetall, insbesondere Li, ein Erdalkalimetall, insbesondere Ca, Sr oder Ba, oder ein Übergangsmetall, insbesondere Y. Ganz besonders bevorzugt ist als metallisches Element ein Erdalkalimetall, insbesondere Ca,Sr oder das Übergangsmetall Y. In den Systemen MAlSiN3 und M2Si5N8 werden bevorzugt Erdalkalimetallionen, wie Ca2+, Sr2+ oder Ba2+, eingesetzt. In MxSi12-m-nAlm+nOnN16-n ist M bevorzugt Ca2+, Y3+. Zur Kompensation von Ladungseffekten beim Ersatz von zweiwertigen durch dreiwertige Ionen kann Li+ zum Einsatz kommen. The metallic element is preferably an alkali metal, in particular Li, an alkaline earth metal, in particular Ca, Sr or Ba, or a transition metal, in particular Y. Very particularly preferred as the metallic element is an alkaline earth metal, in particular Ca, Sr or the transition metal Y. In the systems MAlSiN 3 and M 2 Si 5 N 8 are preferably used alkaline earth metal ions, such as Ca 2+ , Sr 2+ or Ba 2+ . In M x Si 12-mn Al m + n O n N 16-n , M is preferably Ca 2+ , Y 3+ . To compensate for charge effects when replacing divalent by trivalent ions Li + can be used.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Dotierungselement oder der Leuchtstoff mindestens ein Metall der Seltenen Erden. So kann das Dotierungselement mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu) enthalten. Bevorzugte Dotierungselemente sind Ce, Eu, Nd und Gd. Besonders bevorzugt sind Ce und Eu. Das Dotierungselement oder der Leuchtstoff kann dabei ein einzelnes Metallion der Seltenen Erden oder Mischungen zweier oder mehrerer Metallionen der Seltenen Erden enthalten. Die Kombination aus anorganischem Matrixmaterial und Dotierungselement kann auch als Leuchtstoffsystem bezeichnet werden. In a further embodiment, the doping element or the phosphor contains at least one rare earth metal. That's how it works Doping element at least one element selected from the group consisting of lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), Holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu). Preferred dopants are Ce, Eu, Nd and Gd. Particularly preferred are Ce and Eu. The doping element or the phosphor can contain a single rare earth metal ion or mixtures of two or more rare earth metal ions. The combination of inorganic matrix material and doping element can also be referred to as a phosphor system.
Das Dotierungselement und das anorganische Matrixmaterial oder Wirtsgitter können weiterhin in Abhängigkeit von der gewünschten Anregungs- und Emissionswellenlänge der Leuchtstoffkeramik gewählt werden. So bestimmen die elektronischen Zustände des in dem anorganischen Matrixmaterial eingebetteten Dotierungselementes, die möglichen Übergänge und damit die Anregungs- und Emissionswellenlängen der Leuchtstoffkeramik. Durch die Wahl des Dotierungselementes und des anorganischen Matrixmaterials kann die Anregungs- und Emissionswellenlänge variiert werden, sodass durch Auswahl eines passenden Dotierungselements oder Leuchtstoffes bzw. Leuchtstoffsystems die Leuchtstoffkeramik an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden kann. The doping element and the inorganic matrix material or host lattice can furthermore be selected as a function of the desired excitation and emission wavelength of the luminescent ceramic. Thus, the electronic states of the doping element embedded in the inorganic matrix material determine the possible transitions and thus the excitation and emission wavelengths of the phosphor ceramic. By selecting the doping element and the inorganic matrix material, the excitation and emission wavelength can be varied so that the phosphor ceramic can be adapted to different applications by selecting a suitable doping element or phosphor or phosphor system.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Dotierungselement eingebettet in dem anorganischen Matrixmaterial bereitgestellt werden. D. h. das Dotierungselement ist bereits im Wirtsgitter eingebaut. Dabei können auch mehrere Dotierungselemente in das anorganische Matrixmaterial eingebettet oder integriert sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Dotierungselement eingebettet in dem Sinterhilfsmittel bereitgestellt werden. Beispielsweise kann Ceroxid in dem Sinterhilfsmittel enthalten sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Dotierungselement auch separat oder unabhängig vom anorganischen Matrixmaterial oder dem Wirtsgitter bereitgestellt werden. Das Dotierungselement kann also als separates Ausgangsmaterial zum Herstellen der Leuchtstoffkeramik bereitgestellt werden. Anschließend kann das Dotierungselement zumindest teilweise mit dem anorganischen Matrixmaterial gemischt werden. Beispielsweise kann das Dotierungselement auf das anorganische Matrixmaterial aufgebracht werden. Durch Erwärmen kann dann das Dotierungselement in das anorganische Matrixmaterial eingebracht werden, indem es in das anorganische Matrixmaterial eindiffundiert. Hierzu können auch mehrere Dotierungselemente bereitgestellt werden, die beim Erwärmen in das anorganische Matrixelement eindiffundieren. Da sowohl das Dotieren des anorganische Matrixmaterials als auch das Sintern des Grünkörpers mit Hilfe von Wärme erfolgt, können beide Prozesse gleichzeitig in einem einzigen Verfahrensschritt durchgeführt werden. In a further embodiment, the doping element may be provided embedded in the inorganic matrix material. Ie. the doping element is already incorporated in the host lattice. In this case, a plurality of doping elements can also be embedded or integrated in the inorganic matrix material. Additionally or alternatively, the doping element may be provided embedded in the sintering aid. For example, ceria may be included in the sintering aid. Additionally or alternatively, the doping element can also be provided separately or independently of the inorganic matrix material or the host lattice. The doping element can thus be provided as a separate starting material for producing the phosphor ceramics. Subsequently, the doping element can be at least partially mixed with the inorganic matrix material. For example, the doping element can be applied to the inorganic matrix material. By heating, the doping element can then be introduced into the inorganic matrix material by diffusing into the inorganic matrix material. For this purpose, it is also possible to provide a plurality of doping elements which diffuse into the inorganic matrix element during heating. Since both the doping of the inorganic matrix material and the sintering of the green body by means of heat, both processes can be carried out simultaneously in a single process step.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Sinterhilfsmittel mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metalloxid, Metallfluorid, Metallalkoxid, Metallaluminat und Metallsilikat. Als Sinterhilfsmittel können somit Oxide, Fluoride, Alkoxide, Aluminate oder Silikate mindestens eines metallischen Elements eingesetzt werden. Bevorzugte Sinterhilfsmittel sind Metalloxide, Metallfluoride, Metallalkoxide oder deren Mischungen, die zwei oder mehrere der genannten Sinterhilfsmittel aufweisen. Besonders bevorzugte Sinterhilfsmittel sind Metalloxide und/oder Metallalkoxide. Auch andere Metall-Nitride, insbesondere AlN können als Sinterhilfe in Frage kommen. In a further embodiment, the sintering aid contains at least one compound selected from the group consisting of metal oxide, metal fluoride, metal alkoxide, metal aluminate and metal silicate. Oxides, fluorides, alkoxides, aluminates or silicates of at least one metallic element can thus be used as sintering aids. Preferred sintering aids are metal oxides, metal fluorides, metal alkoxides or mixtures thereof, which have two or more of the sintering aids mentioned. Particularly preferred sintering aids are metal oxides and / or metal alkoxides. Other metal nitrides, in particular AlN, can also be used as sintering aid.
Als Metalloxide eignen sich zum Beispiel Übergangsmetalloxide, wie Al2O3, Y2O3 oder Yttrium-Aluminium-Granat (Y3Al5O12, kurz YAG), seltenerd(SE) dotierter (z.B. Ce, Nd, Gd) Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:SE), Lanthanoidoxide, insbesondere Ce2O3, Eu2O3, EuO oder Gd2O3, Alkalioxide, insbesondere LiO2, NaO2, KO2 oder RbO2, Erdalkalioxide, insbesondere MgO, CaO, SrO oder BaO, oder Halbmetalloxide, wie SiO2, die auch in einer Mischung aus zwei oder mehreren der genannten Metalloxide vorliegen können. Bevorzugte Metalloxide sind YAG, YAG:SE, Al2O3, SiO2, Y2O3, MgO und deren Mischungen. Besonders bevorzugte Metalloxide sind Al2O3, Y2O3, MgO und deren Mischungen. Insbesondere die letztgenannten Metalloxide führen beim Erwärmen zum schnellen Aufschmelzen des anorganischen Matrixmaterials und sind daher zum Verdichten der Leuchtkeramik bei niedrigen Temperaturen besonders geeignet. Suitable metal oxides are, for example, transition metal oxides, such as Al 2 O 3 , Y 2 O 3 or yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12 , YAG for short), rare earth (SE) doped (eg Ce, Nd, Gd) yttrium Aluminum garnet (YAG: SE), lanthanide oxides, in particular Ce 2 O 3 , Eu 2 O 3 , EuO or Gd 2 O 3 , alkali oxides, in particular LiO 2 , NaO 2 , KO 2 or RbO 2 , alkaline earth oxides, in particular MgO, CaO, SrO or BaO, or semi-metal oxides, such as SiO 2 , which may also be present in a mixture of two or more of said metal oxides. Preferred metal oxides are YAG, YAG: SE, Al 2 O 3 , SiO 2 , Y 2 O 3 , MgO and mixtures thereof. Particularly preferred metal oxides are Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , MgO and mixtures thereof. In particular, the last-mentioned metal oxides lead to rapid melting of the inorganic matrix material during heating and are therefore particularly suitable for compacting the light-emitting ceramic at low temperatures.
Geeignete Metallfluoride sind zum Beispiel LiF, CaF2 und MgF2. Besonders bevorzugt ist LiF als Metalfluorid. Das Metallalkoxid kann mindestens ein Alkoxid von Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Silizium (Si), Yttrium (Y) und Gemischen von zwei oder mehreren dieser enthalten. Besonders geeignet sind Metallalkoxide der Formel M(OR)n, wobei M ein metallisches Element, wie Al oder Y, und n eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis 4 bezeichnet. OR bezeichnet einen Alkoxyrest, in dem jeder R-Rest unabhängig ein Alkylrest sein kann. Jeder R-Rest kann weiterhin unabhängig ein linearer oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 20, bevorzugt 3 bis 6, Kohlenstoffatomen sein. Suitable metal fluorides are, for example, LiF, CaF 2 and MgF 2 . Particularly preferred is LiF as the metal fluoride. The metal alkoxide may contain at least one alkoxide of aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), yttrium (Y) and mixtures of two or more of these. Particularly suitable are metal alkoxides of the formula M (OR) n , where M denotes a metallic element, such as Al or Y, and n denotes an integer with a value of 0 to 4. OR denotes an alkoxy radical in which each R radical can independently be an alkyl radical. Each R group may further independently be a linear or branched alkyl group having 1 to 20, preferably 3 to 6, carbon atoms.
Hierbei können das anorganische Matrixmaterial und das Sinterhilfsmittel so gewählt werden, dass die Ausbildung von Flüssigphasen während des Sintervorganges begünstigt wird. Eine geeignete Kombination stellt zum Beispiel ein Silicium-Nitrid-basiertes Matrixmaterial mit einem Metalloxid, wie Al2O3, Y2O3 oder deren Mischung, und/oder einem Metallalkoxid, wie Al-Alkoxid, Y-Alkoxid oder deren Mischung, als Sinterhilfsmittel dar. Eine weitere geeignete Kombination stellt zum Beispiel ein Silicium-Nitrid-basiertes Matrixmaterial mit einem Metalloxid, wie YAG oder YAG:SE, als Sinterhilfsmittel dar. Here, the inorganic matrix material and the sintering aid can be chosen so that the formation of liquid phases during the sintering process is favored. A suitable combination is, for example, a silicon nitride-based matrix material with a metal oxide, such as Al 2 O 3 , Y 2 O 3 or a mixture thereof, and / or a metal alkoxide, such as Al alkoxide, Y alkoxide or a mixture thereof, as a sintering aid. Another suitable combination is, for example, a silicon nitride-based matrix material a metal oxide, such as YAG or YAG: SE, as a sintering aid.
In einer weiteren Ausführungsform wird das bereitgestellte Sinterhilfsmittel so gewählt, dass deren metallisches Element einer gleichen Elementgruppe oder Klasse angehört wie das metallische Element des anorganischen Matrixmaterials. Mögliche Elementgruppen sind dabei insbesondere Alkalimetalle, Erdalkalimetalle oder Übergangsmetalle. Durch die Übereinstimmung im metallischen Element kann die Einlagerung von Fremdionen in das anorganische Matrixmaterial und damit verbundene Veränderungen im System vermieden werden. Ist beispielsweise das metallische Element des anorganischen Matrixmaterials ein Erdalkali, sind als Sinterhilfsmittel insbesondere Erdalkalifluoride, -oxide, -aluminate oder -silikate geeignet. Weiterhin können das metallische Element des anorganischen Matrixmaterials und das metallische Element des Sinterhilfsmittels das gleiche metallische Element, beispielsweise Ca, Y, Mg oder Al, aufweisen. Vorteilhafte Kombinationen in Bezug auf das anorganische Matrixmaterial und das Sinterhilfsmittel sind zum Beispiel: Al als metallisches Element des anorganischen Matrixmaterials mit Al2O3 und/oder Al-Alkoxid als Sinterhilfsmittel, Y als metallisches Element des anorganischen Matrixmaterials mit Y2O3 und/oder Y-Alkoxid als Sinterhilfsmittel, Ca als metallisches Element des anorganischen Matrixmaterials mit CaO als Sinterhilfsmittel oder Y oder Li als metallisches Element des anorganischen Matrixmaterials mit LiF als Sinterhilfsmittel. In a further embodiment, the sintering aid provided is selected such that its metallic element belongs to a same element group or class as the metallic element of the inorganic matrix material. Possible element groups are in particular alkali metals, alkaline earth metals or transition metals. The agreement in the metallic element avoids the incorporation of foreign ions into the inorganic matrix material and associated changes in the system. If, for example, the metallic element of the inorganic matrix material is an alkaline earth metal, alkaline earth fluorides, oxides, aluminates or silicates are particularly suitable as sintering aids. Further, the metallic element of the inorganic matrix material and the metallic element of the sintering aid may have the same metallic element, for example, Ca, Y, Mg or Al. Advantageous combinations with respect to the inorganic matrix material and the sintering aid are, for example: Al as a metallic element of the inorganic matrix material with Al 2 O 3 and / or Al alkoxide as a sintering aid, Y as a metallic element of the inorganic matrix material with Y 2 O 3 and / or Y-alkoxide as a sintering aid, Ca as a metallic element of the inorganic matrix material with CaO as a sintering aid or Y or Li as a metallic element of the inorganic matrix material with LiF as a sintering aid.
Vorzugsweise werden die Ausgangsmaterialien des Verfahrens, also das anorganische Matrixmaterial und das Sinterhilfsmittel und gegebenenfalls das Dotierungselement, als Pulver bereitgestellt. Hierbei kann das Dotierungselement bereits in dem anorganischen Matrixmaterial eingebettet sein und/oder als separates Pulver bereitgestellt werden. Im Folgenden sollen Bezugnahmen auf das anorganische Matrixmaterial neben dem Matrixmaterial ohne Dotierungselement, also dem undotierten anorganischen Matrixmaterial, auch die Möglichkeit einschließen, dass das anorganische Matrixmaterial dotiert ist. The starting materials of the process, that is to say the inorganic matrix material and the sintering aid and optionally the doping element, are preferably provided as powder. Here, the doping element may already be embedded in the inorganic matrix material and / or provided as a separate powder. In the following, references to the inorganic matrix material in addition to the matrix material without doping element, ie the undoped inorganic matrix material, should also include the possibility that the inorganic matrix material is doped.
Das Pulver des jeweiligen Ausgangsmaterials kann Partikel mit einer Zusammensetzung für das jeweilige Ausgangsmaterial aufweisen. Alternativ kann das Pulver des jeweiligen Ausgangsmaterials ein Partikelgemisch mit Partikeln unterschiedlicher Zusammensetzungen und/oder Größen für das jeweilige Ausgangsmaterial aufweisen. Beispielsweise können erste Partikel mit einer ersten Zusammensetzung und/oder Größe des jeweiligen Ausgangsmaterials und zweite Partikel mit einer zweiten Zusammensetzung des jeweiligen Ausgangsmaterials die Partikelmischung bilden, wobei sich die erste und die zweite Zusammensetzung des jeweiligen Ausgangsmaterials unterscheiden. Die Partikel des Pulvers für das jeweilige Ausgangsmaterial können eine Partikelgrößenverteilung von 0,1 nm bis 50 μm, bevorzugt von 1 nm bis 5 μm und besonders bevorzugt 0,1–3 μm aufweisen. Dabei können die Partikel in regelmäßiger Form etwa in sphärischer Form vorliegen. Auch Stäbchenform oder unregelmäßige Formen sind jedoch denkbar. The powder of the respective starting material may have particles with a composition for the respective starting material. Alternatively, the powder of the respective starting material may have a particle mixture with particles of different compositions and / or sizes for the respective starting material. For example, first particles having a first composition and / or size of the respective starting material and second particles having a second composition of the respective starting material may form the particle mixture, wherein the first and the second composition of the respective starting material differ. The particles of the powder for the respective starting material may have a particle size distribution of from 0.1 nm to 50 μm, preferably from 1 nm to 5 μm and particularly preferably 0.1-3 μm. In this case, the particles may be present in regular form approximately in spherical form. But also chopsticks or irregular shapes are conceivable.
In einer weiteren Ausführungsform werden das Sinterhilfsmittel und das anorganische Matrixmaterial als Pulver bereitgestellt, wobei die mittlere Größe von Partikeln im Pulver des Sinterhilfsmittels kleiner oder gleich der mittleren Größe von Partikeln im Pulver des anorganischen Matrixmaterials ist. Die Größenverteilung der Partikel kann dabei eine monomodale, bimodale oder multimodale Verteilung aufweisen. Bevorzugt weist das Pulver des Sinterhilfsmittels und das Pulver des anorganischen Matrixmaterials eine monomodale Verteilung auf. Die mittlere Größe bestimmt sich dabei aus dem Mittelwert der Größenverteilung. So können Partikel des anorganischen Matrixmaterials eine Größenverteilung im Bereich von 0,1–10 μm, bevorzugt von 0,1–3 μm aufweisen. Partikel des Sinterhilfsmittels können eine Größenverteilung im Bereich von 10 nm–2 μm, bevorzugt von 10–1000 nm aufweisen. Eine monomodale Größenverteilung und/oder ein feinkörniges Pulver des Sinterhilfsmittels wirken sich dabei in einer erhöhten Sinteraktivität aus. In a further embodiment, the sintering aid and the inorganic matrix material are provided as a powder, wherein the average size of particles in the powder of the sintering aid is less than or equal to the average size of particles in the powder of the inorganic matrix material. The size distribution of the particles can have a monomodal, bimodal or multimodal distribution. The powder of the sintering aid and the powder of the inorganic matrix material preferably have a monomodal distribution. The mean size is determined from the mean of the size distribution. Thus, particles of the inorganic matrix material may have a size distribution in the range of 0.1-10 μm, preferably of 0.1-3 μm. Particles of the sintering aid may have a size distribution in the range of 10 nm-2 microns, preferably from 10 to 1000 nm. A monomodal size distribution and / or a fine-grained powder of the sintering aid thereby act in an increased sintering activity.
In einer weiteren Ausführungsform werden bis zu 50 Gew.-%, insbesondere bis zu 20 Gew.-%, des Sinterhilfsmittels zumindest teilweise mit dem anorganischen Matrixmaterial gemischt. Hierbei beziehen sich Angaben in Gew.-% auf das anorganische Matrixmaterial. Weiterhin können 0,1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 3 Gew.-% des Sinterhilfsmittels zumindest teilweise mit dem anorganischen Matrixmaterial gemischt werden. Dabei wird der Gewichtsanteil des Sinterhilfsmittels möglichst klein gewählt, um den Anteil an Fremdphasen (Flüssigphase) möglichst gering zu halten und so unerwünschte Nebenreaktionen und die Degradation des Dotierungselementes oder Leuchtstoffes zu vermeiden. Gleichzeitig wird jedoch der Gewichtsanteil des Sinterhilfsmittels so groß gewählt, dass sich ausreichend Flüssigphase beim Erwärmen bildet, um hohe Dichten zu erreichen. In a further embodiment, up to 50% by weight, in particular up to 20% by weight, of the sintering aid is at least partially mixed with the inorganic matrix material. In this case, data in% by weight relate to the inorganic matrix material. Furthermore, 0.1 to 10 wt .-%, preferably 0.1 to 3 wt .-% of the sintering aid may be at least partially mixed with the inorganic matrix material. In this case, the weight fraction of the sintering aid is chosen to be as small as possible in order to keep the proportion of foreign phases (liquid phase) as low as possible and thus to avoid undesired side reactions and the degradation of the doping element or phosphor. At the same time, however, the proportion by weight of the sintering aid is chosen to be so large that sufficient liquid phase forms on heating to achieve high densities.
In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich eine nitridische Komponente bereitgestellt und mit dem Sinterhilfsmittel gemischt. Durch Mischen der nitridischen Komponente mit dem Sinterhilfsmittel kann einer möglichen Si-N/Al-N-Verarmung in der Stöchiometrie des anorganischen Matrixmaterials entgegengewirkt werden. Als nitridische Komponente eignet sich insbesondere Si3N4, AlN, Ca3N2 oder Mischungen hieraus. Bezogen auf das anorganische Matrixmaterial können bis zu 50 Gew.-%, insbesondere bis zu 20 Gew.-%, der nitridischen Komponente mit dem Sinterhilfsmittel gemischt werden. Hierbei sind Angaben in Gew.-% auf das anorganische Matrixmaterial bezogen. Weiterhin können zum Beispiel 0,1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 3 Gew.-% der nitridischen Komponente mit dem Sinterhilfsmittel gemischt werden. Vorzugsweise wird die nitridische Komponente in einer 1:1 Mischung mit dem Sinterhilfsmittel gemischt. In a further embodiment, a nitridic component is additionally provided and mixed with the sintering aid. By mixing the nitridic component with the sintering aid, a possible Si-N / Al-N depletion in the stoichiometry of the inorganic Matrix material to be counteracted. Si 3 N 4 , AlN, Ca 3 N 2 or mixtures thereof are particularly suitable as the nitridic component. Based on the inorganic matrix material, up to 50% by weight, in particular up to 20% by weight, of the nitridic component may be mixed with the sintering aid. In this case, details in% by weight are based on the inorganic matrix material. Furthermore, for example, 0.1 to 10 wt .-%, preferably 0.1 to 3 wt .-% of the nitridic component can be mixed with the sintering aid. Preferably, the nitridic component is mixed in a 1: 1 mixture with the sintering aid.
In einer weiteren Ausführungsform werden das anorganische Matrixmaterial, das Sinterhilfsmittel, das gegebenenfalls ein Dotierungselement enthält, und gegebenenfalls das separat bereitgestellte Dotierungselement zu einer homogenen Mischung verarbeitet, um den Grünkörper auszubilden. Das Mischen kann dabei durch Mischen der Pulver der einzelnen Ausgangsmaterialien ohne Zusatzstoffe erfolgen. Beim Mischen kann auch Lösungsmittel zugegeben werden, wobei das Lösungsmittel nach dem Mischen beispielsweise durch Trocknen entfernt wird. Beim Mischen kann auch ein Dispersionsmittel zugegeben werden, welches durch langsames Erhitzen (1–5 K/min) auf niedrige Temperaturen (≤ 600°C) vor dem eigentlichen Sinterschritt wieder entfernt wird. Weiterhin kann beim Mischen ein Metallalkoxid, wie Y- oder Al-Alkoxide, zugesetzt werden. Insbesondere kann das gemischte Pulver mit einem Metallalkoxid beschichtet werden. Durch die Verwendung von Zusatzstoffen, wie Bindemitteln oder Metallalkoxiden, kann eine homogene Verteilung des Pulvers gewährleistet werden. In a further embodiment, the inorganic matrix material, the sintering aid, optionally containing a doping element, and optionally the separately provided doping element are processed into a homogeneous mixture to form the green body. The mixing can be done by mixing the powders of the individual starting materials without additives. Solvent may also be added during mixing, the solvent being removed after mixing, for example by drying. During mixing, it is also possible to add a dispersing agent which is removed again by slow heating (1-5 K / min) to low temperatures (≦ 600 ° C.) before the actual sintering step. Furthermore, during mixing, a metal alkoxide such as Y or Al alkoxides may be added. In particular, the mixed powder may be coated with a metal alkoxide. Through the use of additives such as binders or metal alkoxides, a homogeneous distribution of the powder can be ensured.
Das gemischte Pulver kann dann in unterschiedliche Formen, beispielsweise eine Tablettenform, gepresst werden, um einen Grünkörper auszubilden. Alternativ kann das mit Zusatzstoffen, wie Bindemitteln, Weichmacher und/ oder Dispergatoren, gemischte Pulver als Paste oder Schlicker weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann der Schlicker oder die Paste zum Ausformen eines flachen Grünkörpers in Form eines Bandes (Tapes) genutzt werden. Auch Verfahren wie Schlickerguss, Siebdruck oder Tauchbeschichtung können zum Ausformen von Grünkörpern mit beliebiger Form genutzt werden. Somit ermöglicht die Verwendung eines Zusatzstoffes, wie einem Bindemittel, neben der homogenen Verteilung auch unterschiedliche Formgebung, die an die gewünschte Anwendung angepasst werden kann. The mixed powder may then be pressed into various shapes, for example a tablet form, to form a green body. Alternatively, it can be further processed with additives such as binders, plasticizers and / or dispersants, mixed powders as a paste or slip. For example, the slurry or paste may be used to form a flat green body in the form of a tape. Also methods such as slip casting, screen printing or dip coating can be used to mold green bodies of any shape. Thus, the use of an additive, such as a binder, in addition to the homogeneous distribution also allows different shape, which can be adapted to the desired application.
In einer weiteren Ausführungsform werden das anorganische Matrixmaterial, das Sinterhilfsmittel, das gegebenenfalls ein Dotierungselement enthält, und gegebenenfalls das separat bereitgestellte Dotierungselement zu einer inhomogenen Mischung verarbeitet, um den Grünkörper auszubilden. Dabei können das anorganische Matrixmaterial, das Sinterhilfsmittel und gegebenenfalls das Dotierungselement so inhomogen oder lokal gemischt werden, dass eine Dichtestruktur und/oder eine Dotierungsstruktur in der Leuchtstoffkeramik erzeugt wird. So kann das Sinterhilfsmittel lokal oder in einer Schicht auf den Grünkörper aufgebracht werden, um Dichtestrukturen in der Leuchtkeramik zu realisieren, die modifizierte Eigenschaften etwa der chemischen Beständigkeit oder der Streueigenschaften ermöglichen. Hierzu kann ein Grünkörper mit beliebiger Form bereitgestellt werden, der lokal mit dem Sinterhilfsmittel beschichtet werden kann. Insbesondere kann das Sinterhilfsmittel auf Grenzflächen des Grünkörpers aufgebracht werden. In a further embodiment, the inorganic matrix material, the sintering aid, optionally containing a doping element, and optionally the separately provided doping element are processed into an inhomogeneous mixture to form the green body. In this case, the inorganic matrix material, the sintering aid and optionally the doping element can be mixed inhomogeneously or locally so that a density structure and / or a doping structure is produced in the phosphor ceramic. Thus, the sintering aid can be applied locally or in a layer on the green body in order to realize density structures in the light-emitting ceramic, which allow modified properties such as chemical resistance or scattering properties. For this purpose, a green body of any shape can be provided, which can be coated locally with the sintering aid. In particular, the sintering aid can be applied to boundary surfaces of the green body.
So kann ein Grünkörper in Form eines Bandes oder in Tablettenform zumindest einseitig mit dem Sinterhilfsmittel beschichtet werden. Dadurch kann eine stärkere Verdichtung der Leuchtstoffkeramik ausgehend von der zumindest einseitigen Beschichtung erreicht werden. Weiterhin können mehrere solcher Bänder oder Tabletten nach dem Erwärmen in einem Schichtaufbau übereinander angeordnet werden, um eine dreidimensionale Dichtestrukturierung der Leuchtstoffkeramik zu realisieren. Beispielsweise können mehrere solcher Bänder oder Tabletten nach dem Erwärmen miteinander verklebt werden oder vor dem Erwärmen durch pressen aufeinander fixiert werden, sodass sich während der Sinterung ein strukturierter, vollkeramischer Körper ausbildet. Thus, a green body in the form of a band or in tablet form can be coated on at least one side with the sintering aid. As a result, a stronger compression of the phosphor ceramic starting from the at least one-sided coating can be achieved. Furthermore, a plurality of such strips or tablets can be arranged one after the other in a layer structure after heating in order to realize a three-dimensional density structuring of the phosphor ceramic. For example, a plurality of such strips or tablets can be glued together after heating or fixed to one another before being heated by pressing, so that a structured, all-ceramic body is formed during sintering.
Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Dotierungsstruktur in der Leuchtstoffkeramik realisiert werden, indem zumindest ein Dotierungselement als separates Ausgangsmaterial, beispielsweise als Pulver, vorliegt. So kann das Dotierungselement lokal oder in einer Schicht auf den Grünkörper aufgebracht werden, um unerwünschte Randeffekte in der Leuchtstoffkeramik zu minimieren oder Logos innerhalb der Leuchtstoffkeramik zu realisieren. Hierzu kann ein Grünkörper mit beliebiger Form bereitgestellt werden, der lokal mit dem Dotierungselement beschichtet werden kann. Dabei kann das Dotierungselement insbesondere auf Grenzflächen des Grünkörpers aufgebracht werden. Additionally or alternatively, a doping structure in the phosphor ceramic can be realized by at least one doping element is present as a separate starting material, for example as a powder. Thus, the doping element can be applied locally or in a layer to the green body in order to minimize unwanted edge effects in the phosphor ceramic or to realize logos within the phosphor ceramic. For this purpose, a green body with any shape can be provided, which can be coated locally with the doping element. In this case, the doping element can be applied in particular to boundary surfaces of the green body.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Grünkörper, der das anorganische Matrixmaterial mit dem Dotierungselement, dem Sinterhilfsmittel und gegebenenfalls der nitridischen Komponenten umfasst, auf eine Temperatur zwischen 800 und 2200ºC, bevorzugt zwischen 1000 und 1500ºC und besonders bevorzugt zwischen 1000 bis 1300ºC erwärmt. Das Erwärmen kann zum Beispiel in einem Graphitofen, Rohrofen beispielsweise mit Aluminiumoxidrohr oder durch Induktionsofen erfolgen. Dabei kann die Heizrampe oder die Kühlrampe zum Erreichen einer Endtemperatur 1 bis 50 K/min, bevorzugt 5 bis 30 K/min betragen. Die Behandlung bei der Endtemperatur zwischen 800 und 2200ºC kann weiterhin über einen Zeitraum von 1 min bis 12 h, bevorzugt über einen Zeitraum von 5 min bis 1 h erfolgen. In a further embodiment, the green body comprising the inorganic matrix material with the doping element, the sintering aid and optionally the nitridic components is heated to a temperature between 800 and 2200 ° C, preferably between 1000 and 1500 ° C and more preferably between 1000 and 1300 ° C. The heating can be carried out, for example, in a graphite furnace, tube furnace, for example with aluminum oxide tube or by induction furnace. In this case, the heating ramp or the cooling ramp to achieve a Final temperature 1 to 50 K / min, preferably 5 to 30 K / min. The treatment at the final temperature between 800 and 2200 ° C may continue over a period of 1 minute to 12 hours, preferably over a period of 5 minutes to 1 hour.
Es wird zudem eine Leuchtstoffkeramik vorgeschlagen, welche nach vorstehend beschriebenem Verfahren hergestellt ist. Dabei weist die Leuchtstoffkeramik ein anorganisches Matrixmaterial mit eingebettetem Dotierungselement auf, wobei in der Leuchtstoffkeramik zusätzlich Oxynitride und Silikate enthalten sind. Die Oxynitride und Silikate bilden sich während des Sintervorgangs aus der oxidischen Komponente des Sinterhilfsmittels und der Silizium-Nitrid-basierten Komponente des anorganischen Matrixmaterials. Diese weisen einen niedrigen Schmelzpunkt auf und bilden daher während des Sintervorgangs eine Flüssigphase aus. Je nach Anteil an Sinterhilfe erfolgt Bildung von Flüssigphasen, welche als Fremdphasen in der Keramik nachweisbar bleiben. Derartige Fremdphasen sind in der hergestellten Leuchtstoffkeramik zum Beispiel mit Hilfe von XRD (Röntgendiffraktion), REM (Rasterelektronenmikroskopie) oder EDX (energiedispersive Röntgendiffraktion) nachweisbar. Weiterhin kann die Leuchtstoffkeramik ein Sinterhilfsmittel aufweisen. Der Gehalt des in der Leuchtstoffkeramik nachweisbaren Sinterhilfsmittels hängt dabei davon ab, welcher Anteil des Sinterhilfsmittels zur Bildung der Flüssigphase verbraucht wurde. It is also proposed a phosphor ceramic, which is prepared by the method described above. In this case, the luminescent ceramic has an inorganic matrix material with an embedded doping element, wherein oxynitrides and silicates are additionally contained in the luminescent ceramics. The oxynitrides and silicates form during the sintering process of the oxidic component of the sintering aid and the silicon nitride-based component of the inorganic matrix material. These have a low melting point and therefore form a liquid phase during the sintering process. Depending on the proportion of sintering aid, formation of liquid phases takes place, which remain detectable as foreign phases in the ceramic. Such foreign phases can be detected in the phosphor ceramics produced, for example with the aid of XRD (X-ray diffraction), SEM (scanning electron microscopy) or EDX (energy-dispersive X-ray diffraction). Furthermore, the phosphor ceramics may have a sintering aid. The content of the sintering aid that can be detected in the luminescent ceramics depends on what proportion of the sintering aid has been used to form the liquid phase.
Weiterhin gelten die in Bezug auf das Verfahren erläuterten Merkmale der Leuchtstoffkeramik auch für die nach dem Verfahren hergestellte Leuchtstoffkeramik. So kann die Leuchtstoffkeramik eine geometrische Dichte von > 70%, bevorzugt von > 80% aufweisen. Auch können Ausgangsmaterialien des Verfahrens, wie das eingesetzte Sinterhilfsmittel oder die eingesetzte nitridische Komponente oder Mischphasen resultierend aus der Flüssigphase in der hergestellten Leuchtstoffkeramik nachweisbar sein. Insbesondere kann die mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellte Leuchtstoffkeramik eine Dotierungsstruktur, wenn beispielsweise das Sinterhilfsmittel selbst ein Dotierungselement oder Aktivatorion, z.B Ce, Eu enthält, und/oder eine Dichtestruktur aufweisen. Furthermore, the features of the phosphor ceramics explained in relation to the method also apply to the phosphor ceramics produced by the process. Thus, the phosphor ceramics may have a geometric density of> 70%, preferably of> 80%. It is also possible for starting materials of the process, such as the sintering aid used or the nitridic component or mixed phases resulting from the liquid phase, to be detectable in the phosphor ceramics produced. In particular, the phosphor ceramic produced by the method described above may have a doping structure if, for example, the sintering aid itself contains a doping element or activator ion, for example Ce, Eu, and / or has a density structure.
Zudem wird eine lichtemittierende Vorrichtung, etwa eine LED oder ein Szintillator, vorgeschlagen, die vorstehend beschriebene Leuchtstoffkeramik umfasst. Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine LED sein, bei der die Leuchtstoffkeramik als Konversionselement über einem licht-emittierenden Halbleiterchip platziert ist. In LEDs betragen die Anregungswellenlängen beispielsweise zwischen 350 und 500 nm. Die Emissionswellenlängen können beispielsweise zwischen 500 und 800 nm liegen. In addition, a light-emitting device, such as an LED or a scintillator, is proposed, which comprises the above-described phosphor ceramics. The light-emitting device may be an LED in which the phosphor ceramic is placed as a conversion element over a light-emitting semiconductor chip. In LEDs, for example, the excitation wavelengths are between 350 and 500 nm. The emission wavelengths may be, for example, between 500 and 800 nm.
Alternativ kann die lichtemittierende Vorrichtung ein Szintillator sein, der die Leuchtstoffkeramik als Konversionselement umfasst. Die Leuchtstoffkeramik konvertiert hierbei hochenergetische Strahlung, wie Röntgenstrahlung in einem Computertomographen, in sichtbares Licht. Zur Detektion des sichtbaren Lichts ist die Leuchtstoffkeramik mit einem photosensitiven Element ausgestattet. Bei Szintillatoren, die insbesondere im Bereich der Nuklearmedizin und der Medizintechnik eingesetzt werden, betragen die Anregungswellenlängen beispielsweise zwischen 1 nm und 1 pm. Die Emissionswellenlängen können beispielsweise zwischen 350 und 800 nm liegen. Alternatively, the light emitting device may be a scintillator comprising the phosphor ceramic as the conversion element. The phosphor ceramic converts high-energy radiation, such as X-rays in a computer tomograph, into visible light. For detecting the visible light, the phosphor ceramic is equipped with a photosensitive element. In scintillators, which are used in particular in the field of nuclear medicine and medical technology, the excitation wavelengths are for example between 1 nm and 1 pm. The emission wavelengths may be, for example, between 350 and 800 nm.
Im Folgenden werden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In the following, embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying schematic drawings.
Dabei zeigen: Showing:
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen soweit es nicht anders angegeben ist. Identical or functionally identical elements are provided in the figures with the same reference numerals unless otherwise indicated.
Dazu werden in einem ersten Schritt
Der so hergestellte Grünkörper
Dazu werden in einem ersten Schritt
Der so hergestellte Grünkörper
Der Computertomograph
Der Röntgendetektor
In der vergrößerten Darstellung ist schematisch ein Schnitt des Röntgendetektors
Die Pixel
Die LED
Beispiele Examples
Zur Charakterisierung der Wirkung des Sinterhilfsmittels wurden Leuchtstoffkeramiken auf Basis eines Eu-dotierten Matrixmaterials der Strukturformel EAAlSiN3 hergestellt, wobei EA für ein Erdalkaliion steht. Als Sinterhilfsmittel wurden insbesondere Y2O3, YAG und AlN eingesetzt. To characterize the effect of the sintering aid, phosphor ceramics were prepared based on an Eu-doped matrix material of the structural formula EAAlSiN 3 , where EA stands for an alkaline earth metal ion. In particular, Y 2 O 3 , YAG and AlN were used as sintering aids.
Zur Bildung des Grünkörpers wurde ein Pulver des dotierten Matrixmaterials und Pulver des Sinterhilfsmittels eingewogen und trocken vermischt (homogenisiert). Die Pulvermischung wurde in einer Uniaxialpresse (Pressdruck 2 bar, 1 min) zu Tabletten (Durchmesser ~8 mm, Höhe ~4 mm) verarbeitet. Die drucklose Hochtemperatursinterung wurde in einem Graphitofen unter reduzierender Atmosphäre (1atm) bei Temperaturen zwischen 1000–1700 °C durchgeführt. Zur Charakterisierung wurde die Pulverdichte, welche der theoretischen Dichte entspricht, durch Pyknometermessungen bestimmt und mit der Dichte der hergestellten Leuchtstoffkeramik verglichen. Die geometrische Dichte (% d. theoretischen Dichte) der Leuchtstoffkeramiken, welche mit Zusatz eines Sinterhilfmittels hergestellt wurden, liegt > 70% und ist damit bis zu ~10% höher als für Keramiken ohne Sinterhilfsmittelzusatz. To form the green body, a powder of the doped matrix material and powder of the sintering aid was weighed and dry-mixed (homogenized). The powder mixture was processed in a uniaxial press (pressing
Verwendet man hohe Mengen an Sinterhilfsmittel (< 50%), so kann dies insbesondere für oxidische Sinterhilfsmittel zu einer Beeinflussung des Siliziumnitrid-basierten Leuchtstoffsystems führen. Als Folge kann eine Abnahme der Effizienz auftreten, welche bis zu 90% in Bezug auf eine Referenzprobe ohne Sinterhilfe betragen kann. Nichtsdestotrotz zeigen die Ergebnisse mit hohen Mengen an Sinterhilfsmittel, dass durch deren Zusatz Leuchtstoffkeramiken mit hohen Dichten bereitstellt werden können. If one uses high amounts of sintering aid (<50%), this can lead to an influence on the silicon nitride-based phosphor system, in particular for oxidic sintering aids. As a result, a decrease in efficiency can occur, which can be up to 90% with respect to a reference sample without sintering aid. Nevertheless, the results with high levels of sintering aids indicate that their addition can provide high density luminescent ceramics.
Ergänzend könnte dem Leuchtstoff-Oxid-Gemisch noch Si3N4 als Kompensator beigesetzt werden. Außerdem können Haltezeiten während der Sinterung verlängert werden, um bei niedrigeren Temperaturen hohe Dichten zu erreichen. In addition, the phosphor-oxide mixture Si 3 N 4 could be buried as a compensator. In addition, holding times during sintering can be extended to achieve high densities at lower temperatures.
Obwohl die Erfindung vorliegend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele beschreiben wurde, ist sie hierauf nicht beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Although the invention has been described herein with reference to various embodiments, it is not limited thereto, but variously modifiable.
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