AT14515U1 - LED-Modul mit hohem Farbwiedergabeindex - Google Patents
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Abstract
Ein Weißlicht emittierendes LED-Modul, umfassend: - mindestens zwei blaue LEDs, - eine rote LED, auf einem Substrat montiert, und ein Farbkonvertierungsmittel, wobei die dominante Wellenlänge der ersten blauen LED zwischen 451 nm und 457 nm liegt, vorzugsweise zwischen 452,5 nm und 455 nm, und die dominante Wellenlänge der roten LED zwischen 610 und 620 nm liegt, vorzugsweise zwischen 612 und 618 nm, mit besonderem Vorzug zwischen 615 nm und 617,5 nm, und das Farbkonvertierungsmittel auf mindestens eine der blauen LEDs aufgebracht ist.
Description
Beschreibung
LED-MODUL MIT HOHEM FARBWIEDERGABEINDEX HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Weißlicht emittierendes LED- Modul mit einem CRI-Wert (Color Rendering Index - Farbwiedergabeindex) von > 290 mit einer CCT (Correlated Color Temperature - Korrelierten Farbtemperatur) im Bereich von 2500-8000 K, vorzugsweise im Bereich von 2700-6500 K, und eine entsprechende LED-Light-Engine-Anordnung.
[0002] Die Fähigkeit einer Lichtquelle, die Farbe eines Objekts wiederzugeben, wird mittels des CRIs gemessen, der ein Maß davon gibt, wie eine Lichtquelle die Farbe eines Objekts für das menschliche Auge erscheinen lässt und wie gut subtile Änderungen des Farbtons offenbart werden. CRI ist ein relatives Maß der Fähigkeit der Lichtquelle, Farbe im Vergleich mit dem Schwarzen Strahler wiederzugeben. Bei Anwendungen, bei denen eine genaue Farbwiedergabe benötigt wird, wie z. B. Geschäftsbeleuchtung, Museumsbeleuchtung und Beleuchtung von Kunstwerken, ist ein hoher CRI im vollen Bereich von 2500K-8000 K äußerst wünschenswert.
[0003] E in mögliches Konzept für hoch effiziente Weißlicht emittierende LED-Einrichtungen mit verbessertem CRI ist die Dreifarbmischung. Gemäß dem Konzept wird die Mischung der Primärfarben Rot-Grün-Blau (RGB) zur Erzeugung von Weißlicht angewendet. Die ersten Ansätze verwendeten monochromatische LEDs, was jedoch aufgrund der schmalbandigen Natur der drei einzelnen Emissionen ein emittiertes Weißlicht mit einem relativ geringen CRI ergab. Ein weiterer Nachteil war, dass die verwendete grüne LED erheblich weniger effizient war als die anderen zwei Komponenten. Der Vorteil der RGB- Lösung, die durch Verwendung von Primärstrahlungen realisiert wurde, liegt jedoch darin, dass das Beleuchtungssystem abstimmbar ist. LED-Beleuchtungssysteme mit hohem CRI benötigen allgemein die Anwendung von Färb-/ Wellenlängen- Konvertierung (zum Beispiel in Form von Leuchtstoffmaterial) der Primärstrah-lung(en), bei der ein Teil der primären LED-Emission in Licht mit längeren Wellenlängen umgewandelt wird, insbesondere wird blau in grün, grün-gelb oder gelb umgewandelt. Die Systeme sind nicht abstimmbar, da die Sekundärkomponente nicht von der Primärkomponente unabhängig ist. Der Anteil des durch die LED erzeugten blauen Lichts, der nicht vom Leuchtstoffmaterial absorbiert wird, in Kombination mit dem vom Leuchtstoffmaterial emittierten Licht stellt ein Licht bereit, das dem menschlichen Auge gegenüber als fast weißfarbig erscheint. W0200141215A1 beschreibt weiße LED-Systeme, umfassend eine Kombination aus einer oder mehreren LEDs (zum Beispiel roten/grünen) und einer leuchtstoffkonvertierten LED, die aus einer blauen LED und mindestens einem Leuchtstoff besteht (zum Beispiel einem grünen).
[0004] Es könnte eine weitere rote Komponente in das emittierte weiße Spektrum entweder als eine monochromatische rote LED oder ein Rotlicht emittierendes Leuchtstoffmaterial eingearbeitet werden, wie zum Beispiel in EP1160883A2, W02005030903, W02010131133A1 und US2010177513A berichtet wurde.
[0005] Die „alte" RGB-Lösung, die die in letzter Zeit entwickelten 3-(Farb-)Kanal-LED-Systeme (R+Weiß (leuchtstoffkonvertiertes Blau)+B) ersetzt, basiert auf den folgenden Hauptsystemkomponenten: eine farb/leuchtstoffkonvertierte blaue LED mit einer dominanten Wellenlänge von zum Beispiel 380-480 nm (465-475 nm), einer weiteren blauen LED mit einer dominanten Wellenlänge von zum Beispiel 380-480 nm (450-460 nm) und einer roten LED mit einer dominanten Wellenlänge von 600-640 nm (615-617,5 nm). Die Farbkonvertierung bedeutet zum Beispiel, dass ein anorganischer Leuchtstoff wie zum Beispiel ein Granat, Silikat, Ortho-Silikat, Oxidmaterial auf eine blaue LED aufgebracht wird, was zu einer Farbkonvertierung in einen längeren Wellenlängenbereich und letztlich zu einer weißen Farbemission führt. Die LED wird gewöhnlich als farb-/leuchtstoffkonvertierte blaue LED bezeichnet. Eine der erwähnten Drei-(Farb-)Kanallösungen des Stands der Technik ist aus W02009033642A1 bekannt. Das Konzept des erwähnten LED-Beleuchtungssystems ist durch ein sogenanntes Farbdreieck auf dem CIE-1931- Chromatizitätsdiagramm, das in Figur 4 gezeigt ist, dargestellt und die entsprechen den Daten könnten in Tab. 1 gefunden werden. Das bedeutet, dass eine angestrebte Farbtemperatur (CCT) und/oder ein Farbpunkt, der durch die Chromatizitätskoordinaten innerhalb des definierten Dreiecks beschrieben wird, erzeugt durch die Eckpunkte LED1, LED2, LED3, durch eine Anordnung mittels der aufgezählten Hauptelemente erreicht werden könnte. Der Nachteil der Lösung ist, dass CRI-Werte von > 90 nicht im Bereich von 5000-6000 K realisiert werden können, was bedeutet, dass nicht der gesamte Bereich von 2700-6500 K abgedeckt werden könnte. Mit anderen Worten kann die CCT von einem Weißlicht emittierenden System nicht zwischen 5000-6000 K abgestimmt werden, da der CRI abfällt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0006] Somit liegen die Aufgaben der vorliegenden Erfindung darin, ein Weißlicht emittierendes LED-Modul mit einer 3-(Farb)-Kanallösung bereitzustellen, um CRI-Werte von > 90 im vollen Bereich von 2500-8000 K, mit besonderem Vorzug von 2700-6500 K, zu erreichen, während gleichzeitig die Komplexität des angewandten Systems (Struktur des LED-Moduls und Erzeugung davon) auf dem gleichen Niveau gehalten wird.
[0007] Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung mittels der Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht. Die abhängigen Ansprüche entwickeln das zentrale Konzept der Erfindung auf besonders vorteilhafte Weise weiter.
[0008] Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit ein Weißlicht emittierendes LED-Modul bereitgestellt, umfassend: [0009] - mindestens zwei blaue LEDs, [0010] - eine rote LED, auf einem Substrat montiert, und ein Farbkonvertierungsmittel, [0011] wobei die dominante Wellenlänge der ersten blauen LED zwischen 451 nm und 457 nm liegt, vorzugsweise zwischen 452,5 nm und 455 nm, und die dominante Wellenlänge der roten LED zwischen 610 und 620 nm liegt, vorzugsweise zwischen 612 und 618 nm, mit besonderem Vorzug zwischen 615 nm und 617,5 nm, und ein Farbkonvertierungsmittel auf mindestens eine der blauen LEDs aufgebracht ist.
[0012] Der Farbwiedergabeindex (CRI) des emittierten Weißlichts kann mindestens 90 betragen und die korrelierte Farbtemperatur (CCT) des emittierten Weißlichts liegt im Bereich von 2500 K-8000 K, mit besonderem Vorzug zwischen 2700 K und 6500 K.
[0013] Die dominante Wellenlänge der zweiten blauen LED liegt zwischen 440 nm und 470 nm, vorzugsweise zwischen 445 nm und 460 nm oder zwischen 450 nm und 465 nm, mit besonderem Vorzug zwischen 450 nm und 455 nm oder zwischen 455 nm und 460 nm.
[0014] E in Farbkonvertierungsmittel kann auf die erste und/oder die zweite blaue LED aufgebracht werden.
[0015] Der Wert der y-Chromatizitätskoordinate einer ersten farbkonvertierten blauen LED kann zwischen 0,2350 und 0,2550 liegen, vorzugsweise zwischen 0,2409 und 0,2498.
[0016] Der Wert der y-Chromatizitätskoordinate einer zweiten farbkonvertierten blauen LED kann zwischen 0,4750 und 0,5700 liegen, vorzugsweise zwischen 0,4800 und 0,5650, mit besonderem Vorzug zwischen 0,4900 und 0,5550.
[0017] Der Wert der x-Chromatizitätskoordinate einer zweiten farbkonvertierten blauen LED liegt zwischen 0,370 und 0,440, vorzugsweise zwischen 0,385 und 0,425, mit besonderem Vorzug zwischen 0,395 und 0,420.
[0018] Der Farbpunkt einer zweiten farbkonvertierten blauen LED kann sich innerhalb oder auf der Grenzlinie des rechteckigen Bereichs befinden, der von den Eckpunkten von x = 0,395, Y = 0,490, x = 0,395, y = 0,520, x = 0,415, y = 0,525 und x = 0,415, y = 0,555 auf dem CIE- 1931-Chromatizitätsdiagramm definiert ist.
[0019] Das Farbkonvertierungsmittel ist ausgewählt aus der Gruppe von anorganischen Leucht- stoffen, organischen Leuchtstoffen und Quantenpunkten.
[0020] Das Farbkonvertierungsmittel kann eine Emissionsspitze zwischen 505 und 580 nm aufweisen, mit besonderem Vorzug zwischen 510 und 560 nm, und die Emissionsspitze weist eine Halbwertsbreite (FWHM) von 55-120 nm auf, mit besonderem Vorzug 65-110 nm.
[0021] Das Farbkonvertierungsmittel kann zwei Emissionsspitzen im Bereich von 505-580 nm aufweisen, mit besonderem Vorzug zwischen 510-560 nm.
[0022] Das Farbkonvertierungsmittel ist ausgewählt aus der Gruppe von Granaten, Aluminaten, Silikaten, Ortho- Silikaten, Oxiden, SiALONs, Nitriden, Oxynitriden.
[0023] Das Farbkonvertierungsmittel weist eine Granatstruktur umfassend Yttrium und/oder Lutetium und/oder Gadolinium und Seltenerdmetallion(en) als Dotierungsmittel und/oder Sensibilisatoren) auf.
[0024] Eine Mischung aus Farbkonvertierungsmittel kann einen Lumiphor(en) mit einer Granatstruktur auf der Basis der Hauptkomponenten Yttrium und/oder Lutetium und/oder Gadolinium umfassen und Seltenerdmetallion(en) als Dotierungsmittel und/oder Sensibilisator werden auf den LEDs aufgebracht.
[0025] Das LED-Modul kann mehrere blaue LEDs und mehrere rote LEDs umfassen.
[0026] Das Verhältnis der ersten blauen LEDs 1 zu den zweiten blauen LEDs 2 und zu roten LEDs 3 kann zwischen 2:2:1 und 4:4:1 eingestellt werden.
[0027] Die blauen LEDs können eine Strahlungsleistung von 100-400 mW aufweisen.
[0028] Die rote LED kann eine Mindestlichtstärke von 15 cd aufweisen, vorzugsweise 17 cd.
[0029] Das LED-Modul kann ein COB-Modul sein.
[0030] Die LEDs können von einer gemeinsamen oder individuellen Farbkonvertierungs-schicht(en) umfassend Farbkonvertierungsmittel bedeckt sein.
[0031] Die Farbkonvertierungsschicht(en) kann Füllstoff und/oder Streumittel umfassen.
[0032] Die Farbkonvertierungsschicht kann ein Globe Top sein.
[0033] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Bereitstellung eines Weißlicht emittierenden LED-Moduls bereitgestellt, umfassend die Schritte [0034] - Montieren von mindestens zwei blauen LEDs und [0035] - einer roten LED auf einem Substrat, und [0036] Aufbringen eines Farbkonvertierungsmittels mindestens auf eine der blauen LEDs, wobei die dominante Wellenlänge der ersten blauen LED zwischen 451 nm und 457 nm liegt, vorzugsweise zwischen 452,5 nm und 455 nm, und die dominante Wellenlänge der roten LED zwischen 610 und 620 nm liegt, vorzugsweise zwischen 612 und 618 nm, mit besonderem Vorzug zwischen 615 nm und 617,5 nm.
[0037] Andere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden im Folgenden auf der Basis der Ausführungsformen und der Figuren der begleitenden Zeichnungen erklärt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0038] Figur 1 zeigt ein LED-Modul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
[0039] Figur 2 zeigt ein LED-Modul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
[0040] Figur 3 stellt die Emissionsspektren der ersten und zweiten farbkonvertierten blauen LEDs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
[0041] Figur 4 zeigt 3-Kanal-LED-Lösungen des Stands der Technik und eine erfinderische 3-Kanal-Lösung gemäß einem Aspekt der Erfindung auf dem CIE-1931-Chromatizitätsdiagramm.
[0042] Figur 5 zeigt einen rechteckigen Bereich, der durch Farbchromatizitätskoordinaten (x, y) definiert wird, in dem sich der Farbpunkt der zweiten blauen LED gemäß einem Aspekt der Erfindung befindet.
[0043] Figur 6 zeigt Emissionsspektren des Weißlicht emittierenden LED-Moduls gemäß einem Aspekt der Erfindung.
[0044] Figur 7 zeigt eine LED-Light-Engine-Anordnung, in die ein LED-Modul der Erfindung eingeschaltet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0045] I m Stand der Technik bekannte Leuchtstoffe, die als Farbkonvertierungsmittel aufbring-bar sind, für LEDs könnten verwendet werden. Ein oder mehrere Leuchtstoffe (Leuchtstoffmischungen) in organischen (zum Beispiel Silikonharz(en)) oder anorganischen Matrizen (zum Beispiel keramischen Materialien) könnten auf die LEDs aufgebracht werden. Auf Wunsch könnten im Fall von verschiedenen LEDs ein unterschiedlicher Leuchtstoff bzw. unterschiedliche Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen verwendet werden, um eine spezielle Lichtfar-be/einen speziellen Lichtton und eine spezielle Farbverteilung zu erreichen.
[0046] Das Farbkonvertierungsmittel könnte direkt auf die LED aufgebracht werden, zum Beispiel als eine dünne Schicht, oder in einer Einkapselung (oder einem Gussmaterial) integriert werden, wie zum Beispiel in einem Globe Top (zum Beispiel einer domförmigen Einkapselung), die die LED bedeckt. Der Globe Top könnte die mindestens eine LED oder mehrere LEDs, die auf dem LED-Modul aufgebracht sind, bedecken.
[0047] Die aufgebrachten LEDs könnten die gleichen oder unterschiedliche Far-ben/Wellenlängen/Spektren emittieren. Die aufgebrachte LED könnte die gleichen oder unterschiedliche Spektren mit der gleichen oder unterschiedlichen dominanten Spitzenwellenlänge emittieren. Die LEDs könnten auch leuchtstoffkonvertierte LEDs (zum Beispiel Weißlicht emittierende leuchtstoffkonvertierte LEDs) oder monochromatische LEDs (zum Beispiel monochromatisch rote/blaue LEDs) sein.
[0048] Auftragbare Leuchtmaterialien sind diejenigen, die hauptsächlich im grünen und/oder gelben Bereich emittieren (sie könnten zusätzliche Emission oder Emissionsspitzen im ro-ten/orangen Bereich aufweisen) und im Stand der Technik bekannt sind. Ein Leuchtmaterial mit beschriebenen Emissionscharakteristika könnte ausgewählt sein aus der Gruppe von Silikaten (Ca3Sc2Si3012: Ce3+), Ortho-Silikaten (BOSE), Aluminaten/Graniten (YAG:Ce3+, (YGd) AG: Ce3+, Lu AG: Ce3+), Oxiden (CaSc02: Eu2+), SiALONs (α-SiALON: Eu2+, ß-SiALON: Eu2+), Nitriden (La3Sa6Nn : Ce3+, CaAISiN3: Ce3+), Oxynitriden (SrSi2N202: Eu2+, (Ca, Sr, Ba)Si2N202: Eu2+).
[0049] Das lumineszierende Material bzw. die lumineszierenden Materialien, die in den ausführlichen Ausführungsformen gemäß der Erfindung aufgebracht werden können, können ein Granitmaterial umfassend Yttrium und/oder Lutetium und/oder Gadolinium und ein weiteres Seltenerdmetallion bzw. weitere Seltenerdmetallionen (zum Beispiel Ce3+) als Dotierungsmittel sein und eine Teilchengröße von d50=10-25 pm aufweisen. Ferner kann ein Nitrid bzw. Nitride, der bzw. die in grün, gelb-grün oder grün emittieren, den bzw. die Granat(e) gut ersetzen, insbesondere ist La3Si6N-n: Ce3+ nennenswert.
[0050] Figur 1 zeigt ein Weißlicht emittierendes LED-Modul 4 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit neun ersten blauen LEDs 1, vier zweiten blauen LEDs 2 und sieben roten LEDs 3. Die jeweiligen LEDs sind nicht in Figur 1 gezeigt. Die LEDs 1, 2, 3 sind unter dem Farbkonvertierungsmittel 6 positioniert. Diese Anordnung stellt ein Beispiel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dar. Die Anzahl der aufgebrachten LEDs ist nicht auf das angeführte Beispiel eingeschränkt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der ersten blauen LEDs 1 zu den zweiten blauen LEDs und roten LEDs 3 zwischen 2:2:1 bzw. 4:4:1. Bei einer möglichen Anordnung gemäß der Erfindung liegen 16 erste blaue LEDs 1,16 zweite blaue LEDs 2 und 5 rote LEDs 3 vor, die auf dem Substrat 5 positioniert sind. Diese Anordnung stellt ein Verhältnis von 3,2:3,2:1 dar. Weitere mögliche Aufstellungen könnten durch die folgenden Beispiele realisiert werden: 4-40 Stücke von ersten blauen LEDs 1, 4-40 Stücke von zweiten blauen LEDs 2 und 2-20 Stücke von roten LEDs 3.
[0051] Die LEDs 1, 2, 3 sind mittels eines Die-Befestigungsmittels (zum Beispiel Löten, Aufkleben) auf einem Substrat 5 (zum Beispiel einer Platine (PCB - Printed Circuit Board)) montiert, vorzugsweise auf einem flachen Substrat 5.
[0052] Das LED-Modul bzw. die LED-Module 4 umfasst bzw. umfassen vorzugsweise mindestens eine erste blaue LED 1, eine zweite blaue LED 2 und eine rote LED 3 unter separatem Farbkonvertierungsmittel 6. Wie es durch Figur 1 dargestellt ist, könnte das Farbkonvertie-rungsmittel ein domförmiges Einkapselungselement bzw. domförmige Einkapselungselemente sein, wie zum Beispiel ein Globe Top bzw. Globe Tops 7.
[0053] Das LED-Modul ist vorzugsweise ein COB(Chip-On-Board)- Modul. Die ersten und zweiten blauen LEDs 1, 2 und die roten LEDs 3 sind serienmäßig miteinander in separaten Strängen verbunden. Die Stränge sind miteinander parallel verbunden und separat ansteuerbar. Ansteuerparameter sind separat einstellbar, um die angezielten CCT- und/oder CRI-Werte zu erreichen. Die LEDs können mit den elektrischen Pfaden/Ieitfähigen Pads des Substrats zum Beispiel durch Bondierungsdrähte und/oder durch Lötkugeln verbunden sein. Statt LED-Dies (LED-Chips) könnten auch SMD-LEDs (Surface Mounted Device, LED-Gehäuse) auf das Substrat 5 aufgebracht sein.
[0054] Das Farbkonvertierungsmittel 6 wird auf die LEDs 1, 2, 3 als eine transparente Einkapselung in Form eines Globe Tops 7 (halbsphärisches Element) aufgebracht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die oben erwähnte Form von Einkapselung beschränkt, sondern könnte in beliebiger möglicher Form vorliegen, die zum Beispiel als würfelförmige oder als „dünne" Leuchtstoffschicht ausgeführt wird.
[0055] Das Farbkonvertierungsmittel 6 umfasst eine Polymermatrix, zum Beispiel Silikonharz, Epoxidharz oder eine Harzmischung aus den Materialien oder jeglichem anderen geeigneten Polymer bzw. Polymeren (zum Beispiel PMMA) und einem Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffen (oder einer beliebigen Art von anderem Farbkonvertierungsmittel). Vorzugsweise werden in der Polymermatrix zur Einstellung der rheologischen Eigenschaften der verwendeten Dispersion(en) ein Streumaterial bzw. Streumaterialien (zum Beispiel S1O2, T1O2, BaTi03, BaS04, ZrC>2, ZnO, Al203) und/oder Mittel und/oder Füllerteilchen (zum Beispiel Si02, Kieselgel, Ti02, BaTi03, BaS04, Zr02, ZnO, Al203) aufgetragen.
[0056] Vorzugsweise umfassen die transparenten Einkapselungsmatrizen 6 (Globe Tops) 6-9 Gew.-% Leuchtstoff, mit besonderem Vorzug 7-8 Gew.-% Leuchtstoff.
[0057] Bevorzugt sind die ersten und zweiten blauen LEDs 1, 2 von einem Farbkonvertierungsmittel 6 bedeckt. Der Zusammenbau der blauen LEDs 1, 2 und des Farbkonvertierungs-mittels 6 führt zu farbkonvertierten ersten und zweiten blauen LEDs 11, 12. Ein einen Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffe umfassender Globe Top 7 wird auf jede der LEDs 1, 2 aufgebracht. Der gleiche oder ein unterschiedlicher Leuchtstoff bzw. die gleichen oder unterschiedlichen Leuchtstoffe könnten auf die ersten und zweiten blauen LEDs 1, 2 aufgebracht werden, um das emittierte blaue Licht zu Licht mit längerer Wellenlänge zu konvertieren. Ein beliebiger im Handel erhältlicher Leuchtstoff oder eine Mischung davon könnte erfindungsgemäß aufgebracht werden. Vorzugsweise sind Leuchtstoffe, die im grünen, gelbgrünen oder gelben Wellenlängenbereich emittieren (Granite, Oxide, Silikate usw.), im Globe Top 7 integriert.
[0058] Die emittierten Spektren der farbkonvertierten ersten und zweiten blauen LEDs 11, 12 könnten sich im Wesentlichen unterscheiden, wie es durch Beispiele von Figur 3 dargestellt ist.
[0059] Vorzugsweise sind die roten LEDs 3 in den Einkapselungsmatrizen integriert, die kein Farbkonvertierungsmittel umfassen, vorzugsweise sind einige Streumittel und/oder Füllerteil- chen in die Matrizen eingeschlossen, um die Homogenität des emittierten Lichts zu verbessern. Die am häufigsten aufgebrachten Leuchtstoffe, die eine Emissionsspitze im grünen, gelbgrünen oder gelben Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums aufweisen, sind durch rotes Licht nicht anregbar. Die Verwendung der letzteren Leuchtstoffe könnte auch in den Globe Tops 7, die die roten LEDs 3 bedecken, in Betracht gezogen werden.
[0060] Vorzugsweise ist die Oberseite des Substrats 5 mit einer hochreflektierenden Beschichtungsschicht, umfassend nichtleitfähige reflektierende Teilchen, zum Beispiel Ti02, BaS04, Zr02, BaTi03, Al203, beschichtet, oder alternativ kann eine Metallschicht (zum Beispiel AI, Ag, Au mit oder ohne jegliche Schutzoxidschicht(en) und/oder Polymerschicht(en) obendrauf) auf das Substrat 5 aufgebracht werden.
[0061] Weitere Elemente 14, wie zum Beispiel Teile der Ansteuerelektronik, zum Beispiel Mikrocontroller, Kondensatoren, Drosseln, Widerstände, Zuführkabel, könnten auf dem LED-Modul 4 montiert sein, wie in Figur 1 und 2 dargestellt.
[0062] Figur 2 stellt ein LED-Modul 4 gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung dar. Die ersten und zweiten blauen LEDs 1, 2 sind unter den gemeinsamen transparenten Einkapselungselementen 10 positioniert, die als Beschichtungsschichten 8 auf den LEDs 1, 2 ausgebildet sind und von einem Damm 9 umgeben sind. Der Damm 9 ist ein hochreflektierender Rahmen, der als Reflektor und als Flussstoppmittel für die Einkapselungsmatrix(en) verwendet wird.
[0063] Vorzugsweise sind die Beschichtungsschichten 8 direkt auf den ersten und zweiten blauen LEDs 1, 2 angeordnet. Das im Fall der Ausführungsform nach Figur 1 beschriebene Farbkonvertierungsmittel 6 (zum Beispiel Leuchtstoffe) könnte in der in Figur 2 gezeigten Anordnung angewandt werden.
[0064] Rote LEDs 3 sind unter den Einkapselungsmatrizen 8 positioniert, die als Globe Tops 7, Beschichtungsschichten 8 oder gemeinsame Einkapselungselemente 15 mit oder ohne Farbkonvertierungsmittel aufgebracht werden könnten. Vorzugsweise umfassen die die roten LEDs 3 einbeziehenden Beschichtungsschichten 8 Streu- und/oder Füllerteilchen.
[0065] Figur 2 zeigt 8 „größere" gemeinsame Einkapselungselemente 10 und 5 „kleinere" gemeinsame Einkapselungselemente 15, die durch die Innenwände 13 innerhalb des Damms 9 getrennt sind. Unter jedem „größeren" gemeinsamen Einkapselungselement 10 könnte bzw. könnten sich eine oder mehrere der ersten oder zweiten LEDs 1, 2 befinden. Unter jedem „kleineren" gemeinsamen Einkapselungselement 15 sind die roten LEDs 3 positioniert. Die Einkapselungsmatrix 15, die die rote LED bzw. roten LEDs 3 bedeckt, entweder umfasst kein Farbkonvertierungsmittel 6, oder es ist ein derartiger Leuchtstoff aufgebracht, der das emittierte Spektrum der roten LED(s) 3 nicht in einen anderen Wellenlängenbereich konvertiert, sondern das emittierte Spektrum bleibt im Wesentlichen gleich.
[0066] Jedes gemeinsame Einkapselungselement 10, 15 könnte für ein unterschiedliches Emissionsspektrum gedacht sein. Zum Beispiel emittiert das die erste blaue LED bzw. die ersten blauen LEDs 1 bedeckende gemeinsame Einkapselungselement 10 ein Spektrum, das sich im Wesentlichen von dem, das vom gemeinsamen Einkapselungselement 10 emittiert wird, das auf der bzw. den zweiten blauen LED(s) 2 positioniert ist, unterscheidet. Vorzugsweise liegen 3 im Wesentlichen unterschiedliche Lichtspektren vor, die von lichtemittierenden Feldern emittiert werden, die von den gemeinsamen Einkapselungselementen 10, 15 und den auf dem LED-Modul 4 aufgetragenen blauen und roten LEDs 1, 2, 3, ausgebildet werden, und die in Summe vom menschlichen Auge als Weißlicht beobachtet werden.
[0067] Einige mögliche Beispiele für die von den farbkonvertierten ersten und zweiten blauen LEDs 11,12 (oder als Summe von den ersten und zweiten blauen LEDs 1, 2 und den gemeinsamen Einkapselungsmitteln 10) emittierten Spektren sind in Figur 3 dargestellt. Das Spektrum „LuAG 1" stellt das Emissionsspektrum von der bzw. den farbkonvertierten ersten blauen LED(s) 11 dar. „YAG 1" und „YAG 2" stellen die Spektren des von dem bzw. den farbkonvertierten zweiten blauen LED(s) 12 emittierten Lichts gemäß einem Aspekt der erfinderischen Lösung dar. Bei diesem bestimmten Beispiel ist/sind die erste blaue LED bzw. die ersten blauen LEDs 1 von einem Farbkonvertierungsmittel 6 bedeckt, das einen Granatleuchtstoff, nämlich einen Lu3AI50i2: Ce3+ (LuAG: Ce3 + ) umfasst. Eine andere Art von Granatleuchtstoff, zum Beispiel Y3AI50i2: Ce3+ (YAG: Ce3+) könnte als Farbkonvertierungsmittel 6 auf der bzw. den zweiten blauen LED(s) 2 aufgebracht werden. Von dem oder den zweiten farbkonvertierten blauen LED(s) 12 erzeugten Emissionsspektren, umfassend zwei unterschiedliche im Handel erhältliche Leuchtstoffe Y3AI50i2: Ce3+ sind von den Kurven „YAG 1" und „YAG 2" dargestellt. Auftragbare Leuchtstoffe Y3AI5012: Ce3+ haben eine Emissionsspitze zwischen 520 und 560 nm mit einer Halbwertsbreite von >110 nm, in der Regel 112-120 nm. Halbwertsbreitenwerte der Kurven „YAG 1" und „YAG 2" sind ungefähr 118 bzw. 114. Im Handel erhältliche Leuchtstoffe Lu3AI5012 : Ce3+ zeigen überlappende Emissionsspitzen zwischen 500-520 nm und 530-550 nm, wie es von der Kurve „LuAG 1" dargestellt wird.
[0068] Die d50-Werte von aufgebrachten Granatleuchtstoffen (YAG: Ce3+, LuAG: Ce3+) liegen vorzugsweise im Bereich von 10-25 pm, mit besonderem Vorzug von 12-21 pm. Die Seltenerddotierungsmittelkonzentration liegt ungefähr bei 0,01-0,2 (zum Beispiel Lu2,9AI5012: 0,1Ce3+): TABELLE 1
[0069] Tabelle 1 stellt eine 3-Kanallösung gemäß dem Stand der Technik (z. B. bekannt aus W02009033642A1) dar. TABELLE 2
[0070] Tabelle 2 stellt einige mögliche Ausführungsformen gemäß der erfinderischen 3-Kanallösung dar.
[0071] Farbdreiecke gemäß dem Stand der Technik (CRT-Skala (sRGB) und Blau + leuchtstoffkonvertiertes Blau (Weiß) + Rot) und gemäß der bzw. den erfinderischen Lösung(en) sind auf dem CIE-1931-Chromatizitätsdiagramm, wie durch Figur 4 verfolgt, dargestellt. Der Planck'sche Kurvenzug (voller Strahlerkurvenzug, Kurve des schwarzen Körpers) ist durch eine durchgezogene schwarze Linie in der Mitte des Diagramms gezeigt.
[0072] Figur 5 zeigt den bevorzugten Farbpunkt der farbkonvertierten zweiten blauen LED(s) 12, der sich innerhalb oder an der Grenzlinie des Rechtecks befinden sollte, das durch die folgenden Eckpunkte definiert ist: x=0,395, y=0,490, x=0,395, y=0,520, x=0,415, y=0,525 und x=0,415, y=0,555 auf dem CIE-1931-Chromatizitätsdiagramm gemäß einem Aspekt der Erfindung. Die x- und y-Werte sind Chromatizitätskoordinaten. Falls der Farbpunkt der farbkonvertierten zweiten blauen LED(s) nicht innerhalb des Rechtecks oder an dessen Grenzlinie liegt, können die angezielten CRI-Werte von mehr als 90 nicht im vollen Bereich von 2500-9000 K (oder 2700-6500 K) erreicht werden.
[0073] Figur 6 zeigt einige Emissionskurven in dem 2500-8000- K-Bereich der erfinderischen LED-Module 4. Die Kurven stellen die Emissionsspektren dar, die Mischungen aus dem von den aufgebrachten ersten, zweiten blauen LEDs 1, 2; den roten LEDs 3 und dem Farbkonver-tierungsmittel 6 emittierten Licht sind. Das LED-Modul 4 emittiert Weißlicht mit einem CRI-Wert von mehr als 90 im Farbtemperaturbereich (CCT-Bereich) von 2500-8000 K. Die Emissionsspektren zwischen 400-700 nm stellen drei Spitzen bereit, nämlich eine in jedem Bereich von 440-460 nm, 520-570 nm und 620-640 nm. Diese erfinderische Ausführungsform umfasst farb-konvertierte erste blaue LEDs 1 und farbkonvertierte zweite blaue LEDs 2 mit einem Farbpunkt von x=0,2253, y=0,2409 und x=0,4150, y=0,5069. Die dominante Wellenlänge der aufgebrachten roten LEDs ist 616 nm. Als Farbkonvertierungsmittel 6 wurde ein LuAG: Ce3+ für die ersten blauen LEDs 1 verwendet und YAG: Ce3+ für die zweiten blauen LEDs 2.
[0074] Bei einer speziell bevorzugten Ausführungsform umfasst eine LED-Light-Engine-Anord-nung 16, die durch Figur 7 gemäß der Erfindung als Beispiel dargestellt ist, ein erfindungsgemäßes LED-Modul 4, das in ein Gehäuse 17 eingebaut ist. Die Anordnung 16 könnte bei beliebigen Beleuchtungszwecken Anwendung finden. BEZUGSZAHLENLISTE:
1 erste blaue LED
2 zweite blaue LED
3 rote LED 4 LED-Modul 5 Substrat 6 Farbkonvertierungsmittel 7 Globe Top 8 Beschichtungsschicht 9 Damm 10 größeres gemeinsames Einkapselungselement
11 farbkonvertierte erste blaue LED
12 farbkonvertierte zweite blaue LED 13 Innenwand 14 weitere Teile 15 kleineres gemeinsames Einkapselungselement 16 LED-Light-Engine-Anordnung 17 Gehäuse
Claims (24)
- Ansprüche 1. Weißlicht emittierendes LED-Modul, umfassend: - mindestens zwei blaue LEDs, - eine rote LED, auf einem Substrat montiert, und ein Farbkonvertierungsmittel, wobei die dominante Wellenlänge der ersten blauen LED zwischen 451 nm und 457 nm liegt, vorzugsweise zwischen 452,5 nm und 455 nm, und die dominante Wellenlänge der roten LED zwischen 610 und 620 nm liegt, vorzugsweise zwischen 612 und 618 nm, mit besonderem Vorzug zwischen 615 nm und 617,5 nm, und das Farbkonvertierungsmittel auf mindestens eine der blauen LEDs aufgebracht ist.
- 2. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1, wobei der Farbwiedergabeindex (CRI) des emittierten Weißlichts mindestens 90 beträgt und die korrelierte Farbtemperatur (CCT) des emittierten Weißlichts im Bereich von 2500 K-8000 K liegt, mit besonderem Vorzug zwischen 2700 K und 6500 K.
- 3. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dominante Wellenlänge der zweiten blauen LED zwischen 440 nm und 470 nm liegt, vorzugsweise zwischen 450 nm und 460 nm.
- 4. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 bis 3, wobei die dominante Wellenlänge der zweiten blauen LED zwischen 445 nm und 460 nm oder zwischen 450 nm und 465 nm liegt, vorzugsweise zwischen 450 nm und 455 nm oder zwischen 455 nm und 460 nm.
- 5. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 bis 4, wobei ein Farbkonvertierungsmittel auf die ersten und/oder die zweiten blauen LEDs aufgebracht wird.
- 6. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 bis 5, wobei der Wert der y-Chromatizitätskoordinate einer ersten farbkonvertierten blauen LED zwischen 0,2350 und 0,2550 liegt, vorzugsweise zwischen 0,2409 und 0,2498.
- 7. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 bis 6, wobei der Wert der y-Chromatizitätskoordinate einer zweiten farbkonvertierten blauen LED zwischen 0,4750 und 0,5700 liegt, vorzugsweise zwischen 0,4800 und 0,5650, mit besonderem Vorzug zwischen 0,4900 und 0,5550.
- 8. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 bis 7, wobei der Wert der x-Chromatizitätskoordinate einer zweiten farbkonvertierten blauen LED zwischen 0,370 und 0,440 liegt, vorzugsweise zwischen 0,385 und 0,425, mit besonderem Vorzug zwischen 0,395 und 0,420.
- 9. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 bis 8, wobei sich der Farbpunkt einer zweiten farbkonvertierten blauen LED innerhalb oder auf der Grenzlinie des rechteckigen Bereichs befindet, der von den Eckpunkten von x = 0,395, Y = 0,490, x = 0,395, y = 0,520, x = 0,415, y = 0,525 und x = 0,415, y = 0,555 auf dem CIE-1931-Chromatizitätsdiagramm definiert ist.
- 10. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 1 bis 9, wobei das Farbkonvertierungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe von anorganischen Leuchtstoffen, organischen Leuchtstoffen und Quantenpunkten.
- 11. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbkonvertierungsmittel eine Emissionsspitze zwischen 505 und 580 nm aufweist, mit besonderem Vorzug zwischen 510 und 560 nm, und die Emissionsspitze eine Halbwertsbreite (FWHM) von 55-120 nm aufweist, mit besonderem Vorzug 65-110 nm.
- 12. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbkonvertierungsmittel zwei Emissionsspitzen im Bereich von 505-580 nm aufweist, mit besonderem Vorzug zwischen 510-560 nm.
- 13. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Farbkonvertie-rungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe von Granaten, Aluminaten, Silikaten, Ortho-Silikaten, Oxiden, SiALONs, Nitriden, Oxynitriden.
- 14. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 13, wobei das Farbkonvertierungsmittel eine Granatstruktur umfassend Yttrium und/oder Lutetium und/oder Gadolinium und Selte-nerdmetallion(en) als Dotierungsmittel und/oder Sensibilisator(en) aufweist.
- 15. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach Anspruch 13, wobei eine Mischung aus Farbkonvertierungsmittel einen Lumiphor mit einer Granatstruktur auf der Basis der Hauptkomponenten Yttrium und/oder Lutetium und/oder Gadolinium aufweist und Seltenerdmetalli-on(en) als Dotierungsmittel und/oder Sensibilisator auf den LEDs aufgebracht sind.
- 16. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das LED-Modul mehrere blaue LEDs und mehrere rote LEDs umfasst.
- 17. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der ersten blauen LEDs 1 zu den zweiten blauen LEDs 2 und zu roten LEDs 3 zwischen 2:2:1 und 4:4:1 liegt.
- 18. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die blauen LEDs eine Strahlungsleistung von 100-400 mW aufweisen.
- 19. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die rote LED eine Mindestlichtstärke von 15 cd aufweist, vorzugsweise 17 cd.
- 20. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das LED-Modul ein COB- Modul ist.
- 21. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LEDs von einer gemeinsamen oder individuellen Farbkonvertierungsschicht(en) umfassend Farbkonvertierungsmittel bedeckt sind.
- 22. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Farbkonvertierungsschicht(en) Füllstoff und/oder Streumittel umfassen.
- 23. Weißlicht emittierendes LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Farbkonvertierungsschicht ein Globe Top ist.
- 24. Verfahren zur Bereitstellung eines Weißlicht emittierenden LED-Moduls, umfassend die Schritte - Montieren von mindestens zwei blauen LEDs und - einer roten LED auf einem Substrat, und - Aufbringen eines Farbkonvertierungsmittels mindestens auf eine der blauen LEDs, wobei die dominante Wellenlänge der ersten blauen LED zwischen 451 nm und 457 nm liegt, vorzugsweise zwischen 452,5 nm und 455 nm, und die dominante Wellenlänge der roten LED zwischen 610 und 620 nm liegt, vorzugsweise zwischen 612 und 618 nm, mit besonderem Vorzug zwischen 615 nm und 617,5 nm. Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
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