WO2009077209A2 - Luminous element and lamp having a surface structure for creating visible light - Google Patents

Luminous element and lamp having a surface structure for creating visible light Download PDF

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WO2009077209A2
WO2009077209A2 PCT/EP2008/056087 EP2008056087W WO2009077209A2 WO 2009077209 A2 WO2009077209 A2 WO 2009077209A2 EP 2008056087 W EP2008056087 W EP 2008056087W WO 2009077209 A2 WO2009077209 A2 WO 2009077209A2
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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    • H01KELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00Details
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    • H01K1/14Incandescent bodies characterised by the shape

Definitions

  • the invention is based on a luminous element with a thermal emitter and a lamp with such a luminous body.
  • semiconductor light sources already offer high luminous efficiencies today. This is also evident in special applications where colored light is needed. However, semiconductor light sources typically require expensive ballasts and good cooling to avoid lowering the light output and lifetime due to an increase in junction temperatures.
  • thermal emitter It is easy to build and inexpensive incandescent lamps, the need to increase the effectiveness, that is to increase the luminous efficacy and reduce energy consumption.
  • One way to change the radiation behavior of a thermal emitter is the integration of this emitter in a photonic crystal having a regular structure in the size of the wavelength to be blocked, these regular structures having refractive indices which differ greatly from each other. As a result, light having a wavelength corresponding to this feature size can not propagate in the crystal, but the radiation increases in out-of-wavelength regions.
  • references EP 1575080A2 and US 2006 / 0071585A1 disclose incandescent filaments with a filament around which a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal is provided. Furthermore, a relatively broadband radiation is generated in the aforementioned two documents. In the case of an applied Bragg mirror for this broadband radiation, about 40% of the infrared radiation still leaves the luminous element. Thus, the desired increase in efficiency can not be achieved with the aforementioned luminous bodies.
  • the document US 2003 / 0235229A1 discloses a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) using photonic crystals.
  • the disadvantage here is that the emission source used is semiconductor are used, whose high production costs do not allow the use in inexpensive incandescent lamps.
  • the object of the present invention is to provide a luminous element with a thermal emitter and a lamp with such luminous element, which meet the above requirements, in particular have a high luminous efficacy and in which the energy requirement is reduced. Furthermore, this should be inexpensive to produce.
  • This object is achieved by a luminous element, a lamp and a manufacturing method according to the independent.
  • a luminous body with a substrate and an adjacent thereto preferably provided with a photonic crystal, a surface texturing or a lattice structure formed and dimensioned in such a way that substantially monochromatic, visible radiation can be generated.
  • a photonic crystal preferably provided with a photonic crystal, a surface texturing or a lattice structure formed and dimensioned in such a way that substantially monochromatic, visible radiation can be generated.
  • the invention further provides a luminous element with a laser cavity layer, on one side of which a thermal emitter is arranged and on the other side of which a one-dimensional photonic crystal is arranged in such a way that essentially monochromatic, visible radiation can be generated.
  • a luminous element with a laser cavity layer, on one side of which a thermal emitter is arranged and on the other side of which a one-dimensional photonic crystal is arranged in such a way that essentially monochromatic, visible radiation can be generated.
  • the one-dimensional photonic crystal has a plurality of dielectric layer pairs, each pair having a layer with a low refractive index and a layer with a high refractive index.
  • the thermal emitter is in one embodiment a metallic reflector layer.
  • the thermal emitter can be formed by resistance heating with low material expenditure.
  • the metallic reflector layer is applied to a ceramic carrier.
  • the electrical electrical conductor formed with high electrical resistance through the ceramic or the ceramic can be used for the transmission of heat.
  • the ceramic support may be provided opposite to the metallic reflector layer, a conductor for heating the metallic reflector layer.
  • the ceramic is an electrically insulating material, but has a good thermal conductivity. Thus, there is greater scope for variation in the design of the conductor track.
  • the thermal emitter is formed by a metallic coil body, so that a layer arrangement according to the invention can be applied to a conventional coil design.
  • This application can be done either before shaping the helical body or after shaping. In the latter case, there is the advantage that the lack of deformation after the application of the layer can prevent the layer from flaking off.
  • a further laser cavity layer is applied to the metallic coil body opposite to the laser cavity layer. In this way, by means of radiation to both sides, the light output can be increased.
  • the thermal emitter is preferably formed substantially as a flat surface or substantially as a rotationally symmetric surface. In this way, a coating is possible in a simple manner.
  • the luminous element has a substantially rectangular conductor cross-section. This favors the use of metallic conductors to perform the resistance heating.
  • the filament is designed as a filament, so that conventional filament are replaceable for the invention.
  • the luminous element is embodied conically, so that an areal radiation can take place.
  • the illuminance emanating from the luminous element can be increased.
  • the luminous element may be designed in the form of a disk, which runs perpendicular to the feed sections. In this way, it is facilitated that a planar radiation can be provided at right angles to a lamp cap.
  • the luminous element may have the shape of a spherical surface in sections. This facilitates a homogeneous brightening of a room area.
  • a resistance heating element of the thermal emitter may have meandering at least in sections, so that a large conductor length can be implemented on a small area.
  • the thermal emitter may be spaced to a plate having the laser cavity layer and the photonic crystal, so that higher temperatures in the thermal emitter without destruction of the layer structure can be implemented.
  • the thermal emitter may be applied to a plate having the laser cavity layer and the photonic crystal. As a result, the manufacturing process for planar formation of the layer structure can be facilitated.
  • a lamp with a luminous element as described above, is also provided.
  • This lamp has an increased light output.
  • Such a lamp may further comprise a lamp body, on the light-emitting region of which a converter layer is provided for converting part of the radiation into the complementary color.
  • a converter layer is provided for converting part of the radiation into the complementary color.
  • a gas such as nitrogen, may be provided for oxidation protection in the lamp body.
  • a one-dimensional metallo-dielectric, photonic crystal of metal layers and layers with a small refractive index or particle films with a one-dimensional photonic crystal In this way, part of the radiation can be absorbed by metal layers and the photonic crystal can simultaneously be used as a reflector. act reflector for the wavelength at which the emission of the radiator is maximum.
  • a metal layer or a semiconductor layer is provided on the side opposite the one-dimensional photonic crystal between a substrate and the laser cavity layer as an emitter on a one-dimensional photonic crystal.
  • the absorption in the metal layer is equal to the transmission through the reflector by the oppositely provided photonic crystal, in order to allow an optimized emission behavior.
  • the semiconductor layer hot electrons can form on the surface due to the formation of surface plasmons, so that the thermal equilibrium is not locally present and a blasting is possible.
  • a luminous body for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a substrate and a one-dimensional photonic crystal, to which a metal or particle layer adjoins, wherein the one-dimensional photonic crystal between the substrate and the metal or particle layer or on the to the substrate opposite side of the metal or particle layer is arranged.
  • the one-dimensional photonic crystal has low refractive index layers and high refractive index layers, and the thickness of the high refractive index layers is between two Low refractive index layers is twice the layer thickness as the thickness of the low refractive index layers. In this way and through the choice of material with regard to the resonance at shorter wavelengths than infrared light, the emission can be maximized.
  • a luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation is formed with a substrate and a partially transparent reflector layer, opposite to which a substrate is provided, wherein preferably a thicker than the partially transparent reflector layer reflector layer between the resonator and substrate is provided.
  • a one-dimensional photonic crystal is arranged as a filter for suppressing unwanted emission peaks on the partially transmissive reflector layer. In this way, the number of maxima in the spectrum that would occur without photonic crystal can be reduced.
  • a luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a substrate and a layer system which forms a one-dimensional photonic crystal and has pairs of layers of a layer of dielectric and an emitter layer, wherein the emitter layer is a volume layer is of a transition metal, a noble metal or a semiconductor or a particle layer, and the dielectric is selected to be substantially transparent to visible light at the emitter temperature.
  • the emitter layers can preferably also be used as heating elements, so that an advantageous thermal behavior can be implemented.
  • the emitter layer is preferably a particle layer with a metal layer for resistance heating, so that the heating and the formation of an electrical contact via the particle layer can be combined in a small space.
  • the emitter layer is a particle layer with metallic nanoparticles having a diameter in the range of approximately 5 nm to 1 ⁇ m, whereby a special adaptation for the emission in the visible range is present.
  • the substrate can be flat or have a rod-shaped core, whereby a flat or cylindrical luminous element can be realized depending on the desired application.
  • a luminous element for generating a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate and adjacent to this provided structure, which is formed in such a way surface plasmon can emit light due to the structure. Even though Surface waves normally produce no radiation can thus be caused due to the thermally excited surface plasmons, a light emission.
  • the substrate metal is preferred and the structure comprises dielectric in such a way that the wave vector of the surface plasmids of the metal-dielectric interface is equal to the wave vector of the photon in the dielectric. Thus, light can be emitted.
  • the substrate preferably has tungsten or a coated insulator or semiconductor or ion conductor, so that use in low-voltage lamps, a thermally favorable design of the filament or a simple coating can be implemented.
  • the structure preferably has stripes, grids, spots or particles, whereby a simple manufacture is possible.
  • the formation of the structure by the vapor deposition with particles can be achieved at an irregular distance as the emitted light color white.
  • the particles may be coated with a dielectric, so that protection against damage by surface and volume diffusion is made.
  • the particles may be embedded in a dielectric to which a one-dimensional photonic crystal has been applied, thereby improving the selectivity of the radiation of the lamp. Furthermore, it is preferred if a cavity is provided between coated particles of the structure and a metal layer, so that a defined emission peak in the visible range can be realized.
  • a luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate and adjacent thereto provided particle lattice layer, which forms a photonic crystal, whereby a simple manufacturing process can be used.
  • the particle lattice layer may comprise beads of a refractory material which are coated with a dielectric, and the refractory material may have a high refractive index contrast to this dielectric, so that due to the spherical shape as the lowest energy form the coating is permanently provided.
  • the beads are made of tungsten in one application, and the dielectric has Al 2 O 3 , SiO 2 or HfO 2 so that widely used materials can be used with the associated low cost.
  • the particle lattice layer can be face centered cubic, body centered cubic or the hexagonal closest packing, so that a high absorption or emission coefficient in the visible range can be realized.
  • the particle lattice layer has in an embodiment spherical spaces, preferably in cubic face-centered arrangement with a small refractive index, of surrounded by a material of high refractive index.
  • spherical spaces preferably in cubic face-centered arrangement with a small refractive index, of surrounded by a material of high refractive index.
  • the spheres preferably have a dielectric with a low refractive index, for example Al 2 O 3 or SiO 2, such that interconnected regions can be converted from the dielectric with a small refractive index.
  • a dielectric with a low refractive index for example Al 2 O 3 or SiO 2
  • a manufacturing method for a luminous body for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate and adjacent to this provided particle grid layer forming a photonic crystal comprising the steps of a) providing a substrate, b) applying the particle lattice layer on the substrate, c) compacting the elements of the particle lattice layer, d) sintering the coating on the elements of the particle lattice layer.
  • step d remaining cavities between the elements of the particle lattice layer are filled with a dielectric of low refractive index, in order to prevent destruction by surface diffusion.
  • the densification in step c) can be carried out by sedimentation or controlled drying of a colloidal sphere dispersion in order to permanently provide the structure.
  • step b) and before step c) stripping off protruding elements of the particle lattice layer can take place in order to ensure a regular structure.
  • FIG. 1A shows a top view of a lamp with a luminous element according to the present invention
  • FIG. 1B shows a sectional view from the left of the lamp from FIG. 1A
  • FIG. 1C shows a top view of the lamp of FIG. 1A according to the present invention
  • FIG. 2 shows the layer structure of a first filament according to a first sub-variant of the first embodiment of the first embodiment
  • FIG. 3 shows the layer structure of a second luminous element according to the first sub-variant of the first embodiment of the first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows the layer structure of a third luminous element according to the first sub-variant of the first embodiment of the first exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows the layer structure of a fourth filament according to the first sub-variant of the first embodiment
  • 6 shows the layer structure of a luminous element according to a second and third embodiment of the first sub-variant of the first embodiment
  • 7 shows the layer structure of a luminous element according to a fourth and fifth embodiment of the first sub-variant of the first exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows the layer structure of a luminous element according to a second sub-variant of the first exemplary embodiment
  • FIG. 9 shows the layer structure of a luminous element according to a third sub-variant of the first exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows the layer structure of a luminous element according to a fourth sub-variant of the first exemplary embodiment
  • 11A to 11C show details of a particle layer in the first embodiment
  • FIG. 20A shows a detail of the coated surface with a layer of cubic surface-centered, coated spheres according to the fourth exemplary embodiment
  • FIG. 20B shows a specific embodiment of the coating from FIG. 20A, FIG.
  • Figs. 21A to 28B are examples of use of the luminous bodies according to the first to fourth embodiments
  • Figs. 21A to 21C show a first application example
  • Figs. 22A and 22B show a second application example of the invention
  • Figs. 23A and 23B show a third application example of the invention
  • Figs Fig. 24 shows a fourth application example of the invention
  • Figs. 25A and 25B show a fifth application example of the invention
  • Fig. 26 shows a sixth application example of the invention
  • Figs. 27A and 27B show a seventh application example of the invention
  • Figures 28A and 28B show an eighth application example of the invention.
  • one-dimensional photonic crystals are used in such a way that, preferably exclusively, a desired, visible radiation is generated.
  • No body emits more electromagnetic energy at the same temperature than a black body. This means that lamps provided with photonic crystals emit less energy overall. Due to the photonic crystals, a radiator can selectively suppress certain wavelengths. Thus, the ratio of usable radiation in the visible range to loss radiation, e.g. in the infrared range.
  • Photonic crystals block the propagation of radiation within a bandgap in certain spatial directions. If these crystals are suitably connected to the thermal radiator, then no radiation of the wavelengths in the locked frequency range can be emitted in the spatial directions with band gap. With obliquely incident radiation on flat layer systems, the blocked wavelength will change. On the other hand, there is no longer any effect on radiation parallel to the layers. Surface textures and grids on a thermal emitter can also enhance certain wavelengths relative to others by interacting with the surface plasmons present in the thermal emitter, for example, and thus positively alter the selectivity of the emitter. In this case, selective radiators, regardless of whether they have photonic crystals or surface structures, have very fine structures in the size range of the wavelength, for example 0.3 micrometers for visible light.
  • the thermal radiation requires emitters which are as hot as possible, since the sum of the radiated energy is proportional to T 4 according to the Stefan-Boltzmann law.
  • the usable radiation compared to the loss radiation can be significantly higher.
  • the ratio of usable radiation compared to the loss radiation with respect to "ordinary" thermal radiators may be better by a factor of 10.
  • the emitted radiation amount at half emitter temperature is, for example, only 1/16.
  • the speed of the processes discussed above increases with temperature, with the increasing number of voids and voids in solids different sizes of building blocks (eg atoms) of two adjacent layers and with decreasing cohesive forces.
  • the diffusion processes can destroy these structures within a very short time (eg a few hours) and thus reset the effectiveness of the luminous element to that of a "normal" emitter.
  • the temperature of the lamp should be as high as possible, but not higher than about 30% to 70% of the melting temperature of the material in order to substantially prevent diffusion. The reason for this is that the surface diffusion starts at about 30% of the melting temperature and the volume diffusion begins at about 45% of the melting temperature. At higher temperatures, the life of the lamp is increasingly reduced.
  • the temperature of the photonic radiator should therefore always be lower than the temperature of "ordinary" thermal radiators with the same material and lifetime
  • structures in the metal can be destroyed very quickly by recrystallization.
  • An example is a tungsten filament, which is caused by surface diffusion in the drove slowly to become a single crystal with crystalline surfaces.
  • photonic radiators should tend to have larger surface areas because the photonic crystal can not always fully compensate for the effect of the lower temperature.
  • the photonic emitter will very often require good vacuum insulation in the lamp. Shielding gas fillings with higher pressures slow down the destruction of the luminous element, but on the other hand lower the luminous efficacy.
  • Small structures should be shaped so that their function remains even after the formation of any crystal surfaces by surface diffusion. For example, round shapes can become polygons.
  • a special problem area is the coating of the substrates. This can be done only in special cases before a subsequent deformation, as in the deformation, the structures can be damaged and can build up voltages that are degraded by recrystallization in later operation and the photonic Damage structure. That's why it's from Advantage if the substrates are annealed prior to coating. On the other hand, it is often impossible to subsequently coat any substrates (eg helix) evenly. For this reason, simple substrate shapes are advantageous.
  • one-dimensional photonic crystals also has an effect on the lamp in which such a luminous body is arranged.
  • the lamp can not produce white light.
  • the light distribution unlike Lambert radiators, can be strongly angle-dependent.
  • a reflector an auxiliary lens or diffuser materials should be arranged in or on the lamp housing,
  • Converter materials in the lamp housing for converting part of the radiation into the complementary color should be provided in or on the lamp housing,
  • a contact protection usually in the form of a lamp housing
  • oxidation protection e.g. Vacuum or nitrogen filling
  • FIGS. 1A to 1C show views of a lamp in which a luminous element according to the invention is used.
  • a lamp has a lamp 4 with a lamp base 6 with pinch seal and a reflector body 8, in which the luminous element 2 is located.
  • two base pins 10a, 10b are embedded, which are connected via molybdenum foils 12a, 12b with power supply lines 14a, 14b, to which the electrical contacts of the filament 2 are fixed and the filament 2 is mechanically held.
  • the reflector body 8 has a reflective coating 16 on its side facing the luminous element 2 and is provided with a diffuser layer 20 at its light exit region 18, which is surrounded by the reflective coating 16, and with a converter layer 22 for converting part of the radiation into provided the complementary color.
  • oxidation protection for the hot components of the interior of the reflector is provided with a gas filling, for example with a nitrogen filling.
  • the lamp shown in FIGS. 1A to 1C has a pump tip 24.
  • a master lens can also be provided on the entire body.
  • substantially visible, monochromatic light for example with a wavelength of 400 or 500 nanometers, can be generated and emitted in a directionally directed manner.
  • the carriers i. thermal emitter or substrates, for one-dimensional photonic crystals, the following boundary conditions are to be observed.
  • Plane and rotationally symmetric bodies can be evenly coated in PVD systems, whereby rotationally symmetric bodies are rotated.
  • the total radiant energy should as far as possible be delivered in the usable wavelength range, i. for lamps in the range> 1.6 eV to about 3.3 eV).
  • the light should be distributed so that it depends on the application, e.g. at a light spot, is bundled in the zones to be illuminated.
  • the emission of monochromatic light in defined angles of emission may be due to the coupling of the light to the emitter u.a. via laser-like structures with a resonator or via surface plasmons / surface phonons.
  • surface waves may arise at the interface of a photonic crystal (e.g., a Bragg mirror).
  • the wavelengths at which this can happen lie in the stop band of the photonic crystal, where it has a high reflectivity.
  • the surface waves are dependent on the angle of incidence / emission angle of the radiation.
  • the wavelength range of the stop band can be changed for the materials to be used by adjusting the layer thicknesses.
  • the layer thicknesses can be calculated, for example, at the Internet address http: // ab initio.mit.edu / wiki / index.php / WITH Photonic Bands.
  • polar materials e.g. SiC or NaCl
  • SiC or NaCl which are held together by ionic bonds
  • ionic bonds can be used to produce surface waves similar to metals.
  • the same phenomena occur as with metals with surface structure, i. selective emission at certain wavelengths and angles.
  • the wavelengths of surface phonon polaritons are usually in the long-wave infrared range because the lattice vibrations are sluggish.
  • the US Pat US Pat. No. 20060186357 the US Pat US Pat. No. 20060186357.
  • the layer system according to the first embodiment of the first embodiment has a highly reflective substrate from the basic structure, an overlying dielectric cavity and thereon a Bragg mirror with a finite layer number.
  • a highly reflective substrate from the basic structure, an overlying dielectric cavity and thereon a Bragg mirror with a finite layer number.
  • the high-reflection metallic substrate is e.g. from Ag or W.
  • the reflector acts as an emitter, because according to Kirchhoff the emission at one wavelength and direction is equal to the corresponding absorption and the absorption is the complement of the reflection to 1.
  • the substrate thus represents a lossy mirror.
  • the dielectric cavity may, for example, have a thickness of approximately 0.78 ⁇ m and has a similar effect to a Fabry-Perot resonator in which the light is reflected several times between two parallel planar or curved mirrors. Each reflection on the denser medium causes a phase shift of 180 °. The reflected rays interfere with each other. By suitable mirror adjustment, a resonator mode can be amplified.
  • the dielectric cavity By combining the dielectric cavity with the one-dimensional photonic crystal, the wavelengths outside the resonant wavelength are suppressed, while the resonant wavelength is amplified, so that the cavity is virtually lossless.
  • the one-dimensional photonic crystal is designed so that ⁇ , ie the wavelength at which the emission of the radiator is to become maximum, is in the stop band and thus represents a practically lossless mirror for ⁇ . Nevertheless, because of the finite number of layers, a small part of the energy is transferred.
  • the one-dimensional photonic crystal with cavity system can also be considered as a photonic crystal with a defect.
  • the layer thicknesses of the photonic crystal can be as already mentioned e.g. at the Internet address http: // ab-inibi ⁇ .mit. edu / wiki / index .php / Calculated with Photon Ic Bands. Depending on the refractive index of the layers, these layer thicknesses are approximately ⁇ / 4n for the high / low refractive index layer. For other wavelengths and materials of the thermal emitter, e.g. the number of layers can be reduced so that the transmission through the upper Bragg mirror is adapted to a possibly higher absorption in the metallic emitter.
  • the one-dimensional photonic crystal is mathematically adjusted.
  • a special feature of visible light is that the dielectrics of the photonic crystal should be transparent to the visible light at the operating temperature of the radiator. Si is therefore unsuitable. SiO 2, Al 2 O 3, MgO, etc. are therefore preferred for the dielectric having a low refractive index.
  • the material of the dielectric having a "high" refractive index is preferably a metal, such as Ag, W, Mo, or ceramic, such as TiO 2, Fe 2 O 3, V 2 O 3 , Si3N 4 , etc.
  • the cavity can be made of the same material as the low-refracting dielectric, eg, Al 2 O 3.
  • the layer thickness d of the cavity is adjusted in accordance with the wavelength ⁇ , at which the emission of the radiator is to become maximum and is dependent on the Refractive index n reso n ato rM ed i u m of the cavity preferably about m * ⁇ / (2n Resonat orMedium) r where m is an integer.
  • a metallic lossy reflector is needed, which still has a very high reflection at the wavelength ⁇ with a defined small loss factor.
  • the loss in the lower reflector and the cavity should be so large that it corresponds to the radiated energy through the upper reflector (critical coupling).
  • the requirements are lower because the radiated bandwidth may be greater.
  • the purely metallic reflector used in conventional spotlights according to the VERTE principle can therefore be replaced by the following alternatives in the first embodiment of the first exemplary embodiment:
  • the substrate may have a deviating from a metallic body design
  • metallo-dielectric metallo-dielectric
  • photonic crystal One or more thin metal layers absorb part of the radiation and can also act as an emitter when heated, the photonic crystal simultaneously acting as a reflector for wavelength ⁇ .
  • Particle films combined with a one-dimensional photonic crystal
  • the particle films emit or absorb a defined part of the radiation, while the Bragg mirror takes over the task of reflection.
  • one-dimensional photonic crystal (reflector) and a semiconductor with a suitable electric band gap one-dimensional photonic crystal (reflector) and a semiconductor with a suitable electric band gap.
  • FIGS. 2 to 5 show the layer structure for the luminous element according to this first sub-variant of the first exemplary embodiment of the invention
  • FIGS. 21a to 29c show a first to eighth application example for the luminous elements with a layer structure according to the invention.
  • Each luminous element according to FIGS. 2 to 5 has the basic structure in which a thermal emitter with a high reflection coefficient is provided with an active layer on which there is a layer system which has layers of alternatingly high and low refractive index.
  • This layer order implements the following basic function:
  • the thermal emitter would emit radiation as a Planckian radiator in a wide wavelength range. Due to the provided active layer, which is preferably a dielectric medium and which has a predetermined Has layer thickness, builds up a standing wave, which corresponds to a corresponding electromagnetic field. This electromagnetic field interacts with the actual quantum source in the thermal emitter (plasmons, molecular dipoles, lattice waves, or others), coupling the quantum well to the existing electromagnetic field. As a result, only synchronously with the existing electromagnetic field radiation can be emitted, that is synchronous with the frequency corresponding to the size of the active layer.
  • the provided active layer which is preferably a dielectric medium and which has a predetermined Has layer thickness
  • the layer system is provided on the side of the active layer opposite the thermal emitter, which can act as a Bragg mirror in the form of a partially transmissive mirror.
  • the two sides of the active layer are provided with a good mirror.
  • This can be implemented, for example, by a metallic surface on the thermal emitter on one side.
  • a partially transmissive mirror which has a high reflectivity (for example 99%) for the desired radiation.
  • the thermal emitter has a metallic reflector layer 26 applied to a resistance heating element, which has a high reflection coefficient.
  • the reflectance is preferably more than 90%, for which a high surface quality is necessary.
  • the thermal emitter is part of a metallic filament, whereby both the resistance heating and the reflection function are converted by this filament.
  • the active layer is preferably a laser cavity layer whose thickness depends on the wavelength and is, for example, 170 nanometers. It is preferred that the thickness of the cavity layer is about ⁇ / 4, where ⁇ is the wavelength at the bandgap.
  • the material used is preferably a transparent material with the lowest possible absorption rate and a defined permeativity.
  • the refractive index of this laser cavity layer should be small. To reduce the loss of a laser cavity layer, this can also be designed in two layers.
  • the thickness of the laser cavity layer determines the wavelength of the light emitted from the luminous element, which is based on the electromagnetic field, which represents a half-wave of the radiation.
  • the layer system is a one-dimensional photonic crystal and has layers with alternately high and then low refractive index.
  • the layer with high For example, refractive index applied to the thermal emitter may be made of silicon or diamond and may have a thickness of, for example, 35 nanometers.
  • the low refractive index layer which adjoins the high refractive index layer may, for example, be made of silicon dioxide and have a thickness of, for example, 80 nanometers. With respect to a bandgap at a wavelength ⁇ , it is preferable to select the thickness of the layers each about ⁇ / 4.
  • a multiplicity of these double layers are located on the active layer in FIGS. 2 to 5.
  • the layer system is similar to the layer thickness and the material selection of an infrared reflection layer in conventional lamps. This layer reflects light, which attenuates interference of certain wavelengths.
  • the layer thickness is adapted to the desired wavelength. For visible light, a thickness range of 30 to 150 nanometers has proved to be favorable. Due to the similarity to the infrared reflection layer, the layer system can be manufactured on IRC (infrared coating) coating systems.
  • FIG. 2 shows the cross section through a luminous element, in which the metallic reflector layer 26 is applied to a ceramic substrate 28, which is produced, for example, from Al 2 O 3, AlN or other substances.
  • the reflector layer 26 is heated by resistance heating by the ceramic carrier 28 to a certain temperature, for example to 1200 Kelvin.
  • the ceramic carrier is made of a material with a high electrical derstand, for example SiC, and can therefore be connected directly to a power supply.
  • the thermal emitter comprises the metallic reflector layer 26, which, for example, is made of tungsten, silver, molybdenum, nickel, iron or the like, as in the first exemplary embodiment, and the ceramic carrier, which is produced, for example, from Al 2 O 3, AlN or others , on.
  • a conductor track 36 is provided on the side opposite the metallic reflector layer 26, over which the resistance heating is carried out.
  • the ceramic carrier 34 is an electrically insulated material with good thermal conductivity.
  • the conductor track 36 has a sufficient length and a sufficient cross-section to carry out the resistance heating.
  • the laser cavity layer 30 and the layer system 32 with layers of high refractive index and with layers of low refractive index are located on the metallic reflector layer 26.
  • the luminous element according to FIGS. 4 and 5 is a luminous element for relatively lower voltages.
  • the thermal emitter is replaced by a metallic body, in particular from gangsten or precious metal, preferably formed by a helix 38, through which the heating function and the reflection function is implemented. It is preferred if the helix 38 is made of molybdenum or tungsten.
  • the helix 38 is made of molybdenum or tungsten.
  • a luminous body is provided in which the layer system 32 does not chip off during mechanical deformation. This can be implemented advantageously in particular when the coil 38 is wound from a metal strip and then the coating process is carried out. Alternatively, first the coating of the helix 38 can be made and then the luminous body can be formed.
  • a laser cavity layer 30 and a layer system 32 are respectively applied to the opposite sides of the filament 38.
  • another metallic body of transition metal or noble metal for example molybdenum, Ag, W, may also be provided as substrate and emitter. With such a coating, the luminous efficacy of the luminous element increases. On the other hand, the safety requirements increase against the chipping of the layer system from the helix.
  • a layer system 32 of high refractive index layers and low refractive index layers is provided on a laser cavity layer 30.
  • the structure on the opposite side of the laser cavity layer to the one-dimensional photonic crystal differs.
  • a second sub-variant of the first embodiment of the first embodiment is shown.
  • this sub-variant is a radiator for a wavelength ⁇ at which the emission of the beam is to be maximum, in the visible range, wherein a me- tallo-dielectric photonic crystal is used as a lossy emitter.
  • the substrate 40 may be metallic at low supply voltage, for example from W. At higher supply voltage, it is preferably electrically insulating or provided with a high electrical resistance, for example, the substrate is ceramic. In question are electrically insulating ceramics such as Al 2 O 3 or AlN.
  • the emitter is then heated only via thin metal layers on the substrate 40. In this case, high supply voltages can be used.
  • ceramics with high electrical resistances at operating temperature can be used, for example, ion conductors.
  • high supply voltages must then be selected.
  • the substrate is coated on both sides with both the one-dimensional crystal and the laser cavity layer in order to reduce the losses.
  • a one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal 41 On the substrate 40 is a one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal 41 with a band gap at ⁇ , wherein the layer thicknesses are about ⁇ / 4n.
  • this one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal is a layer sequence of a layer 41a with a low refractive index, for example of Al2O3, and a metal layer 41b whose thickness is smaller than the skin depth and whose material is preferably a transition metal.
  • the opposite end faces of the layers of the one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal 41 are provided with the electrical contacts 42 for these emitter layers. Optionally, these are also provided for the substrate during resistance heating.
  • TiO 2 is preferably used, while for the low refractive index layer, preferably Al 2 O 3 is used.
  • the structure of the third sub-variant of the first embodiment of the first embodiment corresponds to the in Fig. 6 shown construction of the second sub-variant of the first embodiment of the first embodiment.
  • the metal layers are replaced by particle layers.
  • the particle diameter is below the wavelength ⁇ , at which the emission of the radiator should be maximum.
  • FIG. 7 shows the fourth sub-variant of the first embodiment of the first exemplary embodiment, in which, instead of the one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal, a thin metal layer 43 is provided as emitter on a one-dimensional photonic crystal 44.
  • the upper reflector 32 and the laser cavity layer 30 correspond to the configuration in the second and third subvariants.
  • the one-dimensional photonic crystal 44 having a bandgap at the wavelength ⁇ is provided in such a manner that the high refractive index layer 32a is in contact with the substrate 40 and is followed by the low refractive index layer 32b the latter also being adjacent to the metal layer 43.
  • the metal layer 43 is made of transition or noble metal having a thickness that is so large that the absorption in the metal layer is equal to the transmission through the upper reflector 32.
  • the electrical contact 42 establishes the electrical connection to the substrate 41 and / or to the metal layer 43.
  • the structure of the fourth sub-variant is modified in the fifth sub-variant so that instead of the metal layer 43, a semiconductor layer is used, which acts as an active medium.
  • a semiconductor layer which acts as an active medium.
  • the thermal pumping of a laser medium is not possible because it can not be produced in the active medium at thermal equilibrium because of the Bolzmann distribution. Due to the formation of surface plasmons, however, hot electrons can form on the surface. The thermal equilibrium is then temporarily absent locally. In this way, replacement of the purely metallic reflector in the VERTE principle can now be converted to visible light when irradiated.
  • Such a layer system is, as shown in Fig. 8 in cross section, adapted for visible light. It should be noted that the representation is not true to scale lent and the number of layers of the photonic crystal is shown reduced. More specifically, on a substrate 40 according to the first embodiment of the first embodiment, a one-dimensional photonic crystal 45 having a low refractive index dielectric 41a adjacent to the substrate 40 and a high refractive index dielectric 41b at the opposite end portion is deposited. The thickness of this layer of high index nielectric 41b is approximately ⁇ / 8 * n, which is also the thickness of said layer of low refractive index dielectric 41a. Between the layers of the low refractive index dielectric 41a in the photonic crystal 45 are the layers of the high refractive index dielectric 41b as double layers.
  • a metal or particle layer 43 is provided according to the first embodiment of the first embodiment with a thickness between 10 and 500 nm.
  • the metal or particle Layer 43 is driven via an electrical contact 42.
  • a one-dimensional photonic crystal with a metal or particle layer are arranged on the opposite side of the substrate.
  • the structure in the aforementioned document is adapted accordingly, wherein instead of SiC, a polar material with resonances at shorter wavelengths is used for the metal or particle layer 43.
  • Metals such as Ag and, because of the temperature resistance, transition metals such as W can be used.
  • the bandgap of the underlying photonic crystal 45 is matched by correspondingly thinner layers.
  • the dielectric having a high refractive index is a ceramic, for example, as in the first embodiment of the first sub-variant, while comparable materials can likewise be used for the second dielectric with the first embodiment of the first sub-variant.
  • the heating of the layer system according to the second sub-variant is preferably carried out by conductive substrates and the metal or particle layer.
  • a layer system according to the third embodiment of the first embodiment is not shown to scale and with a reduced layer number of the photonic crystal.
  • This layer system is similar to a layer system for infrared radiation from the document "Design and fabrica- tion of planar multilayer structures with coherent thermal emission characteristics", BJ Lee and ZM Zhang, Journal of Applied Physics 100, 063529 (2006).
  • the one-dimensional photonic crystal 46 is deposited on a substrate 43 which was SiC in the above-mentioned literature but is adapted to the visible light in the present invention.
  • the band gap of the photonic crystal in this literature source is the phonon absorption band of the SiC in the infrared region. Upon absorption of incident radiation or thermal emission, surface waves with corresponding consequences are formed at the interface of the photonic crystal to SiC.
  • the layer structure of both the photonic crystal 46 and the metal or particle layer is modified for shorter wavelengths.
  • the stop band of the photonic crystal was adjusted by correspondingly thinner layers as in the second embodiment of the first embodiment.
  • the stopband then lies with the resonances in the visible range. More specifically, on the substrate 40, which may be provided according to the first aspect of the first embodiment, one is already in the The first embodiment described metal or particle layer 43, the thickness of which is preferably in the range of about 10 to 500 nm and which is connected via electrical contacts 42.
  • the one-dimensional photonic crystal 46 with low refractive index layers 46a and high refractive index layers 46b, with the high refractive index layers 46b on the opposite sides in a thickness of approximately ⁇ / 8n. however, are provided between the double-thickness small-refractive-index layers 46a and the thickness of the low-refractive-index layers 46a is also about ⁇ / 8n.
  • the substrate material should support plasmons in the visible wavelength range. This is basically in
  • bulk plasmas in particle layers can be a solution.
  • a layer system according to the fourth embodiment of the first embodiment is not shown to scale and with a reduced layer number of the photonic crystal.
  • This layer system is similar to another layer system for infrared radiation, which is also described in the document "Design and fabrication of planar multilayer structures with coherent thermal emission characteristics", BJ Lee and ZM Zhang, Journal of Applied Physics 100, 063529 (2006) is.
  • the layer system according to the fourth embodiment of the first embodiment has a cavity acting as a resonator 47, between two reflector layers, a thick reflector layer 48 between the resonator 47 and provided in accordance with the preceding embodiments substrate 40 and a thin reflector layer 49 on the of the Substrate 40 facing away from, is arranged, wherein the one thin reflector layer 48 has a certain transmission due to their smaller thickness.
  • the layer system according to the fourth embodiment of the first embodiment corresponds to a Fabry-Perot system, so that a design should also be done accordingly.
  • the reflector layers 48, 49 are preferably made of silver.
  • the thickness of the partially transmissive thin reflector layer 49 is preferably in the range of 10 to 20 nm, more preferably about 15 nm, while the substantially opaque reflector layer 48 has the function of a substrate, and preferably has a thickness in the range of about 1 to 2 ⁇ m.
  • the thin reflector layer 49 preferably emits approximately ⁇ of the radiation of the resonator 47 and the thick reflector layer 48 reflects the remaining 1 ⁇ of the radiation.
  • the electrical contact with both the thick and the the thin reflector layer 48, 49 takes place via electrical contacts 42.
  • the thin reflector 49 is relatively unselective, several maxima occur over a wide range in the spectrum.
  • the maximum transmission and absorption in the substrate takes place at a thickness D of the resonator 47 of approximately
  • n is the refractive index of RESO natorMedium Resonatormedi- killed
  • the wavelength at which the emission of the radiator is to be maximal
  • m is an integer
  • the material of the reflector layers 48, 49 other noble metals than silver can be used. Alternatively, transition metals such as W can be used.
  • the quality factor for the different reflection values of the mirrors has to be adapted.
  • a one-dimensional photonic crystal (not shown in FIG. 10) may be applied to the thin reflection layer 49 as a filter.
  • the thick reflector layer 48 should not be used, so that in this case the resonator 47 may be applied directly to the substrate 40.
  • the respectively identical layer arrangements can be provided on the opposite side of the substrate 40.
  • This layer system has, for example, 11 pairs of layers each having an emitter and a dielectric.
  • both materials have a dielectric function suitable for the visible wavelength range, and the contrast of the refractive indices of the two layers should be sufficient for the emission of visible light.
  • SiC silicon or a semiconductor with a large band gap
  • Al 2 O 3 as the dielectric
  • the layer system from the above-mentioned document amplifies the emission of radiation in the desired, eg visible, wavelength range in comparison to the remaining, eg infrared, wavelength range, between which there is a transition wavelength range.
  • the location of this transition from low to high emission can be adjusted by the choice of material and the thickness of the layers of the layer system.
  • silver as the emitter layer with a thickness of 10 nm and of Al 2 O 3 as a dielectric, the emissivity increases very sharply from a wavelength of about 700 nm up to a wavelength of about 400 nm.
  • the emission coefficient becomes due to interference effects in the layer relative to the normally thicker emitter layers obtained using a Silver plate can be, for example, lmm, reinforced, in the visible range to five times.
  • the top emitter layer is not affected by the photonic crystal, while deeper layers are more "filtered".
  • Such a one-dimensional emitter system has, among other things, the advantage of a simple layer structure, a heatability of the thin emitter layers with corresponding contacting directly via the electrical resistance and little significance of surface diffusion processes in comparison with e.g. to surface-structured luminous bodies. Surface diffusion processes proceed faster than volume diffusion processes at the same temperature and material. Surface diffusion allows emitters to be destroyed faster.
  • the above layer system consists of more than two types of material.
  • the combination of one or more emitters for example, made of metal or semiconductor, with one or more dielectric layers acting as non-emitters is possible.
  • the layer sequence may also be irregular, such as, for example, the layer sequence emitter-non-emitterl-emitter-non-emitter2-non-emitter2.
  • a layer with partially isolated particles may be applied.
  • particles with diameters which are in the range of the wavelength and can be smaller than the wavelength light plasmons (Mie plasmon) can be formed when light is irradiated, which become particularly strong near the plasmon resonance frequency of the particle.
  • the plasmon vibrations cancel out after about 10 ⁇ 13 s due to the loss of material.
  • the radiation energy is converted into heat, whereby the absorption coefficient increases at this wavelength.
  • the underlying mechanism has been known since Gustav Mie.
  • the optimal diameters for the imaginary wavelengths can be determined, in which the absorption and thus according to Kirchhoff At higher degrees of coverage (greater than a percolation threshold of approximately 50%), these layers become electrically conductive throughout and can thus be heated directly by resistance heating, but the layer consists of individual layers Partially interconnected particles and islands The particles may be incorporated into a dielectric, ie, after vapor deposition of the particles, they are covered by a dielectric layer.
  • the diameter of the particles or the layer thickness is in the range of less than 1 nm to about 500 nm.
  • the particles can be given a round shape by annealing after the vapor deposition.
  • the shape and size of the particles has an influence on the resonance frequency and the resonance width of the plasmons. There is thus a possibility of optimizing the emission characteristic of the emitter layer for the visible region.
  • Particle layers in glass are also used for polarizers. However, elongated particles are preferred for this purpose.
  • particle layers can be used, which is illustrated below with reference to the sectional views of FIGS. IIA, IIB and HC.
  • respective particle layers 124 are provided between two dielectric layers 126.
  • particles 127 are provided in a dielectric.
  • These particles 127 are preferably metallic nanoparticles with a diameter in the range of approximately 5 nm to 1 ⁇ m, which are made, for example, of a noble metal or a superalloy. are transition metal. Particle distance and diameter optimized for optimal emission in the visible light range.
  • the dielectric 125 has a low refractive index with respect to the highest possible contrast with the refractive index of the particles 127, so that the material of the dielectric layer 126 should have a high refractive index.
  • FIG. IIA shows a state of the particle layer 124 in which the percolation threshold has not yet been reached.
  • the entire layer system should e.g. be heated from the substrate.
  • the percolation threshold is exceeded in the depth of the drawing, so that an electrical contact is established via the particle layer 124.
  • the modified particle layer 124a now has the particle layer 124 with particles 127 of Fig. HA, on one side of a thin metal layer 128, preferably with a thickness in the range of 5 to 30 nm, is applied.
  • This metal layer 128 can also be used for resistance heating, so that such a modified particle layer is connected to the electrical contact.
  • the abovementioned layer systems are preferably produced by alternately vapor-depositing a substrate, for example by means of a PVD method, with the emitter layer and the dielectric layer.
  • a layer system according to the invention as described above is produced as follows:
  • a substrate made of a material having a high melting point, a dielectric such as Al 2 O 3, HfO 2 , ZrO 2 , MgO, etc., or an el.
  • Conductor such as tungsten, TiB 2 is provided.
  • the substrate may include electrical traces in or on the surface with which it is brought to operating temperature by el. Resistance heating.
  • the substrate has at least the thickness and mechanical strength required by the further manufacturing process, for example a thickness of 0.5 to 1 mm.
  • the shape of the substrate is adapted to the possibility of uniform coating. Examples are simple surfaces, such as flat surfaces and cylinders, or, for example, spherical surfaces.
  • the substrate is vapor-deposited with the layer system of emitter and dielectric.
  • suitable metals or semiconductors with sufficient bandgap are used. Suitable metals from this point of view are silver or gold, but their low melting point is unfavorable. While other metals, such as e.g. W, Mo, Ni, V, unfavorable dielectric data. However, these can be compensated by the use of a suitable percolation film.
  • Semiconductors with a sufficient bandgap are, for example, SiC, TiO 2, ZnO (with a bandgap of approximately 3.3 eV), titanates, ZrO 2, zirconates. The layer thickness is about 10 nm.
  • the dielectric may, for example, comprise or consist of Al 2 O 3 , diamond, MgO, Si 3 N 4 , AlN, HfO 2 .
  • a prerequisite is that the dielectric is still transparent to visible light emitter at a temperature of eg 1000 0 C. In other words, the dielectric should have an even larger electrical bandgap than the emitter. Furthermore, the refractive index should be very different from that of the emitter.
  • the layer thickness of the dielectric is approximately 100 to 300 nm.
  • the number of layer pairs is preferably about 10 layer pairs.
  • the contacting of the layers takes place.
  • the contacting sites of the emitter layers are exposed, as e.g. can be achieved by masks during coating.
  • the contact point is finally covered with a thicker conductor layer, which is sufficiently robust to connect them, for example by laser welding with the electrical supply see.
  • the electrical leads are mounted, which can also have the function of a carrier of the emitter in the lamp.
  • the emitter with the leads is then mounted in the glass vessel, for example.
  • the lamp vessel which has power supply lines to the emitter, is either cleaned and evacuated or finally filled with a protective gas, for example N 2 .
  • the shielding gas fulfills similar tasks as with tungsten luminous bodies: it, for example, reduces the vaporizing emitter material during operation, but causes additional heat losses.
  • Fig. 12 shows a sectional view through a planar luminous element according to the first sub-variant of the second embodiment.
  • a layer system of emitter layer 144 and dielectric 146 is provided on a substrate 140 which, depending on the substrate material, may optionally be provided with a conductor track 141 for substrate heating, for example as described in the first exemplary embodiment.
  • the emitter layers 144 are used as electrical conductors and are formed as a volume layer or percolation layer. Contacting of the emitter layers 144 occurs via electrical contacts 142 of e.g. refractory metal, which are connected to power supply lines 148, preferably consisting of Mo wire, of which branch off in the case of provided conductor tracks power supply lines 149 for supplying the conductor track 142.
  • the number of layer pairs is reduced to three, and the effective luminous area F of the luminous element is shown shortened.
  • the lower side of the substrate 140 or the printed conductor 142 is preferably coated like the upper side.
  • Second Second Variant of Second Embodiment Fig. 13 shows a sectional view through a cylindrical luminous element according to the second sub-variant of the second embodiment.
  • a substrate 160 as a rod-shaped core having a preferred thickness of about 1 mm is made of an insulator material, such as a metal substrate. AI2O3 provided.
  • a cylindrical dielectric layer having a preferred thickness in the range of approximately 100 to 300 nm is located on cylindrical emitter layers 164 having a preferred diameter of 10 nm.
  • the electrical contact 162 on the opposite sides represents both the voltage supply to the substrate 160 also with the emitter layers 164 ago.
  • Each of the electrical contacts 162 is provided with a power supply 169.
  • FIG. 14 shows a sectional view through a cylindrical luminous body according to the third sub-variant of the second exemplary embodiment.
  • the substrate is a rod-shaped core having a preferred thickness of 1 mm from a high resistance electrical conductor 170 at operating temperature, for example, SiC or Na- ⁇ -Al 2 O 3 and that the electrical contacting 172 are connected to power supply lines 179 and to the substrate 170 and at the end face of the emitter layer 164 mounted on the substrate.
  • a high resistance electrical conductor 170 at operating temperature for example, SiC or Na- ⁇ -Al 2 O 3
  • the electrical contacting 172 are connected to power supply lines 179 and to the substrate 170 and at the end face of the emitter layer 164 mounted on the substrate.
  • a planar core is provided as a substrate with a preferred thickness of approximately 1 mm.
  • the emitter layers and dielectric layers are also planar with the aforementioned materials and thicknesses.
  • the surface waves in the absorbing materials, especially in the metal are attenuated, converting energy to heat.
  • the surface waves thus greatly increase the absorption coefficient of the material at the existing wavelength and at the angle of incidence.
  • the corresponding emission coefficient increases with increasing absorption coefficient, which is advantageous for lamps.
  • the surface waves can not normally generate radiation due to their parallel to the surface wave vector.
  • all the impulse and energy of the surface plasmone should be exchanged with the photon, which is usually not the case on smooth metal surfaces.
  • the surface plasmons can be thermally excited, which in principle could cause a light emission.
  • is the wavelength of the light or plasmone
  • ⁇ D is the dielectric constant of the dielectric
  • ⁇ M is the complex dielectric constant of the metal.
  • the wave vector of the photon in the dielectric is
  • these surface waves penetrate into these structures.
  • the wave vector is complemented by a structure dependent component so that the momentum of the plasmon and the photon can match. Charges build up in the structures. These structures can then act like antennas and radiation can be emitted, which increases the emission of the metal.
  • the wave vector of the surface plasmons of the structured interface between metal and dielectric is:
  • n is an integer and a represents the structural constant of the surface.
  • these structures can mediate the efficient coupling between the surface waves and the waves radiated by radiators, thereby creating a coherent generate radiation.
  • Recesses of the structure can, with appropriate alignment with the emitted wave, ie coupled to the polarization, act like cavities. This is described, for example, in the article Thermal emission and design in one-dimensional periodic metallic photonic crystal slabs, David LC Chan, Marin Soljacic, JD Joannopoulos, Physical Review E 74, 2006.
  • the electric field component should be perpendicular to the structure, ie, for example perpendicular to the space between two balls of the particle layer.
  • the surface plasmons have resonances as a function of the structure size. The emission spectrum is thus not uniform, but has peaks. This does not immediately produce "white light" as with ordinary thermal radiators, but the spectrum can even be monochromatic.
  • the strength of the emission also depends on the plasmon resonance frequency in the emitter. This further enhances the selectivity of the radiation.
  • the plasmon resonance frequency is also material-dependent. For structures in the wavelength range, the plasmon resonance also depends on the structure size.
  • the emission also depends on the angle of incidence of the radiation (angle ⁇ )
  • the light source is also not a Lambert radiator, i. that the radiance is not constant in all directions. This may be for the lamp, i. directed light sources, be beneficial or can be compensated by scattering elements.
  • a luminous body according to the invention with a structured surface satisfies the following requirements, wherein these requirements according to the invention are contrasted with developments in the prior art:
  • the present invention uses self-supporting substrates that are easy to coat because of their simple surface shape.
  • US2006 / 0001344 shows an incandescent filament which is folded so that cavities are formed between the filament elements or the filament legs form the photonic crystal, so that the emitted radiation can become selective.
  • the surface of the helix may additionally be provided with regularly arranged holes, which are also intended to increase the emission in the visible by coupling out the surface plasmons. It is disadvantageous that the structures should be self-supporting and therefore the structure is destroyed by a deformation at the latest during operation, which manifests itself in the form of a sagging helix.
  • the production of the surface holes according to this prior art in practice is very complex. The holes can be quickly destroyed again by the surface diffusion.
  • the structures should be easy to produce.
  • construction methods are used which allow a "one-dimensional" production of the emitter, ie that, for example, a carrier substrate is provided with particles or layers, this coating being carried out essentially by application
  • flat surface can be considered as a two-dimensional structure, but this is inexpensive to produce.
  • US2003 / 0132705 shows a three-dimensional structure of crosswise stacked wires arranged in a regular lattice structure.
  • the disadvantage is the complex production of the 3D crystal.
  • the US2006 / 0071585 shows inter alia emitters consist of two- and three-dimensional photonic crystals, the production of which is complicated.
  • the surface should be adapted to the annealing temperature, the emitters should have a relatively large surface, so that even at low annealing temperatures still enough light is generated.
  • Photonic filaments have a filigree structure that is sensitive to mechanical, thermodynamic, chemical and electrical loads. At elevated temperature, there is increased diffusion in the material and on the surface. Impurities in the lamp, for example O 2 , can easily damage fine surface structures, eg due to oxidation. The frequently used electrical resistance heating requires sufficient cross sections. Because, for these reasons, the operating temperature of the photonic filament should be kept relatively low, ie, at about 30 to 70% of the temperature of a common filament of the same material, the surface should be of maximum size to minimize the loss of light output after exposure to light Stefan- Boltzmann law proportional to the fourth power of the Tepmerpatur, at least partially compensate.
  • US2005 / 0168147 shows filaments connected to photonic structures, with the disadvantage that the radiating surface is relatively small.
  • the disadvantages occur as in US2005 / 0168147.
  • Both US2005 / 0168147 and US2006 / 0001344 contain photonic structures that can only affect radiation in a very small angular range. The largest part of the radiation of the filament is therefore not more selective than that of a conventional gray body with the same temperature as tungsten.
  • Converter layers are to be installed in order to convert the monochromatic or the non-white light into the desired spectrum as required.
  • scattering layers which can be used to obtain sufficiently diffuse radiation instead of a partially coherent beam, part of the energy is lost again.
  • the structure should be protected from damage by surface and volume diffusion. This is achieved, inter alia, on the one hand by the lowest possible operating temperature, but which requires a particularly large surface, and on the other hand by diffusion barriers, eg in the form of HfO 2 .
  • diffusion barriers eg in the form of HfO 2 .
  • Diffusion barriers are referred to the document "Thermal stability of micro-structured selective tungsten emitter", C. Schmalmer et al., Conference paper Thermophotovoltaic Generation of Electricity: 5th Conference.
  • Document US2005 / 0160964 shows a lamp with a photonic filament produced by the coating of a spherical particle carrier.
  • the result is a three-dimensional photonic crystal with spheres of the materials Si, SiO 2 or metals or the inverse form thereof, such as spherical holes in a matrix.
  • the production of this emitter is simple, but there are some disadvantages.
  • the coating of only one wire it is to be assumed that the lamp has a low light output owing to the small surface area, as described above. On the other hand, the structure in the helix production can be damaged.
  • the emitter material consists of, for example, metal or other spheres that are in direct contact with each other, in addition to the lack of flexibility in the geometry results in a porous body as the final product. More specifically, the balls are approximated to contact by the capillary forces and then sintered. As a result, no three-dimensional photonic crystals can be produced in which the spherical surfaces are at a defined distance from each other. The porosity arises because in operation, the surface diffusion processes lead to a rapid change of the body to destruction. Since the balls are not protected by diffusion barriers, the subsequent Filling the remaining cavities with a dielectric does not completely eliminate this problem.
  • FIGS. 15 to 19 show first to fourth subvariants of the third embodiment, which will be described below.
  • FIGS. 15 and 16 show luminous bodies according to the first and second embodiments of the first sub-variant of the third exemplary embodiment.
  • the basic idea of the first sub-variant is to provide a heatable carrier with strips, grids or dots by means of coating or etching.
  • the processing requires a fine, for example photolithographic, mask.
  • the metallic support is coated, for example, with photoresist and then exposed, for example, by means of a holographic process. This results in interference patterns that are used in the later etching or coating process as a mask.
  • the support can be solid, for example, or consist of a coated insulator or semiconductor conductors or ion conductors with relatively high electrical resistance.
  • this has relatively massive tungsten and this is directly electrically heated. As a result, it is particularly suitable for low-voltage lamps.
  • a coated insulator for example, Al 2 O 3 , ATI, AlN, ZrO 2 may be used.
  • the insulator has insulated tracks for heating, the can be used directly as a heating layer depending on the supply voltage directly.
  • the carrier When using (doped) semiconductors or ion conductors with a relatively high electrical resistance, for example, perovskites, titanium oxides, SiC are used.
  • the carrier is then coated again with the structure and, for example, can be used directly as an electrical conductor due to its high electrical resistance.
  • the shape of the carrier which may be a flat surface, for example, allows a simple coating.
  • a carrier 220 made of, for example, Al 2 O 3, which is preferably about 1 mm thick
  • a tungsten layer 222 with a preferred thickness of about 1 micron on both sides of Carrier 220 is applied.
  • the two sides of the tungsten layer are connected via a via 224.
  • On the tungsten layer 222 are vapor-deposited elevations 226, so-called dips, at a distance a of approximately 0.1 to 1 ⁇ m and with a height in the micrometer range, in such a way that they are distributed in a grid pattern on the surface.
  • a dielectric 228 is applied, which preferably has a thickness of about 10 to 20 nm and in which the materials HfO 2 , AI2O3 and MgO can be used.
  • Fig. 16 shows the second embodiment of the first sub-variant of the third embodiment in the form of a sectional view through an etched surface.
  • a metal layer 232 of, for example, W, Mo in a thickness of about 1 micron and a Structure size of 100 to 500 nm applied.
  • Both the tungsten layer 222 of the first embodiment and the metal layer 232 of the second embodiment are supplied with voltage via the respective layers associated electrical feed lines 239, preferably in the form of Mo contact pins.
  • the coverage density can be selected so that isolated particles having a mean distance a of approximately 50 nm to 0.5 ⁇ m (see FIG. 17) arise as a function of the wavelength on the carrier.
  • the diameter and distance of the particles are decisive for the emission. Due to the rather irregular distance, the emitted light color is rather white. With lower coverage density, the average distance increases.
  • the individual particles partially form isolated, approximately spherical nanoparticles.
  • the particles may be covered with a dielectric such as Al 2 O 3, MgO, HfO 2. This is the structure before Destruction protected by surface diffusion. If no dielectric is applied, on the other hand, the plasmon resonance frequency may advantageously increase.
  • Fig. 17 is a sectional view of the particle-coated surface.
  • a non-conductor, a semiconductor or an ion conductor having a sufficiently high electrical resistance as a function of the supply voltage is provided as the carrier 240.
  • a metal layer 242 such as Mo. This can be surface-structured as in the first sub-variant.
  • a particle film 246 of eg Mo, W, TaC is applied with a diameter of the particles in the range of 10 to 1000 nm, above which a dielectric layer 248, preferably of Al2O3, MgO, HfO 2 , can be arranged.
  • an emitter coated with particles or other gratings for example according to the second sub-variant, additionally provided on both sides with a one-dimensional photonic crystal 254.
  • the above emitter can be additionally provided with a layer system which represents a photonic crystal.
  • the photonic crystal consists of alternating layers of high and low refractive index materials.
  • the layer thicknesses are approximately ⁇ / 4 * n, where ⁇ is the blocked wavelength.
  • the one-dimensional photonic crystal can suppress the spontaneous emission of the unwanted wavelengths.
  • the dielectric 258 is applied in such a manner that the metal-layer, particle-film and dielectric substrate 258 has a constant thickness.
  • the contacting of the metal layers takes place in the second and third sub-variants of the third embodiment as in the first sub-variant of the third embodiment.
  • the cavity should be formed by a dielectric of small refractive index, eg SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO.
  • the one-dimensional photonic crystal under the cavity can be replaced, as in the "VERTE" system according to the first embodiment example, by a metal or by a layer system consisting of higher melting constituents than InSb / SiO 2 , for example Cr 2 O.
  • the spherical particles may be deposited by, for example, sedimentation and then be sintered. Alternatively, the cavity can be dispensed with or made thinner.
  • the particle diameters can also be changed, from a particle diameter D, which is the same as the wavelength ⁇ , to a few 10 nm.
  • the passing light wave can lead to charge shifts, which also interact with the environment, eg a metallic substrate , whereby the emission coefficient can be changed.
  • the calculation can be done according to the Mie theory and using the internet addresses MieCalc, http: // www. lightsca ttering. de / MieCalc / index. html and in terms of FDTD Solutions, http: / / www. ⁇ irnul opti it. de / scftware / fdtdso lurions / index. ml.
  • Such a luminous body is shown in FIG. 19, wherein a layer 262 in the form of a metal layer or a one-dimensional photonic crystal is applied to an electrical resistance body 260 of, for example, SiC or W for heating.
  • the photonic crystal may have about 40 alternating layer pairs of, for example, MgO / TiO with a single layer thickness of about 50 nm.
  • a cavity 264 of, for example, MgO having a thickness of, for example, about 200 nm is applied to the layer 262.
  • three-dimensional photonic crystals can be produced where the ball surfaces have a defined distance from each other.
  • this variant is simple and inexpensive to produce by particle technology. More specifically, in the present invention, emitters are made by a simple "one-dimensional process", for example, by coating.
  • the absorption coefficient at wavelengths is in the range of 1.6 eV to 3 eV, which corresponds to the visible light, has risen from approx. 50% to approx. 75 to 95% compared to the tungsten carrier without a layer.
  • this cubic face centered structure other structures with regard to other crystal classes or crystal systems are also conceivable, for example cubic space centered or hexagonal close packing.
  • the material may consist essentially of tungsten, which has corresponding advantages, such as a high temperature resistance, existing manufacturing know-how.
  • the photonic crystal is applied as a particle layer, which simplifies the manufacturing process with respect to other three-dimensional photonic crystals.
  • thermodynamic driving force is the reduction of the free enthalpy of the body, but in this embodiment it is spheres of tungsten, which already have approximately their lowest energy macroscopic form and which are relatively permanently separated by the diffusion barrier coating During operation, as long as they do not touch each other, they also remain approximately spheres or polyhedra, whereby it can happen that over time the homogeneous coating changes and, for example, grains form.
  • the required cubic surface centered lattice shape allows easy placement of the spheres by e.g. Sediment.
  • face-centered cubic arrangements of the tungsten spheres which correspond approximately to the size and shape of the natural opal structure, can be produced.
  • the spheres are "slurried” or a colloid is formed in a liquid with suspending agents, for example, and this colloid is then sedimented by gravity on the tungsten carrier is in the articles "THE COMPLETE PHOTONIC BAND CAP IN INVERTED OPALS: HOW CAN WE PROVE IT EXPERIMENTALLY?”, DJ Norris * and Yu. A. Vlasov, NEC Research Institute, Inc. 4 Independence Way Princeton, NJ 08540 USA; Monomeric Colloidal Spheres: Old Materials with New Applications, By Younan Xia, Byron Gates, Yadong Yin, and Yu Lu, Advanced Materials 2000, 12, no. 10; Lecture “Production of Opverse Opals by Self-Organization", Dr.
  • a colloid ie a dispersion of eg small tungsten beads in liquid
  • tungsten wires today's helical wires
  • the balls are pulled up by capillary forces on the liquid surface on the wire, and when the wire is pulled out of the colloid, the cubic-surface-centered structure is formed by evaporation Capillary forces compress the structure until it touches the balls, whereas in the patent US2005 / 0160964 a coating of the balls is lacking.Further information on the above-mentioned production possibility can be found
  • the latter reference is also the preparation of a liquid phase (ligand technology) and to remove the spray of the colloid solution on the support and drying.
  • Carrier consists as possible of a body with a relatively easy-to-coat surface, such as a plane or cylindrical, spherical or conical surfaces.
  • the carrier can also be a wire.
  • the material of the carrier is preferably tungsten or another refractory metal or an electrically conductive ceramic.
  • the spheres which are preferably made of tungsten or a high refractive index contrast refractory material to the dielectric, with a diameter of about 0.3 ⁇ m may be e.g. by plasma spraying and subsequent sieving, a "polyol process", as described, for example, under http://Info.Tuwien.ac.at/nano- materials / or the Stöber method in accordance with the article SiO2 spheres with cores Gold nanoparticles: "Synthesis and optical properties of gold-labeled silica particles", LIZ-MARZAN LM; PHILIPSE A.P., Journal of Colloids and Interface Science 1995, vol. 176 are generated.
  • the essential physical quantities e.g. alternating thickness of the low-refractive dielectric layer and thickness of the metal layer in the propagation direction of a photon, comparable.
  • the balls which are preferably formed of tungsten, are highly likely to have a defined distance from one another and from the carrier.
  • the balls can be embedded eg in the dielectric vacuum. Because this makes manufacturing practical for obvious reasons would make impossible, the cavities between the "free-floating" balls in the production later with a dielectric such as AI2O3, SiO 2 , HfO 2, for example, by a CVD method are filled.It is therefore preferable, the balls themselves with a very thin
  • the layer thickness corresponds to half the distance of the spheres from each other.This layer also reduces during operation the surface diffusion between the spheres that would destroy the structure.
  • a material having a high dielectric constant and refractive index may also be suitable because of the small thickness of the layer, e.g. a perovskite. In this case, the high refractive index volumes will touch.
  • tungsten structures Due to the high operating temperature of the luminous body, pure tungsten structures would be produced in a short time, e.g. due to surface diffusion, destroy. This is the same process that occurs during sintering of the tungsten material as from the powder and is desired. These processes can be considerably slowed down by a suitable coating of the tungsten balls. The voids remaining between the balls (vacuum) may also be e.g. be filled by CVD. Further surface diffusion is thus suppressed.
  • the preparation of a suitable solution with the balls may e.g. in the form of a colloid.
  • a suitable medium such as Water
  • the balls are held by auxiliaries in the balance.
  • forces acting to cause the balls to be arranged regularly e.g. Surface charges and capillary forces.
  • the entire luminous body can be produced as follows:
  • a tungsten wire can be drawn as is known, a tungsten plate made of powder can be sintered, or a ceramic carrier can be sintered and optionally provided with conductor tracks for resistance heating.
  • the side of the support to be coated with the cubic surface-centered layer is vapor-deposited with a thin tungsten layer of, for example, 2 ⁇ m.
  • the coated tungsten spheres are applied in a thin layer on the tungsten carrier.
  • the balls can be slurried in a colloid.
  • the overhanging balls can be removed by a knife which is passed over the layer at a distance.
  • a knife which is passed over the layer at a distance.
  • Number of layers of, for example, 128 layers in the visible range and in the infrared range emit slightly more light than in just one layer.
  • the compacting of the balls takes place on the support by e.g. Gravitation (sedimentation), as explained above.
  • the sintering of the coating of the balls is carried out by baking.
  • a cubic surface-centered grid is formed with the tungsten spheres, which are separated from one another by a thin layer of the coating.
  • the dielectric separation layer may become too thin, so that the initial layer thickness should be increased accordingly.
  • the remaining voids between the spheres can be filled with a low refractive index dielectric, but this decreases the refractive index contrast.
  • FIG. 20A shows a section of the coated surface of a luminous element according to the fourth exemplary embodiment of the invention, wherein the layer has cubic surface-centered coated tungsten spheres 340.
  • the coated tungsten particles are sintered to each other and to the carrier 342.
  • the carrier 342 is formed by a tungsten layer on an insulating or conductive ceramic or by a solid tungsten carrier, e.g. is heated directly by passage of current formed.
  • the thin tungsten layer on an insulating ceramic makes it possible to heat the layer later directly with a supply voltage that would be higher than that of a solid, electrically conductive carrier.
  • the carrier 342 has the insulating ceramic Al 2 O 3 324 a, on which a tungsten layer 342 b of preferably 1 ⁇ m thick is applied. On this are the sintered tungsten balls 340. The electrical contact is made via contacts 344.
  • the present embodiment may be modified in the form of an inverse opal.
  • the carrier is manufactured as described above.
  • the balls are applied in a thin layer on the carrier.
  • the balls can be slurried in a colloid. If necessary, stripping the protruding balls by a knife, which is guided over the layer at a predetermined distance.
  • the spheres are compacted on the support by e.g. Gravity (sedimentation), as described above.
  • sintering of the balls is performed by annealing, forming a cubic surface centered grid with the balls.
  • the remaining voids between the spheres can then be infiltrated with a high refractive index dielectric or with a metal.
  • a photonic crystal is obtained on the substrate having cubic surface centered spherical space having a small refractive index and surrounded by regions of high refractive index.
  • This photonic crystal can have a complete band gap for the infrared region and thus completely block the infrared radiation of the substrate. Because the balls are not hollow, Thus, the dielectric is removed as in other examples, the destruction of the layer is slowed by diffusion at the high operating temperatures.
  • the emitters described above according to the first to fourth exemplary embodiments allow a relatively inexpensive production. If the lamp is to produce colored light, this is also possible due to the monochrome nature of the emitters. Otherwise, converter layers are required.
  • the selectivity of the radiation is greater than in the case of tungsten filaments, as a result of which there is the possibility of saving energy, in particular in the case of colored incandescent lamps.
  • further layer systems for the concept of lamp can be used with a one-dimensional photonic crystals.
  • the thermal emitter in particular planar surfaces and rotationally symmetric surfaces, such as cylindrical surfaces, spherical surfaces, conical surfaces and others.
  • Application examples of such a configuration of the luminous element are given below with reference to FIGS. 21A to 28B.
  • FIGS. 21A to 21C show a luminous element according to a first example of application, wherein in FIG. 6A a side view from the left, in FIG. 21B a Front view, in Figure 21C is a perspective view of the lamp 50 is shown.
  • the power supply lines 14a, 14b which are shown in FIG. 1B, are directly adjacent to the incandescent filament itself. It is preferable to provide the filament 52 and not the power leads 14a, 14b with a layer system according to the first to fourth embodiments.
  • FIG. 22A and 22B show a cone-shaped like luminous body, from the center of the power supply 14b and from the edge portion on the outer circumference, the power supply 14a emerges.
  • FIG. 22A shows a plan view of the luminous element 2
  • FIG. 22B shows a view from the left of the luminous element. While in the first application example, there is a cylindrical radiation characteristic, in the second example of application the surface is radiated.
  • Figures 23A and 23B show a luminous body 60 according to the third embodiment, wherein in Figure 23A is a view from the left, in Figure 23B a plan view has been reproduced.
  • the luminous element 60 is formed as the lateral surface of a double cone, wherein a large surface can be provided in a small space.
  • FIG. 24 shows a luminous element 64 in accordance with a fourth example of use.
  • the luminous element 64 is designed as a surface with a meandering active region 66.
  • a meander-shaped active region 66 As a result of this meander-shaped active region 66, a long printed conductor is made possible on a small surface, so that a high level of light is achieved Luminous efficacy and a high temperature can be maintained.
  • the region of the power supply lines 14a, 14b has neither the active layer, nor the layer system.
  • FIG. 24 shows a front view of the luminous element 64.
  • FIGS. 25A and 25B show a luminous element 70 which has a substantially disc-shaped active region 72, from which the current supply lines 14a, 14b emerge.
  • FIG. 25A shows a plan view and
  • FIG. 25B shows a perspective view from the front right of the luminous element 70.
  • FIG. 26 shows a luminous element 76 according to the sixth example of application.
  • the structure according to the second embodiment is used. More precisely, FIG. 26 shows a plan view of the luminous element 76.
  • Conductor tracks 36 are applied meander-shaped on the ceramic carrier 34 and can be connected to the power supply lines 14a, 14b via connection surfaces 78a, 78b.
  • On the ceramic support 34 is the metallic reflector layer 26 and the laser cavity layer 30 and then the layer system 32 according to the previous embodiments. In such an embodiment, it is advantageous that the coating of a flat surface with the ceramic carrier 34 as the base material can be carried out and the conductor track 36 is formed thereon.
  • FIGS. 27A and 27B as well as FIGS. 28A and 28B show a seventh and eighth application example of the present invention, the embodiment according to FIG. 3. More specifically, the conductor track 36 from FIG. replaced element that is provided at a predetermined distance from the ceramic carrier 34.
  • FIG. 27A shows a luminous element 84 with a conductor track 86 and a layer arrangement 88, which are spaced from each other by a distance b.
  • 27A shows a top view of the filament 84.
  • the ceramic carrier 34, the metallic reflector layer 26, the laser cavity layer 30 and the layer arrangement 32 are provided.
  • the luminous element 94 is provided with a resistance heating element 96 and a spherical layer arrangement 98, wherein in FIG. 28A a view from the left and in FIG. 28B a plan view of the luminous element 94 are provided.
  • the resistance heating element 96 is connectable via power supply lines 14a, 14b with molybdenum foils 12a, 12b and generates heat which is absorbed by the layer arrangement 98, which can be fastened to the lamp base via a rod-shaped holding element 100.
  • the layer arrangement of the eighth application example starting from the resistance heating element 96 has a ceramic carrier 34, a metallic reflection layer 26, a laser cavity layer 30 and the layer arrangement 32 of the application of FIG.
  • Ceramic carrier in the seventh and eighth application example may be due to the conductor track an increased temperature vorge- will see. It is favorable if the lamp according to the invention is filled with a gas, by means of which the heat transport from the resistance heating element 96 or from the conductor 86 to the corresponding layer arrangement is optimized.
  • the designs of the layers of the luminous element according to the present invention can also be carried out, for example, with the aid of perturbation theory given given refractive indices or depending on the characteristic impedance of the metallic reflector, as indicated in the article of the Physical Review on pages 2 and 3.
  • the quality requirement in the present invention is lower, but the feature sizes are smaller because of the considerably shorter wavelength.
  • W ⁇ 5.8e ⁇ m 2 - K 4 and ⁇ is about 0.42 for tungsten at 3000 Kelvin and a wavelength of 500 nanometers, resulting in neglecting the ambient radiation
  • the photonic filament When the photonic filament is heated to 1500 Kelvin, it radiates at 0.46 of tungsten at 1500K and a wavelength of 500 nanometers at 0.46
  • the portion which falls within the visible wavelength range is only about 10% for a halogen coil, while the photonic coil according to the present invention, when properly designed, emits nearly 100% of the light in the visible range.
  • the radiant power at the resonance wavelength and tungsten as the carrier increases thirteen times.
  • a luminous element and a lamp are provided with a luminous element, wherein a thermal emitter is arranged on one side of a laser cavity layer and on the other side a one-dimensional photonic crystal, so that substantially monochromatic, visible radiation can be generated. As a result, the light output can be increased with reduced energy consumption.
  • a luminous body is provided with a substrate and a structure provided adjacent thereto, preferably provided with a photonic crystal, a surface texturing or a grating, which is designed and dimensioned in such a way that essentially monochromatic, visible radiation can be generated. intended.
  • a photonic crystal implement high luminous efficiencies with little effort. It can increase the light output with reduced energy input.

Abstract

The invention relates to a luminous element with a substrate and a structure that is arranged adjacent thereto, preferably provided with a photonic crystal, surface texturing or a lattice, said structure being designed and dimensioned such that substantially monochromatic, visible radiation can be produced. Due to suitable dimensioning, high light output can be achieved with little effort, using more recent developments, such as photonic crystals. The light output can be increased while using less energy.

Description

Beschreibung description
Leuchtkörper und Lampe mit einer Oberflächenstruktur zur Erzeugung von sichtbarem LichtIlluminant and lamp with a surface structure for generating visible light
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung geht von einem Leuchtkörper mit einem thermischen Emitter und einer Lampe mit einem derartigen Leuchtkörper aus.The invention is based on a luminous element with a thermal emitter and a lamp with such a luminous body.
Stand der TechnikState of the art
Halbleiterlichtquellen bieten heute bereits hohe Lichtausbeuten. Dieses wird auch in Spezialanwendungen deutlich, bei welchen farbiges Licht benötigt wird. Jedoch benötigen Halbleiterlichtquellen in der Regel aufwendige Vorschaltgeräte und eine gute Kühlung, um eine Erniedrigung der Lichtausbeute und Lebensdauer aufgrund einer Erhöhung der Sperrschichttemperaturen zu vermeiden.Semiconductor light sources already offer high luminous efficiencies today. This is also evident in special applications where colored light is needed. However, semiconductor light sources typically require expensive ballasts and good cooling to avoid lowering the light output and lifetime due to an increase in junction temperatures.
Bei herkömmlichen Temperaturstrahlern, die die Grundlage eines Großteils der Leuchtmittel bilden, wird entspre- chend dem Planckschen Gesetz ein erheblicher Teil der elektromagnetischen Strahlung in einer für das menschliche Auge unsichtbaren Wellenlänge abgegeben. Um nun die Effizienz von Glühlampen zu steigern, können unterschiedliche Ansätze zum Einsatz kommen. Es kann die Wendeltem- peratur gesteigert werden, wodurch sich der Anteil an sichtbarem Licht im emittierten Licht erhöht. Ferner kann durch eine spezielle Beschichtung auf dem Lampenkolben zur Wärmerückgewinnung die durch eine Glühwendel erzeugte Wärme zu dieser reflektiert werden. Auf diese Weise ist eine geringere Energiezufuhr von außen notwendig, um die Wendel auf Betriebstemperatur zu bringen. Eine Halogenglühlampe mit einer derartigen InfrarotrefIe- xionsbeschichtung ist aus dem Patent DE 19701794A1 bekannt. Es besteht bei einfach zu bauenden und kostengünstigen Glühlampen die Notwendigkeit, die Effektivität zu steigern, das heißt die Lichtausbeute zu erhöhen und den Energiebedarf zu vermindern. Eine Möglichkeit zur Änderung des Abstrahlungsverhaltens eines thermischen Emitters ist die Integration dieses Emitters in einen photonischen Kristall, der eine regelmäßige Struktur in der Größe der zu blockierenden Wellenlänge aufweist, wobei diese regelmäßigen Strukturen Brechungsindizes aufweisen, die sich stark voneinander unterscheiden. Im Ergebnis kann sich Licht mit einer Wellenlänge, das dieser Strukturgröße entspricht, in dem Kristall nicht ausbreiten, wobei sich jedoch die Strahlung in Bereichen außerhalb der Wellenlänge erhöht.In conventional thermal radiators, which form the basis of a large part of the luminous means, according to Planck's law, a considerable part of the electromagnetic radiation is emitted in a wavelength invisible to the human eye. In order to increase the efficiency of incandescent lamps, different approaches can be used. The filament temperature can be increased, which increases the proportion of visible light in the emitted light. Furthermore, by a special coating on the lamp bulb for heat recovery, the heat generated by an incandescent filament can be reflected to this. In this way, a lower energy input from the outside is necessary to bring the helix to operating temperature. A halogen incandescent lamp with such an infrared reflection coating is known from the patent DE 19701794A1. It is easy to build and inexpensive incandescent lamps, the need to increase the effectiveness, that is to increase the luminous efficacy and reduce energy consumption. One way to change the radiation behavior of a thermal emitter is the integration of this emitter in a photonic crystal having a regular structure in the size of the wavelength to be blocked, these regular structures having refractive indices which differ greatly from each other. As a result, light having a wavelength corresponding to this feature size can not propagate in the crystal, but the radiation increases in out-of-wavelength regions.
In den Druckschriften EP 1575080A2 und US 2006/0071585A1 sind Glühlampen mit einem Glühfaden offenbart, um die ein zweidimensionaler oder dreidimensionaler photonischer Kristall vorgesehen ist. Ferner wird bei den genannten zwei Druckschriften eine relativ breitbandige Strahlung erzeugt. Bei einem aufgebrachten Bragg-Spiegel für diese breitbandige Strahlung verlassen noch ca. 40% der Infrarotstrahlung den Leuchtkörper. Somit kann mit den genann- ten Leuchtkörpern die gewünschte Effizienzsteigerung nicht umgesetzt werden.References EP 1575080A2 and US 2006 / 0071585A1 disclose incandescent filaments with a filament around which a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal is provided. Furthermore, a relatively broadband radiation is generated in the aforementioned two documents. In the case of an applied Bragg mirror for this broadband radiation, about 40% of the infrared radiation still leaves the luminous element. Thus, the desired increase in efficiency can not be achieved with the aforementioned luminous bodies.
In der Druckschrift US 2003/0235229A1 ist ein VCSEL-Laser (vertical cavity surface emitting laser) , bei dem photonische Kristalle zum Einsatz kommen, offenbart. Von Nach- teil ist hier, dass als Emissionsquelle Halbleiter ver- wendet werden, deren hohen Herstellungskosten den Einsatz in kostengünstigen Glühlampen nicht gestatten.The document US 2003 / 0235229A1 discloses a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) using photonic crystals. The disadvantage here is that the emission source used is semiconductor are used, whose high production costs do not allow the use in inexpensive incandescent lamps.
Somit besteht Bedarf nach einer Lampe die vorwiegend weißes Licht erzeugt, dessen Leuchtkörper einen einfachen Einbau in die Lampe erlaubt, bei dem das Licht diffus verteilbar oder zumindest ein beträchtlicher Raumwinkel ausleuchtbar ist, dessen Leuchtkörper in einfacher Weise an herkömmliche Spannungsquellen, wie 12 Volt, 110 Volt, 230 Volt anschließbar ist.Thus, there is a need for a lamp which produces predominantly white light whose luminous element allows easy installation into the lamp, in which the light is diffusely distributable or at least a considerable solid angle is illuminable, the luminous body in a simple manner to conventional voltage sources, such as 12 volts, 110 Volt, 230 volts can be connected.
Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einfach zu handhabenden Lichtquellen für farbiges Licht mit guten Lichtausbeuten, die, weil sie sich durch ihre Widerstandsheizung selbst stabilisieren können und keine Kühlung benötigen, auch in kritischen Umgebungen eingesetzt werden können.Moreover, there is a need for easy-to-use light sources for colored light with good luminous efficiencies, which, because they can stabilize themselves by their resistance heating and do not require cooling, can also be used in critical environments.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leuchtkörper mit einem thermischen Emitter und eine Lampe mit einem derartigen Leuchtkörper vorzusehen, die den vorstehenden Anforderungen genügen, insbesondere eine ho- he Lichtausbeute haben und bei denen der Energiebedarf vermindert ist. Ferner soll dieser kostengünstig herstellbar sein.The object of the present invention is to provide a luminous element with a thermal emitter and a lamp with such luminous element, which meet the above requirements, in particular have a high luminous efficacy and in which the energy requirement is reduced. Furthermore, this should be inexpensive to produce.
Diese Aufgabe wird durch einen Leuchtkörper, eine Lampe und ein Herstellungsverfahren entsprechend den unabhängi- gen gelöst.This object is achieved by a luminous element, a lamp and a manufacturing method according to the independent.
Erfindungsgemäß wird ein Leuchtkörper mit einem Substrat und einer benachbart zu dieser vorgesehenen, vorzugsweise mit einem photonischen Kristall, einer Oberflächentextu- rierung oder einem Gitter versehene Struktur, die in einer solchen Weise ausgebildet und dimensioniert ist, dass im Wesentlichen monochromatischen, sichtbare Strahlung erzeugbar ist, vorgesehen. Durch geeignete Dimensionierung lassen sich mit neueren Entwicklungen, wie z.B. photonischen Kristallen hohe Lichtausbeuten mit geringem Aufwand umsetzen.According to the invention, a luminous body with a substrate and an adjacent thereto, preferably provided with a photonic crystal, a surface texturing or a lattice structure formed and dimensioned in such a way that substantially monochromatic, visible radiation can be generated. By appropriate dimensioning can be implemented with recent developments, such as photonic crystals high luminous efficiencies with little effort.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Leuchtkörper mit einer Laserkavitätsschicht , auf deren einen Seite ein thermischer Emitter angeordnet ist und auf deren anderen Seite ein eindimensionaler photonischer Kristall in einer solchen Weise angeordnet ist, dass im wesentlichen monochromatischer, sichtbare Strahlung erzeugbar ist, vorgesehen. Dadurch kann die Lichtausbeute bei einer Minimierung der benötigten Energie erhöht werden.The invention further provides a luminous element with a laser cavity layer, on one side of which a thermal emitter is arranged and on the other side of which a one-dimensional photonic crystal is arranged in such a way that essentially monochromatic, visible radiation can be generated. As a result, the luminous efficacy can be increased while minimizing the required energy.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der eindimensionale photonische Kristall eine Vielzahl von dielektrischen Schichtpaaren auf, wobei jedes Paar eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex und eine Schicht mit hohem Brechungsindex aufweist. Dadurch kann ein teildurchlässiger Spiegel für die gewünschte Strahlung vorgesehen werden, während nicht gewünschte Strahlung nicht erzeugt wird.In an advantageous development, the one-dimensional photonic crystal has a plurality of dielectric layer pairs, each pair having a layer with a low refractive index and a layer with a high refractive index. As a result, a partially transmissive mirror can be provided for the desired radiation while unwanted radiation is not generated.
Der thermische Emitter ist in einer Ausführung eine metallische Reflektorschicht. Dadurch kann über Widerstandsbeheizung bei geringem Materialaufwand der thermische Emitter ausgebildet werden. In einer weiteren Ausführung ist die metallische Reflektorschicht auf einen Keramikträger aufgebracht. In diesem Fall wird der elekt- rische Leiter mit hohem elektrischen Widerstand durch die Keramik gebildet oder kann die Keramik zur Weiterleitung von Wärme verwendet werden.The thermal emitter is in one embodiment a metallic reflector layer. As a result, the thermal emitter can be formed by resistance heating with low material expenditure. In a further embodiment, the metallic reflector layer is applied to a ceramic carrier. In this case, the electrical electrical conductor formed with high electrical resistance through the ceramic or the ceramic can be used for the transmission of heat.
Auf den Keramikträger kann entgegengesetzt zum metalli- sehen Reflektorschicht eine Leiterbahn zur Erwärmung der metallischen Reflektorschicht vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Keramik ein elektrisch isolierendes Material, das jedoch eine gute Wärmleitfähigkeit aufweist. Somit bestehen größere Variationsspielräume bei der Gestal- tung der Leiterbahn.On the ceramic support may be provided opposite to the metallic reflector layer, a conductor for heating the metallic reflector layer. In this case, the ceramic is an electrically insulating material, but has a good thermal conductivity. Thus, there is greater scope for variation in the design of the conductor track.
In einer Weiterbildung wird der thermische Emitter durch einen metallischen Wendelkörper gebildet, so dass auf eine herkömmliche Wendelgestaltung eine erfindungsgemäße Schichtanordnung aufbringbar ist. Dieses Aufbringen kann entweder vor der Formgebung für den Wendelkörper oder nach der Formgebung erfolgen. Im letztgenannten Fall besteht der Vorteil, dass durch das Fehlen einer Verformung nach dem Aufbringen der Schicht ein Abplatzen der Schicht verhindert werden kann.In a further development of the thermal emitter is formed by a metallic coil body, so that a layer arrangement according to the invention can be applied to a conventional coil design. This application can be done either before shaping the helical body or after shaping. In the latter case, there is the advantage that the lack of deformation after the application of the layer can prevent the layer from flaking off.
Ferner wird bevorzugt, dass auf den metallischen Wendelkörper entgegengesetzt zu der Laserkavitätsschicht eine weitere Laserkavitätsschicht aufgebracht ist. Auf diese Weise kann vermittels Abstrahlung zu beiden Seiten die Lichtausbeute erhöht werden.Furthermore, it is preferred that a further laser cavity layer is applied to the metallic coil body opposite to the laser cavity layer. In this way, by means of radiation to both sides, the light output can be increased.
Der thermische Emitter ist bevorzugt im Wesentlichen als ebene Fläche oder im Wesentlichen als rotationssymmetrische Fläche ausgebildet. Auf diese Weise ist eine Be- schichtung in einfacher Weise möglich. In einer weiteren Ausgestaltung weist der Leuchtkörper einen im Wesentlichen rechteckigen Leiterquerschnitt auf. Dieses begünstigt die Verwendung von metallischen Leitern zum Vornehmen der Widerstandsheizung.The thermal emitter is preferably formed substantially as a flat surface or substantially as a rotationally symmetric surface. In this way, a coating is possible in a simple manner. In a further embodiment, the luminous element has a substantially rectangular conductor cross-section. This favors the use of metallic conductors to perform the resistance heating.
In einer Anwendungsform ist der Leuchtkörper als Glühwendel ausgebildet, so dass herkömmliche Glühwendel für den erfindungsgemäßen ersetzbar sind.In one embodiment, the filament is designed as a filament, so that conventional filament are replaceable for the invention.
In einer weiteren Gestaltung ist der Leuchtkörper kegelförmig ausgestaltet, so dass ein flächenmäßige Abstrah- lung erfolgen kann.In a further embodiment, the luminous element is embodied conically, so that an areal radiation can take place.
Bei einer Ausgestaltung des Leuchtkörpers in Doppelkegelform kann die Beleuchtungsstärke, die vom Leuchtkörper ausgeht, erhöht werden.In an embodiment of the luminous element in a double-cone shape, the illuminance emanating from the luminous element can be increased.
Der Leuchtkörper kann in Form einer Scheibe ausgebildet sein, die zu den Zuführungsabschnitten senkrecht verläuft. Auf diese Weise wird es erleichtert, dass eine flächige Abstrahlung rechtwinklig zu einem Lampensockel vorgesehen sein kann.The luminous element may be designed in the form of a disk, which runs perpendicular to the feed sections. In this way, it is facilitated that a planar radiation can be provided at right angles to a lamp cap.
Der Leuchtkörper kann abschnittsweise die Form einer Ku- gelfläche aufweisen. Dieses erleichtert ein homogenes Erhellen eines Raumbereiches.The luminous element may have the shape of a spherical surface in sections. This facilitates a homogeneous brightening of a room area.
Ein Widerstandsheizelement des thermischen Emitters kann zumindest abschnittsweise Mäanderform haben, so dass auf geringer Fläche eine große Leiterlänge umsetzbar ist.A resistance heating element of the thermal emitter may have meandering at least in sections, so that a large conductor length can be implemented on a small area.
Der thermische Emitter kann zu einer Platte, die die La- serkavitätsschicht und den photonischen Kristall aufweist, beabstandet sein, so dass höhere Temperaturen beim thermischen Emitter ohne eine Zerstörung der Schichtstruktur umsetzbar sind.The thermal emitter may be spaced to a plate having the laser cavity layer and the photonic crystal, so that higher temperatures in the thermal emitter without destruction of the layer structure can be implemented.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der thermische Emitter auf eine Platte, die die Laserkavitätsschicht und den photonischen Kristall aufweist, aufgebracht sein. Dadurch lässt sich das Herstellungsverfahren zur flächigen Ausbildung der Schichtstruktur erleichtern.In a further embodiment, the thermal emitter may be applied to a plate having the laser cavity layer and the photonic crystal. As a result, the manufacturing process for planar formation of the layer structure can be facilitated.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Lampe mit einem Leuchtkörper, wie dieser vorstehend beschrieben ist, vorgese- hen. Diese Lampe weist eine erhöhte Lichtausbeute auf.According to the invention, a lamp with a luminous element, as described above, is also provided. This lamp has an increased light output.
Eine derartige Lampe kann ferner einen Lampenkörper aufweisen, auf dessen lichtabstrahlenden Bereich eine Konverterschicht zur Umwandlung eines Teils der Strahlung in die Komplementärfarbe vorgesehen ist. Somit wird die Er- zeugung von weißem Licht unterstützt.Such a lamp may further comprise a lamp body, on the light-emitting region of which a converter layer is provided for converting part of the radiation into the complementary color. Thus, the production of white light is supported.
Ferner kann zum Oxidationsschutz im Lampenkörper ein Gas, wie zum Beispiel Stickstoff vorgesehen sein.Furthermore, a gas, such as nitrogen, may be provided for oxidation protection in the lamp body.
Durch das Vorsehen einer Diffusorschicht kann ein gleichmäßiges Abstrahlen unterstützt werden.By providing a diffuser layer a uniform blasting can be supported.
Es wird bevorzugt auf der zum eindimensionaler photonischer Kristall entgegengesetzt liegenden Seite zwischen einem Substrat und der Laserkavitätsschicht ein eindimensionales metallo-dielektrisches, photonisches Kristall aus Metallschichten und Schichten mit kleinem Brechungs- index oder Partikelfilme mit einem eindimensionalen photonischen Kristall vorzusehen. Auf diese Weise kann durch Metallschichten ein Teil der Strahlung absorbiert werden und kann das photonische Kristall gleichzeitig als Re- flektor für die Wellenlänge wirken, bei der die Emission des Strahlers maximal ist.It is preferred to provide on the side opposite the one-dimensional photonic crystal between a substrate and the laser cavity layer a one-dimensional metallo-dielectric, photonic crystal of metal layers and layers with a small refractive index or particle films with a one-dimensional photonic crystal. In this way, part of the radiation can be absorbed by metal layers and the photonic crystal can simultaneously be used as a reflector. act reflector for the wavelength at which the emission of the radiator is maximum.
Bei einer Variante ist auf der zum eindimensionaler photonischer Kristall entgegengesetzt liegenden Seite zwi- sehen einem Substrat und der Laserkavitätsschicht als Emitter auf einem eindimensionalen photonischen Kristall eine Metallschicht oder eine Halbleiterschicht vorgesehen. Dabei wird bevorzugt, dass die Absorption in der Metallschicht gleich der Transmission durch den Reflektor durch den entgegengesetzt vorgesehen photonischen Kristall ist, um ein optimiertes Abstrahlverhalten zu ermöglichen. Im Fall der Halbleiterschicht können sich durch die Ausbildung von Oberflächenplasmonen an der Oberfläche heiße Elektronen bilden, so dass das thermische Gleichge- wicht lokal nicht vorhanden ist und ein Abstrahlen möglich ist.In one variant, a metal layer or a semiconductor layer is provided on the side opposite the one-dimensional photonic crystal between a substrate and the laser cavity layer as an emitter on a one-dimensional photonic crystal. In this case, it is preferred that the absorption in the metal layer is equal to the transmission through the reflector by the oppositely provided photonic crystal, in order to allow an optimized emission behavior. In the case of the semiconductor layer, hot electrons can form on the surface due to the formation of surface plasmons, so that the thermal equilibrium is not locally present and a blasting is possible.
Es wird ferner ein Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem Substrat und einem eindimensionalen photonischen Kristall vorgesehen, an den eine Metall- oder Partikelschicht angrenzt, wobei das eindimensionale photonische Kristall zwischen dem Substrat und der Metall- oder Partikelschicht oder auf der zum Substrat entgegengesetzten Seite der Metall- oder Partikelschicht angeordnet ist. Durch eine entsprechende Auslegung der Schichten lässt sich sichtbares Licht erzeugen.There is further provided a luminous body for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a substrate and a one-dimensional photonic crystal, to which a metal or particle layer adjoins, wherein the one-dimensional photonic crystal between the substrate and the metal or particle layer or on the to the substrate opposite side of the metal or particle layer is arranged. By appropriate design of the layers, visible light can be generated.
Besonders bevorzugt wird, wenn das eindimensionale photonische Kristall Schichten mit kleinem Brechungsindex und Schichten mit großem Brechungsindex aufweist und die Di- cke der Schichten mit großem Brechungsindex zwischen zwei Schichten mit kleinem Brechungsindex die doppelte Schichtdicke wie die Dicke der Schichten mit kleinem Brechungsindex beträgt. Auf diese Weise und durch die Materialwahl im Hinblick auf die Resonanz bei kürzeren WeI- lenlängen als Infrarotlicht kann die Emission maximiert werden .Particularly preferred is when the one-dimensional photonic crystal has low refractive index layers and high refractive index layers, and the thickness of the high refractive index layers is between two Low refractive index layers is twice the layer thickness as the thickness of the low refractive index layers. In this way and through the choice of material with regard to the resonance at shorter wavelengths than infrared light, the emission can be maximized.
In einer Weiterbildung wird ein Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem Substrat und einer teildurchlässigen Reflektorschicht ausgebildet, entgegensetzt zu der ein Substrat vorgesehen ist, wobei vorzugsweise eine im Vergleich zur teildurchlässigen Reflektorschicht dickere Reflektorschicht zwischen Resonator und Substrat vorgesehen ist. Durch eine Dicke der Kavität, die im Vergleich zu der für die Emission im Infrarotbereich ausgelegten Kavität verringert ist, kann eine Emission im sichtbaren Bereich erfolgen.In a further development, a luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation is formed with a substrate and a partially transparent reflector layer, opposite to which a substrate is provided, wherein preferably a thicker than the partially transparent reflector layer reflector layer between the resonator and substrate is provided. By a thickness of the cavity, which is reduced compared to the designed for the emission in the infrared range cavity, an emission can take place in the visible range.
Es wird bevorzugt, wenn auf der teildurchlässigen Reflektorschicht ein eindimensionales photonisches Kristall als Filter zum Unterdrücken unerwünschter Emissionspeaks angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Anzahl der Maxima im Spektrum, die ohne photonisches Kristall auftreten würden, reduziert werden.It is preferred if a one-dimensional photonic crystal is arranged as a filter for suppressing unwanted emission peaks on the partially transmissive reflector layer. In this way, the number of maxima in the spectrum that would occur without photonic crystal can be reduced.
Entsprechend einer noch weiteren Ausgestaltung wird ein Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem Substrat und einem Schichtsystem vorgesehen, das einen eindimensionalen photonischen Kristall bildet und Schichtpaare aus einer Schicht aus Dielektrikum und einer Emitterschicht aufweist, wobei die Emitterschicht eine Volumenschicht aus einem Übergangsmetall, einem Edelmetall oder einem Halbleiter oder eine Partikelschicht ist und das Dielektrikum, so ausgewählt ist, dass es bei der Emittertemperatur im Wesentlichen transparent für sichtbares Licht ist. Auf diese Weise kann ein Leuchtkörper mit einfachem Schichtaufbau und mit Diffusionsvorgängen an der Oberfläche von geringer Bedeutung umgesetzt werdenAccording to a further embodiment, a luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a substrate and a layer system is provided, which forms a one-dimensional photonic crystal and has pairs of layers of a layer of dielectric and an emitter layer, wherein the emitter layer is a volume layer is of a transition metal, a noble metal or a semiconductor or a particle layer, and the dielectric is selected to be substantially transparent to visible light at the emitter temperature. In this way, a luminous body with a simple layer structure and with diffusion processes on the surface of little importance can be implemented
Die Emitterschichten lassen sich bevorzugt auch als Heizelemente verwenden, so dass sich ein vorteilhaftes ther- misches Verhalten umsetzen lässt.The emitter layers can preferably also be used as heating elements, so that an advantageous thermal behavior can be implemented.
Die Emitterschicht ist bevorzugt eine Partikelschicht mit einer Metallschicht zur Widerstandsheizung, so dass sich die Beheizung und die Bildung eines elektrischen Kontaktes über die Partikelschicht auf engem Raum kombinieren lassen.The emitter layer is preferably a particle layer with a metal layer for resistance heating, so that the heating and the formation of an electrical contact via the particle layer can be combined in a small space.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Emitterschicht eine Partikelschicht mit metallischen Nanopartikeln mit einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 nm bis lμm ist, wodurch eine besondere Anpassung für die Emission im sicht- baren Bereich vorliegt.It is also advantageous if the emitter layer is a particle layer with metallic nanoparticles having a diameter in the range of approximately 5 nm to 1 μm, whereby a special adaptation for the emission in the visible range is present.
Das Substrat kann eben sein oder einen stabförmigen Kern aufweisen, wodurch sich je nach gewünschter Anwendung ein ebener oder zylindrischer Leuchtkörper realisieren lässt.The substrate can be flat or have a rod-shaped core, whereby a flat or cylindrical luminous element can be realized depending on the desired application.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem beheizbaren Substrat und benachbart zu dieser vorgesehenen Struktur vorgesehen, die in einer solchen Weise ausgebildet ist, Oberflächenplas- monen aufgrund der Struktur Licht abgeben können. Obwohl Oberflächenwellen normalerweise keine Strahlung erzeugen kann somit aufgrund der thermisch erregten Oberflä- chenplasmonen eine Lichtemission bewirkt werden.In a further embodiment, a luminous element is provided for generating a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate and adjacent to this provided structure, which is formed in such a way surface plasmon can emit light due to the structure. Even though Surface waves normally produce no radiation can thus be caused due to the thermally excited surface plasmons, a light emission.
Das Substrat Metall ist bevorzugt und die Struktur weist Dielektrikum in einer solchen Weise auf, dass der Wellenvektor der Oberflächenplasmomen der Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum gleich dem Wellenvektor des Photons im Dielektrikum ist. Somit kann Licht abgegeben werden .The substrate metal is preferred and the structure comprises dielectric in such a way that the wave vector of the surface plasmids of the metal-dielectric interface is equal to the wave vector of the photon in the dielectric. Thus, light can be emitted.
Das Substrat weist bevorzugt Wolfram oder einen beschichten Isolator oder Halbleiter oder Ionenleiter auf, so dass eine Verwendung in Niedervoltlampen, eine thermisch günstige Gestaltung des Leuchtkörpers bzw. eine einfache Beschichtung umsetzbar sind.The substrate preferably has tungsten or a coated insulator or semiconductor or ion conductor, so that use in low-voltage lamps, a thermally favorable design of the filament or a simple coating can be implemented.
Die Struktur weist vorzugsweise Streifen, Gittern, Punkten oder Partikeln auf, wodurch ein einfaches Herstellen möglich ist.The structure preferably has stripes, grids, spots or particles, whereby a simple manufacture is possible.
Durch die Ausbildung der Struktur durch das Bedampfen mit Partikeln lässt sich bei einem unregelmäßigen Abstand als emittierte Lichtfarbe Weiß erzielen.The formation of the structure by the vapor deposition with particles can be achieved at an irregular distance as the emitted light color white.
Die Partikel können mit einem Dielektrikum beschichtet sein, so dass ein Schutz vor Schäden durch Oberflächen- und Volumendiffusion vorgenommen ist.The particles may be coated with a dielectric, so that protection against damage by surface and volume diffusion is made.
Die Partikel können in ein Dielektrikum eingebettet sein, auf das ein eindimensionales photonisches Kristall aufgebracht ist, wodurch sich die Selektivität der Strahlung der Lampe verbessert. Ferner ist es bevorzugt, wenn zwischen beschichten Partikeln der Struktur und einer Metallschicht eine Kavität vorgesehen ist, so dass sich ein definierter Emissi- onspeak im sichtbaren Bereich realisieren lässt.The particles may be embedded in a dielectric to which a one-dimensional photonic crystal has been applied, thereby improving the selectivity of the radiation of the lamp. Furthermore, it is preferred if a cavity is provided between coated particles of the structure and a metal layer, so that a defined emission peak in the visible range can be realized.
Es wird ferner ein Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem beheizbaren Substrat und benachbart zu dieser vorgesehenen Partikel-Gitterschicht, die ein photonisches Kristall bildet, vorgesehen, wodurch sich ein einfacher Herstellungsprozess einsetzen lässt.There is further provided a luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate and adjacent thereto provided particle lattice layer, which forms a photonic crystal, whereby a simple manufacturing process can be used.
Die Partikel-Gitterschicht können Kügelchen aus einem hoch schmelzenden Material aufweisen, die mit einem Dielektrikum beschichtet sind, und das hoch schmelzende Material kann einen hohen Brechungsindex-Kontrast zu diesem Dielektrikum aufweisen, so dass aufgrund der Kugelform als energieärmsten Form die Beschichtung dauerhaft vorgesehen ist.The particle lattice layer may comprise beads of a refractory material which are coated with a dielectric, and the refractory material may have a high refractive index contrast to this dielectric, so that due to the spherical shape as the lowest energy form the coating is permanently provided.
Die Kügelchen sind in einer Anwendung aus Wolfram gefertigt sind und das Dielektrikum weist Al2O3, SiO2 oder HfO2 auf, so dass breit angewendete Materialien mit den damit verbundenen günstigen Kosten zum Einsatz gelangen können.The beads are made of tungsten in one application, and the dielectric has Al 2 O 3 , SiO 2 or HfO 2 so that widely used materials can be used with the associated low cost.
Die Partikel-Gitterschicht kann kubisch flächenzentriert, kubisch raumzentriert oder die hexagonal dichteste Packung sein, so dass sich ein hoher Absorptions- bzw. Emissionskoeffizient im sichtbaren Bereich realisieren lässt .The particle lattice layer can be face centered cubic, body centered cubic or the hexagonal closest packing, so that a high absorption or emission coefficient in the visible range can be realized.
Die Partikel-Gitterschicht weist in einer Ausbildung kugelförmige Räume, vorzugsweise in kubisch flächenzentrierter Anordnung mit kleinem Brechungsindex auf, die von einem Material mit großem Brechungsindex umgeben sind. Somit lässt sich das Prinzip des inversen Opals verwenden und kann eine Zerstörung der Schicht durch Diffusion in starkem Umfang verringert sein.The particle lattice layer has in an embodiment spherical spaces, preferably in cubic face-centered arrangement with a small refractive index, of surrounded by a material of high refractive index. Thus, the principle of the inverse opal can be used, and destruction of the layer by diffusion can be greatly reduced.
Die Kugeln weisen bevorzugt ein Dielektrikum mit kleinem Brechungsindex, beispielsweise AI2O3 oder Siθ2, auf, so dass sich miteinander verbundene Bereich aus dem Dielektrikum mit kleinem Brechungsindex umsetzen lassen.The spheres preferably have a dielectric with a low refractive index, for example Al 2 O 3 or SiO 2, such that interconnected regions can be converted from the dielectric with a small refractive index.
Es wird ferner ein Herstellungsverfahren für einen Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem beheizbaren Substrat und benachbart zu dieser vorgesehenen Partikel- Gitterschicht, die ein photonisches Kristall bildet, vorgesehen, mit den Schritten a) Vorsehen eines Substrates, b) Aufbringen der Partikel-Gitterschicht auf das Substrat, c) Verdichten der Elemente der Partikel- Gitterschicht, d) Versintern der Beschichtung auf den Elementen der Partikel-Gitterschicht. Damit kann ein einfaches Herstellungsverfahren vorgesehen werden.There is further provided a manufacturing method for a luminous body for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate and adjacent to this provided particle grid layer forming a photonic crystal, comprising the steps of a) providing a substrate, b) applying the particle lattice layer on the substrate, c) compacting the elements of the particle lattice layer, d) sintering the coating on the elements of the particle lattice layer. Thus, a simple manufacturing process can be provided.
Bevorzugt werden nach Schritt d) verbleibende Hohlräume zwischen den Elementen der Partikel-Gitterschicht mit einem Dielektrikum kleiner Brechzahl gefüllt werden, um einer Zerstörung durch Oberflächendiffusion vorzubeugen.Preferably, after step d) remaining cavities between the elements of the particle lattice layer are filled with a dielectric of low refractive index, in order to prevent destruction by surface diffusion.
Das Verdichten in Schritt c) kann durch Sedimentation oder kontrollierte Trocknung einer Kolloidkugeldispersion erfolgen, um die Struktur dauerhaft vorzusehen.The densification in step c) can be carried out by sedimentation or controlled drying of a colloidal sphere dispersion in order to permanently provide the structure.
Nach Schritt b) und vor Schritt c) kann ein Abstreifen überstehender Elemente der Partikel-Gitterschicht erfolgen, um eine regelmäßige Struktur sicherzustellen. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.After step b) and before step c) stripping off protruding elements of the particle lattice layer can take place in order to ensure a regular structure. Particularly advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. The figures show:
Fig. IA eine Draufsicht auf eine Lampe mit einem Leuchtkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung, Fig. IB eine geschnittene Ansicht von links der Lampe aus Figur IA und Figur IC eine Draufsicht auf die Lampe von Figur IA entsprechend der vorliegenden Erfindung,1A shows a top view of a lamp with a luminous element according to the present invention, FIG. 1B shows a sectional view from the left of the lamp from FIG. 1A and FIG. 1C shows a top view of the lamp of FIG. 1A according to the present invention,
Fig. 2 den Schichtaufbau eines ersten Leuchtkörpers entsprechend einer ersten Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels,2 shows the layer structure of a first filament according to a first sub-variant of the first embodiment of the first embodiment,
Fig. 3 den Schichtaufbau eines zweiten Leuchtkörpers ent- sprechend der ersten Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels,3 shows the layer structure of a second luminous element according to the first sub-variant of the first embodiment of the first exemplary embodiment,
Fig. 4 den Schichtaufbau eines dritten Leuchtkörpers entsprechend der ersten Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiel,4 shows the layer structure of a third luminous element according to the first sub-variant of the first embodiment of the first exemplary embodiment,
Fig. 5 den Schichtaufbau eines vierten Leuchtkörpers entsprechend der ersten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels,5 shows the layer structure of a fourth filament according to the first sub-variant of the first embodiment,
Fig. 6 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer zweiten und dritten Ausgestaltung der ersten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 7 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer vierten und fünften Ausgestaltung der ersten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels,6 shows the layer structure of a luminous element according to a second and third embodiment of the first sub-variant of the first embodiment, 7 shows the layer structure of a luminous element according to a fourth and fifth embodiment of the first sub-variant of the first exemplary embodiment,
Fig. 8 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer zweiten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels,8 shows the layer structure of a luminous element according to a second sub-variant of the first exemplary embodiment,
Fig. 9 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer dritten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels,9 shows the layer structure of a luminous element according to a third sub-variant of the first exemplary embodiment,
Fig. 10 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer vierten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels,10 shows the layer structure of a luminous element according to a fourth sub-variant of the first exemplary embodiment,
Fig. IIA bis HC Einzelheiten zu einer Partikelschicht bei dem ersten Ausführungsbeispiel,11A to 11C show details of a particle layer in the first embodiment;
Fig. 12 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer ersten Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels,12 the layer structure of a luminous element according to a first sub-variant of the second embodiment,
Fig. 13 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer zweiten Untervariante des zweiten Aus- führungsbeispiels,13 the layer structure of a luminous element according to a second sub-variant of the second exemplary embodiment,
Fig. 14 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer dritten Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels,14 the layer structure of a luminous element according to a third sub-variant of the second exemplary embodiment,
Fig. 15 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entspre- chend einer ersten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels, Fig. 16 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer alternativen Ausgestaltung der ersten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels,15 the layer structure of a luminous element according to a first sub-variant of the third exemplary embodiment, 16 shows the layer structure of a luminous element according to an alternative embodiment of the first sub-variant of the third embodiment,
Fig. 17 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entspre- chend einer zweiten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels,17 the layer structure of a luminous element according to a second sub-variant of the third exemplary embodiment,
Fig. 18 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer dritten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels,18 shows the layer structure of a luminous element according to a third sub-variant of the third embodiment,
Fig. 19 den Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einer vierten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels,19 the layer structure of a luminous element according to a fourth sub-variant of the third embodiment,
die Fig. 2OA einen Ausschnitt aus der beschichteten Oberfläche mit einer Schicht kubisch flächenzentriert angeordneter, beschichteter Kugeln entsprechend dem vierten Ausführungsbeispiel und Fig. 20B eine konkrete Ausführung der Beschichtung aus Fig. 20A,FIG. 20A shows a detail of the coated surface with a layer of cubic surface-centered, coated spheres according to the fourth exemplary embodiment, and FIG. 20B shows a specific embodiment of the coating from FIG. 20A, FIG.
die Figuren 21A bis 28B Anwendungsbeispiele für die Leuchtkörper entsprechend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel, wobei die Figuren 21A bis 21C ein erstes Anwendungsbeispiel zeigen, die Figuren 22A und 22B ein zweites Anwendungsbeispiel der Erfindung, die Figuren 23A und 23B ein drittes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die Figur 24 ein viertes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die Figuren 25A und 25B ein fünftes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die Figur 26 ein sechstes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die Figuren 27A und 27B ein siebentes Anwendungsbeispiel der Erfindung und die Figuren 28A und 28B ein achtes Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigen.Figs. 21A to 28B are examples of use of the luminous bodies according to the first to fourth embodiments, Figs. 21A to 21C show a first application example, Figs. 22A and 22B show a second application example of the invention, Figs. 23A and 23B show a third application example of the invention, Figs Fig. 24 shows a fourth application example of the invention, Figs. 25A and 25B show a fifth application example of the invention, Fig. 26 shows a sixth application example of the invention, Figs. 27A and 27B show a seventh application example of the invention and Figures 28A and 28B show an eighth application example of the invention.
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Mit der vorliegenden Erfindung werden eindimensionale photonische Kristalle in einer solchen Weise eingesetzt, dass, vorzugsweise ausschließlich, eine gewünschte, sichtbare Strahlung erzeugt wird.With the present invention, one-dimensional photonic crystals are used in such a way that, preferably exclusively, a desired, visible radiation is generated.
(Grundsätzliche Überlegungen)(Basic considerations)
Kein Körper strahlt mehr elektromagnetische Energie bei gleicher Temperatur ab als ein schwarzer Strahler. Das bedeutet, dass mit photonischen Kristallen versehene Leuchtkörper in der Summe eine geringere Energie abstrahlen. Durch die photonischen Kristalle kann ein Strahler selektiv bestimmte Wellenlängen unterdrücken. Damit kann das Verhältnis von nutzbarer Strahlung im sichtbaren Be- reich zu Verluststrahlung, z.B. im infraroten Bereich, verbessert werden.No body emits more electromagnetic energy at the same temperature than a black body. This means that lamps provided with photonic crystals emit less energy overall. Due to the photonic crystals, a radiator can selectively suppress certain wavelengths. Thus, the ratio of usable radiation in the visible range to loss radiation, e.g. in the infrared range.
Photonische Kristalle blockieren die Ausbreitung von Strahlung innerhalb einer Bandlücke in bestimmte Raumrichtungen. Wenn diese Kristalle in geeigneter Weise mit dem thermischen Strahler verbunden sind, so kann keine Strahlung der Wellenlängen im gesperrten Frequenzbereich in die Raumrichtungen mit Bandlücke emittiert werden. Bei schräg einfallender Strahlung auf ebene Schichtsysteme wird die gesperrte Wellenlänge verändern. Hingegen ist bei Abstrahlung parallel zu den Schichten keine Wirkung mehr vorhanden. Oberflächentexturierungen und Gitter an einem thermischen Emitter können mittels Wechselwirkung mit den im thermischen Emitter z.B. vorhandenen Oberflächenplasmonen ebenfalls bestimmte Wellenlängen relativ zu anderen verstär- ken und so die Selektivität des Strahlers in positiver Weise verändern. Dabei weisen selektive Strahler, unabhängig davon, ob diese photonische Kristalle oder Oberflächenstrukturen besitzen, sehr feine Strukturen im Größenbereich der Wellenlänge auf, z.B. 0,3 Mikrometer für sichtbares Licht.Photonic crystals block the propagation of radiation within a bandgap in certain spatial directions. If these crystals are suitably connected to the thermal radiator, then no radiation of the wavelengths in the locked frequency range can be emitted in the spatial directions with band gap. With obliquely incident radiation on flat layer systems, the blocked wavelength will change. On the other hand, there is no longer any effect on radiation parallel to the layers. Surface textures and grids on a thermal emitter can also enhance certain wavelengths relative to others by interacting with the surface plasmons present in the thermal emitter, for example, and thus positively alter the selectivity of the emitter. In this case, selective radiators, regardless of whether they have photonic crystals or surface structures, have very fine structures in the size range of the wavelength, for example 0.3 micrometers for visible light.
Bei thermischen Strahlern, die mit photonischen oder Gitterstrukturen versehen sind, treten folgende grundsätzliche Probleme auf:In thermal radiators, which are provided with photonic or lattice structures, the following fundamental problems occur:
Die thermische Strahlung erfordert möglichst heiße Emitter, da die Summe der abgestrahlten Energie gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz zu T4 proportional ist.The thermal radiation requires emitters which are as hot as possible, since the sum of the radiated energy is proportional to T 4 according to the Stefan-Boltzmann law.
- Bei photonischen Emittern kann die nutzbare Strahlung im Vergleich zur Verluststrahlung deutlich höher liegen. Beispielsweise kann das Verhältnis von nutzbarer Strah- lung im Vergleich zur Verluststrahlung in Bezug auf „gewöhnliche" thermische Strahler um den Faktor 10 besser sein. Jedoch ist die abgestrahlte Strahlungsmenge bei halber Emittertemperatur z.B. nur 1/16.- For photonic emitters, the usable radiation compared to the loss radiation can be significantly higher. For example, the ratio of usable radiation compared to the loss radiation with respect to "ordinary" thermal radiators may be better by a factor of 10. However, the emitted radiation amount at half emitter temperature is, for example, only 1/16.
- Bei erhitzten Körpern kommt es zu Diffusionsvorgängen, die ihren physikalischen Hintergrund in dem Bestreben von- In heated bodies, diffusion processes occur, which are their physical background in the endeavor of
Systemen haben, die Entropie zu erhöhen.Have systems that increase entropy.
Die Geschwindigkeit der vorstehend erläuterten Vorgänge nimmt mit der Temperatur, mit der zunehmenden Zahl von Fehlstellen und Lunkern in Festkörpern, mit stark verschiedenen Größen der Bausteine (z.B. Atome) zweier benachbarter Schichten und mit sinkenden Kohäsionskräften zu. Die Diffusionsvorgänge können innerhalb sehr kurzer Zeit (z.B. wenigen Stunden) diese Strukturen zerstören und so die Wirksamkeit des Leuchtkörpers auf den eines „gewöhnlichen" Strahlers zurücksetzen.The speed of the processes discussed above increases with temperature, with the increasing number of voids and voids in solids different sizes of building blocks (eg atoms) of two adjacent layers and with decreasing cohesive forces. The diffusion processes can destroy these structures within a very short time (eg a few hours) and thus reset the effectiveness of the luminous element to that of a "normal" emitter.
Somit wurden durch den Erfinder beispielhaft folgende Anforderungen an durch photonische Kristalle optimierte, erfindungsgemäße Leuchtkörper/Lampe gestellt:Thus, by the inventor, by way of example, the following requirements have been made for luminous bodies / lamps according to the invention which have been optimized by photonic crystals:
- Die Temperatur des Leuchtmittels sollte so hoch wie möglich sein, jedoch nicht höher als ca. 30 % bis 70% der Schmelztemperatur des Materials, um die Diffusion im Wesentlichen zu vermeiden. Der Grund dafür liegt darin, dass die Oberflächendiffusion etwa bei 30% der Schmelz- temperatur einsetzt und die Volumendiffusion etwa bei 45% der Schmelztemperatur einsetzt. Bei höheren Temperaturen verringert sich zunehmend die Lebensdauer der Lampe. Die Temperatur des photonischen Strahlers wird daher immer niedriger sein sollten als die Temperatur von „gewöhnli- chen" thermischen Strahlern bei gleichem Material und Lebensdauer- The temperature of the lamp should be as high as possible, but not higher than about 30% to 70% of the melting temperature of the material in order to substantially prevent diffusion. The reason for this is that the surface diffusion starts at about 30% of the melting temperature and the volume diffusion begins at about 45% of the melting temperature. At higher temperatures, the life of the lamp is increasingly reduced. The temperature of the photonic radiator should therefore always be lower than the temperature of "ordinary" thermal radiators with the same material and lifetime
- Kleine Unregelmäßigkeiten bzw. Strukturen in Materialien (z.B. Hohlräume, Rillen oder Löcher an der Oberfläche der Substrate, wie z.B. Wolframwendeln) der thermi- sehen Strahler können nicht ohne spezielle Vorkehrungen bestehen bleiben.Small irregularities or structures in materials (for example cavities, grooves or holes on the surface of the substrates, such as tungsten filaments) of the thermal radiators can not be left without special precautions.
Ferner können Strukturen im Metall durch Rekristallisation sehr schnell zerstört werden. Ein Beispiel ist eine Wolframwendel, die durch Oberflächendiffusion im Be- trieb langsam zu einem Einkristall mit kristallinen Oberflächen wird.Furthermore, structures in the metal can be destroyed very quickly by recrystallization. An example is a tungsten filament, which is caused by surface diffusion in the drove slowly to become a single crystal with crystalline surfaces.
Im Ergebnis sollten daher folgende Vorkehrungen für erfindungsgemäße Lichtquellen mit guter Lichtausbeute und farbigem Licht getroffen werden:As a result, therefore, the following provisions should be made for light sources according to the invention with good luminous efficacy and colored light:
Zum Erbringen der gleichen Lichtleistung sollten photonische Strahler tendenziell größere Oberflächen aufweisen, da das photonische Kristall die Wirkung der geringeren Temperatur nicht immer voll kompensieren kann. Da aber bei geringeren Emittertemperaturen und großen Oberflächen Wärmeverluste durch Leitung und Konvektion in der Lampe immer bedeutsamer werden, wird der photonische Emitter sehr häufig eine gute Isolierung durch Vakuum in der Lampe erfordern. Schutzgasfüllungen mit höheren Drü- cken bremsen die Zerstörung des Leuchtkörpers, senken aber andrerseits die Lichtausbeute.To provide the same light output, photonic radiators should tend to have larger surface areas because the photonic crystal can not always fully compensate for the effect of the lower temperature. However, as heat losses through conduction and convection in the lamp become more and more important at lower emitter temperatures and large surfaces, the photonic emitter will very often require good vacuum insulation in the lamp. Shielding gas fillings with higher pressures slow down the destruction of the luminous element, but on the other hand lower the luminous efficacy.
Um Diffusionsschäden zu vermindern sind Trennschichten nötig.Separation layers are necessary to reduce diffusion damage.
Kleine Strukturen sollten so geformt sein, dass ihre Funktion auch nach der Bildung von etwaigen Kristallflächen durch Oberflächendiffusion bestehen bleibt. Beispielsweise können runde Formen zu Vielecken werden.Small structures should be shaped so that their function remains even after the formation of any crystal surfaces by surface diffusion. For example, round shapes can become polygons.
Einen besonderen Problemkreis stellt die Beschichtung der Substrate dar. Diese kann nur in Sonderfällen vor einer nachfolgenden Verformung erfolgen, da bei der Verformung die Strukturen beschädigt werden können und da sich Spannungen aufbauen können, die im späteren Betrieb durch Rekristallisation wieder abgebaut werden und dabei die photonische Struktur beschädigen können. Deshalb ist es von Vorteil, wenn die Substrate vor der Beschichtung geglüht werden. Andererseits ist es oft unmöglich beliebige Substrate (z.B. Wendel) nachträglich gleichmäßig zu beschichten. Aus diesem Grund sind einfache Substratformen von Vorteil.A special problem area is the coating of the substrates. This can be done only in special cases before a subsequent deformation, as in the deformation, the structures can be damaged and can build up voltages that are degraded by recrystallization in later operation and the photonic Damage structure. That's why it's from Advantage if the substrates are annealed prior to coating. On the other hand, it is often impossible to subsequently coat any substrates (eg helix) evenly. For this reason, simple substrate shapes are advantageous.
Das Vorsehen eindimensionalen photonischen Kristallen hat darüber hinaus Auswirkungen auf die Lampe, in der ein derartiger Leuchtkörper angeordnet ist.The provision of one-dimensional photonic crystals also has an effect on the lamp in which such a luminous body is arranged.
In Abhängigkeit von der Beschichtung des Emitters kann die Lampe kein Weißlicht erzeugen. Die Lichtverteilung kann anders als bei Lambertstrahlern stark winkelabhängig sein .Depending on the coating of the emitter, the lamp can not produce white light. The light distribution, unlike Lambert radiators, can be strongly angle-dependent.
Somit ergeben sich in Abhängigkeit von der Lampe und der Beschichtung folgende Besonderheiten bei Lampen mit er- findungsgemäßem Leuchtkörper:Thus, depending on the lamp and the coating, the following peculiarities result for lamps with luminous bodies according to the invention:
ein Reflektor, eine Vorsatzlinse oder Diffusorstoffe sollten im oder am Lampengehäuse angeordnet sein,a reflector, an auxiliary lens or diffuser materials should be arranged in or on the lamp housing,
Konverterstoffe im Lampengehäuse zur Umwandlung eines Teils der Strahlung in die Komplementärfarbe sollten im oder am Lampengehäuse vorgesehen sein,Converter materials in the lamp housing for converting part of the radiation into the complementary color should be provided in or on the lamp housing,
es sollte ein Berührungsschutz, gewöhnlich in Form eines Lampengehäuses, vorgesehen sein, undit should be provided a contact protection, usually in the form of a lamp housing, and
- es sollte ein Oxidationsschutz, z.B. Vakuum oder Stickstofffüllung, für die heißen Bauteile vorgesehen sein.it should be an oxidation protection, e.g. Vacuum or nitrogen filling, be provided for the hot components.
In den Figuren IA bis IC sind Ansichten einer Lampe gezeigt, in der ein erfindungsgemäßer Leuchtkörper zum Einsatz gelangt. Eine derartige Lampe weist einen Lampenkör- per 4 mit einem Lampensockel 6 mit Quetschdichtung und einen Reflektorkörper 8 auf, in dem sich der Leuchtkörper 2 befindet. In den Lampensockel 6 sind zwei Sockelstifte 10a, 10b eingebettet, die über Molybdänfolien 12a, 12b mit Stromzuführungen 14a, 14b verbunden sind, an denen die elektrischen Kontakte des Leuchtkörpers 2 befestigt sind und der Leuchtkörper 2 mechanisch gehalten wird.FIGS. 1A to 1C show views of a lamp in which a luminous element according to the invention is used. Such a lamp has a lamp 4 with a lamp base 6 with pinch seal and a reflector body 8, in which the luminous element 2 is located. In the lamp cap 6, two base pins 10a, 10b are embedded, which are connected via molybdenum foils 12a, 12b with power supply lines 14a, 14b, to which the electrical contacts of the filament 2 are fixed and the filament 2 is mechanically held.
Der Reflektorkörper 8 weist an seiner zum Leuchtkörper 2 weisenden Seite eine reflektierende Beschichtung 16 auf und ist an seinem Lichtaustrittsbereich 18, der von der reflektierenden Beschichtung 16 umgeben ist, mit einer Diffusorschicht 20 und auf dieser mit einer Konverterschicht 22 zur Umwandlung eines Teils der Strahlung in die Komplementärfarbe versehen. Als Oxidationsschutz für die heißen Bauteile ist der Innenraum des Reflektors mit einer Gasfüllung versehen, beispielsweise mit einer Stickstofffüllung . Ferner weist die in den Figuren IA bis IC gezeigte Lampe eine Pumpspitze 24 auf. Statt einer Diffusorschicht kann am gesamten Körper auch eine Vor- satzlinse vorgesehen sein.The reflector body 8 has a reflective coating 16 on its side facing the luminous element 2 and is provided with a diffuser layer 20 at its light exit region 18, which is surrounded by the reflective coating 16, and with a converter layer 22 for converting part of the radiation into provided the complementary color. As oxidation protection for the hot components of the interior of the reflector is provided with a gas filling, for example with a nitrogen filling. Furthermore, the lamp shown in FIGS. 1A to 1C has a pump tip 24. Instead of a diffuser layer, a master lens can also be provided on the entire body.
Mit dem erfindungsgemäßen Leuchtkörper 2 kann im wesentlichen sichtbares, monochromatisches Licht, beispielsweise mit 400 oder 500 Nanometer Wellenlänge erzeugt und gerichtet abgestrahlt werden.With the luminous body 2 according to the invention, substantially visible, monochromatic light, for example with a wavelength of 400 or 500 nanometers, can be generated and emitted in a directionally directed manner.
Bei den Trägern, d.h. thermischen Emitter bzw. Substraten, für eindimensionale photonische Kristalle sind folgende Randbedingungen zu beachten.In the carriers, i. thermal emitter or substrates, for one-dimensional photonic crystals, the following boundary conditions are to be observed.
Sie sollten aus einfach zu beschichtenden Flächen bestehen, vorzugsweise mit einer ebenen Fläche, zylindrischen Fläche, einer Kegelfläche oder Kugelfläche. Die Grund- körper zur Aufnahme der eindimensionalen photonischen Kristalle sind in den Fig. 21A bis 28 gezeigt und werden weiter unten näher beschrieben. Ebene und rotationssymmetrische Körper können in PVD Anlagen gleichmäßig be- schichtet werden, wobei rotationssymmetrische Körper gedreht werden.They should consist of surfaces which are easy to coat, preferably with a flat surface, cylindrical surface, conical surface or spherical surface. The reason- bodies for receiving the one-dimensional photonic crystals are shown in FIGS. 21A to 28 and will be described in detail below. Plane and rotationally symmetric bodies can be evenly coated in PVD systems, whereby rotationally symmetric bodies are rotated.
Bei der Verwendung von drahtförmigen Substraten ist entsprechend den Erfahrungen aus der Lampenwendelherstellung das nachträgliche Wendelwickeln solcher Drähte unter Bei- behaltung der Beschichtung schwierig. Wenn die Beschich- tung nach dem Wickeln aufgebracht werden soll, kann diese aufgrund der nun entstanden Form nicht mehr an allen Stellen gleichmäßig aufgetragen werden.When using wire-shaped substrates, subsequent filament winding of such wires, while retaining the coating, is difficult, in accordance with experience gained in lamp filament production. If the coating is to be applied after winding, it can no longer be uniformly applied at all points due to the shape that has now formed.
(Erstes Ausführungsbeispiel)(First embodiment)
Für Leuchtmittel bestehen folgende Anforderungen an die thermischen Emitter: Die gesamte Strahlungsenergie sollte möglichst im nutzbaren Wellenlängenbereich abgegeben werden, d.h. bei Lampen im Bereich >1,6 eV bis ca. 3,3 eV) . Das Licht soll so verteilt sein, dass es in Abhängigkeit von dem Anwendungsfall, z.B. bei einem Licht-Spot, in den zu beleuchtenden Zonen gebündelt ist.For bulbs, the following requirements apply to the thermal emitter: The total radiant energy should as far as possible be delivered in the usable wavelength range, i. for lamps in the range> 1.6 eV to about 3.3 eV). The light should be distributed so that it depends on the application, e.g. at a light spot, is bundled in the zones to be illuminated.
Die Abstrahlung von monochromatischem Licht in definierten Abstrahlwinkeln kann aufgrund der Kopplung des Lichts an den Emitter u.a. über laserähnliche Aufbauten mit Re- sonator oder über Oberflächenplasmonen / Oberflächenpho- nonen erfolgen.The emission of monochromatic light in defined angles of emission may be due to the coupling of the light to the emitter u.a. via laser-like structures with a resonator or via surface plasmons / surface phonons.
Wenn Oberflächenwellen an der Grenzfläche zwischen zwei Medien existieren, so fällt die elektrische Feldstärke in den Medien exponentiell mit dem Abstand von der Grenzflä- che abfallen. Im Fall von photonischen Kristallen fällt die Amplitude des Feldes exponentiell .When surface waves exist at the interface between two media, the electric field strength in the media falls exponentially with the distance from the interface. fall off. In the case of photonic crystals, the amplitude of the field falls exponentially.
Vergleichbar mit den Oberflächenwellen an der Grenzfläche Metall/Dielektrikum können an der Grenzfläche eines pho- tonischen Kristalls (z.B. eines Bragg-Spiegels) Oberflächenwellen entstehen. Die Wellenlängen, bei welchen das geschehen kann, liegen im Stopp-Band des photonischen Kristalls, wo dieser eine hohe Reflektivität besitzt. Auch hier sind die Oberflächenwellen abhängig vom Ein- fallswinkel/Emissionswinkel der Strahlung. Der Wellenlängenbereich des Stopp-Bandes kann für die zu verwendenden Materialien durch Anpassung der Schichtdicken verändert werden. Die Schichtdicken können beispielsweise unter der Internetadresse http: //ab- initio.mit.edu/wiki/index.php/MIT Photonic Bands berechnet werden.Similar to the surface waves at the metal / dielectric interface, surface waves may arise at the interface of a photonic crystal (e.g., a Bragg mirror). The wavelengths at which this can happen lie in the stop band of the photonic crystal, where it has a high reflectivity. Here, too, the surface waves are dependent on the angle of incidence / emission angle of the radiation. The wavelength range of the stop band can be changed for the materials to be used by adjusting the layer thicknesses. The layer thicknesses can be calculated, for example, at the Internet address http: // ab initio.mit.edu / wiki / index.php / WITH Photonic Bands.
Auch an der Oberfläche von polaren Werkstoffen, wie z.B. SiC oder NaCl, die durch Ionenbindungen zusammengehalten werden, können ähnlich wie bei Metallen Oberflächenwellen erzeugt werden. Dabei treten die gleichen Phänomene wie bei Metallen mit Oberflächenstruktur auf, d.h. selektive Emission bei bestimmten Wellenlängen und Winkeln. Jedoch liegen die Wellenlängen von Oberflächen-Phonon- Polaritonen üblicherweise im langwelligen Infrarot- Bereich, da die Gitterschwingungen träge sind.Also on the surface of polar materials, e.g. SiC or NaCl, which are held together by ionic bonds, can be used to produce surface waves similar to metals. The same phenomena occur as with metals with surface structure, i. selective emission at certain wavelengths and angles. However, the wavelengths of surface phonon polaritons are usually in the long-wave infrared range because the lattice vibrations are sluggish.
Wenn Licht von außen auf eine derartige Grenzfläche fällt und Oberflächenwellen erzeugt werden, so steigt in diesem Fall der Absorptionskoeffizient des Systems stark an, denn die Energie der Oberflächenwellen wird in Wärme um- gewandelt. Umgekehrt steigt der Emissionskoeffizient stark an, wenn diese Oberflächenwellen thermisch angeregt werden .In this case, when light from outside falls on such an interface and surface waves are generated, the absorption coefficient of the system sharply increases because the energy of the surface waves is converted into heat. Conversely, the emission coefficient increases strong when these surface waves are thermally excited.
Es ist zu beachten, dass in den Figuren die Anzahl der Schichtpaare und die Breite des Emitters aus Zweckmäßig- keitsgründen reduziert dargestellt sind.It should be noted that in the figures the number of layer pairs and the width of the emitter are shown reduced for reasons of convenience.
(Erstes Ausführungsbeispiel, erste Ausgestaltung)(First Embodiment, First Embodiment)
Bei der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegende Erfindung wird das Prinzip des Strahlers nach dem VERTE-Prinzip (VERTE=vertical cavity enhanced resonant thermal emitter) der in der Physical Revue B72, 075127 (2005) der American Physical Society unter dem Titel „A resonant-cavity enhanced thermal emis- sion" von Ivan Celanovitch, David Perreault und John Kas- sakian veröffentlicht wurde, in abgewandelter Form ge- nutzt. Bei dem in der vorstehenden Veröffentlichung beschriebenen Strahler nach dem VERTE-Prinzip ist ein thermischer Emitter, der Wolfram oder Silber als Metallspiegel aufweist, mit einer Abfolge von Silizium- und Siliziumdioxid-Schichten versehen. Bei einem derartigen Strah- ler wird Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von ungefähr 2,35 μm mit relativ hoher Kohärenz und stark gerichtet abgegeben. Bei dem Schichtaufbau wird sich an dem Prinzip des VCSEL-Lasers orientiert. Auf einen derartigen Strahler nach dem VERTE-Prinzip wurde das US-Patent US 20060186357 erteilt.In the first embodiment of the first embodiment of the present invention, the principle of the vertical cavity enhanced resonant thermal emitter (VERTE) radiator disclosed in Physical Review B72, 075127 (2005) of the American Physical Society, entitled "A resonant-cavity enhanced thermal emission "published by Ivan Celanovitch, David Perreault and John Casasakian, is used in a modified form in which the VERTE principle emitter described in the above publication has a thermal emitter, tungsten With such a radiator, infrared light having a wavelength of about 2.35 μm is emitted with relatively high coherence and with high directionality In accordance with the principle of the VCSEL laser, the US Pat US Pat. No. 20060186357.
Das Schichtsystem entsprechend der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels weist vom Grundaufbau her ein hochreflektives Substrat, eine darüber liegende dielektrische Kavität und darauf einem Bragg-Spiegel mit endlicher Schichtzahl auf. Zwar ähnelt der Aufbau dem des Strahlers aus dem US-Patent US 20060186357, doch sind bei der vorliegenden Erfindung für den sichtbaren Bereich an- gepasste Abmessungen ausgewählt worden.The layer system according to the first embodiment of the first embodiment has a highly reflective substrate from the basic structure, an overlying dielectric cavity and thereon a Bragg mirror with a finite layer number. Although the structure is similar to that of the Of the US Pat. No. 20060186357, dimensions adapted to the visible range have been selected in the present invention.
Das hochreflektierende metallische Substrat besteht z.B. aus Ag oder W. Der Reflektor wirkt zugleich als Emitter, weil gemäß Kirchhoff die Emission bei einer Wellenlänge und Richtung gleich der entsprechenden Absorption ist und die Absorption die Ergänzung der Reflektion zu 1 darstellt. Das Substrat stellt somit einen verlustbehafteten Spiegel dar.The high-reflection metallic substrate is e.g. from Ag or W. At the same time the reflector acts as an emitter, because according to Kirchhoff the emission at one wavelength and direction is equal to the corresponding absorption and the absorption is the complement of the reflection to 1. The substrate thus represents a lossy mirror.
Die dielektrische Kavität kann beispielsweise eine Dicke von etwa 0,78 μm aufweisen und wirkt ähnlich wie bei einem Fabry-Perot-Resonator, in dem das Licht mehrfach zwischen zwei parallelen ebenen oder gekrümmten Spiegeln re- flektiert wird. Bei jeder Reflektion am dichteren Medium tritt eine Phasenverschiebung um 180° auf. Dabei interferieren die reflektierten Strahlen miteinander. Durch geeignete Spiegeleinstellung kann ein Resonatormode verstärkt werden.The dielectric cavity may, for example, have a thickness of approximately 0.78 μm and has a similar effect to a Fabry-Perot resonator in which the light is reflected several times between two parallel planar or curved mirrors. Each reflection on the denser medium causes a phase shift of 180 °. The reflected rays interfere with each other. By suitable mirror adjustment, a resonator mode can be amplified.
Durch die Kombination der dielektrischen Kavität mit dem eindimensionalen photonischen Kristall werden die Wellenlängen außerhalb der Resonanzwellenlänge unterdrückt, während die Resonanzwellenlänge verstärkt wird, so dass die Kavität praktisch verlustlos ist.By combining the dielectric cavity with the one-dimensional photonic crystal, the wavelengths outside the resonant wavelength are suppressed, while the resonant wavelength is amplified, so that the cavity is virtually lossless.
Das eindimensionalen photonischen Kristall ist so ausgelegt, dass λ, d.h. die Wellenlänge, bei der die Emission des Strahlers maximal werden soll, im Stopp-Band liegt und es damit einen praktisch verlustfreien Spiegel für λ darstellt. Wegen der endlichen Schichtzahl wird jedoch trotzdem ein kleiner Teil der Energie übertragen. Das eindimensionale photonische Kristall mit Kavitätssystem kann auch als photonisches Kristall mit einem Defekt betrachtet werden.The one-dimensional photonic crystal is designed so that λ, ie the wavelength at which the emission of the radiator is to become maximum, is in the stop band and thus represents a practically lossless mirror for λ. Nevertheless, because of the finite number of layers, a small part of the energy is transferred. The one-dimensional photonic crystal with cavity system can also be considered as a photonic crystal with a defect.
Die Schichtdicken des photonischen Kristalls können wie bereits genannt z.B. unter der Internetadresse http : //ab- inibiύ .mit . edu/wiki/ index .php /MIT Photon Ic Bands berechnet werden. Diese Schichtdicken liegen in Abhängigkeit vom Brechungsindex der Schichten bei ca. λ/4n für die hoch-/niedrigbrechende Schicht. Für andere Wellenlängen und Materialien des thermischen Emitters sollte z.B. die Schichtanzahl reduziert werden, damit die Transmission durch den oberen Bragg-Spiegel an eine möglicherweise höhere Absorption im metallischen Emitter angepasst wird.The layer thicknesses of the photonic crystal can be as already mentioned e.g. at the Internet address http: // ab-inibiύ .mit. edu / wiki / index .php / Calculated with Photon Ic Bands. Depending on the refractive index of the layers, these layer thicknesses are approximately λ / 4n for the high / low refractive index layer. For other wavelengths and materials of the thermal emitter, e.g. the number of layers can be reduced so that the transmission through the upper Bragg mirror is adapted to a possibly higher absorption in the metallic emitter.
Herkömmliche, nach dem VERTE-Prinzip arbeitende Strahler sind für Infrarotstrahlung ausgelegt. Für kürzere Wellenlängen als Infrarotstrahlung wird der eindimensionale photonische Kristall rechnerisch angepasst. Eine Besonderheit bei sichtbarem Licht ist, dass die Dielektrika des photonischen Kristalls bei Betriebstemperatur des Strahlers transparent für das sichtbar Licht sein sollten. Si ist deshalb ungeeignet. Für das Dielektrikum mit kleiner Brechzahl wird deshalb bevorzugt Siθ2, AI2O3, MgO usw. Das Material des Dielektrikum mit „hoher" Brechzahl ist bevorzugt ein Metall, wie beispielsweise Ag, W, Mo, oder Keramik, wie z.B. Tiθ2, Fe2<03, V2O3, Si3N4 usw. Die Kavität kann aus dem gleichen Material wie das niedrig brechende Dielektrikum bestehen, z.B. aus AI2O3. Die Schichtstärke d der Kavität wird entsprechend der Wellen- länge λ, bei der die Emission des Strahlers maximal werden soll, angepasst und beträgt in Abhängigkeit von der Brechzahl nResOnatorMedium der Kavität bevorzugt etwa m*λ/ (2nResonatorMedium) r wobei in ganzzahlig ist.Conventional spotlights operating according to the VERTE principle are designed for infrared radiation. For shorter wavelengths than infrared radiation, the one-dimensional photonic crystal is mathematically adjusted. A special feature of visible light is that the dielectrics of the photonic crystal should be transparent to the visible light at the operating temperature of the radiator. Si is therefore unsuitable. SiO 2, Al 2 O 3, MgO, etc. are therefore preferred for the dielectric having a low refractive index. The material of the dielectric having a "high" refractive index is preferably a metal, such as Ag, W, Mo, or ceramic, such as TiO 2, Fe 2 O 3, V 2 O 3 , Si3N 4 , etc. The cavity can be made of the same material as the low-refracting dielectric, eg, Al 2 O 3. The layer thickness d of the cavity is adjusted in accordance with the wavelength λ, at which the emission of the radiator is to become maximum and is dependent on the Refractive index n reso n ato rM ed i u m of the cavity preferably about m * λ / (2n Resonat orMedium) r where m is an integer.
Bei einem herkömmlichen Strahler nach dem VERTE-Prinzip wird ein metallischer verlustbehafteter Reflektor benö- tigt, der bei der Wellenlänge λ noch eine sehr hohe Re- flektion mit definiertem kleinem Verlustfaktor aufweist. Der Verlust im unteren Reflektor und der Kavität soll so groß sein, dass dieser der abgestrahlten Energie durch den oberen Reflektor entspricht (kritische Kopplung) . Bei dem Reflektor für die erheblich kürzeren Wellenlängen des sichtbaren Lichts sind die Anforderungen jedoch geringer, weil die abgestrahlte Bandbreite größer sein darf. Der rein metallische Reflektor, der bei herkömmlichen Strahlern nach dem VERTE-Prinzip zum Einsatz gelangt, kann deshalb bei der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels durch die folgenden Alternativen ersetzt werden :In a conventional radiator according to the VERTE principle, a metallic lossy reflector is needed, which still has a very high reflection at the wavelength λ with a defined small loss factor. The loss in the lower reflector and the cavity should be so large that it corresponds to the radiated energy through the upper reflector (critical coupling). However, in the case of the reflector for the considerably shorter wavelengths of visible light, the requirements are lower because the radiated bandwidth may be greater. The purely metallic reflector used in conventional spotlights according to the VERTE principle can therefore be replaced by the following alternatives in the first embodiment of the first exemplary embodiment:
erste Untervariante: Anpassen des Strahlers nach dem VERTE-Prinzip an die Abstrahlung von sichtbarem Licht, wobei das Substrat eine von einem metallischen Körper abweichende Gestaltung haben kannfirst sub-variant: Adapting the spotlight according to the VERTE principle to the emission of visible light, the substrate may have a deviating from a metallic body design
zweite Untervariante: metallo-dielektrisches, photonisches Kristall Eine oder mehrere dünne Metallschichten absorbieren einen Teil der Strahlung und können bei Beheizung auch als Emitter wirken, wobei das photonische Kristall gleichzeitig als Reflektor für Wellenlänge λ wirkt.second sub-variant: metallo-dielectric, photonic crystal One or more thin metal layers absorb part of the radiation and can also act as an emitter when heated, the photonic crystal simultaneously acting as a reflector for wavelength λ.
dritte Untervariante: Partikelfilme kombiniert mit einem eindimensionalen photonischen Kristall Die Partikelfilme emittieren bzw. absorbieren einen definierten Teil der Strahlung, während der Bragg-Spiegel die Aufgabe der Reflektion übernimmt.third sub-variant: Particle films combined with a one-dimensional photonic crystal The particle films emit or absorb a defined part of the radiation, while the Bragg mirror takes over the task of reflection.
vierte Untervariante: eine dünne Metallschicht als Emitter auf einem eindimensionalen photonischen Kristall,fourth sub-variant: a thin metal layer as an emitter on a one-dimensional photonic crystal,
fünfte Untervariante: eindimensionales photonisches Kristall (Reflektor) und ein Halbleiter mit geeigneter elektrischer Bandlücke.fifth sub-variant: one-dimensional photonic crystal (reflector) and a semiconductor with a suitable electric band gap.
(Erste Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)(First Sub-Variant of First Embodiment of First Embodiment)
Nachfolgend werden die erste bis vierte Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren 2 bis 5 zeigen den Schichtaufbau für den Leuchtkörper entsprechend dieser ersten Un- tervariante des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und die Figuren 21a bis 29c ein erstes bis achtes Anwendungsbeispiel für die Leuchtkörper mit einem Schichtaufbau entsprechend der Erfindung.Hereinafter, the first to fourth sub-variants of the first embodiment of the first embodiment will be explained in more detail. FIGS. 2 to 5 show the layer structure for the luminous element according to this first sub-variant of the first exemplary embodiment of the invention, and FIGS. 21a to 29c show a first to eighth application example for the luminous elements with a layer structure according to the invention.
Jeder Leuchtkörper entsprechend den Fig. 2 bis 5 hat den Grundaufbau, bei dem auf einen thermischen Emitter mit hohem Reflektionskoeffizienten eine aktive Schicht aufgebracht ist, auf der sich ein Schichtsystem befindet, das Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex aufgebracht ist. Durch diese Schichtreihenfolge wird folgende Grundfunktion verwirklicht:Each luminous element according to FIGS. 2 to 5 has the basic structure in which a thermal emitter with a high reflection coefficient is provided with an active layer on which there is a layer system which has layers of alternatingly high and low refractive index. This layer order implements the following basic function:
Der thermische Emitter würde als Planckscher Strahler in einem weiten Wellenlängenbereich Strahlung emittieren. Aufgrund der vorgesehenen aktiven Schicht, die bevorzugt ein dielektrisches Medium ist und die eine vorbestimmte Schichtdicke hat, baut sich eine stehende Welle auf, der ein zugehöriges elektromagnetisches Feld entspricht. Dieses elektromagnetische Feld tritt mit der eigentlichen Quantenquelle im thermischen Emitter (Plasmonen, moleku- lare Dipole, Gitterschwingen oder anderes) in Wechselwirkung, wobei die Quantenquelle an das vorhandene elektromagnetische Feld gekoppelt wird. Im Ergebnis kann nur synchron über das vorhandene elektromagnetische Feld Strahlung emittiert werden, das heißt synchron mit der Frequenz, die der Größe der aktiven Schicht entspricht.The thermal emitter would emit radiation as a Planckian radiator in a wide wavelength range. Due to the provided active layer, which is preferably a dielectric medium and which has a predetermined Has layer thickness, builds up a standing wave, which corresponds to a corresponding electromagnetic field. This electromagnetic field interacts with the actual quantum source in the thermal emitter (plasmons, molecular dipoles, lattice waves, or others), coupling the quantum well to the existing electromagnetic field. As a result, only synchronously with the existing electromagnetic field radiation can be emitted, that is synchronous with the frequency corresponding to the size of the active layer.
Bei dieser ersten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist auf der zum thermischen Emitter entgegengesetzten Seite der aktiven Schicht das Schichtsystem vorgesehen, was als Bragg- Spiegel in Form eines teildurchlässigen Spiegels wirken kann .In this first sub-variant of the first exemplary embodiment of the present invention, the layer system is provided on the side of the active layer opposite the thermal emitter, which can act as a Bragg mirror in the form of a partially transmissive mirror.
Für die Funktion eines derartigen Leuchtkörpers ist von Bedeutung, dass die beiden Seiten der aktiven Schicht mit einem guten Spiegel versehen sind. Dieser kann beispiels- weise durch eine metallische Oberfläche am thermischen Emitter auf der einen Seite umgesetzt sein. Bei dem eindimensionalen photonischen Kristall des Schichtsystems auf der andern Seite liegt ein teildurchlässiger Spiegel vor, der für die gewünschte Strahlung eine hohe Reflekti- vität (beispielsweise 99%) besitzt.For the function of such a luminous body is important that the two sides of the active layer are provided with a good mirror. This can be implemented, for example, by a metallic surface on the thermal emitter on one side. In the case of the one-dimensional photonic crystal of the layer system on the other side, there is a partially transmissive mirror which has a high reflectivity (for example 99%) for the desired radiation.
Somit wird im Gegensatz zum Stand der Technik, wie diese in der vorstehenden genannten Physical Review wiedergegeben ist, keine Infratrotstrahlung reflektiert, sondern sichtbares Licht. Die Schichten des Leuchtkörpers sind in einer solchen Weise ausgelegt, dass ein Teil der sichtba- ren Strahlung aus dem Laser austritt und auf diese Weise verwendet werden kann.Thus, in contrast to the prior art, as reproduced in the aforementioned Physical Review, no infrared radiation is reflected, but visible light. The layers of the luminous element are designed in such a way that a part of the visible Ren radiation from the laser exits and can be used in this way.
Der thermische Emitter weist bei den Figuren 2 und 3 eine auf ein Widerstandsheizelement aufgebrachte metallische Reflektorschicht 26 auf, die einen hohen Reflektionskoef- fizienten hat. Der Reflektionsgrad beträgt vorzugsweise mehr als 90%, wozu eine hohe Oberflächenqualität notwendig ist.In FIGS. 2 and 3, the thermal emitter has a metallic reflector layer 26 applied to a resistance heating element, which has a high reflection coefficient. The reflectance is preferably more than 90%, for which a high surface quality is necessary.
Bei den Figuren 4 und 5 ist der thermische Emitter Teil einer metallischen Wendel, wobei durch diese Wendel sowohl die Widerstandsheizung als auch die Reflektionsfunk- tion umgesetzt wird. Die aktive Schicht ist bei allen vier Beispielen bevorzugt eine Laserkavitätsschicht, deren Dicke von der Wellenlänge abhängt und beispielsweise 170 Nanometer beträgt. Es wird bevorzugt, wenn die Dicke der Kavitätsschicht ungefähr λ/4 beträgt, wobei λ die Wellenlänge bei der Bandlücke ist. Als Material wird bevorzugt ein transparentes Material mit einer möglichst kleinen Absorptionsrate und einer definierten Permeativi- tat eingesetzt.In FIGS. 4 and 5, the thermal emitter is part of a metallic filament, whereby both the resistance heating and the reflection function are converted by this filament. In all four examples, the active layer is preferably a laser cavity layer whose thickness depends on the wavelength and is, for example, 170 nanometers. It is preferred that the thickness of the cavity layer is about λ / 4, where λ is the wavelength at the bandgap. The material used is preferably a transparent material with the lowest possible absorption rate and a defined permeativity.
Der Brechungsindex dieser Laserkavitätsschicht soll klein sein. Zur Verringerung der Verlust einer Laserkavitätsschicht kann diese auch zweischichtig ausgeführt sein. Durch die Dicke der Laserkavitätsschicht wird die Wellen- länge des aus dem Leuchtkörper emittierten Lichts bestimmt, die sich nach dem elektromagnetischem Feld richtet, das eine Halbwelle der Strahlung repräsentiert. Das Schichtsystem ist ein eindimensionales photonisches Kristall und weist Schichten mit abwechselnd zuerst hohen und dann niedrigen Brechungsindex aus. Die Schicht mit hohem Brechungsindex, die auf dem thermischen Emitter aufgebracht ist, kann zum Beispiel aus Silizium oder aus Diamant hergestellt sein und eine Dicke von beispielsweise 35 Nanometer aufweisen. Die Schicht mit niedrigem Bre- chungsindex, die sich an die Schicht mit hohem Brechungsindex anschließt, kann beispielsweise aus Siliziumdioxid hergestellt sein und eine Dicke von beispielsweise 80 Na- nometern aufweisen. In Bezug auf eine Bandlücke bei einer Wellenlänge λ wird es bevorzugt, die Dicke der Schichten jeweils mit ungefähr λ/4 zu wählen.The refractive index of this laser cavity layer should be small. To reduce the loss of a laser cavity layer, this can also be designed in two layers. The thickness of the laser cavity layer determines the wavelength of the light emitted from the luminous element, which is based on the electromagnetic field, which represents a half-wave of the radiation. The layer system is a one-dimensional photonic crystal and has layers with alternately high and then low refractive index. The layer with high For example, refractive index applied to the thermal emitter may be made of silicon or diamond and may have a thickness of, for example, 35 nanometers. The low refractive index layer which adjoins the high refractive index layer may, for example, be made of silicon dioxide and have a thickness of, for example, 80 nanometers. With respect to a bandgap at a wavelength λ, it is preferable to select the thickness of the layers each about λ / 4.
Eine Vielzahl dieser Doppelschichten befinden sich bei den Figuren 2 bis 5 auf der aktiven Schicht aufeinander. Das Schichtsystem gleicht bis auf die Schichtdicke und der Materialauswahl einer Infrarotreflexionsschicht bei herkömmlichen Lampen. Durch diese Schicht wird Licht reflektiert, wodurch Interferenzen gewisser Wellenlängen abgeschwächt werden. Die Schichtdicke ist an die gewünschte Wellenlänge angepasst. Für sichtbares Licht hat sich ein Dickenbereich von 30 bis 150 Nanometer als güns- tig erwiesen. Aufgrund der Ähnlichkeit zur Infrarotreflexionsschicht kann das Schichtsystem auf IRC (infrared co- ating) -Beschichtungsanlagen gefertigt werden.A multiplicity of these double layers are located on the active layer in FIGS. 2 to 5. The layer system is similar to the layer thickness and the material selection of an infrared reflection layer in conventional lamps. This layer reflects light, which attenuates interference of certain wavelengths. The layer thickness is adapted to the desired wavelength. For visible light, a thickness range of 30 to 150 nanometers has proved to be favorable. Due to the similarity to the infrared reflection layer, the layer system can be manufactured on IRC (infrared coating) coating systems.
Figur 2 zeigt den Querschnitt durch einen Leuchtkörper, bei dem auf einen Keramikträger 28, der beispielsweise aus AI2O3, AIN oder anderen Stoffen hergestellt ist, die metallische Reflektorschicht 26 aufgebracht ist. Die Reflektorschicht 26 wird über Widerstandsbeheizung durch den Keramikträger 28 auf eine bestimmte Temperatur, beispielsweise auf 1200 Kelvin, erhitzt. Der Keramikträger ist aus einem Material mit einem hohen elektrischen Wi- derstand, beispielsweise SiC, und kann daher direkt an eine Spannungsversorgung angeschlossen werden.FIG. 2 shows the cross section through a luminous element, in which the metallic reflector layer 26 is applied to a ceramic substrate 28, which is produced, for example, from Al 2 O 3, AlN or other substances. The reflector layer 26 is heated by resistance heating by the ceramic carrier 28 to a certain temperature, for example to 1200 Kelvin. The ceramic carrier is made of a material with a high electrical derstand, for example SiC, and can therefore be connected directly to a power supply.
Auf der metallischen Reflektorschicht 26 ist als aktive Schicht die Laserkavitätsschicht 30 aufgebracht, auf der sich das Schichtsystem 32 aus einer jeweiligen Schicht 32a mit hohem Brechungsindex und einer Schicht 32b mit niedrigem Brechungsindex befindet.On the metallic reflector layer 26 is applied as the active layer, the laser cavity layer 30, on which the layer system 32 is made of a respective high-refractive-index layer 32a and a low-refractive-index layer 32b.
Bei dem Leuchtkörper entsprechend Figur 3 weist der thermische Emitter die metallische Reflektorschicht 26, die beispielsweise wie beim ersten Ausführungsbeispiel aus Wolfram, Silber, Molybdän, Nickel, Eisen oder ähnlichem gefertigt ist, und den Keramikträger, der beispielsweise aus AI2O3, AIN oder anderem gefertigt ist, auf.In the luminous element according to FIG. 3, the thermal emitter comprises the metallic reflector layer 26, which, for example, is made of tungsten, silver, molybdenum, nickel, iron or the like, as in the first exemplary embodiment, and the ceramic carrier, which is produced, for example, from Al 2 O 3, AlN or others , on.
Auf dem Keramikträger ist auf der zur metallischen Re- flektorschicht 26 entgegengesetzten Seite eine Leiterbahn 36 vorgesehen, über die die Widerstandsbeheizung ausgeführt wird. Der Keramikträger 34 ist ein elektrisch isoliertes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit. Die Leiterbahn 36 weist eine ausreichende Länge und einen aus- reichenden Querschnitt auf, um die Widerstandsbeheizung auszuführen. Auf der metallischen Reflektorschicht 26 befinden sich wie bei diesem ersten Beispiel die Laserkavitätsschicht 30 und das Schichtsystem 32 mit Schichten mit hohem Brechungsindex und mit Schichten mit niedrigem Bre- chungsindex. Mit dem ersten und zweiten Beispiel ist ein Leuchtkörper für relativ hohe Spannungen offenbart.On the ceramic carrier, a conductor track 36 is provided on the side opposite the metallic reflector layer 26, over which the resistance heating is carried out. The ceramic carrier 34 is an electrically insulated material with good thermal conductivity. The conductor track 36 has a sufficient length and a sufficient cross-section to carry out the resistance heating. As in this first example, the laser cavity layer 30 and the layer system 32 with layers of high refractive index and with layers of low refractive index are located on the metallic reflector layer 26. With the first and second examples, a luminaire for relatively high voltages is disclosed.
Bei dem Leuchtkörper entsprechend den Figuren 4 und 5 handelt es sich um einen Leuchtkörper für relativ niedrigere Spannungen. Hierbei wird der thermische Emitter durch einen metallischen Körper, insbesondere aus Über- gangs- oder Edelmetall, bevorzugt durch eine Wendel 38, gebildet, durch den die Heizfunktion und die Reflektions- funktion umgesetzt wird. Es wird bevorzugt, wenn die Wendel 38 aus Molybdän oder Wolfram gefertigt ist. Auf der Wendel 38 befindet sich wie bei der Umsetzung in den Fig. 2 und 3 eine Laserkavitätsschicht 30 sowie ein Schichtsystem 32.The luminous element according to FIGS. 4 and 5 is a luminous element for relatively lower voltages. In this case, the thermal emitter is replaced by a metallic body, in particular from gangsten or precious metal, preferably formed by a helix 38, through which the heating function and the reflection function is implemented. It is preferred if the helix 38 is made of molybdenum or tungsten. On the helix 38, as in the implementation in FIGS. 2 and 3, there is a laser cavity layer 30 and a layer system 32.
Beim Beschichtungsverfahren ist es vorteilhaft, wenn ein Leuchtkörper vorgesehen wird, bei dem das Schichtsystem 32 bei mechanischer Verformung nicht abplatzt. Dieses kann insbesondere dann vorteilhaft umgesetzt werden, wenn die Wendel 38 aus einem Blechstreifen gewickelt wird und anschließend der Beschichtungsprozess ausgeführt wird. Alternativ dazu kann zuerst die Beschichtung der Wendel 38 vorgenommen werden und anschließend der Leuchtkörper geformt werden.In the coating method, it is advantageous if a luminous body is provided in which the layer system 32 does not chip off during mechanical deformation. This can be implemented advantageously in particular when the coil 38 is wound from a metal strip and then the coating process is carried out. Alternatively, first the coating of the helix 38 can be made and then the luminous body can be formed.
Beim Leuchtkörper entsprechend Figur 5 ist auf die entgegengesetzt liegenden Seiten der Wendel 38 jeweils eine Laserkavitätsschicht 30 und ein Schichtsystem 32 aufge- bracht. Alternativ zur Wendel kann auch ein anderer metallischer Körper aus Übergangs- oder Edelmetall, z.B. Molybdän, Ag, W als Substrat und Emitter vorgesehen sein. Bei einer derartigen Beschichtung erhöht sich die Lichtausbeute des Leuchtkörpers. Andererseits erhöhen sich die Anforderungen an die Sicherheit gegen das Abplatzen des Schichtsystems von der Wendel. Die Laserkavität hat eine Dicke von bevorzugt ungefähr einem Viertel der Wellenlänge, die bei der Emission des Strahlers maximal werden soll, während die Schichten des Schichtsystems 32 bevor- zugt eine Dicke haben, die d=λ/n beträgt, wobei λ die Wellenlänge, die bei der Emission des Strahlers maximal werden soll, ist und n die Anzahl der Doppelschicht ist.In the case of the luminous element according to FIG. 5, a laser cavity layer 30 and a layer system 32 are respectively applied to the opposite sides of the filament 38. As an alternative to the helix, another metallic body of transition metal or noble metal, for example molybdenum, Ag, W, may also be provided as substrate and emitter. With such a coating, the luminous efficacy of the luminous element increases. On the other hand, the safety requirements increase against the chipping of the layer system from the helix. The laser cavity has a thickness of preferably approximately one quarter of the wavelength, which is to become maximum at the emission of the radiator, while the layers of the layer system 32 preferably have a thickness which is d = λ / n, where λ is the Wavelength to be maximized at the emission of the radiator, and n is the number of the double layer.
Bei der zweiten bis fünften Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels ist wie bei der ersten Untervariante ein Schichtsystem 32 aus Schichten mit hohem Brechungsindex und Schichten mit niedrigem Brechungsindex auf einer Laserkavitätsschicht 30 vorgesehen. Der Aufbau auf der zum eindimensionalen photonischen Kristall entgegengesetzten Seite der Laserkavitätsschicht unterscheidet sich jedoch.In the second to fifth subvariants of the first embodiment of the first embodiment, as in the first sub-variant, a layer system 32 of high refractive index layers and low refractive index layers is provided on a laser cavity layer 30. However, the structure on the opposite side of the laser cavity layer to the one-dimensional photonic crystal differs.
(Zweite Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)Second Sub-Variant of First Embodiment of First Embodiment
In Fig. 6 ist eine zweite Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. In dieser Untervariante handelt es sich um einen Strahler für eine Wellenlänge λ, bei der die Emission des Strahls maximal werden soll, im sichtbaren Bereich, wobei ein me- tallo-dielektrischem photonischer Kristall als verlustbehafteter Emitter verwendet wird. Das Substrat 40 kann bei niedriger Versorgungsspannung metallisch sein z.B. aus W. Bei höherer Versorgungsspannung ist es bevorzugt elektrisch isolierend oder mit einem hohen elektrischen Widerstand versehen, z.B. ist das Substrat keramisch. In Frage kommen elektrisch isolierende Keramiken wie AI2O3 oder AlN. Der Emitter wird dann nur über dünne Metallschichten auf dem Substrat 40 beheizt. Dabei können hohe Versorgungsspannungen verwendet werden. Schließlich können auch Keramiken mit hohen elektrischen Widerständen bei Betriebstemperatur verwendet werden, z.B. Ionenleiter. Ent- sprechend hohe Versorgungsspannungen sind dann zu wählen. Im Idealfall ist das Substrat beidseitig sowohl mit dem eindimensionalen Kristall als auch der Laserkavitäts- schicht beschichtet, um die Verluste zu reduzieren.6, a second sub-variant of the first embodiment of the first embodiment is shown. In this sub-variant is a radiator for a wavelength λ at which the emission of the beam is to be maximum, in the visible range, wherein a me- tallo-dielectric photonic crystal is used as a lossy emitter. The substrate 40 may be metallic at low supply voltage, for example from W. At higher supply voltage, it is preferably electrically insulating or provided with a high electrical resistance, for example, the substrate is ceramic. In question are electrically insulating ceramics such as Al 2 O 3 or AlN. The emitter is then heated only via thin metal layers on the substrate 40. In this case, high supply voltages can be used. Finally, ceramics with high electrical resistances at operating temperature can be used, for example, ion conductors. Correspondingly high supply voltages must then be selected. Ideally, the substrate is coated on both sides with both the one-dimensional crystal and the laser cavity layer in order to reduce the losses.
Auf dem Substrat 40 befindet sich ein eindimensionales metallo-dielektrisches photonisches Kristall 41 mit einer Bandlücke bei λ, wobei die Schichtdicken ca. λ/4n betragen. In diesem eindimensionalen metallo-dielektrischen photonischen Kristall ist eine Schichtabfolge einer Schicht 41a mit kleinem Brechungsindex, beispielsweise aus AI2O3, und einer Metallschicht 41b, deren Dicke kleiner als die Skintiefe ist und dessen Material bevorzugt ein Übergangsmetall ist.On the substrate 40 is a one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal 41 with a band gap at λ, wherein the layer thicknesses are about λ / 4n. In this one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal is a layer sequence of a layer 41a with a low refractive index, for example of Al2O3, and a metal layer 41b whose thickness is smaller than the skin depth and whose material is preferably a transition metal.
Die entgegengesetzten Stirnflächen der Schichten des eindimensionalen metallo-dielektrischen photonischen Kris- talls 41 sind die elektrischen Kontaktierungen 42 für diese Emitterschichten vorgesehen. Optional sind diese auch für das Substrat bei Widerstandsbeheizung vorgesehen .The opposite end faces of the layers of the one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal 41 are provided with the electrical contacts 42 for these emitter layers. Optionally, these are also provided for the substrate during resistance heating.
Für die Schicht 32b mit hohem Brechungsindex gelangt be- vorzugt TiO2 zum Einsatz, während bei der Schicht mit kleinem Brechungsindex bevorzugt AI2O3 verwendet wird.For the high refractive index layer 32b, TiO 2 is preferably used, while for the low refractive index layer, preferably Al 2 O 3 is used.
Es ist eine elektrische Kontaktierung der Emitterschichten und optional auch des Substrats zur Widerstandsbeheizung vorgesehen.It is provided an electrical contacting of the emitter layers and optionally also the substrate for resistance heating.
(Dritte Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)Third Third Variant of First Embodiment of First Embodiment
Der Aufbau der dritten Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels entspricht dem in Fig. 6 gezeigten Aufbau der zweiten Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zu letztgenannten werden jedoch bei der dritten Untervariante die Metallschichten durch Partikel- schichten ersetzt. Der Partikeldurchmesser liegt dabei unterhalb der Wellenlänge λ, bei der die Emission des Strahlers maximal werden soll.The structure of the third sub-variant of the first embodiment of the first embodiment corresponds to the in Fig. 6 shown construction of the second sub-variant of the first embodiment of the first embodiment. In contrast to the latter, however, in the third sub-variant, the metal layers are replaced by particle layers. The particle diameter is below the wavelength λ, at which the emission of the radiator should be maximum.
(Vierte Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)(Fourth sub-variant of the first embodiment of the first embodiment)
In Fig. 7 ist die vierte Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt, bei der statt des eindimensionalen metallo-dielektrischen photonisches Kristalls eine dünne Metallschicht 43 als Emitter auf einem eindimensionalen photonischen Kristall 44 vorgesehen ist. Der obere Reflektor 32 und die Laser- kavitätsschicht 30 entsprechen der Ausgestaltung bei der zweiten und dritten Untervariante.FIG. 7 shows the fourth sub-variant of the first embodiment of the first exemplary embodiment, in which, instead of the one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal, a thin metal layer 43 is provided as emitter on a one-dimensional photonic crystal 44. The upper reflector 32 and the laser cavity layer 30 correspond to the configuration in the second and third subvariants.
Auf dem Substrat 40 ist das eine Bandlücke bei der Wellenlänge λ aufweisende, eindimensionale photonische Kris- tall 44 in einer solchen Weise vorgesehen, dass die Schicht 32a mit hohem Brechungsindex mit dem Substrat 40 in Berührung steht und sich daran die Schicht 32b mit niedrigem Brechungsindex anschließt, wobei letztgenannte auch an die Metallschicht 43 angrenzt. Die Metallschicht 43 besteht aus Übergangs- oder Edelmetall mit einer Dicke, die so groß ist, dass die Absorption in der Metallschicht gleich der Transmission durch den oberen Reflektor 32 ist. Die elektrische Kontaktierung 42 stellt die elektrische Verbindung zu dem Substrat 41 und/oder zu der Metallschicht 43 her.On the substrate 40, the one-dimensional photonic crystal 44 having a bandgap at the wavelength λ is provided in such a manner that the high refractive index layer 32a is in contact with the substrate 40 and is followed by the low refractive index layer 32b the latter also being adjacent to the metal layer 43. The metal layer 43 is made of transition or noble metal having a thickness that is so large that the absorption in the metal layer is equal to the transmission through the upper reflector 32. The electrical contact 42 establishes the electrical connection to the substrate 41 and / or to the metal layer 43.
(Fünfte Untervariante der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)Fifth Sub-Variant of First Embodiment of First Embodiment
Der Aufbau der vierten Untervariante ist bei der fünften Untervariante so abgewandelt, dass statt der Metallschicht 43 eine Halbleiterschicht verwendet wird, die als aktives Medium wirkt. Somit liegen zwischen Substrat 40 und der Laserkavitätsschicht 30 ein eindimensionales photonisches Kristall und ein geeigneter Halbleiter vor. Zwar ist vom Grundsatz her das thermische Pumpen eines Lasermediums nicht möglich, weil sich wegen der Bolzmann- Verteilung keine Besetzungsinversion im aktiven Medium bei thermischem Gleichgewicht herstellen lässt. Durch die Ausbildung von Oberflächenplasmonen können sich an der Oberfläche jedoch heiße Elektronen bilden. Das thermische Gleichgewicht ist dann lokal vorübergehend nicht vorhanden. Auf diese Weise kann ein Ersetzen des rein metalli- sehen Reflektors beim VERTE-Prinzip bei Abstrahlung nun von sichtbarem Licht umgesetzt werden.The structure of the fourth sub-variant is modified in the fifth sub-variant so that instead of the metal layer 43, a semiconductor layer is used, which acts as an active medium. Thus, between the substrate 40 and the laser cavity layer 30 there is a one-dimensional photonic crystal and a suitable semiconductor. Although, in principle, the thermal pumping of a laser medium is not possible because it can not be produced in the active medium at thermal equilibrium because of the Bolzmann distribution. Due to the formation of surface plasmons, however, hot electrons can form on the surface. The thermal equilibrium is then temporarily absent locally. In this way, replacement of the purely metallic reflector in the VERTE principle can now be converted to visible light when irradiated.
(Zweite Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)Second Embodiment of First Embodiment
Aus dem Dokument Coherent thermal emission from one- dimensional photonic crystals, B. J. Lee, CJ. Fu, Z. M. Zhang, Applied Physics Letters 87, 071904 (2005) ist ein Schichtensystem gezeigt, das aus einer Schicht des polaren Materials SiC auf einem eindimensionalen photonischen Kristall besteht. Die Bandlücke des eindimensionalen photonischen Kristalls ist so ausgelegt, dass sie mit der Wellenlänge zusammenfällt, bei der sich auf SiC Oberflä- chenwellen in Form von Phononen bilden. Dies ist u.a. bei ungefähr 11 μm der Fall. Wegen der Ausbildung von Oberflächenwellen ergibt sich eine monochromatische Emission einer Wärmestrahlung und dieses nur bei bestimmten Emis- sionswinkeln . Durch Anpassung der SiC-Schichtstärke kann die Emission maximiert werden.From the document Coherent thermal emission from one-dimensional photonic crystals, BJ Lee, CJ. Fu, ZM Zhang, Applied Physics Letters 87, 071904 (2005) shows a layer system consisting of a layer of the polar material SiC on a one-dimensional photonic crystal. The band gap of the one-dimensional photonic crystal is designed to coincide with the wavelength at which SiC surface chenwellen form in the form of phonons. This is the case, inter alia, at about 11 microns. Because of the formation of surface waves, a monochromatic emission of heat radiation results and this only at certain emission angles. By adjusting the SiC layer thickness, the emission can be maximized.
Ein derartiges Schichtsystem ist, wie es in Fig. 8 im Querschnitt gezeigt ist, für sichtbares Licht angepasst. Es ist zu beachten, dass die Darstellung nicht maßstäb- lieh erfolgt ist und die Schichtanzahl des photonischen Kristalls reduziert dargestellt ist. Genauer gesagt ist auf einem Substrat 40 entsprechend der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels ein eindimensionales photonisches Kristall 45 aufgebracht, das im Anschluss an das Substrat 40 ein Dielektrikum 41a mit kleinem Brechungsindex und am entgegengesetzten Endabschnitt ein Dielektrikum 41b mit großem Brechungsindex aufweist. Die Dicke dieser Schicht des Dielektrikums 41b mit großem Brechungsindex n beträgt ungefähr λ/8*n, was auch der Di- cke der genannten Schicht des Dielektrikums 41a mit kleinem Brechungsindex entspricht. Zwischen den Schichten des Dielektrikums 41a mit kleinem Brechungsindex im photonischen Kristall 45 sind die Schichten des Dielektrikums 41b mit großem Brechungsindex als Doppelschichten vorhan- den.Such a layer system is, as shown in Fig. 8 in cross section, adapted for visible light. It should be noted that the representation is not true to scale lent and the number of layers of the photonic crystal is shown reduced. More specifically, on a substrate 40 according to the first embodiment of the first embodiment, a one-dimensional photonic crystal 45 having a low refractive index dielectric 41a adjacent to the substrate 40 and a high refractive index dielectric 41b at the opposite end portion is deposited. The thickness of this layer of high index nielectric 41b is approximately λ / 8 * n, which is also the thickness of said layer of low refractive index dielectric 41a. Between the layers of the low refractive index dielectric 41a in the photonic crystal 45 are the layers of the high refractive index dielectric 41b as double layers.
Auf der zum Substrat entgegengesetzten Seite des eindimensionalen photonischen Kristalls ist eine Metall- oder Partikelschicht 43 entsprechend der ersten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels mit einer Dicke zwischen 10 und 500 nm vorgesehen. Die Metall- oder Partikel- Schicht 43 wird über eine elektrische Kontaktierung 42 angesteuert .On the opposite side of the substrate of the one-dimensional photonic crystal, a metal or particle layer 43 is provided according to the first embodiment of the first embodiment with a thickness between 10 and 500 nm. The metal or particle Layer 43 is driven via an electrical contact 42.
An der entgegengesetzten Seite des Substrats sind bevorzugt ebenfalls ein eindimensionales photonisches Kristall mit einer Metall- oder Partikelschicht angeordnet.On the opposite side of the substrate, preferably also a one-dimensional photonic crystal with a metal or particle layer are arranged.
Für die erfindungsgemäßen, im Vergleich zum Infrarotbereich kürzeren Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist der Aufbau in dem vorstehend genannten Dokument entsprechend angepasst, wobei für die Metall- oder Partikelschicht 43 statt SiC ein polares Material mit Resonanzen bei kürzeren Wellenlängen verwendet wird. Metalle wie Ag und, wegen der Temperaturbeständigkeit, Übergangsmetalle wie W sind dabei einsetzbar. Die Bandlücke des darunter liegenden photonischen Kristalls 45 sind durch entsprechend dünnere Schichten angepasst. Das Dielektrikum mit großem Brechungsindex ist beispielsweise wie bei der ersten Ausgestaltung der ersten Untervariante eine Keramik, während für das zweite Dielektrikum ebenfalls mit der ersten Ausgestaltung der ersten Untervariante vergleichbare Materi- alien verwendbar sind.For the shorter wavelengths of visible light according to the invention compared to the infrared range, the structure in the aforementioned document is adapted accordingly, wherein instead of SiC, a polar material with resonances at shorter wavelengths is used for the metal or particle layer 43. Metals such as Ag and, because of the temperature resistance, transition metals such as W can be used. The bandgap of the underlying photonic crystal 45 is matched by correspondingly thinner layers. The dielectric having a high refractive index is a ceramic, for example, as in the first embodiment of the first sub-variant, while comparable materials can likewise be used for the second dielectric with the first embodiment of the first sub-variant.
Die Heizung des Schichtsystems entsprechend der zweiten Untervariante erfolgt bevorzugt durch leitfähige Substrate und die Metall- oder Partikelschicht.The heating of the layer system according to the second sub-variant is preferably carried out by conductive substrates and the metal or particle layer.
(Dritte Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)Third Embodiment of First Embodiment
In Fig. 9 ist ein Schichtsystem entsprechend der dritten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels nicht maßstäblich und mit einer reduzierten Schichtanzahl des photonischen Kristalls gezeigt. Dieses Schichtsystem ist ähnlich einem Schichtsystem für infrarote Strahlung aus dem Dokument „Design and fabrica- tion of planar multilayer structures with coherent thermal emission characteristics", B. J. Lee and Z. M. Zhang, Journal of applied Physics 100, 063529 (2006) .In Fig. 9, a layer system according to the third embodiment of the first embodiment is not shown to scale and with a reduced layer number of the photonic crystal. This layer system is similar to a layer system for infrared radiation from the document "Design and fabrica- tion of planar multilayer structures with coherent thermal emission characteristics", BJ Lee and ZM Zhang, Journal of Applied Physics 100, 063529 (2006).
Der Aufbau ähnelt zwar dem der zweiten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels, benötigt jedoch weniger Schichten im eindimensionalen photonischen Kristall.Although the structure is similar to that of the second embodiment of the first embodiment, but requires fewer layers in the one-dimensional photonic crystal.
Im Gegensatz zur zweiten Ausgestaltung wird das eindimen- sionale photonische Kristall 46 auf einem Substrat 43 abgeschieden, das in der vorstehend genannten Literaturquelle SiC war, jedoch bei der vorliegenden Erfindung an das sichtbare Licht angepasst ist. Die Bandlücke des photonischen Kristalls in dieser Literaturquelle liegt beim Phonon-Absorptionsband des SiC im infraroten Bereich. Bei Absorption einfallender Strahlung bzw. bei thermischer Emission bilden sich an der Grenzfläche des photonischen Kristalls zu SiC Oberflächenwellen mit entsprechenden Folgen aus.In contrast to the second embodiment, the one-dimensional photonic crystal 46 is deposited on a substrate 43 which was SiC in the above-mentioned literature but is adapted to the visible light in the present invention. The band gap of the photonic crystal in this literature source is the phonon absorption band of the SiC in the infrared region. Upon absorption of incident radiation or thermal emission, surface waves with corresponding consequences are formed at the interface of the photonic crystal to SiC.
Bei der dritten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels ist der Schichtaufbau sowohl des photonischen Kristalls 46 als auch der Metall- oder Partikelschicht für kürzere Wellenlängen modifiziert. Dabei wurde das Stopp-Band des photonischen Kristalls durch entsprechend dünnere Schichten wie bei der zweiten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels angepasst. Das Stoppband liegt dann bei den Resonanzen im sichtbaren Bereich. Genauer gesagt befindet sich auf dem Substrat 40, das entsprechend der ersten Ausgestaltung des ersten Ausfüh- rungsbeispiels vorgesehen sein kann, eine bereits bei der ersten Ausgestaltung beschriebene Metall- oder Partikelschicht 43, deren Dicke vorzugsweise im Bereich von ungefähr 10 bis 500 nm liegt und die über elektrische Kontaktierungen 42 verbunden ist. Auf dieser Metall- oder Par- tikelschicht 43 ist das eindimensionale photonische Kristall 46 mit Schichten 46a mit kleinem Brechungsindex und Schichten 46b mit großem Brechungsindex vorgesehen, wobei die Schichten 46b mit großem Brechungsindex an den entgegengesetzten Seiten in einer Dicke von ungefähr λ/8n vor- gesehen sind, jedoch zwischen den Schichten 46a mit kleinem Brechungsindex mit doppelter Dicke vorgesehen sind, und die Dicke der Schichten 46a mit kleinem Brechungsindex ebenfalls ungefähr λ/8n beträgt.In the third embodiment of the first embodiment, the layer structure of both the photonic crystal 46 and the metal or particle layer is modified for shorter wavelengths. In this case, the stop band of the photonic crystal was adjusted by correspondingly thinner layers as in the second embodiment of the first embodiment. The stopband then lies with the resonances in the visible range. More specifically, on the substrate 40, which may be provided according to the first aspect of the first embodiment, one is already in the The first embodiment described metal or particle layer 43, the thickness of which is preferably in the range of about 10 to 500 nm and which is connected via electrical contacts 42. Provided on this metal or particle layer 43 is the one-dimensional photonic crystal 46 with low refractive index layers 46a and high refractive index layers 46b, with the high refractive index layers 46b on the opposite sides in a thickness of approximately λ / 8n. however, are provided between the double-thickness small-refractive-index layers 46a and the thickness of the low-refractive-index layers 46a is also about λ / 8n.
Das Substratmaterial sollte im sichtbaren Wellenlängenbe- reich Plasmonen unterstützen. Dies ist grundsätzlich inThe substrate material should support plasmons in the visible wavelength range. This is basically in
Metallen der Fall, vorzugsweise Ag und Au, aufgrund der geringen Schmelztemperatur sind auch Übergangsmetalle einsetzbar. Es ist zu beachten, dass die dielektrischeMetals of the case, preferably Ag and Au, due to the low melting temperature and transition metals can be used. It should be noted that the dielectric
Funktion mancher Metalle aufgrund zu großer Dämpfung eine Eignung ausschließt. Alternativ dazu können Volumenplas- monen in Partikelschichten eine Lösung sein.Function of some metals excludes a suitability due to excessive damping. Alternatively, bulk plasmas in particle layers can be a solution.
Somit wird auch bei der dritten Variante des ersten Ausführungsbeispiels ein Emitter für sichtbares Licht erhalten .Thus, even in the third variant of the first embodiment, a visible light emitter is obtained.
(Vierte Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels)Fourth Embodiment of First Embodiment
In Fig. 10 ist ein Schichtsystem entsprechend der vierten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels nicht maßstäblich und mit einer reduzierten Schichtanzahl des photonischen Kristalls gezeigt. Dieses Schichtsystem ist ähnlich einem weiteren Schichtsystem für infrarote Strahlung, das ebenfalls in dem Dokument „Design and fabrication of planar multilayer structures with coherent thermal emission characte- ristics", B. J. Lee and Z. M. Zhang, Journal of applied Physics 100, 063529 (2006) beschrieben ist.In Fig. 10, a layer system according to the fourth embodiment of the first embodiment is not shown to scale and with a reduced layer number of the photonic crystal. This layer system is similar to another layer system for infrared radiation, which is also described in the document "Design and fabrication of planar multilayer structures with coherent thermal emission characteristics", BJ Lee and ZM Zhang, Journal of Applied Physics 100, 063529 (2006) is.
Das Schichtsystem entsprechend der vierten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels weist einen als Kavität wirkenden Resonator 47 auf, der zwischen zwei Reflektor- schichten, eine dicke Reflektorschicht 48 zwischen Resonator 47 und dem entsprechend der vorhergehenden Ausgestaltungen vorgesehenen Substrat 40 und eine dünne Reflektorschicht 49 auf der von dem Substrat 40 abgewandten Seite, angeordnet ist, wobei die eine dünne Reflektor- schicht 48 aufgrund ihrer geringeren Dicke eine bestimmte Transmission aufweist. Das Schichtsystem entsprechend der vierten Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels entspricht einem Fabry-Perot System, so dass eine Auslegung auch entsprechend erfolgen sollte. Die Reflektor- schichten 48, 49 sind vorzugsweise aus Silber gefertigt. Die Dicke der teilweise durchlässigen dünnen Reflektorschicht 49 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20 nm, stärker bevorzugt bei ca. 15 nm, während die im Wesentlichen undurchlässige Reflektorschicht 48 die Funkti- on eines Substrates hat und vorzugsweise eine Dicke im Bereich von ungefähr 1 bis 2 μm hat. Die dünne Reflektorschicht 49 emittiert vorzugsweise ungefähr Η der Strahlung der Resonators 47 und die dicke Reflektorschicht 48 reflektiert das verbleibende 1^ der Strahlung. Der elektrische Kontakt sowohl mit der dicken als auch der dünnen Reflektorschicht 48, 49 erfolgt über elektrische Kontaktierungen 42.The layer system according to the fourth embodiment of the first embodiment has a cavity acting as a resonator 47, between two reflector layers, a thick reflector layer 48 between the resonator 47 and provided in accordance with the preceding embodiments substrate 40 and a thin reflector layer 49 on the of the Substrate 40 facing away from, is arranged, wherein the one thin reflector layer 48 has a certain transmission due to their smaller thickness. The layer system according to the fourth embodiment of the first embodiment corresponds to a Fabry-Perot system, so that a design should also be done accordingly. The reflector layers 48, 49 are preferably made of silver. The thickness of the partially transmissive thin reflector layer 49 is preferably in the range of 10 to 20 nm, more preferably about 15 nm, while the substantially opaque reflector layer 48 has the function of a substrate, and preferably has a thickness in the range of about 1 to 2 μm. The thin reflector layer 49 preferably emits approximately Η of the radiation of the resonator 47 and the thick reflector layer 48 reflects the remaining 1 ^ of the radiation. The electrical contact with both the thick and the the thin reflector layer 48, 49 takes place via electrical contacts 42.
Weil die dünne Reflektor 49 relativ unselektiv wirkt, treten im Spektrum mehrere Maxima über einen weiten Be- reich verteilt auf. Die maximale Transmission und Absorption im Substrat erfolgt bei einer Dicke D des Resonators 47 von ungefährBecause the thin reflector 49 is relatively unselective, several maxima occur over a wide range in the spectrum. The maximum transmission and absorption in the substrate takes place at a thickness D of the resonator 47 of approximately
d= m*λ/ (2nResonatorMedlum)d = m * λ / (2n ResonatorMedlum )
wobei nResOnatorMedium der Brechungsindex des Resonatormedi- ums, λ die Wellenlänge, bei der die Emission des Strahlers maximal werden soll, und m ganzzahlig ist.where n is the refractive index of RESO natorMedium Resonatormedi- killed, λ the wavelength at which the emission of the radiator is to be maximal, and m is an integer.
Zur erfindungsgemäßen Anpassung der Struktur aus dem vorstehend genannten Dokument an den sichtbaren Bereich wurden die Abmessungen des Resonators 47, für den beispiels- weise Dielektrika mit niedrigem Brechungsindex und hoher Schmelztemperatur verwendbar sind, z.B. AI2O3 oder MgO, reduziert. Für das Material der Reflektorschichten 48, 49 können auch andere Edelmetalle als Silber verwendet werden. Alternativ können Übergangsmetalle wie W zum Einsatz gelangen. Dabei ist der Qualitätsfaktor für die abweichenden Reflektionswerte der Spiegel anzupassen. Um die unerwünschten Emissionspeaks zu unterdrücken, kann auf den dünne Reflektionsschicht 49 ein in Fig. 10 nicht dargestellter eindimensionales photonisches Kristall als Filter aufgebracht sein.For the inventive adaptation of the structure from the above-mentioned document to the visible range, the dimensions of the resonator 47 for which, for example, dielectrics with a low refractive index and a high melting temperature, for example Al 2 O 3 or MgO, are reduced. For the material of the reflector layers 48, 49, other noble metals than silver can be used. Alternatively, transition metals such as W can be used. The quality factor for the different reflection values of the mirrors has to be adapted. In order to suppress the unwanted emission peaks, a one-dimensional photonic crystal (not shown in FIG. 10) may be applied to the thin reflection layer 49 as a filter.
In Abhängigkeit von dem verwendeten Substrat sollte die dicke Reflektorschicht 48 nicht verwendet werden, so dass in diesem Fall der Resonator 47 direkt auf das Substrat 40 aufgebracht sein kann. Wie auch bei der zweiten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels können bei der dritten und vierten Untervariante des ersten Ausführungsbeispiels die jeweils gleichen Schichtanordnungen an der entgegengesetzten Sei- te des Substrats 40 vorgesehen sein.Depending on the substrate used, the thick reflector layer 48 should not be used, so that in this case the resonator 47 may be applied directly to the substrate 40. As in the case of the second sub-variant of the first exemplary embodiment, in the case of the third and fourth sub-variants of the first exemplary embodiment, the respectively identical layer arrangements can be provided on the opposite side of the substrate 40.
(Zweites Ausführungsbeispiel)Second Embodiment
In dem Dokument „1D Metallo-Dielectric Photonic Crystals as Selective Emitters for Thermophotovoltaic Applications", Arvind Narayanaswamy, James Cybulski, Gang Chen, CP738, Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Sixth Conference ist ein Schichtensystem vorgestellt, das einen selektiven Strahler im Bereich des infraroten und sichtbaren Lichts darstellt. Dieser sichtbare Strahler gelangt in angepasster Form beim zweiten Ausführungsbei- spiel, wie es in den Fig. 11, 12 und 13A bis 13C gezeigt ist, zum Einsatz.In the document "1D Metallo-Dielectric Photonic Crystals as Selective Emitters for Thermophotovoltaic Applications," Arvind Narayanaswamy, James Cybulski, Gang Chen, CP738, Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Sixth Conference is presented a layer system that is a selective emitter in the infrared and This visible radiator is used in an adapted form in the second exemplary embodiment, as shown in Figures 11, 12 and 13A to 13C.
Dieses Schichtsystem weist beispielsweise 11 Schichtpaare, die jeweils einen Emitter und ein Dielektrikum haben, auf. Beide Materialien besitzen erfindungsgemäß eine für den sichtbaren Wellenlängenbereich geeignete dielektrische Funktion und der Kontrast der Brechungsindizes der beiden Schichten sollte für die Abstrahlung von sichtbarem Licht ausreichend sein.This layer system has, for example, 11 pairs of layers each having an emitter and a dielectric. According to the invention, both materials have a dielectric function suitable for the visible wavelength range, and the contrast of the refractive indices of the two layers should be sufficient for the emission of visible light.
Für den sichtbaren Bereich gelangen bei dem vorstehenden Dokument Silber oder ein Halbleiter mit großer Bandlücke, beispielsweise SiC, als Emitterschicht und beispielsweise AI2O3 als Dielektrikum zum Einsatz. Zwar wird in dem genannten Dokument die Anwendung im Glühlampensektor erwähnt und es wird, da Silber mit seinem niedrigen Schmelzpunkt nur geringe Emittertemperaturen zulässt, für die Anwendungen im sichtbaren Bereich z.B. SiC bezeichnet, doch wird durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen, dass in bestimmten Fällen SiC nicht optimal für sichtbare Wellenlängen geeignet ist. SiC ist im Gegensatz zu Silber ein Material, das durch Ionenbindungen zusammen hält, und unterstützt bei Wellenlängen im Infrarot-Bereich Oberflächenwellen (Phononen) . Für den sichtbaren Wellenlängenbereich werden erfindungsgemäß Partikelschichten als Alternative zu den Edelmetal- len, zu SiC und zu anderen Halbleitern angesehen.For the visible range, silver or a semiconductor with a large band gap, for example SiC, as the emitter layer and, for example, Al 2 O 3 as the dielectric, are used in the above document. Although mentioned in the cited document, the application in the light bulb sector and it is because silver with its low melting point only low emitter temperatures allows for the applications in the visible range, for example SiC designates, but it is assumed by the inventor of the present invention that in certain cases SiC is not optimally suitable for visible wavelengths. In contrast to silver, SiC is a material that holds together by ionic bonds and supports surface waves (phonons) at wavelengths in the infrared range. For the visible wavelength range, according to the invention, particle layers are regarded as an alternative to the noble metals, to SiC and to other semiconductors.
Das Schichtsystem aus dem vorstehend genannten Dokument verstärkt die Emission von Strahlung im gewünschten, z.B. sichtbaren, Wellenlängenbereich im Vergleich zum restlichen, z.B. infraroten, Wellenlängenbereich, wobei zwi- sehen diesen ein Übergangswellenlängenbereich vorliegt. Die Lage dieses Übergangs von geringer zu hoher Emission kann durch die Materialwahl und die Dicke der Schichten des Schichtsystems eingestellt werden. Bei einer Verwendung von Silber als Emitterschicht mit einer Dicke von 10 nm und von AI2O3 als Dielektrikum steigt dann ab einer Wellenlänge von ungefähr 700 nm bis zu einer Wellenlänge von ungefähr 400 nm das Emissionsvermögen sehr stark an.The layer system from the above-mentioned document amplifies the emission of radiation in the desired, eg visible, wavelength range in comparison to the remaining, eg infrared, wavelength range, between which there is a transition wavelength range. The location of this transition from low to high emission can be adjusted by the choice of material and the thickness of the layers of the layer system. When using silver as the emitter layer with a thickness of 10 nm and of Al 2 O 3 as a dielectric, the emissivity increases very sharply from a wavelength of about 700 nm up to a wavelength of about 400 nm.
Durch die Emitterschicht sehr dünn ist, wobei die Dicke deutlich kleiner als die Skin-Tiefe von Silber, die bei einer Wellenlänge von 470nm 120 nm beträgt, wird der Emissionskoeffizient durch Interferenzeffekte in der Schicht relativ zu den normalerweise dickeren Emitterschichten, die bei der Verwendung einer Silberplatte beispielsweise lmm betragen kann, verstärkt, im sichtbaren Bereich auf das Fünffache. Durch die Wirkung der übrigen Schichten des photonischen Kristalls wird die Emission - A l -Due to the emitter layer being very thin, the thickness being significantly smaller than the skin depth of silver, which is 120 nm at a wavelength of 470nm, the emission coefficient becomes due to interference effects in the layer relative to the normally thicker emitter layers obtained using a Silver plate can be, for example, lmm, reinforced, in the visible range to five times. The effect of the remaining layers of the photonic crystal, the emission - A l -
von nicht erwünschter langwelliger Strahlung unterdrückt. Die oberste Emitterschicht wird deshalb auch nicht vom photonischen Kristall beeinflusst, während tiefere Schichten stärker „gefiltert" werden.suppressed by unwanted long-wave radiation. Therefore, the top emitter layer is not affected by the photonic crystal, while deeper layers are more "filtered".
Ein derartiges eindimensionales Emittersystems hat unter anderen den Vorteil eines einfachen Schichtaufbaus, einer Beheizbarkeit der dünnen Emitterschichten bei entsprechender Kontaktierung direkt über den elektrischen Widerstand und einer geringen Bedeutung von Oberflächendiffu- sionsvorgänge im Vergleich z.B. zu oberflächenstrukturierten Leuchtkörpern. Oberflächendiffusionsvorgänge laufen bei gleicher Temperatur und gleichem Material schneller als Volumendiffusionsvorgänge ab. Durch Oberflächendiffusion können Emitter somit schneller zerstört werden.Such a one-dimensional emitter system has, among other things, the advantage of a simple layer structure, a heatability of the thin emitter layers with corresponding contacting directly via the electrical resistance and little significance of surface diffusion processes in comparison with e.g. to surface-structured luminous bodies. Surface diffusion processes proceed faster than volume diffusion processes at the same temperature and material. Surface diffusion allows emitters to be destroyed faster.
Wie es beispielsweise im Dokument "Microstructured Radiators", Philippe Ben-Abdallah, Final Report der ESA-Studie aufgezeigt ist, kann es auch sinnvoll sein, dass das vorstehende Schichtsystem aus mehr als zwei Materialarten besteht. Beispielweise ist wie in diesem Dokument gezeigt die Kombination von einem oder mehreren Emittern, die beispielsweise aus Metall oder Halbleiter hergestellt sind, mit einem oder mehreren dielektrischen Schichten, die als Nichtemitter wirken, möglich. Dabei kann die Schichtabfolge auch unregelmäßig sein, wie beispielsweise die Schichtabfolge Emitter-Nichtemitterl-Emitter- Nichtemitter2-Nichtemmitter2.As shown for example in the document "Microstructured Radiators", Philippe Ben-Abdallah, Final Report of the ESA study, it may also make sense that the above layer system consists of more than two types of material. For example, as shown in this document, the combination of one or more emitters, for example, made of metal or semiconductor, with one or more dielectric layers acting as non-emitters is possible. The layer sequence may also be irregular, such as, for example, the layer sequence emitter-non-emitterl-emitter-non-emitter2-non-emitter2.
Entsprechend einer weiteren Alternative kann statt des Vorsehens einer durchgehenden Emitterschicht eine Schicht mit teilweise isolierten Partikeln aufgetragen sein. Bei Partikeln mit Durchmessern, die in einem Bereich der Wellenlänge liegen und kleiner als die Wellenlänge sein können, können bei der Einstrahlung von Licht VoIu- menplasmonen (Mie-Plasmonen) entstehen, die nahe der Plasmonen-Resonanzfrequenz des Partikels besonders stark werden. Die Plasmonenschwingungen klingen aufgrund der Materialverluste nach ca. 10~13 s wieder ab. Dabei wird die Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt, wodurch der Absorptionskoeffizient bei dieser Wellenlänge ansteigt. Der zugrunde liegende Mechanismus ist seit Gustav Mie bekannt. Mit Programmen wie z.B. „FDDT-Solutions®" (fini- te-difference time-domain algorithm von Lumerical Solutions, Inc.) können die für die gedachten Wellenlängen optimalen Durchmesser bestimmt werden, bei welchen die Ab- sorption und damit gemäß Kirchhoff auch die entsprechende gerichtete spektrale Emission maximal wird. Derartige Partikelschichten können als Emitterschichten verwendet werden. Bei höheren Überdeckungsgraden (größer als eine Perkolationsschwelle von ca. 50%) werden diese Schichten durchgehend elektrisch leitend und können so direkt durch Widerstandsheizung beheizt werden. Die Schicht besteht jedoch aus einzelnen nur zum Teil mit einander verbundenen Partikeln und Inseln. Die Partikel können in ein Dielektrikum eingebunden sein. Das heißt nach dem Aufdampfen der Partikel diese durch eine dielektrische Schicht abgedeckt werden.According to a further alternative, instead of providing a continuous emitter layer, a layer with partially isolated particles may be applied. For particles with diameters which are in the range of the wavelength and can be smaller than the wavelength, light plasmons (Mie plasmon) can be formed when light is irradiated, which become particularly strong near the plasmon resonance frequency of the particle. The plasmon vibrations cancel out after about 10 ~ 13 s due to the loss of material. The radiation energy is converted into heat, whereby the absorption coefficient increases at this wavelength. The underlying mechanism has been known since Gustav Mie. With programs such as "FDDT-Solutions®" (finite-difference time-domain algorithm from Lumerical Solutions, Inc.), the optimal diameters for the imaginary wavelengths can be determined, in which the absorption and thus according to Kirchhoff At higher degrees of coverage (greater than a percolation threshold of approximately 50%), these layers become electrically conductive throughout and can thus be heated directly by resistance heating, but the layer consists of individual layers Partially interconnected particles and islands The particles may be incorporated into a dielectric, ie, after vapor deposition of the particles, they are covered by a dielectric layer.
Der Durchmesser der Partikel bzw. die Schichtdicke liegt im Bereich von weniger als 1 nm bis ca. 500 nm. Die Partikel können durch Tempern nach dem Aufdampfen eine run- dere Form erhalten. Die Form und Größe der Partikel hat einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz und die Resonanz- breite der Plasmonen. Damit besteht eine Möglichkeit, die Emissionscharakteristik der Emitterschicht für den sichtbaren Bereich zu optimieren.The diameter of the particles or the layer thickness is in the range of less than 1 nm to about 500 nm. The particles can be given a round shape by annealing after the vapor deposition. The shape and size of the particles has an influence on the resonance frequency and the resonance width of the plasmons. There is thus a possibility of optimizing the emission characteristic of the emitter layer for the visible region.
In dem Dokument "High-Density Silver Nanoparticle Film with Temperature-Controllable Interparticle Spacing for a Tunable Surface Enhanced Raman Scattering Substrate", Yu Lu, Gang L. Liu and Luke P. Lee, Nano Letters 2005 Vol.5, No. 1 5-9 wird eine ähnliche Schicht aus Silber-Partikeln mit einer Größe von 20 nm gezeigt, die mittels eines spe- ziellen Verfahrens regelmäßig mit einem bestimmten Abstand auf dem Substrat aufgebracht werden. Abhängig von den Partikelabständen ergeben sich Absorptionsmaxima z.B. bei Wellenlängen von 400 nm. Das bedeutet, dass auch der mittlere Partikelabstand, der beim einfachen Bedampfen von der Bedeckungsdichte abhängt, für die Emissionseigenschaften des Films von Bedeutung ist.Liu and Luke P. Lee, Nano Letters 2005 Vol. 1-5, a similar layer of 20 nm size silver particles is shown which are regularly deposited at a given distance on the substrate by a special process. Depending on the particle spacings, absorption maxima result, e.g. at wavelengths of 400 nm. This means that the average particle spacing, which depends on the coverage density in simple vapor deposition, is also important for the emission properties of the film.
Partikelschichten in Glas werden auch für Polarisatoren verwendet. Jedoch werden dafür langgestreckte Partikel bevorzugt .Particle layers in glass are also used for polarizers. However, elongated particles are preferred for this purpose.
Wie bereits genannt, können statt der herkömmlichen durchgehenden Emitterschichten aus z.B. Silber Partikelschichten verwendet werden, was nachfolgend unter Bezugnahme auf die Schnittansichten der Fig. IIA, IIB und HC verdeutlicht wird. In diesen Figuren sind zwischen zwei dielektrischen Schichten 126 jeweilige Partikelschichten 124 vorgesehen. In den Partikelschichten 124 sind in einem Dielektrikum 125 Partikel 127 vorgesehen. Diese Partikel 127 sind bevorzugt metallische Nanopartikel mit einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 nm bis 1 μm, die beispielsweise aus einem Edelmetall oder einem Über- gangsmetall sind. Partikelabstand und Durchmesser für optimale Emission im Bereich des sichtbaren Lichtes optimiert .As already mentioned, instead of the conventional continuous emitter layers of, for example, silver, particle layers can be used, which is illustrated below with reference to the sectional views of FIGS. IIA, IIB and HC. In these figures, respective particle layers 124 are provided between two dielectric layers 126. In the particle layers 124 125 particles 127 are provided in a dielectric. These particles 127 are preferably metallic nanoparticles with a diameter in the range of approximately 5 nm to 1 μm, which are made, for example, of a noble metal or a superalloy. are transition metal. Particle distance and diameter optimized for optimal emission in the visible light range.
Das Dielektrikum 125 weist im Hinblick auf einen mög- liehst hohen Kontrasts zu dem Brechungsindex der Partikel 127 einen geringen Brechungsindex auf, so dass das Material der dielektrischen Schicht 126 einen hohen Brechungsindex aufweisen sollte.The dielectric 125 has a low refractive index with respect to the highest possible contrast with the refractive index of the particles 127, so that the material of the dielectric layer 126 should have a high refractive index.
In Fig. IIA ist ein Zustand der Partikelschicht 124 ge- zeigt, in dem die Perkolationsschwelle noch nicht erreicht ist. Zum Erreichen der Perkolationsschwelle sollte das gesamte Schichtsystem z.B. aus dem Substrat erwärmt werden. In Fig. IIB ist die Perkolationsschwelle in der Tiefe der Zeichnung überschritten, so dass ein elektri- scher Kontakt über die Partikelschicht 124 hergestellt ist.FIG. IIA shows a state of the particle layer 124 in which the percolation threshold has not yet been reached. To achieve the percolation threshold, the entire layer system should e.g. be heated from the substrate. In FIG. IIB, the percolation threshold is exceeded in the depth of the drawing, so that an electrical contact is established via the particle layer 124.
In Fig. HC ist eine Abwandlung bei der Partikelschicht vorgenommen worden, so dass die abgewandelte Partikelschicht 124a nun die Partikelschicht 124 mit Partikeln 127 aus Fig. HA aufweist, an deren einen Seite eine dünne Metallschicht 128, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 30 nm, aufgetragen ist. Diese Metallschicht 128 kann auch zur Widerstandsheizung verwendet werden, so dass eine derartig modifizierte Partikel- schicht mit der elektrischen Kontaktierung verbunden ist.In HC, a modification has been made in the particle layer, so that the modified particle layer 124a now has the particle layer 124 with particles 127 of Fig. HA, on one side of a thin metal layer 128, preferably with a thickness in the range of 5 to 30 nm, is applied. This metal layer 128 can also be used for resistance heating, so that such a modified particle layer is connected to the electrical contact.
Die vorstehend genannten Schichtsysteme werden bevorzugt hergestellt, indem ein Substrat, z.B. mittels eines PVD- Verfahrens wechselweise mit der Emitterschicht und der Dielektrikum-Schicht bedampft wird. Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem gemäß Vorbeschreibung wird wie folgt gefertigt:The abovementioned layer systems are preferably produced by alternately vapor-depositing a substrate, for example by means of a PVD method, with the emitter layer and the dielectric layer. A layer system according to the invention as described above is produced as follows:
In einem ersten Schritt wird ein Substrat aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, ein Dielektrikum wie z.B. AI2O3, HfO2, Zrθ2, MgO usw., oder ein el. Leiter, wie z.B. Wolfram, TiB2, vorgesehen. Das Substrat kann elektrische Leiterbahnen in oder auf der Oberfläche enthalten, mit welchen es durch el. Widerstandsheizung auf Betriebstemperatur gebracht wird. Das Substrat weist mindestens die Dicke und mechanische Festigkeit auf, die der weitere Herstellungsprozess erfordert, beispielsweise eine Dicke von 0,5 bis 1 mm. Die Form des Substrates ist an die Möglichkeit der gleichmäßigen Beschichtung angepasst. Beispiele sind einfache Oberflächen, wie ebene Flächen und Zylinder, oder beispielsweise Kugeloberflächen.In a first step, a substrate made of a material having a high melting point, a dielectric such as Al 2 O 3, HfO 2 , ZrO 2 , MgO, etc., or an el. Conductor, such as tungsten, TiB 2 is provided. The substrate may include electrical traces in or on the surface with which it is brought to operating temperature by el. Resistance heating. The substrate has at least the thickness and mechanical strength required by the further manufacturing process, for example a thickness of 0.5 to 1 mm. The shape of the substrate is adapted to the possibility of uniform coating. Examples are simple surfaces, such as flat surfaces and cylinders, or, for example, spherical surfaces.
In einem zweiten Schritt wird das Substrat mit dem Schichtsystem aus Emitter und Dielektrikum bedampft.In a second step, the substrate is vapor-deposited with the layer system of emitter and dielectric.
Als Emittermaterial werden entweder geeignete Metalle oder Halbleiter mit ausreichender Bandlücke verwendet. Unter diesem Gesichtspunkt geeignete Metalle sind Silber oder Gold, deren niedriger Schmelzpunkt jedoch ungünstig ist. Zwar weisen andere Metalle, wie z.B. W, Mo, Ni, V, ungünstige dielektrischen Daten auf. Diese können jedoch durch die Verwendung eines geeigneten Perkolationsfilms kompensiert werden. Halbleiter mit ausreichender Bandlücke sind beispielsweise SiC, Tiθ2, ZnO (mit einer Bandlücke von ungefähr 3,3 eV) , Titanate, Zrθ2, Zirkonate. Die Schichtdicke beträgt ungefähr 10 nm.As the emitter material either suitable metals or semiconductors with sufficient bandgap are used. Suitable metals from this point of view are silver or gold, but their low melting point is unfavorable. While other metals, such as e.g. W, Mo, Ni, V, unfavorable dielectric data. However, these can be compensated by the use of a suitable percolation film. Semiconductors with a sufficient bandgap are, for example, SiC, TiO 2, ZnO (with a bandgap of approximately 3.3 eV), titanates, ZrO 2, zirconates. The layer thickness is about 10 nm.
Das Dielektrikum kann beispielsweise AI2O3, Diamant, MgO, Si3N4, AlN, Hfθ2 aufweisen oder aus diesen bestehen. Eine Voraussetzung ist jedoch, dass das Dielektrikum bei einer Emittertemperatur von z.B. 10000C noch transparent für das sichtbare Licht ist. Anders ausgedrückt sollte das Dielektrikum eine noch größere elektrische Bandlücke als der Emitter aufweisen. Ferner sollte sich der Brechungsindex von dem des Emitters stark unterscheiden. Die Schichtdicke des Dielektrikums beträgt ungefähr 100 bis 300 nm.The dielectric may, for example, comprise or consist of Al 2 O 3 , diamond, MgO, Si 3 N 4 , AlN, HfO 2 . A However, a prerequisite is that the dielectric is still transparent to visible light emitter at a temperature of eg 1000 0 C. In other words, the dielectric should have an even larger electrical bandgap than the emitter. Furthermore, the refractive index should be very different from that of the emitter. The layer thickness of the dielectric is approximately 100 to 300 nm.
Die Anzahl der Schichtpaare liegt bevorzugt bei einigen 10 Schichtpaaren.The number of layer pairs is preferably about 10 layer pairs.
In dem Fall, in dem die Emitterschichten des eindimensionalen photonischen Kristalls selbst als Heizelemente verwendet werden sollen, erfolgt die Kontaktierung der Schichten. Zu diesem Zweck wird bevorzugt, wenn die Kon- taktierungsstellen der Emitterschichten frei liegen, wie es z.B. durch Masken beim Beschichten erzielbar ist. Die Kontaktierstelle wird abschließend mit einer dickeren Leiterschicht belegt, die ausreichend robust ist, um diese beispielsweise durch Laserschweißen mit der elektri- sehen Zuführung zu verbinden.In the case where the emitter layers of the one-dimensional photonic crystal itself are to be used as heating elements, the contacting of the layers takes place. For this purpose it is preferred if the contacting sites of the emitter layers are exposed, as e.g. can be achieved by masks during coating. The contact point is finally covered with a thicker conductor layer, which is sufficiently robust to connect them, for example by laser welding with the electrical supply see.
Im Anschluss werden die elektrischen Zuführungen montiert, die gleichzeitig die Funktion eines Trägers des Emitters in der Lampe haben können. Der Emitter mit den Zuführungen wird dann in dem z.B. aus Glas bestehenden Lampengefäß montiert. Das Lampengefäß, das Stromzuführungen zum Emitter besitzt, wird entweder gereinigt und evakuiert oder abschließend mit einem Schutzgas, z.B. N2, gefüllt. Das Schutzgas erfüllt dabei ähnliche Aufgaben wie bei Wolframleuchtkörpern: Es verringert z.B. das Aus- dampfen von Emittermaterial im Betrieb, bewirkt aber zusätzliche Wärmeverluste.Subsequently, the electrical leads are mounted, which can also have the function of a carrier of the emitter in the lamp. The emitter with the leads is then mounted in the glass vessel, for example. The lamp vessel, which has power supply lines to the emitter, is either cleaned and evacuated or finally filled with a protective gas, for example N 2 . The shielding gas fulfills similar tasks as with tungsten luminous bodies: it, for example, reduces the vaporizing emitter material during operation, but causes additional heat losses.
(Erste Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels)(First sub-variant of the second embodiment)
Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht durch einen ebenen Leuchtkörper entsprechend der ersten Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels.Fig. 12 shows a sectional view through a planar luminous element according to the first sub-variant of the second embodiment.
Bei dieser Untervariante ist auf einem Substrat 140, das in Abhängigkeit vom Substratmaterial optional mit einer Leiterbahn 141 zur Substratbeheizung, beispielsweise wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, versehen sein kann, ein Schichtsystem aus Emitterschicht 144 und Dielektrikum 146 vorgesehen. Die Emitterschichten 144 werden als elektrische Leiter verwendet und sind als Volumenschicht oder Perkolationsschicht ausgebildet. Die Kontak- tierung der Emitterschichten 144 erfolgt über elektrische Kontakte 142 aus z.B. hochschmelzendem Metall, die mit vorzugsweise aus Mo-Draht bestehenden Stromzuführungen 148 in Verbindungen stehen, von denen im Fall von vorgesehenen Leiterbahnen Stromzuführungen 149 zur Versorgung der Leiterbahn 142 abzweigen.In this sub-variant, a layer system of emitter layer 144 and dielectric 146 is provided on a substrate 140 which, depending on the substrate material, may optionally be provided with a conductor track 141 for substrate heating, for example as described in the first exemplary embodiment. The emitter layers 144 are used as electrical conductors and are formed as a volume layer or percolation layer. Contacting of the emitter layers 144 occurs via electrical contacts 142 of e.g. refractory metal, which are connected to power supply lines 148, preferably consisting of Mo wire, of which branch off in the case of provided conductor tracks power supply lines 149 for supplying the conductor track 142.
Die Anzahl der Schichtpaare ist der Übersicht halber auf drei reduziert dargestellt und die wirksame Leuchtfläche F des Leuchtkörpers ist verkürzt dargestellt.For reasons of clarity, the number of layer pairs is reduced to three, and the effective luminous area F of the luminous element is shown shortened.
Die Unterseite des Substrates 140 bzw. der Leiterbahn 142 ist bevorzugt wie die Oberseite beschichtet.The lower side of the substrate 140 or the printed conductor 142 is preferably coated like the upper side.
(Zweite Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels) Fig. 13 zeigt eine Schnittansicht durch einen zylindrischen Leuchtkörper entsprechend der zweiten Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels.Second Second Variant of Second Embodiment Fig. 13 shows a sectional view through a cylindrical luminous element according to the second sub-variant of the second embodiment.
Bei dieser Untervariante ist ein Substrat 160 als stab- förmiger Kern mit einer bevorzugten Dicke von ungefähr 1 mm aus einem Isolatormaterial, wie z.B. AI2O3 vorgesehen. Auf diesem befinden sich auf zylindrischen Emitterschichten 164 mit einem bevorzugten Durchmesser von 10 nm jeweils eine zylindrische dielektrische Schicht mit einer bevorzugten Dicke im Bereich von ungefähr 100 bis 300 nm. Die elektrische Kontaktierung 162 an den entgegengesetzten Seiten stellt sowohl die Spannungsversorgung mit dem Substrat 160 als auch mit den Emitterschichten 164 her. Jede der elektrischen Kontaktierung 162 ist mit einer Stromzuführung 169 versehen.In this sub-variant, a substrate 160 as a rod-shaped core having a preferred thickness of about 1 mm is made of an insulator material, such as a metal substrate. AI2O3 provided. On top of this, a cylindrical dielectric layer having a preferred thickness in the range of approximately 100 to 300 nm is located on cylindrical emitter layers 164 having a preferred diameter of 10 nm. The electrical contact 162 on the opposite sides represents both the voltage supply to the substrate 160 also with the emitter layers 164 ago. Each of the electrical contacts 162 is provided with a power supply 169.
Zu den sonstigen Eigenschaften der zweiten Untervariante wird auf die erste Untervariante verwiesen.For the other properties of the second sub-variant, reference is made to the first sub-variant.
(Dritte Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels)Third Third Variant of Second Embodiment
Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht durch einen zylindri- sehen Leuchtkörper entsprechend der dritten Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels.14 shows a sectional view through a cylindrical luminous body according to the third sub-variant of the second exemplary embodiment.
Diese unterscheidet sich von der in Fig. 13 gezeigten zweiten Untervariante dadurch, dass das Substrat ein stabförmiger Kern mit einer bevorzugten Dicke von 1 mm aus einem elektrischem Leiter 170 mit hohem Widerstand bei Betriebstemperatur ist, beispielsweise aus SiC oder Na-ß-Al2θ3 und dass die elektrische Kontaktierung 172 mit Stromzuführungen 179 verbunden sind und am Substrat 170 und an der Stirnfläche der auf dem Substrat angebrachten Emitterschicht 164 erfolgt.This differs from the second sub-variant shown in Fig. 13 in that the substrate is a rod-shaped core having a preferred thickness of 1 mm from a high resistance electrical conductor 170 at operating temperature, for example, SiC or Na-β-Al 2 O 3 and that the electrical contacting 172 are connected to power supply lines 179 and to the substrate 170 and at the end face of the emitter layer 164 mounted on the substrate.
Zu den sonstigen Eigenschaften der dritten Untervariante, insbesondere auch zu der dielektrischen Schicht und der Emitterschicht, wird auf die zweite Untervariante verwiesen .For the other properties of the third sub-variant, in particular also to the dielectric layer and the emitter layer, reference is made to the second sub-variant.
In einer Abwandlung der dritten Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels ist statt des stabförmigen Kerns 170 ein ebener Kern als Substrat mit einer bevorzugten Dicke von ungefähr 1 mm vorgesehen. Somit sind die Emitterschichten und dielektrischen Schichten mit den vorstehend genannten Materialien und Dicken ebenfalls eben ausgebildet.In a modification of the third sub-variant of the second embodiment, instead of the rod-shaped core 170, a planar core is provided as a substrate with a preferred thickness of approximately 1 mm. Thus, the emitter layers and dielectric layers are also planar with the aforementioned materials and thicknesses.
(Drittes Ausführungsbeispiel)(Third Embodiment)
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass strukturierte Oberflächen auf bestimmten Materialien eine selektive, kohärente und stark gerichtete thermische Strahlung erzeugen können. Dieses ist beispielsweise in den folgenden Artikeln beschrieben: Highly directional radiation gener- ated by a tungsten thermal source, M. Laroche, C. Arnold, F. Marquier, R. Carminati, J. Greffet, S. Collin, N.Bardou, L. Pelouard, Optics Letters Vol. 30 No. 19, 2005 und „Thermal stability of micro-structured selective tungsten emitters", C.Schlemmer et al . , Conference paper Thermophotovoltaic Generation of Electricity: 5th Conference. Die Strahlung ähnelt häufig der eines konventionellen Lasers, so dass diese für allgemeine Beleuchtungszwecke grundsätzlich ungeeignet ist. Darüber hinaus wirkt sich der Betrieb bei Betriebstemperaturen ab ungefähr dem 0,35-fachen der Schmelztemperatur negativ auf die Ober- flächenstruktur selbst aus thermisch sehr beständigen Materialien, wie beispielsweise Wolfram aus.It is known in the art that structured surfaces on certain materials can produce selective, coherent, and highly directed thermal radiation. This is described, for example, in the following articles: Highly directional radiation generated by a tungsten thermal source, M. Laroche, C. Arnold, F. Marquier, R. Carminati, J. Greffet, S. Collin, N. Bardou, L Pelouard, Optics Letters Vol. 19, 2005 and Thermal Stability of micro-structured selective tungsten emitters, C.Schlemmer et al., Conference paper Thermophotovoltaic Generation of Electricity: 5th Conference The radiation is often similar to that of a conventional laser, making it generally unsuitable for general lighting purposes In addition, operation at operating temperatures above approximately 0.35 times the melting temperature has a negative effect on the surface structure itself made of thermally very resistant materials, such as tungsten.
Der Grund dafür wird beispielsweise in „Optical Studies of Periodic Microstructures in Polar Materials", Herman Högström, Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dis- sertations from Faculty of Science and Technology 189 darin gesehen, dass an der Grenzfläche zwischen zwei Medien, wie z.B. einem Metall und einen Dielektrikum, wie Luft oder Glas, elektrische „Oberflächenströme" bzw. La- dungsdichtewellen in Form von so genannte Oberflä- chenplasmonen-Polaritonen entstehen können. Diese Wellen entstehen aus einer kombinierten Oszillation des elektromagnetischen Feldes und der Oberflächenladungen im Metall. Im Falle einer glatten Metallfläche, die mit einem Dielektrikum beschichtet ist, laufen bei einer geeigneten Anregung elektromagnetische Wellen parallel zu dieser Grenzfläche und klingen nach wenigen Femtosekunden wieder ab.The reason for this is seen, for example, in the "Optical Studies of Periodic Microstructures in Polar Materials," in which at the interface between two media, such as a metal and a dielectric, such as air or glass, electrical "surface currents" or charge density waves in the form of so-called surface plasmon polaritons can arise. These waves arise from a combined oscillation of the electromagnetic field and the surface charges in the metal. In the case of a smooth metal surface, which is coated with a dielectric, with a suitable excitation electromagnetic waves run parallel to this interface and cancel after a few femtoseconds again.
Im Gegensatz zu dem Fall einer verlustlosen Totalreflek- tion an der Grenzfläche zu einem optisch dünneren Material werden die Oberflächenwellen in den absorbierenden Materialien, insbesondere im Metall, gedämpft, wobei Energie in Wärme konvertiert wird. Durch die Oberflächenwellen wird also der Absorptionskoeffizient des Materials bei der vorhandenen Wellenlänge und unter dem Einfallswinkel stark erhöht. Nach dem Kirchhoffsehen Strahlungsgesetz steigt mit sich erhöhendem Absorptionskoeffizienten der entsprechende Emissionskoeffizient an, was für Lampen von Vorteil ist. Die Oberflächenwellen können aufgrund ihres parallel zur Oberfläche gerichteten Wellenvektors normalerweise keine Strahlung erzeugen. Zudem sollte aufgrund der Impulserhaltung der gesamte Impuls und die Energie des Oberflä- chenplasmons mit dem Photon ausgetauscht werden, was an glatten Metalloberflächen normalerweise nicht der Fall ist. Andrerseits können die Oberflächenplasmonen thermisch erregt werden, wodurch grundsätzlich eine Lichtemission bewirkt werden könnte.In contrast to the case of lossless total reflection at the interface to a optically thinner material, the surface waves in the absorbing materials, especially in the metal, are attenuated, converting energy to heat. The surface waves thus greatly increase the absorption coefficient of the material at the existing wavelength and at the angle of incidence. According to Kirchhoff's law of radiation, the corresponding emission coefficient increases with increasing absorption coefficient, which is advantageous for lamps. The surface waves can not normally generate radiation due to their parallel to the surface wave vector. In addition, due to conservation of momentum, all the impulse and energy of the surface plasmone should be exchanged with the photon, which is usually not the case on smooth metal surfaces. On the other hand, the surface plasmons can be thermally excited, which in principle could cause a light emission.
Der komplexe Wellenvektor | kSP | der Oberflächenplasmonen der ebenen Grenzfläche von Metall und Dielektrikum lautet:The complex wave vector | k SP | the surface plasmons of the plane interface of metal and dielectric is:
Figure imgf000059_0001
Figure imgf000059_0001
wobeiin which
λ die Wellenlänge des Lichts bzw. Plasmons ist,λ is the wavelength of the light or plasmone,
εD die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums ist,ε D is the dielectric constant of the dielectric,
εM die komplexe Dielektrizitätszahl des Metalls ist.ε M is the complex dielectric constant of the metal.
Der Wellenvektor des Photons im Dielektrikum istThe wave vector of the photon in the dielectric is
_2π I—_2π I-
Der zur Grenzfläche parallele Vekoranteil ist
Figure imgf000059_0002
The proportion of particles parallel to the interface is
Figure imgf000059_0002
wobei Θ der Einfalls- bzw. Emissionswinkel des Lichts ist. Somit ist normalerweise kSP > kPx, wodurch anders als bei εD>l kein Licht erzeugbar ist. In diesem Zusammenhang wird auf die Kretschmann-Raether-Konfiguration zur Anregung der Plasmonen verwiesen.where Θ is the incident or emission angle of the light. Thus, normally k SP > k Px , whereby, unlike ε D > l, no light can be generated. In this context, reference is made to the Kretschmann-Raether configuration for excitation of the plasmons.
Wenn jedoch die Oberfläche strukturiert ist, beispielsweise durch ein auf die Metallfläche aufgedampftes Metallgitter oder durch einen nur mit geringer Überdeckung bedampfter Träger, durch Inselfilme oder anderes, so dringen diese Oberflächenwellen in diese Strukturen ein. Der Wellenvektor wird durch eine strukturabhängige Komponente ergänzt, so dass das Moment des Plasmons und des Photons übereinstimmen können. Es bauen sich in den Strukturen Ladungen auf. Diese Strukturen können dann wie Antennen wirken und es kann eine Strahlung abgegeben wer- den, wodurch sich die Emission des Metalls erhöht.However, when the surface is patterned, for example, by a metal grid vapor-deposited on the metal surface or by a low-coverage carrier, by island films or otherwise, these surface waves penetrate into these structures. The wave vector is complemented by a structure dependent component so that the momentum of the plasmon and the photon can match. Charges build up in the structures. These structures can then act like antennas and radiation can be emitted, which increases the emission of the metal.
Der Wellenvektor der Oberflächenplasmonen der strukturierten Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum lautet:The wave vector of the surface plasmons of the structured interface between metal and dielectric is:
Figure imgf000060_0001
wobei n ganzzahlig ist und a die Strukturkonstante der Oberfläche wiedergibt.
Figure imgf000060_0001
where n is an integer and a represents the structural constant of the surface.
Wenn die Oberflächenplasmonen aufgrund der Oberflächenstrukturen Licht mit der Wellenlänge λ abgeben können, sollte kPx = kx sein.If the surface plasmons can emit light with the wavelength λ due to the surface structures, k Px = k x should be.
Andererseits können diese Strukturen die effiziente Kopplung zwischen den Oberflächenwellen und den von Strahler abgestrahlten Wellen vermitteln und dadurch eine kohären- te Strahlung erzeugen. Vertiefungen der Struktur können dabei bei entsprechender Ausrichtung zur emittierten Welle, d.h. an die Polarisation gekoppelt, wie Kavitäten wirken. Dieses ist beispielsweise in dem Artikel Thermal emission and design in one-dimensional periodic metallic photonic crystal slabs, David L. C. Chan, Marin Soljacic, J. D. Joannopoulos, Physical Review E 74, 2006 beschrieben. Die elektrische Feldkomponente sollte senkrecht zur Struktur, d.h. z.B. senkrecht zum Zwischenraum zwischen zwei Kugeln der Partikelschicht, verlaufen. Die Oberflä- chenplasmonen besitzen in Abhängigkeit von der Strukturgröße Resonanzen. Das Emissionsspektrum ist somit nicht gleichmäßig, sondern besitzt Spitzen. Dadurch entsteht nicht unmittelbar „weißes Licht" wie bei gewöhnlichen thermischen Strahlern, sondern das Spektrum kann sogar monochromatisch sein.On the other hand, these structures can mediate the efficient coupling between the surface waves and the waves radiated by radiators, thereby creating a coherent generate radiation. Recesses of the structure can, with appropriate alignment with the emitted wave, ie coupled to the polarization, act like cavities. This is described, for example, in the article Thermal emission and design in one-dimensional periodic metallic photonic crystal slabs, David LC Chan, Marin Soljacic, JD Joannopoulos, Physical Review E 74, 2006. The electric field component should be perpendicular to the structure, ie, for example perpendicular to the space between two balls of the particle layer. The surface plasmons have resonances as a function of the structure size. The emission spectrum is thus not uniform, but has peaks. This does not immediately produce "white light" as with ordinary thermal radiators, but the spectrum can even be monochromatic.
Die Stärke der Emission hängt auch von der Plasmonenreso- nanzfrequenz im Emitter ab. Dadurch wird die Selektivität der Strahlung weiter verstärkt. Die Plasmonenresonanzfre- quenz ist auch materialabhängig. Bei Strukturen im Bereich der Wellenlänge hängt die Plasmonenresonanz auch von der Strukturgröße ab. Weil die Emission auch vom Einfallswinkel der Strahlung (Winkel Θ) abhängt, ist die Lichtquelle auch kein Lambert-Strahler, d.h. dass die Strahldichte in alle Richtungen nicht konstant. Dieses kann für die Lampe, d.h. gerichtete Lichtquellen, von Vorteil sein oder kann durch Streuelemente kompensiert werden .The strength of the emission also depends on the plasmon resonance frequency in the emitter. This further enhances the selectivity of the radiation. The plasmon resonance frequency is also material-dependent. For structures in the wavelength range, the plasmon resonance also depends on the structure size. Because the emission also depends on the angle of incidence of the radiation (angle Θ), the light source is also not a Lambert radiator, i. that the radiance is not constant in all directions. This may be for the lamp, i. directed light sources, be beneficial or can be compensated by scattering elements.
Im Ergebnis genügt ein erfindungsgemäßer Leuchtkörper mit strukturierter Oberfläche folgenden Anforderungen, wobei diese erfindungsgemäßen Anforderungen Ausgestaltungen im Stand der Technik gegenübergestellt werden:As a result, a luminous body according to the invention with a structured surface satisfies the following requirements, wherein these requirements according to the invention are contrasted with developments in the prior art:
a) Es sollte eine ausreichende mechanische Stabilität trotz Strukturen im Bereich von ungefähr 0,5 μm vorhanden sein. Bei der vorliegenden Erfindung werden selbsttragende Substrate verwendet, die sich aufgrund ihrer einfachen Oberflächenform leicht beschichten lassen.a) There should be sufficient mechanical stability despite structures in the range of approximately 0.5 μm. The present invention uses self-supporting substrates that are easy to coat because of their simple surface shape.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung zeigt die US2006/0001344 eine Glühwendel, die so gefaltet ist, dass sich zwischen den Wendelelementen Kavitäten bilden bzw. die Wendelschenkel das photonische Kristall bilden, so dass die emittierte Strahlung selektiv werden kann. Die Oberfläche der Wendel kann zusätzlich mit regelmäßig angeordneten Bohrungen versehen sein, die ebenfalls die Verstärkung der Emission im Sichtbaren durch eine Auskopplung der Oberflächenplasmonen bewirken sollen. Dabei ist nachteilig, dass die Strukturen selbst tragend sein sollten und deshalb die Struktur spätestens in Betrieb durch eine Verformung zerstört wird, was sich in Form ei- ner durchhängenden Wendel äußert. Darüber hinaus ist die Herstellung der Oberflächenlöcher entsprechend diesem Stand der Technik in der Praxis sehr aufwändig. Die Löcher können durch die Oberflächendiffusion wieder schnell zerstört werden.In contrast to the present invention, US2006 / 0001344 shows an incandescent filament which is folded so that cavities are formed between the filament elements or the filament legs form the photonic crystal, so that the emitted radiation can become selective. The surface of the helix may additionally be provided with regularly arranged holes, which are also intended to increase the emission in the visible by coupling out the surface plasmons. It is disadvantageous that the structures should be self-supporting and therefore the structure is destroyed by a deformation at the latest during operation, which manifests itself in the form of a sagging helix. In addition, the production of the surface holes according to this prior art in practice is very complex. The holes can be quickly destroyed again by the surface diffusion.
b) Die Strukturen sollen einfach herstellbar sein. In der vorliegenden Erfindung werden Bauweisen verwendet, die eine „eindimensionale" Herstellung des Emitters erlauben, d.h. dass z.B. ein Trägersubstrat mit Partikeln oder Schichten versehen wird. Diese Beschichtung erfolgt im Wesentlichen durch Auftragen. Ein Partikelfilm auf einer ebenen Fläche kann zwar auch als zweidimensionale Struktur aufgefasst werden, jedoch ist diese kostengünstig herstellbar .b) The structures should be easy to produce. In the present invention, construction methods are used which allow a "one-dimensional" production of the emitter, ie that, for example, a carrier substrate is provided with particles or layers, this coating being carried out essentially by application Although flat surface can be considered as a two-dimensional structure, but this is inexpensive to produce.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung zeigt die US2003/0132705 eine dreidimensionale Struktur aus kreuzweise übereinander gestapelten Drähten, die in einer regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet sind. Nachteilig ist die aufwändige Herstellung des 3D-Kristall.In contrast to the present invention, US2003 / 0132705 shows a three-dimensional structure of crosswise stacked wires arranged in a regular lattice structure. The disadvantage is the complex production of the 3D crystal.
Die US2006/0071585 zeigt unter anderem Emitter aus zwei- und dreidimensionalen photonischen Kristallen bestehen, deren Herstellung kompliziert ist.The US2006 / 0071585 shows inter alia emitters consist of two- and three-dimensional photonic crystals, the production of which is complicated.
c) Die Oberfläche soll an die Glühtemperatur angepasst sein, wobei die Emitter eine relativ große Oberfläche besitzen sollen, so dass auch bei niedrigen Glühtemperatu- ren noch ausreichend Licht erzeugt wird.c) The surface should be adapted to the annealing temperature, the emitters should have a relatively large surface, so that even at low annealing temperatures still enough light is generated.
Photonische Leuchtkörper besitzen eine filigrane Struktur, die empfindlich auf Belastungen mechanischer, ther- modynamischer, chemischer und elektrischer Art sind. Bei erhöhter Temperatur kommt es zu verstärkter Diffusion im Material und an der Oberfläche. Verunreinigungen in der Lampe z.B. O2, können, z.B. durch Oxidation, feine Oberflächenstrukturen leicht beschädigen. Die häufig verwendete elektrische Widerstandsheizung erfordert ausreichende Querschnitte. Weil aus diesen Gründen die Betriebstem- peratur des photonischen Leuchtkörpers relativ niedrig gehalten werden sollte, d.h. bei ungefähr 30 bis 70% der Temperatur einer gewöhnlichen Wendel aus gleichem Material, sollte die Oberfläche von maximaler Größe sein, um den Verlust an Lichtleistung, die nach dem Stefan- Boltzmann Gesetz proportional zur vierten Potenz der Te- merpatur, zumindest teilweise zu kompensieren.Photonic filaments have a filigree structure that is sensitive to mechanical, thermodynamic, chemical and electrical loads. At elevated temperature, there is increased diffusion in the material and on the surface. Impurities in the lamp, for example O 2 , can easily damage fine surface structures, eg due to oxidation. The frequently used electrical resistance heating requires sufficient cross sections. Because, for these reasons, the operating temperature of the photonic filament should be kept relatively low, ie, at about 30 to 70% of the temperature of a common filament of the same material, the surface should be of maximum size to minimize the loss of light output after exposure to light Stefan- Boltzmann law proportional to the fourth power of the Tepmerpatur, at least partially compensate.
In der US2005/0168147 zeigt mit photonischen Strukturen verbunden Glühdrähte, wobei von Nachteil ist, dass die strahlende Oberfläche relativ klein sind. In der US2006/0071585 sind unter anderem mit eindimensionalen photonischen Kristallen beschichtete Glühdrähte gezeigt, wobei die Nachteile wie bei der US2005/0168147 auftreten.US2005 / 0168147 shows filaments connected to photonic structures, with the disadvantage that the radiating surface is relatively small. In US2006 / 0071585, among other things coated with one-dimensional photonic crystals filaments are shown, the disadvantages occur as in US2005 / 0168147.
d) Es soll möglichst die gesamte Emitteroberfläche ausge- nutzt werden, um den Wirkungsgrad der Lampe zu steigern.d) It should as far as possible the entire emitter surface be exploited in order to increase the efficiency of the lamp.
Sowohl die US2005/0168147 als auch die US2006/0001344 enthält photonische Strukturen, die nur Strahlung in einem sehr kleinen Winkelbereich beeinflussen können. Der größte Teil der Strahlung des Leuchtkörpers ist deshalb nicht selektiver als die eines üblichen grauen Körpers mit gleicher Temperatur wie Wolfram.Both US2005 / 0168147 and US2006 / 0001344 contain photonic structures that can only affect radiation in a very small angular range. The largest part of the radiation of the filament is therefore not more selective than that of a conventional gray body with the same temperature as tungsten.
e) Es sollen Konverterschichten eingebaut werden, um das monochromatische bzw. das nicht weiße Licht bei Bedarf in das gewünschte Spektrum zu konvertieren. Bei einem Einbau von Streuschichten, mit denen eine ausreichend diffuse Strahlung statt einem teilweise kohärenten Strahl erhalten werden kann, geht ein Teil der Energie jedoch wieder verloren .e) Converter layers are to be installed in order to convert the monochromatic or the non-white light into the desired spectrum as required. In the case of incorporation of scattering layers, which can be used to obtain sufficiently diffuse radiation instead of a partially coherent beam, part of the energy is lost again.
f) Die Struktur soll vor Schäden durch Oberflächen- und Volumendiffusion geschützt werden. Dies wird unter anderem einerseits durch eine möglichst niedrige Betriebstemperatur, wodurch aber eine besonders große Oberfläche notwendig ist, und andererseits durch Diffusionsbarrieren, z.B. in Form von HfO2, erreicht. In Bezug auf die Diffusionsbarrieren wird auf das Dokument „Thermal stabi- lity of micro-structured selective tungsten emitters", C.Schlemmer et al., Conference paper Thermophotovoltaic Generation of Electricity: 5th Conference verwiesen.f) The structure should be protected from damage by surface and volume diffusion. This is achieved, inter alia, on the one hand by the lowest possible operating temperature, but which requires a particularly large surface, and on the other hand by diffusion barriers, eg in the form of HfO 2 . Regarding the Diffusion barriers are referred to the document "Thermal stability of micro-structured selective tungsten emitter", C. Schmalmer et al., Conference paper Thermophotovoltaic Generation of Electricity: 5th Conference.
Das Dokument US2005/0160964 zeigt eine Lampe mit einem photonischen Glühdraht, der durch die Beschichtung eines Trägers mit sphärischen Partikeln hergestellt wird. Im Ergebnis ergibt sich ein dreidimensionales photonisches Kristall mit Kugeln aus den Materialien Si, Siθ2 oder Me- tallen oder der inversen Form daraus, wie z.B. kugelförmigen Löchern in einer Matrix. Zwar ist die Herstellung dieses Emitters einfach, jedoch ergeben sich daraus einige Nachteile. Im Falle der Beschichtung von nur einem Draht ist von einer geringen Lichtleistung der Lampe auf- grund der geringen Oberfläche auszugehen, wie es vorstehend beschrieben ist. Andrerseits kann auch die Struktur bei der Wendelherstellung beschädigt werden. Aus dem Umstand, dass das Emittermaterial aus z.B. Metall- oder anderen Kugeln, die direkt miteinander in Kontakt stehen, besteht, ergibt sich neben der fehlenden Flexibilität bei der Geometrie ein poröser Körper als Endprodukt. Genauer gesagt werden die Kugeln durch die Kapillarkräfte auf Kontakt aneinander angenähert und dann versintert. In der Folge lassen sich keine dreidimensionalen photonischen Kristalle herstellen, bei welchen die Kugeloberflächen einen definierten Abstand voneinander besitzen. Die Porosität entsteht, da in Betrieb die Oberflächendiffusionsvorgänge zu einer raschen Veränderung des Körpers bis zu Zerstörung führen. Da die Kugeln nicht durch Diffusions- barrieren geschützt sind, kann auch das nachträgliche Füllen der verbleibenden Kavitäten mit einem Dielektrikum dieses Problem nicht ganz beseitigen.Document US2005 / 0160964 shows a lamp with a photonic filament produced by the coating of a spherical particle carrier. The result is a three-dimensional photonic crystal with spheres of the materials Si, SiO 2 or metals or the inverse form thereof, such as spherical holes in a matrix. Although the production of this emitter is simple, but there are some disadvantages. In the case of the coating of only one wire, it is to be assumed that the lamp has a low light output owing to the small surface area, as described above. On the other hand, the structure in the helix production can be damaged. From the fact that the emitter material consists of, for example, metal or other spheres that are in direct contact with each other, in addition to the lack of flexibility in the geometry results in a porous body as the final product. More specifically, the balls are approximated to contact by the capillary forces and then sintered. As a result, no three-dimensional photonic crystals can be produced in which the spherical surfaces are at a defined distance from each other. The porosity arises because in operation, the surface diffusion processes lead to a rapid change of the body to destruction. Since the balls are not protected by diffusion barriers, the subsequent Filling the remaining cavities with a dielectric does not completely eliminate this problem.
g) Die Wärmeverluste bei der Lampe sind gering zu halten, wobei zu beachten ist, dass die Glühtemperatur des Emit- ters relativ niedrig ist. Zwar wird dadurch, dass der photonische Emitter selektiver strahlt als eine gewöhnliche Glühwendel und deshalb weniger IR-Strahlung emittiert, Energie eingespart, doch ist andererseits der Wärmeverlust durch Konvektion und Wärmeleitung bedeutsamer als bei einer gewöhnlichen Glühlampe. Dies erfordert relativ niedrige Fülldrücke für das Schutzgas oder ein Vakuum. Auch soll der Strahler aufgrund seiner Aufhängung in der Lampe nicht unnötig Wärme verlieren. Schließlich sollen möglichst alle erhitzten Oberflächen beschichtet sein, um Verluste durch Infrarot-Strahlung vorzubeugen.g) The heat losses in the lamp are to be kept low, it should be noted that the annealing temperature of the emitter is relatively low. Although energy is saved by the fact that the photonic emitter radiates more selectively than an ordinary incandescent filament and therefore emits less IR radiation, on the other hand the heat loss through convection and heat conduction is more significant than with a conventional incandescent lamp. This requires relatively low filling pressures for the shielding gas or a vacuum. Also, the spotlight should not unnecessarily lose heat due to its suspension in the lamp. Finally, as far as possible all heated surfaces should be coated in order to prevent losses due to infrared radiation.
h) Es ist ein geeignetes Emittermaterial zu verwenden, da die Lage der Plasmonenresonanz materialabhängig ist. Die Resonanzfrequenz kann unter anderem durch einen hohen Brechungsindex des Dielektrikums und durch polarisierbare d-Elektronen des Emittermaterials vom sichtbaren Bereich weg weiter in den roten Bereich verschoben werden. Edelmetalle wie Gold, Silber (die Plasmonenresonanz liegt hier bei ungefähr 420 nm) besitzen im sichtbaren Bereich ausgeprägte Plasmonenresonanzen und sind deshalb zu be- Vorzügen. Leider besitzen diese relativ niedrige Schmelzpunkte, so dass als Kompromiss beispielsweise Übergangsmetalle, wie Mo, W oder leitfähige Keramiken in Frage kommen . In den Fig. 15 bis 19 sind eine erste bis vierte Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels gezeigt, die nachfolgend beschrieben werden.h) It is a suitable emitter material to use, since the position of the plasmon resonance is material-dependent. The resonant frequency can be shifted further away from the visible range, for example, by a high refractive index of the dielectric and by polarizable d electrons of the emitter material into the red region. Precious metals such as gold, silver (the plasmon resonance is at about 420 nm here) have pronounced plasmon resonances in the visible range and are therefore to be preferred. Unfortunately, these have relatively low melting points, so that as a compromise, for example, transition metals, such as Mo, W or conductive ceramics come into question. FIGS. 15 to 19 show first to fourth subvariants of the third embodiment, which will be described below.
(Erste Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels)(First Sub-Variant of Third Embodiment)
Die Fig. 15 und 16 zeigen Leuchtkörper entsprechend der ersten und zweiten Ausgestaltung der ersten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels. Der Grundgedanke der ersten Untervariante besteht darin, einen beheizbaren Träger mit Streifen, Gittern oder Punkten vermittels Be- schichten oder Ätzen zu versehen.FIGS. 15 and 16 show luminous bodies according to the first and second embodiments of the first sub-variant of the third exemplary embodiment. The basic idea of the first sub-variant is to provide a heatable carrier with strips, grids or dots by means of coating or etching.
Die Bearbeitung erfordert eine feine, beispielsweise photolithographische, Maske. Der metallische Träger wird beispielsweise mit Fotolack beschichtet und anschließend beispielsweise über ein holographisches Verfahren belich- tet werden. Dabei entstehen Interferenzmuster die im späteren Ätz- oder Beschichtungsprozess als Maske benutzt werden .The processing requires a fine, for example photolithographic, mask. The metallic support is coated, for example, with photoresist and then exposed, for example, by means of a holographic process. This results in interference patterns that are used in the later etching or coating process as a mask.
Der Träger kann dabei beispielsweise massiv ausgebildet sein oder aus einem beschichten Isolator oder aus HaIb- leitern oder Ionenleitern mit relativ großem elektrischen Widerstand bestehen.The support can be solid, for example, or consist of a coated insulator or semiconductor conductors or ion conductors with relatively high electrical resistance.
Im Fall des massiven Trägers weist dieser beispielsweise relativ massives Wolfram und ist dieser direkt elektrisch beheizt. Im Ergebnis besteht eine Eignung vor allem für Niedervoltlampen.In the case of the solid carrier, for example, this has relatively massive tungsten and this is directly electrically heated. As a result, it is particularly suitable for low-voltage lamps.
In dem Fall eines beschichteten Isolators können beispielsweise AI2O3, ATI, AlN, Zrθ2 verwendet. Der Isolator verfügt über isolierte Leiterbahnen zur Beheizung, die dabei in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung direkt selbst als Heizschicht verwendbar sein kann.In the case of a coated insulator, for example, Al 2 O 3 , ATI, AlN, ZrO 2 may be used. The insulator has insulated tracks for heating, the can be used directly as a heating layer depending on the supply voltage directly.
Bei der Verwendung von (dotierten) Halbleitern oder Ionenleitern mit relativ großem elektrischen Widerstand ge- langen beispielsweise Perowskite, Titanoxide, SiC zum Einsatz. Der Träger ist dann wieder mit der Struktur beschichtet und kann aufgrund seines großen elektrischen Widerstands beispielsweise direkt als elektrischer Leiter zum Einsatz gelangen. Die Form des Trägers, die bei- spielsweise eine ebene Fläche sein kann erlaubt eine einfache Beschichtung .When using (doped) semiconductors or ion conductors with a relatively high electrical resistance, for example, perovskites, titanium oxides, SiC are used. The carrier is then coated again with the structure and, for example, can be used directly as an electrical conductor due to its high electrical resistance. The shape of the carrier, which may be a flat surface, for example, allows a simple coating.
In Fig. 15 ist die erste Ausgestaltung der ersten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels gezeigt, in der auf einen Träger 220 aus beispielsweise AI2O3, der bevor- zugt ungefähr 1 mm dick ist, eine Wolframschicht 222 mit einer bevorzugten Dicke von ungefähr lμm auf beide Seiten des Trägers 220 aufgebracht ist. Die beiden Seiten der Wolframschicht sind über eine Durchkontaktierung 224 verbunden. Auf der Wolframschicht 222 befindet sich aufge- dampfte Erhebungen 226, sogenannte Dips, in einem Abstand a von ungefähr 0,1 bis 1 μm und mit einer Höhe im Mikrometerbereich, in einer solche Weise, dass diese raster- förmig auf der Oberfläche verteilt sind. Auf die Erhebungen 226 und die Wolframschicht ist ein Dielektrikum 228 aufgebracht, das bevorzugt eine Dicke von ungefähr 10 bis 20 nm hat und bei dem die Materialien HfO2, AI2O3 und MgO zum Einsatz gelangen können.In Fig. 15, the first embodiment of the first sub-variant of the third embodiment is shown in which a carrier 220 made of, for example, Al 2 O 3, which is preferably about 1 mm thick, a tungsten layer 222 with a preferred thickness of about 1 micron on both sides of Carrier 220 is applied. The two sides of the tungsten layer are connected via a via 224. On the tungsten layer 222 are vapor-deposited elevations 226, so-called dips, at a distance a of approximately 0.1 to 1 μm and with a height in the micrometer range, in such a way that they are distributed in a grid pattern on the surface. On the elevations 226 and the tungsten layer, a dielectric 228 is applied, which preferably has a thickness of about 10 to 20 nm and in which the materials HfO 2 , AI2O3 and MgO can be used.
Die Materialien der ersten Ausgestaltung können wie vorstehend genannt abgewandelt werden. Fig. 16 zeigt die zweite Ausgestaltung der ersten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels in Form einer Schnittdarstellung durch eine geätzte Oberfläche. Bei dieser ist auf einen Träger 230 aus einem Isolator wie beispielsweise AI2O3, der bevorzugt zwischen 0,5 bis 1 mm dick ist und der wellenförmig geätzt und beschichtet wurde, eine Metallschicht 232 aus z.B. W, Mo in einer Dicke von ungefähr 1 μm und einer Strukturgröße von 100 bis 500 nm aufgebracht. Auf der Metallschicht 232 befindet sich eine Diffusionsschicht 238, vorzugsweise mit einer Dicke von ungefähr 20 nm.The materials of the first embodiment may be modified as mentioned above. Fig. 16 shows the second embodiment of the first sub-variant of the third embodiment in the form of a sectional view through an etched surface. In this case, on a support 230 made of an insulator such as AI2O3, which is preferably between 0.5 to 1 mm thick and was corrugated etched and coated, a metal layer 232 of, for example, W, Mo in a thickness of about 1 micron and a Structure size of 100 to 500 nm applied. On the metal layer 232 is a diffusion layer 238, preferably with a thickness of approximately 20 nm.
Sowohl die Wolframschicht 222 der ersten Ausgestaltung als auch die Metallschicht 232 der zweiten Ausgestaltung wird über den jeweiligen Schichten zugeordnete elektri- sehe Zuleitungen 239, vorzugsweise in Form von Mo- Kontaktstiften, mit Spannung versorgt.Both the tungsten layer 222 of the first embodiment and the metal layer 232 of the second embodiment are supplied with voltage via the respective layers associated electrical feed lines 239, preferably in the form of Mo contact pins.
(Zweite Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels)Second Sub-Variant of Third Embodiment
Es wird ein gleichartiger Träger mit Partikeln bedampft. Dabei kann die Bedeckungsdichte so gewählt werden, dass isolierte Partikel mit einem mittleren Abstand a von ungefähr 50 nm bis 0,5 μm (siehe Fig. 17) in Abhängigkeit von der Wellenlänge auf dem Träger entstehen. Der Durchmesser und Abstand der Partikel sind für die Emission mitbestimmend. Aufgrund des eher unregelmäßigen Abstandes ist die emittierte Lichtfarbe eher weiß. Mit geringerer Überdeckungsdichte vergrößert sich der mittlere Abstand. Die einzelnen Partikel bilden zum Teil isolierte, etwa kugelförmige Nanopartikel . Zusätzlich können die Partikel mit einem Dielektrikum, wie beispielsweise AI2O3, MgO, HfO2, abgedeckt werden. Dadurch wird die Struktur vor Zerstörung durch Oberflächendiffusion geschützt. Wenn kein Dielektrikum aufgetragen wird, kann andrerseits die Plasmonenresonanzfrequenz vorteilhaft steigen.It is vaporized a similar carrier with particles. In this case, the coverage density can be selected so that isolated particles having a mean distance a of approximately 50 nm to 0.5 μm (see FIG. 17) arise as a function of the wavelength on the carrier. The diameter and distance of the particles are decisive for the emission. Due to the rather irregular distance, the emitted light color is rather white. With lower coverage density, the average distance increases. The individual particles partially form isolated, approximately spherical nanoparticles. In addition, the particles may be covered with a dielectric such as Al 2 O 3, MgO, HfO 2. This is the structure before Destruction protected by surface diffusion. If no dielectric is applied, on the other hand, the plasmon resonance frequency may advantageously increase.
Alternativ können nach einem Verfahren, wie es im Doku- ment "High-Density Silver Nanoparticle Film with Tempera- ture-Controllable Interparticle Spacing for a Tunable Surface Enhanced Raman Scattering Substrate", Yu Lu, Gang L. Liu and Luke P. Lee, Nano Letters 2005 Vol.5, No. 1 5- 9, beschrieben ist, die Partikel definiert mit regelmäßi- gern Abstand aufgetragen werden. Dabei könnten jedoch die Herstellungskosten für Lampenprodukte ein Problem darstellen .Alternatively, according to a method as described in the document "High-Density Silver Nanoparticle Film with Temperature-Controllable Interparticle Spacing for a Tunable Surface Enhanced Raman Scattering Substrate", Yu Lu, Gang L. Liu and Luke P. Lee, Nano Letters 2005 Vol.5, no. 1 5-9, the particles are defined at regular intervals. However, the manufacturing costs for lamp products could be a problem.
In Fig. 17 ist eine Schnittansicht der durch mit Partikeln beschichten Fläche dargestellt. Hierbei ist als Trä- ger 240 ein Nichtleiter, ein Halbleiter oder ein Ionenleiter mit einem ausreichend hohen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung vorgesehen. Auf diesem befindet sich beidseitig eine Metallschicht 242, wie z.B. aus Mo. Diese kann wie bei der ers- ten Untervariante oberflächenstrukturiert sein. Auf die Metallschicht 242 ist ein Partikelfilm 246 aus z.B. Mo, W, TaC mit einem Durchmesser der Partikel im Bereich von 10 bis 1000 nm aufgebracht, oberhalb von der eine Dielektrikumschicht 248, vorzugsweise aus AI2O3, MgO, HfO2, angeordnet sein kann.Fig. 17 is a sectional view of the particle-coated surface. In this case, a non-conductor, a semiconductor or an ion conductor having a sufficiently high electrical resistance as a function of the supply voltage is provided as the carrier 240. On both sides there is a metal layer 242, such as Mo. This can be surface-structured as in the first sub-variant. On the metal layer 242, a particle film 246 of eg Mo, W, TaC is applied with a diameter of the particles in the range of 10 to 1000 nm, above which a dielectric layer 248, preferably of Al2O3, MgO, HfO 2 , can be arranged.
(Dritte Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels)Third Third Variant of Third Embodiment
Bei der dritten Untervariante aus Fig. 18 wird ein mit Partikel oder sonstigen Gittern beschichteter Emitter, beispielsweise entsprechend der zweiten Untervariante, beidseitig zusätzlich mit einem eindimensionalen photonischen Kristall 254 versehen.In the third sub-variant of FIG. 18, an emitter coated with particles or other gratings, for example according to the second sub-variant, additionally provided on both sides with a one-dimensional photonic crystal 254.
Der Hintergrund dazu ist, dass mit Oberflächenstrukturen versehenen Oberflächen in der Praxis eine Infrarot- Strahlung erzeugen. In bestimmt Fällen kann jedoch eine Lichtquelle einer bestimmten Lichtfarbe gewünscht sein. Um die Selektivität der Strahlung der Lampe in diesen Fällen zu verbessern, kann der obige Emitter zusätzlich mit einem Schichtensystem versehen werden, das einen pho- tonischen Kristall darstellt. Das photonische Kristall besteht aus abwechselnden Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die Schichtstärken liegen bei etwa λ/4*n, wobei λ die gesperrte Wellenlänge ist. Das eindimensionale photonische Kristall kann die spontane Emission der unerwünschten Wellenlängen unterdrücken .The background to this is that surfaces provided with surface structures generate in practice infrared radiation. In certain cases, however, a light source of a particular light color may be desired. In order to improve the selectivity of the radiation of the lamp in these cases, the above emitter can be additionally provided with a layer system which represents a photonic crystal. The photonic crystal consists of alternating layers of high and low refractive index materials. The layer thicknesses are approximately λ / 4 * n, where λ is the blocked wavelength. The one-dimensional photonic crystal can suppress the spontaneous emission of the unwanted wavelengths.
In Fig. 18 ist auf die Struktur aus der zweiten Untervariante in Fig. 17 das Dielelektrikum 258 in einer solchen Weise aufgebracht, dass der Träger mit Metallschicht, Partikelfilm und Dieelektrikum 258 eine konstante Dicke hat. Auf dem Dielelektrikum 258, das einen möglichst kleinen Brechungsindex haben soll und vorzugsweise AI2O3 aufweist, ist das eindimensionale photonische Kristall 254 aufgenommen, das bevorzugt einige 10 Schichtpaare hat.In Fig. 18, on the structure of the second sub-variant in Fig. 17, the dielectric 258 is applied in such a manner that the metal-layer, particle-film and dielectric substrate 258 has a constant thickness. On the Dielelektrikum 258, which should have the smallest possible refractive index and preferably has Al2O3, the one-dimensional photonic crystal 254 is added, which preferably has some 10 pairs of layers.
Die Kontaktierung der Metallschichten erfolgt bei der zweiten und dritten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels wie bei der ersten Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels.The contacting of the metal layers takes place in the second and third sub-variants of the third embodiment as in the first sub-variant of the third embodiment.
(Vierte Untervariante des dritten Ausführungsbeispiels) Bei der vierten Untervariante werden vollständig isolierte Partikel zur Ausnutzung der Mie-Resonanz oder zur Bildung einer zusätzlichen Kavität verwendet.(Fourth sub-variant of the third embodiment) In the fourth sub-variant, completely isolated particles are used to exploit the Mie resonance or to form an additional cavity.
In dem Dokument „Monochromatic polarized coherent emitter by surface plasmons and a cavity resonance", A. Battula, S. C. Chen, Physical Review B 74, 2006 wird ein Emittersystem vorgestellt, das unter Verwendung von Silber als Material bei rund 550 nm einen Emissionspeak aufweist. Dieses wird durch metallische Gitter, die durch eine Luft-Kavität von einem eindimensionalen photonischen Kristall getrennt sind, erreicht. Die Gitterzwischenräume bilden dabei konvergierende bzw. divergierende Kanäle.In the paper "Monochromatic polarized coherent emitter by surface plasmons and a cavity", A. Battula, SC Chen, Physical Review B 74, 2006, an emitter system is presented which exhibits an emission peak using silver as the material at around 550 nm. This is achieved by metallic lattices, which are separated by an air cavity from a one-dimensional photonic crystal.The lattice interstices form thereby converging or diverging channels.
Auch wenn die Geometrie für einen lampentechnisch verwendbaren Emitter zu komplex ist, so kann diese angenä- hert werden. Statt den Gittern könnten sphärische Partikel verwendet werden. Auch bei der Transmission durch die Partikelschicht können vergleichbare Oberflächenplasmonen angeregt werden. Die Kavität sollte durch ein Dielektrikum kleiner Brechzahl z.B. SiO2, Al2O3, MgO gebildet wer- den. Das eindimensionale photonische Kristall unter der Kavität kann wie bei dem „VERTE"-System entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise durch ein Metall oder durch ein Schichtsystem, das aus höher schmelzenden Bestandteilen als InSb/SiO2 besteht, ersetzt wer- den, beispielsweise Cr2O3, Fe2O3, HfO2 oder TiO2 für das Material mit hohem Brechindex und SiO2, Al2O3, Y2O3, MgO für das Material mit niedrigem Brechungsindex. Die sphärischen Partikel können beispielsweise mittels Sedimentation aufgetragen und dann versintert werden. Alternativ dazu kann auf die Kavität verzichtet werden bzw. diese dünner gestaltet werden. Auch die Partikeldurchmesser können verändert werden, von einem Partikeldurchmesser D, der gleichen der Wellenlänge λ ist, bis auf einige 10 nm. An den Nanopartikeln kann die durchtretende Lichtwelle zu Ladungsverschiebungen führen, die auch mit der Umgebung, z.B. einer metallischen Unterlage, in Wechselwirkung treten, wodurch der Emissionskoeffizient verändert werden kann. Die Berechnung kann gemäß der Mie-Theorie und unter Verwendung der Internetadressen MieCalc, http : //www . lightsca ttering . de /MieCalc/index . html und in Bezug auf FDTD-Solutions, http : / /www . εirnul opti es . de /scftware/ fdtdso lur ions/ index . ht ml durchgeführt werden.Even if the geometry is too complex for a lamp-technically usable emitter, this can be approximated. Instead of the grids, spherical particles could be used. Also in the transmission through the particle layer comparable surface plasmons can be excited. The cavity should be formed by a dielectric of small refractive index, eg SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO. The one-dimensional photonic crystal under the cavity can be replaced, as in the "VERTE" system according to the first embodiment example, by a metal or by a layer system consisting of higher melting constituents than InSb / SiO 2 , for example Cr 2 O. 3 , Fe 2 O 3 , HfO 2 or TiO 2 for the high refractive index material and SiO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , MgO for the low refractive index material The spherical particles may be deposited by, for example, sedimentation and then be sintered. Alternatively, the cavity can be dispensed with or made thinner. The particle diameters can also be changed, from a particle diameter D, which is the same as the wavelength λ, to a few 10 nm. At the nanoparticles, the passing light wave can lead to charge shifts, which also interact with the environment, eg a metallic substrate , whereby the emission coefficient can be changed. The calculation can be done according to the Mie theory and using the internet addresses MieCalc, http: // www. lightsca ttering. de / MieCalc / index. html and in terms of FDTD Solutions, http: / / www. εirnul opti it. de / scftware / fdtdso lurions / index. ml.
In Fig. 19 ist ein derartiger Leuchtkörper gezeigt, wobei auf einen elektrischen Widerstandskörper 260 aus beispielsweise SiC oder W zur Beheizung eine Schicht 262 in Form einer Metallschicht oder eines eindimensionalen photonischen Kristalls aufgetragen ist. Das photonische Kristall kann dabei ungefähr 40 abwechselnde Schichtpaare aus beispielsweise MgO/TiO mit einer Einzelschichtstärker von ungefähr 50 nm aufweisen. Eine Kavität 264 aus beispielsweise MgO mit einer Dicke von beispielsweise ungefähr 200 nm ist auf die Schicht 262 aufgebracht. Auf der Kavität 264 befinden sich beschichtete Partikel 266 aus beispielsweise W mit einem bevorzugten Außendurchmesser von ungefähr 200 nm, wobei die Beschichtung aus beispielsweise MgO mit einer Dicke von 2 bis 10 nm auf diese aufgebracht ist.Such a luminous body is shown in FIG. 19, wherein a layer 262 in the form of a metal layer or a one-dimensional photonic crystal is applied to an electrical resistance body 260 of, for example, SiC or W for heating. The photonic crystal may have about 40 alternating layer pairs of, for example, MgO / TiO with a single layer thickness of about 50 nm. A cavity 264 of, for example, MgO having a thickness of, for example, about 200 nm is applied to the layer 262. On the cavity 264 are coated particles 266 of, for example, W having a preferred outer diameter of approximately 200 nm, the coating of, for example, MgO having a thickness of 2 to 10 nm being applied thereto.
Entsprechend dieser vierten Untervariante lassen sich dreidimensionale photonische Kristalle herstellen, bei denen die Kugeloberflächen einen definierten Abstand voneinander besitzen. Diese Ausführungsvariante ist jedoch durch die Partikeltechnik einfach und kostengünstig herstellbar. Genauer gesagt werden bei der vorliegenden Er- findung Emitter mit einem einfachen „eindimensionalen Verfahren", beispielsweise durch Beschichten, hergestellt.According to this fourth sub-variant, three-dimensional photonic crystals can be produced where the ball surfaces have a defined distance from each other. However, this variant is simple and inexpensive to produce by particle technology. More specifically, in the present invention, emitters are made by a simple "one-dimensional process", for example, by coating.
(Viertes Ausführungsbeispiel)(Fourth Embodiment)
In der Literatur unter „Thermal emission by photonic mic- ro-textured" surfaces (siehe auch http : //arxiv. org/abs/physics/0505165yl) , Jones T. K. Wan und CT. Chan wird ein mit Partikelschichten versehener Wolframträger vorgestellt. Die Partikelschichten bestehen aus Wolframkügelchen mit einem Durchmesser von ungefähr 0,3 μm, die über dem ebenen Wolframträger so angeordnet, dass sie ein kubischflächenzentriertes Gitter aufspannen. Es können eine oder mehrere solcher Gitterschichten auf den Wolframträger aufgebracht werden. Der Wolframträger fungiert dabei als Emitter der elektromagnetischen Strah- lung. Die dicht über der Oberfläche des Wolframträgers angebrachten Wolframkugeln bilden ein photonisches Kristall. Das Kristall besitzt eine Bandlücke im Infrarot- Bereich. Dadurch, dass das photonische Kristall unmittelbar an den Emitter angrenzt, wird die spontane Emission in dem gesperrten Wellenlängenbereich unterdrückt. Bei einer Schichtstärke von einer oder zwei (111) fcc- Schichten (kubischflächenzentrierte Schichten) wird die Ausstrahlung von langwelligem Licht relativ zu kurzwelligem Licht bereits erheblich reduziert. Mit einer aufge- brachten Schicht ist beispielsweise der Absorptions- bzw. Emissionskoeffizient bei Wellenlängen im Bereich von 1,6 eV bis 3 eV, der dem sichtbaren Licht entspricht, von ca. 50% auf ca. 75 bis 95% im Vergleich zum Wolframträger ohne Schicht gestiegen. Alternativ zu diesen kubisch flächenzentrierten Struktur sind auch andere Strukturen im Hinblick auf andere Kristallklassen bzw. Kristallsysteme denkbar, beispielsweise kubischraumzentriert oder hexago- nal dichteste Packung.In the literature under "Thermal emission by photonic micron-textured" surfaces (see also http://arxiv.org/g/abs/physics/0505165yl), Jones TK Wan and CT Chan presents a particulate-layered tungsten carrier Particle layers consist of approximately 0.3 μm diameter tungsten spheres positioned over the planar tungsten carrier to span a cubic surface centered grating, and one or more such grating layers may be applied to the tungsten carrier, the emitter being the electromagnetic emitter The tungsten spheres close to the surface of the tungsten carrier form a photonic crystal, and the crystal has a bandgap in the infrared, so that the photonic crystal is directly adjacent to the emitter, suppressing spontaneous emission in the blocked wavelength range. With a layer thickness of one or two (111) fcc layers (cubic surface-centered layers) already significantly reduce the emission of long-wave light relative to short-wave light. For example, with an applied layer, the absorption coefficient at wavelengths is in the range of 1.6 eV to 3 eV, which corresponds to the visible light, has risen from approx. 50% to approx. 75 to 95% compared to the tungsten carrier without a layer. As an alternative to this cubic face centered structure, other structures with regard to other crystal classes or crystal systems are also conceivable, for example cubic space centered or hexagonal close packing.
Die Herstellung dieser Strukturen ist ähnlich, wie es in dem Dokument "Monodispersed Colloidal Spheres: Old Mate- rials with New Applications", By Younan Xia, * Byron Gates, Yadong Yin, and Yu Lu, Advanced Materials 2000, 12, No. 10 genannt ist. Als Beschichtungsverfahren ist unter anderem die Selbstorganisation der Kügelchen möglich.The preparation of these structures is similar as described in the document "Monodispersed Colloidal Spheres: Old Materials with New Applications", By Younan Xia, Byron Gates, Yadong Yin, and Yu Lu, Advanced Materials 2000, 12, no. 10 is called. As a coating method, among other things, the self-organization of the beads is possible.
Die Vorteile dieser Ausführungsvariante sind folgende:The advantages of this embodiment are the following:
1. Das Material kann im Wesentlichen aus Wolfram bestehen, was entsprechende Vorteile, wie eine hohe Temperaturbeständigkeit, vorhandenes Fertigungs-Know-how hat.1. The material may consist essentially of tungsten, which has corresponding advantages, such as a high temperature resistance, existing manufacturing know-how.
2. Das photonische Kristall wird als Partikelschicht aufgetragen, wodurch sich das Herstellverfahren in Bezug auf andere dreidimensionale photonische Kristalle vereinfacht.2. The photonic crystal is applied as a particle layer, which simplifies the manufacturing process with respect to other three-dimensional photonic crystals.
3. Bei üblichen strukturierten Leuchtkörpern ergibt sich eine stärkere Umformung bzw. Zerstörung aufgrund von Diffusion, insbesondere Oberflächendiffusion, und auf- grund von Rekristallisation in Betrieb im Vergleich zu dieser Ausführung. Beispielsweise werden „Oberflächengitter" in Wolfram schon innerhalb weniger Stunden, beispielsweise innerhalb von 125 Stunden, bei 10000C zerstört. Nähere Angaben dazu sind dem Artikel „Thermal sta- bility of micro-structured selective tungsten emitters", C.Schlemmer et al., Conference paper Thermophotovoltaic Generation of Electricity: 5th Conference zu entnehmen. Bei hohen Temperaturen treten Diffusionsprozesse auf, die dazu führen, dass sich die Oberfläche eines Körpers bis zu einer gewissen Grenze reduziert. Die thermodynamische Triebkraft ist die Verringerung der freien Enthalpie des Körpers. Bei dieser Ausführung jedoch sind es Kugeln aus Wolfram, die makroskopisch bereits annähernd ihre ener- gieärmste Form besitzen und voneinander relativ dauerhaft durch die als Diffusionsbarriere wirkende Beschichtung getrennt sind. Diese Kugeln werden im Betrieb, solange sich diese nicht berühren, aus diesem Grund auch annähernd Kugeln bzw. Polyeder bleiben. Dabei kann es durch- aus sein, dass sich im Laufe der Zeit die homogene Beschichtung verändert und sich z.B. Körner bilden.3. In the case of customary structured luminous bodies, there is a greater deformation or destruction due to diffusion, in particular surface diffusion, and due to recrystallization in operation in comparison to this embodiment. For example, "surface grid" in tungsten are within a few hours, for example within 125 hours, destroyed at 1000 0 C. Further details on this are the article "Thermal static C.Schlemmer et al., conference paper on Thermophotovoltaic Generation of Electricity: 5th Conference: At high temperatures, diffusion processes occur that cause the surface of a body to expand to a certain extent The thermodynamic driving force is the reduction of the free enthalpy of the body, but in this embodiment it is spheres of tungsten, which already have approximately their lowest energy macroscopic form and which are relatively permanently separated by the diffusion barrier coating During operation, as long as they do not touch each other, they also remain approximately spheres or polyhedra, whereby it can happen that over time the homogeneous coating changes and, for example, grains form.
Die erforderliche kubischflächenzentrierte Gitterform ermöglicht als dichtest mögliche Packung von Kugeln eine einfach Anordnung der Kugeln durch z.B. Sedimentieren . Jedoch es gibt es eine Vielzahl von Varianten der dichtesten Packung. Durch geeignete Maßnahmen lassen sich aber kubisch flächenzentrierte Anordnungen der Wolframkugeln, die der natürlichen Opalstruktur ungefähr in Größe und Form entsprechen, herstellen.The required cubic surface centered lattice shape, as closest possible packing of spheres, allows easy placement of the spheres by e.g. Sediment. However, there are a variety of variants of the densest packing. By means of suitable measures, however, face-centered cubic arrangements of the tungsten spheres, which correspond approximately to the size and shape of the natural opal structure, can be produced.
Durch den Erfinder werden folgende Herstellmöglichkeiten der kubischflächenzentrierten Schicht angestrebt:The inventor strives for the following production possibilities of the cubic surface-centered layer:
Bei der Sedimentation werden die Kugeln in einer Flüssigkeit mit z.B. Suspensionsmitteln „aufgeschlämmt" bzw. ein Kolloid gebildet. Dieses Kolloid wird dann z.B. mittels Schwerkraft auf dem Wolframträger sedimentiert . Dieses ist in den Artikeln "THE COMPLETE PHOTONIC BAND GAP IN INVERTED OPALS: HOW CAN WE PROVE IT EXPERIMENTALLY?", D. J. Norris * and Yu. A. Vlasov, NEC Research Institute, Inc. 4 Independence Way Princeton, NJ 08540 USA; "Mono- dispersed Colloidal Spheres: Old Materials with New Applications", By Younan Xia, * Byron Gates, Yadong Yin, and Yu Lu, Advanced Materials 2000, 12, No. 10; Vortrag „Herstellung inverser Opale durch Selbstorganisation", Dr. Holger Winkler, Dr. Ralf Anseimann, Dr. Josef Bauer, Dr. Ralf Glausch, Corinna Weigandt, Rene Schneider (MERCK KGaA, Darmstadt), Dr. Götz P. Hellmann, Dr. Tilmann Ruhl, Peter Spann (Deutsches Kunststoff-Institut, Darmstadt) , Dr. Franco Laeri (TU Darmstadt, Institut für Angewandte Physik) in „Kontrollierte Selbstorganisation für zukünf- tige technische Anwendungen Fachgespräch, Analyse, Ausblick" vom VDI Technologiezentrum und Jörg Schilling „Herstellung und optische Eigenschaften von 2D- und 3D- photonischen Kristallen aus makroporösem Silizium", Dissertation, S.15 näher beschrieben.During sedimentation, the spheres are "slurried" or a colloid is formed in a liquid with suspending agents, for example, and this colloid is then sedimented by gravity on the tungsten carrier is in the articles "THE COMPLETE PHOTONIC BAND CAP IN INVERTED OPALS: HOW CAN WE PROVE IT EXPERIMENTALLY?", DJ Norris * and Yu. A. Vlasov, NEC Research Institute, Inc. 4 Independence Way Princeton, NJ 08540 USA; Monomeric Colloidal Spheres: Old Materials with New Applications, By Younan Xia, Byron Gates, Yadong Yin, and Yu Lu, Advanced Materials 2000, 12, no. 10; Lecture "Production of Opverse Opals by Self-Organization", Dr. Holger Winkler, Dr. Ralf Anseimann, Dr. Josef Bauer, Dr. Ralf Glausch, Corinna Weigandt, Rene Schneider (MERCK KGaA, Darmstadt), Dr. Götz P. Hellmann, Dr. Ing. Tilmann Ruhl, Peter Spann (Deutsches Kunststoff-Institut, Darmstadt), Dr. Franco Laeri (TU Darmstadt, Institute of Applied Physics) in "Controlled Self-Organization for Future Technical Applications Expert discussion, analysis, outlook" by VDI Technology Center and Jörg Schilling " Production and Optical Properties of 2D and 3D Photonic Crystals from Macroporous Silicon ", Dissertation, p.15.
Bei der kontrollierten Trocknung von Kolloidkugeldispersionen wird ein Kolloid, d.h. eine Dispersion von z.B. kleinen Wolframkügelchen in Flüssigkeit, mit den beschichteten Wolframkugeln hergestellt und getrocknet. Es lassen sich auch beispielsweise Wolframdrähte (heutige Wendeldrähte) durch eine derartige Kolloidlösung ziehe, wie es in dem Artikel:" Beiträge der Nanotechnologie zur Erhöhung von Funktionalität und Dichte in der Elektronik", Werner Prost, Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Halbleitertech- nik/Halbleitertechnologie, in „Kontrollierte Selbstorganisation für zukünftige technische Anwendungen Fachge- sprach, Analyse, Ausblick" vom VDI Technologiezentrum dargestellt ist. Bei der Vertical-Deposition-Technik werden die Kugeln durch Kapillarkräfte an der Flüssigkeitsoberfläche am Draht hochgezogen. Beim Herausziehen des Drahts aus dem Kolloid bildet sich durch Verdunstung die kubischflächenzentrierte Struktur von selbst aus. Die Kapillarkräfte verdichten die Struktur bis zur Berührung der Kugeln. Im Vergleich dazu fehlt in dem Patent US2005/0160964 eine Beschichtung der Kugeln. Weitere An- gaben zu der vorstehend genannten Herstellungsmöglichkeit sind dem Vortrag „Herstellung inverser Opale durch Selbstorganisation", Dr. Holger Winkler, Dr. Ralf Ansel- mann, Dr. Josef Bauer, Dr. Ralf Glausch, Corinna Wei- gandt, Rene Schneider (MERCK KGaA, Darmstadt), Dr. Götz P. Hellmann, Dr. Tilmann Ruhl, Peter Spahn (Deutsches Kunststoff-Institut, Darmstadt), Dr. Franco Laeri (TU Darmstadt, Institut für Angewandte Physik) in „Kontrollierte Selbstorganisation für zukünftige technische Anwendungen Fachgespräch, Analyse, Ausblick" vom VDI Tech- nologiezentrum zu entnehmen.In the controlled drying of colloidal sphere dispersions, a colloid, ie a dispersion of eg small tungsten beads in liquid, is prepared with the coated tungsten beads and dried. It is also possible, for example, tungsten wires (today's helical wires) pull through such a colloid solution, as in the article: "Contributions of nanotechnology to increase functionality and density in electronics", Werner Prost, University of Duisburg-Essen, Faculty of Engineering, Semiconductor Tech - nik / Semiconductor Technology, in "Controlled Self-Organization for Future Technical Applications In the vertical deposition technique, the balls are pulled up by capillary forces on the liquid surface on the wire, and when the wire is pulled out of the colloid, the cubic-surface-centered structure is formed by evaporation Capillary forces compress the structure until it touches the balls, whereas in the patent US2005 / 0160964 a coating of the balls is lacking.Further information on the above-mentioned production possibility can be found in the lecture "Production of inverse opals by self-organization". Holger Winkler, dr. Ralf Anselmann, dr. Josef Bauer, dr. Ralf Glausch, Corinna Weigandt, Rene Schneider (MERCK KGaA, Darmstadt), dr. Götz P. Hellmann, Dr. med. Tilmann Ruhl, Peter Spahn (German Plastic Institute, Darmstadt), Dr. med. Franco Laeri (TU Darmstadt, Institute of Applied Physics) in "Controlled Self-Organization for Future Technical Applications Expert Discussion, Analysis, Outlook" from the VDI Technology Center.
Der letztgenannten Literaturstelle ist auch die Herstellung aus einer flüssigen Phase (Liganden-Technologie) und die Sprühung der Kolloidlösung auf den Träger und Trocknung zu entnehmen.The latter reference is also the preparation of a liquid phase (ligand technology) and to remove the spray of the colloid solution on the support and drying.
Nachfolgend werden die Ausgestaltung und die Herstellung der erfindungsgemäßen Leuchtkörper entsprechend dem vierten Ausführungsbeispiel näher beschrieben.Hereinafter, the configuration and the production of the luminous bodies according to the invention will be described according to the fourth embodiment.
Zu Beginn werden die Ausgangsmaterialien näher gekennzeichnet . Träger besteht möglichst aus einem Körper mit relativ einfach zu beschichtender Oberfläche, wie z.B. eine Ebene oder Zylinder-, Kugel- oder Kegeloberflächen. Der Träger kann auch ein Draht sein. Das Material des Trägers ist vorzugsweise Wolfram oder ein anderes hochschmelzendes Metall bzw. eine elektrisch leitfähige Keramik.At the beginning, the starting materials are marked in more detail. Carrier consists as possible of a body with a relatively easy-to-coat surface, such as a plane or cylindrical, spherical or conical surfaces. The carrier can also be a wire. The material of the carrier is preferably tungsten or another refractory metal or an electrically conductive ceramic.
Die Kugeln, die vorzugsweise aus Wolfram oder einem hoch schmelzendes Material mit hohem Brechungsindexkontrast zum Dielektrikum gefertigt sind, mit einem Durchmesser von ungefähr 0,3 μm können z.B. durch Plasmaspritzen und nachfolgendes Sieben, einen „Polyol-Prozeß" , wie dieser beispielsweise unter http : //Info . tuwien . ac . at/nanomater ials/ beschrieben ist, oder die Stöber-Methode entsprechend dem Artikel SiO2 Ku- geln mit Kernen aus Gold-Nanopartikeln : „Synthesis and optical properties of gold-labelled silica particles", LIZ-MARZAN L. M. ; PHILIPSE A. P., Journal of colloid and interface science 1995, vol. 176 erzeugt werden.The spheres, which are preferably made of tungsten or a high refractive index contrast refractory material to the dielectric, with a diameter of about 0.3 μm may be e.g. by plasma spraying and subsequent sieving, a "polyol process", as described, for example, under http://Info.Tuwien.ac.at/nano- materials / or the Stöber method in accordance with the article SiO2 spheres with cores Gold nanoparticles: "Synthesis and optical properties of gold-labeled silica particles", LIZ-MARZAN LM; PHILIPSE A.P., Journal of Colloids and Interface Science 1995, vol. 176 are generated.
Durchmesserschwankungen und Formabweichungen lassen sich nicht vermeiden und verändern die Lichtausbeute. Jedoch bleiben auch bei unrunden Partikeln die wesentlichen physikalischen Größen, wie z.B. abwechselnde Dicke der niedrig brechenden dielektrischen Schicht und Dicke der Metallschicht in der Ausbreitungsrichtung eines Photons, vergleichbar.Diameter fluctuations and shape deviations can not be avoided and change the light output. However, even with non-round particles, the essential physical quantities, e.g. alternating thickness of the low-refractive dielectric layer and thickness of the metal layer in the propagation direction of a photon, comparable.
Die bevorzugt aus Wolfram ausgebildeten Kugeln besitzen mit hoher Wahrscheinlichkeit einen definierten Abstand voneinander und von dem Träger. Die Kugeln können dabei z.B. in dem Dielektrikum Vakuum eingebettet sein. Da die- ses eine Fertigung aus einleuchtenden Gründen praktisch unmöglich machen würde, sollten die Hohlräume zwischen den „frei schwebenden" Kugeln bei der Fertigung nachträglich mit einem Dielektrikum z.B. AI2O3, Siθ2, HfO2 z.B. durch ein CVD-Verfahren gefüllt werden. Es ist daher zu bevorzugen, die Kugeln selbst mit einer sehr dünnen Schicht, von beispielsweise ungefähr 16 nm des Dielektrikums zu beschichten. Die Schichtdicke entspricht dem halben Abstand der Kugeln voneinander. Diese Schicht vermindert dann im Betrieb auch die Oberflächendiffusion zwi- sehen den Kugeln, die die Struktur zerstören würde. Die Beschichtung kann beispielsweise durch Bedampfen oder Tauchen vorgenommen werden. Um möglichst hohe Kontraste im Brechungsindex zu erreichen, sollte der Brechungsindex n des Dielektrikums klein, der Schmelzpunkt jedoch hoch sein. Daher lassen sich bevorzugt für das Dielektrikum verwenden Al2O3 (n=l,6, Schmelztemp. 2045 0C), SiO2 (n=The balls, which are preferably formed of tungsten, are highly likely to have a defined distance from one another and from the carrier. The balls can be embedded eg in the dielectric vacuum. Because this makes manufacturing practical for obvious reasons would make impossible, the cavities between the "free-floating" balls in the production later with a dielectric such as AI2O3, SiO 2 , HfO 2, for example, by a CVD method are filled.It is therefore preferable, the balls themselves with a very thin The layer thickness corresponds to half the distance of the spheres from each other.This layer also reduces during operation the surface diffusion between the spheres that would destroy the structure.The coating can be, for example, by vapor deposition or In order to achieve the highest possible contrasts in the refractive index, the refractive index n of the dielectric should be small, but the melting point should be high, and therefore it is preferable to use Al 2 O 3 (n = 1.6, melting temperature 2045 0) for the dielectric C), SiO 2 (n =
1,46, Schmelztemp. ca. 1600 0C ), HfO2 (n=2, Schmelztemp.1.46, melt temp. about 1600 0 C), HfO 2 (n = 2, Schmelztemp.
Ca. 27000C), Y2O3 (n=l,85, Schmelztemp. ca. 2400°C), MgOApproximately 2700 0 C), Y 2 O 3 (n = l, 85, Schmelztemp approx. 2400 ° C) MgO
(n=l,7, Schmelztemp. ca. 28000C), Gd2O2 (n=l,75, Schmelz- temp. 2350°C)und ZrO2 (n=2, Schmelztemp. 2700°C) .(n = l, 7, Schmelztemp. about 2800 0 C), Gd 2 O 2 (n = l, 75, Schmelztemp. 2350 ° C) and ZrO 2 (n = 2, Schmelztemp. 2700 ° C).
Als Material zur Beschichtung der Wolframpartikel kann aufgrund der geringen Dicke der Schicht auch ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante und Brechzahl geeignet sein, z.B. ein Perowskit. In diesem Fall berühren sich die Volumina mit hohem Brechungsindex.As a material for coating the tungsten particles, a material having a high dielectric constant and refractive index may also be suitable because of the small thickness of the layer, e.g. a perovskite. In this case, the high refractive index volumes will touch.
Da die Permeabilität bzw. Permitivität des Dielektrikums ungleich der des bei Vakuums in dem Artikel Thermal emis- sion by photonic micro-textured" surfaces (siehe auch http://arxiv.org/abs/physics/0505165vl), Jones T. K. Wan und CT. Chan ist, sollten die geometrischen Größen des photonischen Kristalls entsprechend leicht angepasst werden .Since the permeability of the dielectric is not equal to that at vacuum in the article Thermal emission by photonic micro-textured surfaces (see also http://arxiv.org/abs/physics/0505165vl), Jones TK Wan and CT Chan is, should the geometric sizes of the photonic crystal can be adjusted accordingly.
Aufgrund der hohen Betriebstemperatur des Leuchtkörpers würden sich reine Wolframstrukturen in kurzer Zeit, z.B. aufgrund von Oberflächendiffusion, zerstören. Dieses ist der gleiche Vorgang, der beim Sintern des Wolframmateri- als aus dem Pulver auftritt und gewünscht ist. Diese Vorgänge können durch eine geeignete Beschichtung der Wolframkugeln erheblich gebremst werden. Die zwischen den Ku- geln verbleibenden Hohlräume (Vakuum) können ebenfalls z.B. mittels CVD gefüllt werden. Weitere Oberflächendiffusionen werden damit unterdrückt.Due to the high operating temperature of the luminous body, pure tungsten structures would be produced in a short time, e.g. due to surface diffusion, destroy. This is the same process that occurs during sintering of the tungsten material as from the powder and is desired. These processes can be considerably slowed down by a suitable coating of the tungsten balls. The voids remaining between the balls (vacuum) may also be e.g. be filled by CVD. Further surface diffusion is thus suppressed.
Die Herstellung einer geeigneten Lösung mit den Kugeln kann z.B. in Form eines Kolloids erfolgen. Dabei können in einem geeigneten Medium, wie z.B. Wasser, die Kugeln durch Hilfsstoffe in der Schwebe gehalten werden. Zwischen den Kugeln untereinander und dem Medium können Kräfte wirken, welche die regelmäßige Anordnung der Kugeln hervorrufen, z.B. Oberflächenladungen und Kapillar- kräfte.The preparation of a suitable solution with the balls may e.g. in the form of a colloid. In this case, in a suitable medium, such. Water, the balls are held by auxiliaries in the balance. Between the balls with each other and the medium, forces acting to cause the balls to be arranged regularly, e.g. Surface charges and capillary forces.
Der gesamte Leuchtkörper lässt sich wie folgt herstellen:The entire luminous body can be produced as follows:
Zur Herstellung des Trägers lässt sich beispielsweise ein Wolfram-Draht wie bekannt ziehen, kann eine Wolframplatte aus Pulver gesintert werden oder lässt sich ein Keramik- träger sintern und optional mit Leiterbahnen für die Widerstandsheizung versehen. Die mit der kubischflächen- zentrierten Schicht zu beschichtende Seite des Trägers wird mit einer dünnen Wolframschicht von z.B. 2 μm bedampft . Die beschichteten Wolfram-Kugeln werden in einer dünnen Schicht auf den Wolframträger auftragen. Die Kugeln können dazu in einem Kolloid aufgeschlämmt sein.To produce the carrier, for example, a tungsten wire can be drawn as is known, a tungsten plate made of powder can be sintered, or a ceramic carrier can be sintered and optionally provided with conductor tracks for resistance heating. The side of the support to be coated with the cubic surface-centered layer is vapor-deposited with a thin tungsten layer of, for example, 2 μm. The coated tungsten spheres are applied in a thin layer on the tungsten carrier. The balls can be slurried in a colloid.
Falls es erforderlich ist, kann ein Abstreifen der über- stehenden Kugeln durch ein Messer, das mit Abstand über die Schicht geführt wird, erfolgen. Wie aus der Literatur bekannt, ist der Einfluss einer größeren Schichtanzahl gering. Der beschichtete Leuchtkörper würde bei einerIf necessary, the overhanging balls can be removed by a knife which is passed over the layer at a distance. As known from the literature, the influence of a larger number of layers is small. The coated luminaire would at a
Schichtanzahl von beispielsweise 128 Schichten im sicht- baren Bereich und im infraroten Bereich etwas mehr Licht als bei nur einer Schicht emittieren.Number of layers of, for example, 128 layers in the visible range and in the infrared range emit slightly more light than in just one layer.
Das Verdichten der Kugeln erfolgt auf dem Träger durch z.B. Gravitation (Sedimentbildung), wie es vorstehend erläutert wurde.The compacting of the balls takes place on the support by e.g. Gravitation (sedimentation), as explained above.
Das Versintern der Beschichtung der Kugeln erfolgt durch Ausheizen. Dabei bildet sich ein kubischflächenzentrier- tes Gitter mit den Wolframkugeln, die durch eine dünne Schicht der Beschichtung voneinander getrennt sind. Bei einer langen Sinterdauer kann die dielektrische Trenn- schicht zu dünn werden, so dass die anfängliche Schichtdicke entsprechend vergrößert werden sollte.The sintering of the coating of the balls is carried out by baking. In the process, a cubic surface-centered grid is formed with the tungsten spheres, which are separated from one another by a thin layer of the coating. With a long sintering time, the dielectric separation layer may become too thin, so that the initial layer thickness should be increased accordingly.
Optional können die verbleibenden Hohlräume zwischen den Kugeln mit einem Dielektrikum kleiner Brechzahl gefüllt werden, wodurch jedoch der Brechzahlkontrast sinkt.Optionally, the remaining voids between the spheres can be filled with a low refractive index dielectric, but this decreases the refractive index contrast.
In Fig. 20A ist ein Ausschnitt aus der beschichteten Oberfläche eines Leuchtkörpers entsprechend dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, wobei die Schicht kubisch-flächenzentriert angeordnete beschichtete Wolfram-Kugeln 340 aufweist. Die beschichteten Wolframpartikel sind untereinander und mit dem Träger 342 versintert sind.FIG. 20A shows a section of the coated surface of a luminous element according to the fourth exemplary embodiment of the invention, wherein the layer has cubic surface-centered coated tungsten spheres 340. The coated tungsten particles are sintered to each other and to the carrier 342.
Der Träger 342 wird durch eine Wolframschicht auf einer isolierenden oder leitfähigen Keramik oder durch einen massiven Wolframträger, der z.B. direkt durch Stromdurchgang beheizt wird, gebildet. Die dünne Wolframschicht auf einer isolierenden Keramik erlaubt es, die Schicht später direkt mit einer Versorgungsspannung zu beheizen, die höher als die bei einem massiven elektrisch leitfähi- gen Träger wäre.The carrier 342 is formed by a tungsten layer on an insulating or conductive ceramic or by a solid tungsten carrier, e.g. is heated directly by passage of current formed. The thin tungsten layer on an insulating ceramic makes it possible to heat the layer later directly with a supply voltage that would be higher than that of a solid, electrically conductive carrier.
Nachfolgend wird dieser Leuchtkörper unter Bezugnahme auf eine konkrete Ausführung in Fig. 2OB beschrieben. Der Träger 342 weist die isolierende Keramik AI2O3 324a auf, auf die eine Wolframschicht 342b von vorzugsweise lμm Di- cke aufgebracht ist. Auf dieser befinden sich die versinterten Wolframkugeln 340. Der elektrische Kontakt wird über Kontaktierungen 344 hergestellt.Hereinafter, this luminaire will be described with reference to a concrete embodiment in FIG. 2OB. The carrier 342 has the insulating ceramic Al 2 O 3 324 a, on which a tungsten layer 342 b of preferably 1 μm thick is applied. On this are the sintered tungsten balls 340. The electrical contact is made via contacts 344.
Die vorliegen Ausführung kann jedoch in Form eines inver- sen Opals abgewandelt sein.However, the present embodiment may be modified in the form of an inverse opal.
Inverse Opalstrukturen wird, wie es aus dem Artikel „ "THE COMPLETE PHOTONIC BAND GAP IN INVERTED OPALS: HOW CAN WE PROVE IT EXPERIMENTALLY?", D. J. Norris * and Yu. A. Vlasov NEC Research Institute, Inc. 4 Independence Way Princeton, NJ 08540 USA " hervorgeht, ein hohes Potential aufgrund möglicher vollständiger photonischer Bandlücken zugeschrieben. Deshalb kann eine Variante sinnvoll sein, bei der die zu verbindenden Kugeln nicht aus Wolfram sondern entweder aus einem Dielektrikum mit kleinem Brechungsindex wie AI2O3 oder Siθ2 bestehen, wodurch später miteinander verbundene Bereiche aus dem Dielektrikum mit kleinem Brechungsindex entstehen oder aus einem Dielektrikum mit kleinem Brechungsindex mit einer darüber- liegenden Schicht aus einigen nm eines Materials mit hohem Brechungsindex, z.B. Cr2θ3, HfO2, TiO2 oder einem Me- tall, bestehen. Hierdurch bleiben später alle dielektrischen Kerne getrennt.Inverse opal structures will, as it is from the article "THE COMPLETE PHOTONIC BAND CAP IN INVERTED OPALS: HOW CAN WE PROVE IT EXPERIMENTALLY?", DJ Norris * and Yu. According to Vlasov NEC Research Institute, Inc. 4 Independence Way Princeton, NJ 08540, USA, "a great deal of potential is attributed to possible complete photonic bandgaps, so it may be useful to make the balls to be joined not tungsten but either one or more With a low refractive index such as Al2O3 or SiO 2 exist, which later interconnected areas of the dielectric with small refractive index or consist of a dielectric with a low refractive index with an overlying layer of a few nm of a material having a high refractive index, for example Cr 2 θ3, HfO 2 , TiO 2 or a metal. As a result, later all dielectric cores remain separated.
Zur Herstellung eines derartigen inversen Opals sind folgende Schritte einsetzbarThe following steps can be used to produce such an inverse opal
Als erstes wird der Träger gemäß Vorbeschreibung herge- stellt. Dann werden die Kugeln in einer dünnen Schicht auf dem Träger auftragen. Die Kugeln können dazu in einem Kolloid aufgeschlämmt sein. Falls erforderlich erfolgt ein Abstreifen der überstehenden Kugeln durch ein Messer, das in einem vorbestimmten Abstand über die Schicht ge- führt wird. Anschließend erfolgt ein Verdichten der Kugeln auf dem Träger durch z.B. die Gravitation (Sedimentbildung), wie es vorstehend beschrieben ist. Dann wird ein Versintern der Kugeln durch Ausheizen vorgenommen, wodurch sich ein kubischflächenzentriertes Gitter mit den Kugeln bildet. Optional kann dann der verbleibenden Hohlräume zwischen den Kugeln mit einem Dielektrikum mit großer Brechzahl oder mit einem Metall infiltriert werden.First, the carrier is manufactured as described above. Then the balls are applied in a thin layer on the carrier. The balls can be slurried in a colloid. If necessary, stripping the protruding balls by a knife, which is guided over the layer at a predetermined distance. Subsequently, the spheres are compacted on the support by e.g. Gravity (sedimentation), as described above. Then sintering of the balls is performed by annealing, forming a cubic surface centered grid with the balls. Optionally, the remaining voids between the spheres can then be infiltrated with a high refractive index dielectric or with a metal.
Als Ergebnis wird ein photonisches Kristall auf dem Substrat erhalten, das kugelförmige Räume in kubischflächen- zentrierter Anordnung aufweist, die einen kleinen Brechungsindex besitzen und von Bereichen mit großem Brechungsindex umgeben sind. Dieses photonische Kristall kann eine vollständige Bandlücke für den Infrarot-Bereich besitzen und so die Infrarot-Strahlung des Substrats kom- plett blocken. Dadurch, dass die Kugeln nicht hohl sind, also das Dielektrikum wie in anderen Beispielen entfernt wird, wird die Zerstörung der Schicht durch Diffusion bei den hohen Betriebstemperaturen gebremst.As a result, a photonic crystal is obtained on the substrate having cubic surface centered spherical space having a small refractive index and surrounded by regions of high refractive index. This photonic crystal can have a complete band gap for the infrared region and thus completely block the infrared radiation of the substrate. Because the balls are not hollow, Thus, the dielectric is removed as in other examples, the destruction of the layer is slowed by diffusion at the high operating temperatures.
Durch ihren einfachen Schichtaufbau erlauben die vorste- hend beschriebenen Strahler entsprechend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel eine relativ kostengünstige Herstellung. Falls die Lampe farbiges Licht erzeugen soll, ist dies durch den monochromen Charakter der Emitter ebenfalls möglich. Andernfalls sind Konverterschich- ten erforderlich.Due to their simple layer structure, the emitters described above according to the first to fourth exemplary embodiments allow a relatively inexpensive production. If the lamp is to produce colored light, this is also possible due to the monochrome nature of the emitters. Otherwise, converter layers are required.
Bei den Leuchtkörpern entsprechend den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist die Selektivität der Strahlung größer als bei Wolframwendeln, wodurch die Möglichkeit zur Energieeinsparung insbesondere bei farbigen Glühlam- pen existiert. Mit der vorliegenden Erfindung werden weitere Schichtsysteme für das Konzept Lampe mit einem eindimensionalen photonischen Kristalle nutzbar gemacht.In the case of the luminous bodies according to the preceding embodiments, the selectivity of the radiation is greater than in the case of tungsten filaments, as a result of which there is the possibility of saving energy, in particular in the case of colored incandescent lamps. With the present invention, further layer systems for the concept of lamp can be used with a one-dimensional photonic crystals.
(Varianten für die Form des thermischen Emitters)(Variants for the shape of the thermal emitter)
Für eine Umsetzung der vorliegenden Erfindung entspre- chend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel eignen sich für den thermischen Emitter insbesondere ebene Flächen und rotationssymmetrische Flächen, wie zum Beispiel Zylinderflächen, Kugelflächen, Kegelflächen und andere. Anwendungsbeispiele für eine derartige Ausgestaltung des Leuchtkörpers werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 21A bis 28B gegeben.For an implementation of the present invention according to the first to fourth embodiments are suitable for the thermal emitter in particular planar surfaces and rotationally symmetric surfaces, such as cylindrical surfaces, spherical surfaces, conical surfaces and others. Application examples of such a configuration of the luminous element are given below with reference to FIGS. 21A to 28B.
In den Figuren 21A bis 21C ist ein Leuchtkörper entsprechend einem ersten Anwendungsbeispiel gezeigt, wobei in Figur 6A eine Seitenansicht von links, in Figur 21B eine Vorderansicht, in Figur 21C eine perspektivische Ansicht auf den Leuchtkörper 50 dargestellt ist.FIGS. 21A to 21C show a luminous element according to a first example of application, wherein in FIG. 6A a side view from the left, in FIG. 21B a Front view, in Figure 21C is a perspective view of the lamp 50 is shown.
Im ersten Anwendungsbeispiel schließen sich die Stromzuführungen 14a, 14b, die in Figur IB gezeigt sind, unmit- telbar an die Glühwendel selbst an. Es wird bevorzugt, die Glühwendel 52 und nicht die Stromzuführungen 14a, 14b mit einem Schichtsystem entsprechend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel zu versehen.In the first application example, the power supply lines 14a, 14b, which are shown in FIG. 1B, are directly adjacent to the incandescent filament itself. It is preferable to provide the filament 52 and not the power leads 14a, 14b with a layer system according to the first to fourth embodiments.
Die Figuren 22A und 22B zeigen einen kegelmantelartig ausgebildeten Leuchtkörper, aus dessen Mitte die Stromzuführung 14b und aus dessen Randabschnitt am Außenumfang die Stromzuführung 14a heraustritt. In Figur 22A ist dabei eine Draufsicht des Leuchtkörpers 2, in Figur 22B eine Ansicht von links des Leuchtkörpers wiedergegeben. Während bei dem ersten Anwendungsbeispiel eine zylinderartige Abstrahlcharakteristik vorliegt, wird beim zweiten Anwendungsbeispiel flächig abgestrahlt.Figures 22A and 22B show a cone-shaped like luminous body, from the center of the power supply 14b and from the edge portion on the outer circumference, the power supply 14a emerges. FIG. 22A shows a plan view of the luminous element 2, and FIG. 22B shows a view from the left of the luminous element. While in the first application example, there is a cylindrical radiation characteristic, in the second example of application the surface is radiated.
Die Figuren 23A und 23B zeigen einen Leuchtkörper 60 entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei in Figur 23A eine Ansicht von links, in Figur 23B eine Draufsicht wiedergegeben worden ist. Hier ist der Leuchtkörper 60 als die Mantelfläche eines Doppelkegels ausgebildet, wobei auf geringem Raum eine große Oberfläche vorgesehen werden kann.Figures 23A and 23B show a luminous body 60 according to the third embodiment, wherein in Figure 23A is a view from the left, in Figure 23B a plan view has been reproduced. Here, the luminous element 60 is formed as the lateral surface of a double cone, wherein a large surface can be provided in a small space.
In der Figur 24 ist ein Leuchtkörper 64 entsprechend einem vierten Anwendungsbeispiel wiedergegeben. Hierbei ist der Leuchtkörper 64 als eine Fläche mit einem mäanderför- migen aktiven Bereich 66 ausgebildet. Durch diesen mäan- derförmigen aktiven Bereich 66 wird auf geringer Oberflä- che eine lange Leiterbahn ermöglicht, so dass eine hohe Lichtausbeute und eine hohe Temperatur aufrechterhalten können. Auch hier wird bevorzugt, dass der Bereich der Stromzuführungen 14a, 14b weder die aktive Schicht, noch das Schichtsystem aufweist. Figur 24 zeigt eine Vorderan- sieht des Leuchtkörpers 64.FIG. 24 shows a luminous element 64 in accordance with a fourth example of use. Here, the luminous element 64 is designed as a surface with a meandering active region 66. As a result of this meander-shaped active region 66, a long printed conductor is made possible on a small surface, so that a high level of light is achieved Luminous efficacy and a high temperature can be maintained. Again, it is preferred that the region of the power supply lines 14a, 14b has neither the active layer, nor the layer system. FIG. 24 shows a front view of the luminous element 64.
In den Figuren 25A und 25B ist ein Leuchtkörper 70 gezeigt, der einen im Wesentlichen scheibenförmigen aktiven Bereich 72 aufweist, aus dem die Stromzuführungen 14a, 14b heraustreten. Hierbei zeigt Figur 25A eine Draufsicht und Figur 25B eine perspektivische Ansicht von vorne rechts des Leuchtkörpers 70.FIGS. 25A and 25B show a luminous element 70 which has a substantially disc-shaped active region 72, from which the current supply lines 14a, 14b emerge. FIG. 25A shows a plan view and FIG. 25B shows a perspective view from the front right of the luminous element 70.
Die Figur 26 zeigt einen Leuchtkörper 76 entsprechend dem sechsten Anwendungsbeispiel. Dabei gelangt vorteilhaft die Struktur entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel zur Anwendung. Genauer gesagt zeigt Figur 26 eine Draufsicht des Leuchtkörpers 76. Leiterbahnen 36 sind auf den Keramikträger 34 mäanderförmig aufgebracht und über Anschlussflächen 78a, 78b mit den Stromzuführungen 14a, 14b verbindbar. Auf den Keramikträger 34 befindet sich die metallische Reflektorschicht 26 und die Laserkavitäts- schicht 30 sowie anschließend das Schichtsystem 32 entsprechend den vorherigen Ausführungsbeispielen. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist vorteilhaft, dass die Be- schichtung einer ebenen Fläche mit dem Keramikträger 34 als Grundwerkstoff vorgenommen werden kann und die Leiterbahn 36 darauf ausgebildet wird.FIG. 26 shows a luminous element 76 according to the sixth example of application. In this case, advantageously the structure according to the second embodiment is used. More precisely, FIG. 26 shows a plan view of the luminous element 76. Conductor tracks 36 are applied meander-shaped on the ceramic carrier 34 and can be connected to the power supply lines 14a, 14b via connection surfaces 78a, 78b. On the ceramic support 34 is the metallic reflector layer 26 and the laser cavity layer 30 and then the layer system 32 according to the previous embodiments. In such an embodiment, it is advantageous that the coating of a flat surface with the ceramic carrier 34 as the base material can be carried out and the conductor track 36 is formed thereon.
Die Figuren 27A und 27B sowie 28A und 28B zeigen ein siebentes und achtes Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Ausführung nach Figur 3. Genauer gesagt ist die Leiterbahn 36 aus Figur 3 durch ein Widerstandsheiz- element ersetzt, dass in einem vorbestimmten Abstand zum Keramikträger 34 vorgesehen ist.FIGS. 27A and 27B as well as FIGS. 28A and 28B show a seventh and eighth application example of the present invention, the embodiment according to FIG. 3. More specifically, the conductor track 36 from FIG. replaced element that is provided at a predetermined distance from the ceramic carrier 34.
Figur 27A zeigt einen Leuchtkörper 84 mit einer Leiterbahn 86 und einer Schichtanordnung 88, die voneinander mit einem Abstand b beabstandet sind. Figur 27A zeigt eine Draufsicht, wobei die Leiterbahn 86 gestrichelt wiedergegeben ist, Figur 27B eine Ansicht von links des Leuchtkörpers 84. In der Schichtanordnung 88 sind der Keramikträger 34, die metallische Reflektorschicht 26, die Laserkavitätsschicht 30 und die Schichtanordnung 32 vorgesehen .FIG. 27A shows a luminous element 84 with a conductor track 86 and a layer arrangement 88, which are spaced from each other by a distance b. 27A shows a top view of the filament 84. In the layer arrangement 88, the ceramic carrier 34, the metallic reflector layer 26, the laser cavity layer 30 and the layer arrangement 32 are provided.
Beim achten Anwendungsbeispiel aus den Figuren 28A und 28B ist der Leuchtkörper 94 mit einem Widerstandsheizelement 96 und einer kugelartigen Schichtanordnung 98 vorge- sehen, wobei in 28A eine Ansicht von links und in Figur 28B eine Draufsicht des Leuchtkörpers 94 vorgesehen ist. Das Widerstandsheizelement 96 ist über Stromzuführungen 14a, 14b mit Molybdänfolien 12a, 12b verbindbar und erzeugt Wärme, die durch die Schichtanordnung 98, die über ein stabförmiges Halteelement 100 am Lampensockel befestigbar ist, aufgenommen wird.In the eighth application example from FIGS. 28A and 28B, the luminous element 94 is provided with a resistance heating element 96 and a spherical layer arrangement 98, wherein in FIG. 28A a view from the left and in FIG. 28B a plan view of the luminous element 94 are provided. The resistance heating element 96 is connectable via power supply lines 14a, 14b with molybdenum foils 12a, 12b and generates heat which is absorbed by the layer arrangement 98, which can be fastened to the lamp base via a rod-shaped holding element 100.
Wie auch beim siebenten Anwendungsbeispiel weist die Schichtanordnung des achten Anwendungsbeispiel vom Widerstandsheizelement 96 ausgehend einen Keramikträger 34, eine metallische Reflektionsschicht 26, eine Laserkavitätsschicht 30 und die Schichtanordnung 32 des der Anwendung aus Figur 3 auf.As in the seventh application example, the layer arrangement of the eighth application example starting from the resistance heating element 96 has a ceramic carrier 34, a metallic reflection layer 26, a laser cavity layer 30 and the layer arrangement 32 of the application of FIG.
Durch den vergrößerten Abstand zwischen Leiterbahn undDue to the increased distance between track and
Keramikträger im siebenten und achten Anwendungsbeispiel kann durch die Leiterbahn eine erhöhte Temperatur vorge- sehen werden. Es ist günstig, wenn die erfindungsgemäße Lampe mit einem Gas befüllt ist, durch die der Wärmetransport vom Widerstandsheizelement 96 bzw. von der Leiterbahn 86 zur entsprechenden Schichtanordnung optimiert ist.Ceramic carrier in the seventh and eighth application example may be due to the conductor track an increased temperature vorge- will see. It is favorable if the lamp according to the invention is filled with a gas, by means of which the heat transport from the resistance heating element 96 or from the conductor 86 to the corresponding layer arrangement is optimized.
Die Auslegungen der Schichten des Leuchtkörpers entsprechend der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise auch mit Hilfe der Störungstheorie bei gegebenen Brechungsindizes bzw. in Abhängigkeit vom Wellenwiderstand des me- tallischen Reflektors wie in dem Artikel der Physical Review auf den Seiten 2 und 3 angegeben, vorgenommen werden. Im Vergleich zum dort beschriebenen Laser sind die Qualitätsanforderung bei der vorliegenden Erfindung geringer, jedoch die Strukturgrößen aufgrund erheblich kür- zeren Wellenlänge kleiner.The designs of the layers of the luminous element according to the present invention can also be carried out, for example, with the aid of perturbation theory given given refractive indices or depending on the characteristic impedance of the metallic reflector, as indicated in the article of the Physical Review on pages 2 and 3. In comparison with the laser described there, the quality requirement in the present invention is lower, but the feature sizes are smaller because of the considerably shorter wavelength.
Nachfolgend wird die mögliche Lichtleistung eines photonischen Strahlers entsprechend der vorliegenden Erfindung untersucht .Hereinafter, the possible light output of a photonic radiator according to the present invention will be examined.
Es wird davon ausgegangen, dass die Wendel einer Halogen- glühlampe eine Temperatur von in diesem Fall 3000 Kelvin erreicht. Die Strahlungsleistung wird entsprechend dem Stefan-Boltzmann-Gesetz wie folgt berechnetIt is assumed that the filament of a halogen incandescent lamp reaches a temperature of 3000 Kelvin in this case. The radiant power is calculated according to the Stefan Boltzmann law as follows
P = C - Z - A - \TStrahler - ^UMGEBUNG )W \P = C - Z - A - \ T emitter - ^ ENVIRONMENT) W \
Unter der Annahme , dassAssuming that
W σ = 5,8e~ m2 - K4 ist und ε für Wolfram bei 3000 Kelvin und einer Wellenlänge von 500 Nanometer ungefähr 0,42 beträgt, ergibt sich unter Vernachlässigung der UmgebungsstrahlungW σ = 5.8e ~ m 2 - K 4 and ε is about 0.42 for tungsten at 3000 Kelvin and a wavelength of 500 nanometers, resulting in neglecting the ambient radiation
p _ o . in' W m~ p o. in 'W m ~
Bei einer Erhitzung des photonischen Leuchtkörpers auf 1500 Kelvin strahlt dieser bei einem ε von Wolfram bei 1500K und einer Wellenlänge von 500 Nanometern mit 0,46 mitWhen the photonic filament is heated to 1500 Kelvin, it radiates at 0.46 of tungsten at 1500K and a wavelength of 500 nanometers at 0.46
——2 *
Figure imgf000090_0001
--2 *
Figure imgf000090_0001
Somit ergibt sich ein Leistungsverhältnis vonThis results in a power ratio of
1,4 -105 1,4 -10 5
Der Teil, der in den sichtbaren Wellenlängenbereich fällt, ist bei einer Halogenwendel nur ungefähr 10%, während die photonische Wendel entsprechend der vorliegenden Erfindung bei entsprechenden Auslegung nahezu 100% des Lichts im sichtbaren Bereich abgibt. Somit steigt die Strahlungsleistung bei der Resonanzwellenlänge und bei Wolfram als Träger um das Dreizehnfache an.The portion which falls within the visible wavelength range is only about 10% for a halogen coil, while the photonic coil according to the present invention, when properly designed, emits nearly 100% of the light in the visible range. Thus, the radiant power at the resonance wavelength and tungsten as the carrier increases thirteen times.
Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass die photoni- sehe Wendel unter diesen Umständen etwa die gleiche Strahlungsleistung im sichtbaren Bereich bei nur 1500 Kelvin erbringt. Im Ergebnis werden mit einem Leuchtkörper und einer Lampe entsprechend der vorliegenden Erfindung weniger als 10% der elektrischen Leistung benötigt und hat sich die Lichtausbeute verzehnfacht. Erfindungsgemäß werden ein Leuchtkörper und eine Lampe mit einem Leuchtkörper vorgesehen, wobei auf der einen Seite einer Laserkavitätsschicht ein thermischer Emitter angeordnet ist und auf der anderen Seite ein eindimensio- naler photonischer Kristall, so dass im Wesentlichen monochromatisch, sichtbare Strahlung erzeugbar ist. Dadurch lässt sich die Lichtausbeute bei verringertem Energieeinsatz erhöhen.As a result, it can be stated that under these circumstances the photonic helix produces approximately the same radiation power in the visible range at only 1500 Kelvin. As a result, less than 10% of the electric power is required with a luminaire and a lamp according to the present invention, and the luminous efficiency has increased tenfold. According to the invention, a luminous element and a lamp are provided with a luminous element, wherein a thermal emitter is arranged on one side of a laser cavity layer and on the other side a one-dimensional photonic crystal, so that substantially monochromatic, visible radiation can be generated. As a result, the light output can be increased with reduced energy consumption.
Erfindungsgemäß wird ein Leuchtkörper mit einem Substrat und einer benachbart zu dieser vorgesehenen, vorzugsweise mit einem photonischen Kristall, einer Oberflächentextu- rierung oder einem Gitter versehene Struktur, die in einer solchen Weise ausgebildet und dimensioniert ist, dass im Wesentlichen monochromatischen, sichtbare Strahlung erzeugbar ist, vorgesehen. Durch geeigente Dimensionierung lassen sich mit neueren Entwicklungen, wie z.B. photonischen Kristallen hohe Lichtausbeuten mit geringem Aufwand umsetzen. Es lässt sich die Lichtausbeute bei verringertem Energieeinsatz erhöhen. According to the invention, a luminous body is provided with a substrate and a structure provided adjacent thereto, preferably provided with a photonic crystal, a surface texturing or a grating, which is designed and dimensioned in such a way that essentially monochromatic, visible radiation can be generated. intended. By appropriate sizing can be with recent developments, such as. photonic crystals implement high luminous efficiencies with little effort. It can increase the light output with reduced energy input.

Claims

Ansprüche claims
1. Leuchtkörper mit einem Substrat und einer benachbart zu dieser vorgesehenen, vorzugsweise mit einem photonischen Kristall, einer Oberflächentexturierung oder einem Gitter versehene Struktur, die in einer solchen Weise ausgebildet und dimensioniert ist, dass im Wesentlichen monochromatische, sichtbare Strahlung erzeugbar ist.A luminous body having a substrate and a structure provided adjacent thereto, preferably provided with a photonic crystal, a surface texturing or a grating, which is designed and dimensioned in such a way that essentially monochromatic, visible radiation can be generated.
2. Leuchtkörper (2) mit einer Laserkavitätsschicht (30), auf deren einen Seite ein thermischer Emitter (28; 34, 36; 38) angeordnet ist und auf deren anderen Seite ein eindimensionaler photonischer Kristall (32) in einer solchen Weise angeordnet ist, dass im Wesentlichen monochromatische, sichtbare Strahlung erzeugbar ist.2. luminous body (2) with a laser cavity layer (30), on one side of which a thermal emitter (28; 34, 36; 38) is arranged and on the other side of which a one-dimensional photonic crystal (32) is arranged in such a manner, that substantially monochromatic, visible radiation can be generated.
3. Leuchtkörper nach Anspruch 2, wobei das eindimensionale photonische Kristall (32) eine Vielzahl von dielektrischen Schichtpaaren (32a, 32b) aufweist, die jeweils eine Schicht (32a) mit hohem Brechungsindex und eine Schicht (32b) mit niedrigem Brechungsindex aufweisen.3. A luminaire according to claim 2, wherein said one-dimensional photonic crystal (32) comprises a plurality of dielectric layer pairs (32a, 32b) each having a high refractive index layer (32a) and a low refractive index layer (32b).
4. Leuchtkörper nach Anspruch 2 oder 3, wobei der thermische Emitter eine metallische Reflektorschicht (26) aufweist .4. The luminous element according to claim 2 or 3, wherein the thermal emitter has a metallic reflector layer (26).
5. Leuchtkörper nach Anspruch 4, wobei die metallische Reflektorschicht (26) auf einen Keramikträger (28) aufgebracht ist. 5. The luminous element according to claim 4, wherein the metallic reflector layer (26) is applied to a ceramic carrier (28).
6. Leuchtkörper nach Anspruch 5, wobei auf dem Keramikträger (34) entgegengesetzt zur metallischen Reflektorschicht (26) eine Leiterbahn (36) zur Erwärmung der metallischen Reflektorschicht vorgesehen ist.6. A luminous element according to claim 5, wherein on the ceramic carrier (34) opposite to the metallic reflector layer (26) a conductor track (36) is provided for heating the metallic reflector layer.
7. Leuchtkörper nach Anspruch 2 oder 3, wobei der thermische Emitter durch einen metallischen Wendelkörper (38) gebildet ist.7. A luminous element according to claim 2 or 3, wherein the thermal emitter is formed by a metallic coil body (38).
8. Leuchtkörper nach Anspruch 7, wobei auf den metallischen Wendelkörper (38) entgegengesetzt zu der Laser- kavitätsschicht (30) eine weitere Laserkavitäts- schicht (30) aufgebracht ist.8. A luminous element according to claim 7, wherein on the metallic coil body (38) opposite to the laser cavity layer (30) a further laser cavity layer (30) is applied.
9. Leuchtkörper nach Anspruch 2, wobei auf der zum eindimensionaler photonischer Kristall (32) entgegengesetzt liegenden Seite zwischen einem Substrat und der Laserkavitätsschicht (30) ein eindimensionales metal- lo-dielektrisches photonisches Kristall (42) aus Metallschichten und Schichten mit kleinem Brechungsindex oder Partikelfilme mit einem eindimensionalen photonischen Kristall vorgesehen ist.9. A luminous element according to claim 2, wherein on the side opposite the one-dimensional photonic crystal (32) side between a substrate and the laser cavity layer (30) a one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal (42) of metal layers and layers with low refractive index or particle films is provided with a one-dimensional photonic crystal.
10. Leuchtkörper nach Anspruch 2, wobei auf der zum eindimensionaler photonischer Kristall (32) entgegengesetzt liegenden Seite zwischen einem Substrat und der Laserkavitätsschicht (30) als Emitter auf einem eindimensionalen photonischen Kristall (44) eine Metall- schicht (43) oder eine Halbleiterschicht vorgesehen ist. 10. The luminous element as claimed in claim 2, wherein a metal layer (43) or a semiconductor layer is provided as an emitter on a one-dimensional photonic crystal (44) on the side opposite the one-dimensional photonic crystal (32) between a substrate and the laser cavity layer (30) is.
11. Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem Substrat und einem eindimensionalen photonischen Kristall (45, 46), an den eine Metall- oder Partikel- schicht (43) angrenzt, wobei das eindimensionale photonische Kristall (45, 46) zwischen dem Substrat und der Metall- oder Partikelschicht (43) oder auf der zum Substrat (40) entgegengesetzten Seite der Metalloder Partikelschicht (43) angeordnet ist.11. A luminous body for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a substrate and a one-dimensional photonic crystal (45, 46), to which a metal or particle layer (43) adjoins, wherein the one-dimensional photonic crystal (45, 46). is arranged between the substrate and the metal or particle layer (43) or on the side of the metal or particle layer (43) opposite the substrate (40).
12. Leuchtkörper nach Anspruch 11, wobei das eindimensionale photonische Kristall (45, 46) Schichten mit kleinem Brechungsindex und Schichten mit großem Brechungsindex aufweist und die Dicke der Schichten mit großem Brechungsindex zwischen zwei Schichten mit kleinem Brechungsindex die doppelte Schichtdicke wie die Dicke der Schichten mit kleinem Brechungsindex beträgt .The luminous body of claim 11, wherein the one-dimensional photonic crystal (45, 46) has low refractive index layers and high refractive index layers, and the thickness of the high refractive index layers between two low refractive index layers is twice the layer thickness as the thickness of the layers small refractive index.
13. Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem Sub- strat und einer teildurchlässigen Reflektorschicht, entgegensetzt zu der ein Substrat vorgesehen ist, wobei vorzugsweise eine im Vergleich zur teildurchlässigen Reflektorschicht (49) dickere Reflektorschicht (48) zwischen Resonator (47) und Substrat (40) vorge- sehen ist.13. A luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a substrate and a partially transparent reflector layer, opposite to which a substrate is provided, preferably a thicker compared to the partially transparent reflector layer (49) reflector layer (48) between the resonator (47 ) and substrate (40) is provided.
14. Leuchtkörper nach Anspruch 13, wobei auf der teildurchlässigen Reflektorschicht ein eindimensionales photonisches Kristall als Filter zum Unterdrücken unerwünschter Emissionspeaks angeordnet ist. 14. A luminous element according to claim 13, wherein on the partially transparent reflector layer, a one-dimensional photonic crystal is arranged as a filter for suppressing unwanted emission peaks.
15. Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem Substrat (140, 160) und einem Schichtsystem, das einen eindimensionalen photonischen Kristall bildet und Schichtpaare aus einer Schicht aus Dielektrikum (126, 146, 166) und einer Emitterschicht (124, 144, 164) aufweist, wobei die Emitterschicht eine Volumenschicht aus einem Übergangsmetall, einem Edelmetall oder einem Halbleiter oder eine Partikelschicht ist und das Dielektrikum, so ausgewählt ist, dass es bei der Emittertemperatur im Wesentlichen transparent für sichtbares Licht ist.15. Illuminant for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a substrate (140, 160) and a layer system which forms a one-dimensional photonic crystal and layer pairs of a layer of dielectric (126, 146, 166) and an emitter layer (124, 144, 164), wherein the emitter layer is a bulk layer of a transition metal, a noble metal or a semiconductor or a particle layer and the dielectric is selected to be substantially transparent to visible light at the emitter temperature.
16. Leuchtkörper nach Anspruch 15, wobei die Emitterschichten als Heizelemente verwendet werden.16. The luminous element according to claim 15, wherein the emitter layers are used as heating elements.
17. Leuchtkörper nach Anspruch 15, wobei die Emitterschicht eine Partikelschicht mit einer Metallschicht zur Widerstandsheizung ist.17. The luminous element according to claim 15, wherein the emitter layer is a particle layer with a metal layer for resistance heating.
18. Leuchtkörper nach Anspruch 15, wobei die Emitterschicht eine Partikelschicht mit metallischen Nano- partikeln mit einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 nm bis lμm ist.18. A luminous element according to claim 15, wherein the emitter layer is a particle layer with metallic nanoparticles having a diameter in the range of about 5 nm to lμm.
19. Leuchtkörper nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das Substrat eben ist oder einen stabförmigen Kern aufweist19. Luminaire according to one of claims 15 to 18, wherein the substrate is flat or has a rod-shaped core
20. Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem be- heizbaren Substrat (220, 230, 240) und benachbart zu dieser vorgesehenen Struktur (226, 232, 246, ,266), die in einer solchen Weise ausgebildet ist, dass Oberflächenplasmonen aufgrund der Struktur Licht ab- geben können.20. Illuminant for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate (220, 230, 240) and adjacent thereto provided structure (226, 232, 246,, 266) formed in such a manner that surface plasmons can emit light due to the structure.
21. Leuchtkörper nach Anspruch 20, wobei das Substrat Metall und die Struktur Dielektrikum in einer solchen Weise aufweist, dass der Wellenvektor der Oberflä- chenplasmomen der Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum gleich dem Wellenvektor des Photons im Dielektrikum ist.21. A luminaire according to claim 20, wherein the substrate comprises metal and the structure dielectric in such a way that the wave vector of the surface plasmids of the interface between metal and dielectric is equal to the wave vector of the photon in the dielectric.
22. Leuchtkörper nach Anspruch 20, wobei das Substrat22. The luminous element according to claim 20, wherein the substrate
(220, 230) Wolfram oder einen beschichten Isolator oder Halbleiter oder Ionenleiter aufweist.(220, 230) comprises tungsten or a coated insulator or semiconductor or ionic conductor.
23. Leuchtkörper nach Anspruch 20, wobei die Struktur (226, 232, 246, 266) Streifen, Gittern, Punkten oder Partikeln aufweist.The luminaire of claim 20, wherein the structure (226, 232, 246, 266) comprises stripes, grids, spots or particles.
24. Leuchtkörper nach Anspruch 20, wobei die Struktur durch das Bedampfen mit Partikeln (246) ausgebildet ist.24. A luminous element according to claim 20, wherein the structure is formed by the vapor deposition with particles (246).
25. Leuchtkörper nach Anspruch 24, wobei die Partikel25. Luminaire according to claim 24, wherein the particles
(246) mit einem Dielektrikum (248) beschichtet sind(246) are coated with a dielectric (248)
26. Leuchtkörper nach Anspruch 24, wobei die Partikel26. A luminous element according to claim 24, wherein the particles
(246) in ein Dielektrikum (258) eingebettet sind, auf das ein eindimensionales photonisches Kristall (254) aufgebracht ist.(246) are embedded in a dielectric (258) a one-dimensional photonic crystal (254) is deposited.
27. Leuchtkörper nach Anspruch 20, wobei zwischen beschichten Partikeln (266) der Struktur und einer Me- tallschicht (262) eine Kavität (264) vorgesehen ist27. The luminous element as claimed in claim 20, wherein a cavity (264) is provided between coated particles (266) of the structure and a metal layer (262)
28. Leuchtkörper zur Erzeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem beheizbaren Substrat (342) und benachbart zu dieser vorgesehenen Partikel-Gitterschicht, die ein photoni- sches Kristall bildet.28. A luminous element for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate (342) and adjacent to this provided particle grid layer, which forms a photonic crystal.
29. Leuchtkörper nach Anspruch 28, wobei die Partikel- Gitterschicht Kügelchen (340) aus einem hoch schmelzenden Material aufweist, die mit einem Dielektrikum beschichtet sind, und das hoch schmelzende Material einen hohen Brechungsindex-Kontrast zu diesem Dielektrikum aufweist.The luminaire of claim 28, wherein the particle lattice layer comprises spheres (340) of a refractory material coated with a dielectric and the refractory material has a high refractive index contrast to that dielectric.
30. Leuchtkörper nach Anspruch 29, wobei die Kügelchen30. A luminous element according to claim 29, wherein the beads
(340) aus Wolfram gefertigt sind und das Dielektrikum AL2O3, SiO2 oder HfO2 aufweist.(340) are made of tungsten and the dielectric has AL 2 O 3 , SiO 2 or HfO 2 .
31. Leuchtkörper nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Partikel-Gitterschicht kubisch flächenzentriert, kubisch raumzentriert oder die hexagonal dichteste Packung ist.31. Luminaire according to one of claims 28 to 30, wherein the particle lattice layer is face-centered cubic, cubic body-centered or the hexagonal closest packing.
32. Leuchtkörper nach Anspruch 28, wobei die Partikel- Gitterschicht kugelförmige Räume, vorzugsweise in ku- bisch flächenzentrierter Anordnung mit kleinem Brechungsindex aufweist, die von einem Material mit großem Brechungsindex umgeben sind.32. The luminous element as claimed in claim 28, wherein the particle lattice layer has spherical spaces, preferably in bulk. a face-centered, small refractive index array surrounded by a high refractive index material.
33. Leuchtkörper nach Anspruch 32, wobei die Kugeln (342) ein Dielektrikum mit kleinem Brechungsindex, beispielsweise AI2O3 oder Siθ2, aufweisen.33. The luminous element according to claim 32, wherein the spheres (342) comprise a dielectric with a low refractive index, for example Al 2 O 3 or SiO 2.
34. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermische Emitter als im Wesentlichen ebene Fläche oder als im Wesentlichen rotationssymmet- rische Fläche ausgebildet ist.34. Illuminating element according to one of the preceding claims, wherein the thermal emitter is formed as a substantially flat surface or as a substantially rotationally symmetrical surface.
35. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtkörper (50; 56; 60; 64; 70; 76) einen im Wesentlichen rechteckigen Leiterquerschnitt aufweist .35. The luminous element as claimed in one of the preceding claims, wherein the luminous element (50; 56; 60; 64; 70; 76) has a substantially rectangular conductor cross-section.
36. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Glühwendel (50) ausgebildet ist.36. The luminous element according to one of the preceding claims, which is designed as a filament (50).
37. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der kegelförmig (56) ausgebildet ist.37. The luminous element according to one of the preceding claims, which is conical (56).
38. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Doppelkegel (60) ausgebildet ist.38. The luminous element according to one of the preceding claims, which is designed as a double cone (60).
39. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in Form einer Scheibe (72), die zu den Zuführungsabschnitten (14a, 14b) senkrecht verläuft, ausgebildet ist. 39. A luminous element according to one of the preceding claims, which is in the form of a disc (72) which extends perpendicular to the feed sections (14a, 14b) is formed.
40. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zumindest abschnittsweise die Form einer Kugelfläche (98) aufweist.40. The luminous element according to one of the preceding claims, which has the shape of a spherical surface (98) at least in sections.
41. Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Widerstandsheizelement (66) des thermischen41. The luminous element according to one of the preceding claims, wherein a resistance heating element (66) of the thermal
Emitters zumindest abschnittsweise Mäanderform hat.Emitters has at least partially meander shape.
42. Leuchtkörper nach Anspruch 2 oder 3, wobei der thermische Emitter (86) zu einer Platte, die die Laserka- vitätsschicht (30) und den photonischen Kristall auf- weist, beabstandet ist.42. A luminous element according to claim 2 or 3, wherein the thermal emitter (86) is spaced from a plate having the laser cavity layer (30) and the photonic crystal.
43. Leuchtkörper nach Anspruch 2 oder 3, wobei der thermische Emitter (36) auf eine Platte, die die Laserka- vitätsschicht und den photonischen Kristall aufweist, aufgebracht ist.43. A luminous element according to claim 2 or 3, wherein the thermal emitter (36) is applied to a plate comprising the laser cavity layer and the photonic crystal.
44. Lampe mit einem Leuchtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche.44. Lamp with a luminous element according to one of the preceding claims.
45. Lampe nach Anspruch 44 mit einem Lampenkörper, auf dessen lichtabstrahlendem Bereich eine Konverterschicht (22) zur Umwandlung eines Teils der Strahlung in die Komplementärfarbe vorgesehen ist.45. The lamp as claimed in claim 44 having a lamp body, on whose light-emitting region a converter layer (22) is provided for converting part of the radiation into the complementary color.
46. Lampe nach Anspruch 44, die zum Oxidationsschutz mit einem Gas, z.B. Stickstoff, gefüllt ist 46. The lamp according to claim 44, which is filled for oxidation protection with a gas, for example nitrogen
47. Lampe nach Anspruch 45 mit einer Diffusorschicht47. The lamp of claim 45 with a diffuser layer
(20), die zwischen dem Lampengehäuse und der Konverterschicht vorgesehen ist.(20) provided between the lamp housing and the converter layer.
48. Herstellungsverfahren für einen Leuchtkörper zur Er- zeugung einer im Wesentlichen monochromatischen, sichtbaren Strahlung mit einem beheizbaren Substrat (342) und benachbart zu dieser vorgesehenen Partikel-Gitterschicht, die ein photonisches Kristall bildet, mit den Schritten a) Vorsehen eines Substrates (342), b) Aufbringen der Partikel-Gitterschicht auf das Substrat, c) Verdichten der Elemente (340) der Partikel- GitterSchicht, d) Versintern der Beschichtung auf den Elementen der Partikel-Gitterschicht .48. A manufacturing method for a luminous body for producing a substantially monochromatic, visible radiation with a heatable substrate (342) and adjacent to this provided particle grid layer forming a photonic crystal, comprising the steps of a) providing a substrate (342) , b) applying the particle lattice layer to the substrate, c) compacting the elements (340) of the particle lattice layer, d) sintering the coating on the elements of the particle lattice layer.
49. Verfahren nach Anspruch 48, wobei nach Schritt d) verbleibende Hohlräume zwischen den Elementen (340) der Partikel-Gitterschicht mit einem Dielektrikum kleiner Brechzahl gefüllt werden49. The method of claim 48, wherein after step d) remaining cavities between the elements (340) of the particle lattice layer are filled with a dielectric of small refractive index
50. Leuchtkörper nach Anspruch 48 oder 49, wobei das Verdichten in Schritt c) durch Sedimentation oder kontrollierte Trocknung einer Kolloidkugeldispersion erfolgt.50. A luminous element according to claim 48 or 49, wherein the compaction in step c) takes place by sedimentation or controlled drying of a colloidal sphere dispersion.
51. Leuchtkörper nach einem der Ansprüche 48 bis 50, wobei nach Schritt b) und vor Schritt c) ein Abstreifen überstehender Elemente der Partikel-Gitterschicht erfolgt. 51. A luminous element according to any one of claims 48 to 50, wherein after step b) and before step c) stripping protruding elements of the particle lattice layer takes place.
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