BRPI0620397A2

BRPI0620397A2 - dispositivo de iluminação

Info

Publication number: BRPI0620397A2
Application number: BRPI0620397-3A
Authority: BR
Inventors: Gerald H Negley
Original assignee: Cree Led Lighting Solutions
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2011-11-16
Also published as: WO2007073496A2; US20100020532A1; US7614759B2; US20070236911A1; US20130070442A1; WO2007073496A3; EP1969633A4; CN101351891A; JP2012054242A; EP1969633A2; KR20090009772A; JP2009527071A; US8328376B2; TW200738999A; TWI396814B; EP1969633B1; US8858004B2; CN101351891B

Abstract

DISPOSITIVO DE ILUMINAçãO. Um dispositivo de iluminação que compreende pelo menos um emissor de luz de estado sólido e pelo menos um elemento luminescente sendo pelo menos duas vezes tão grande quanto a superfície de iluminação do emissor de luz. Outrossim, um dispositivo de iluminação que compreende pelo menos um emissor de luz de estado sólido e pelo menos um elemento luminescente espaçado do emissor de luz, uma superfície da superfície do elemento luminescente sendo pelo menos duas vezes maior e substancialmente paralela à superfície de iluminação do emissor de luz. Outrossim, um dispositivo de iluminação que compreende pelo menos um emissor de luz de estado sólido e pelo menos um elemento luminescente espaçado do emissor de luz, uma área superficial de uma projeção do elemento luminescente sendo pelo menos duas vezes tão grande quanto a área superficial de uma projeção do emissor de luz.

Description

DISPOSITIVO DE ILUMINAÇÃO REFERÊNCIA CRUZADA A APLICAÇÕES RELACIONADAS

Esta aplicação reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos número 60/753.138, requerido em 22 de dezembro de 2005, a inteireza do qual é aqui incorporada por referência.

Esta aplicação reivindica o benefício do Pedido Provisório de Patente dos Estados Unidos número 60/831.775, requerido em 19 de julho de 2006, a inteireza do qual é aqui incorporada por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção relaciona-se a um dispositivo de iluminação, em particular um dispositivo que inclui um ou mais emissores de luz de estado sólido e um ou mais materiais luminescentes (por exemplo, um ou mais fósforos). Em um aspecto particular, a presente invenção relaciona-se a um dispositivo de iluminação que inclui um ou mais diodos emissores de luz, e um ou mais materiais luminescentes.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

Uma grande proporção (algumas estimativas chegam tão alto quanto um terço) da eletricidade gerada nos Estados Unidos a cada ano vai para iluminação. Assim, há uma necessidade continuada de fornecer iluminação que seja mais eficiente de energia. É bem conhecido que as lâmpadas incandescentes são fontes de luz muito ineficientes de energia - cerca de noventa por cento da eletricidade que consomem é liberada como calor em vez de luz. As lâmpadas fluorescentes são mais eficientes do que as lâmpadas de luz incandescente (por um fator de cerca de 4), mas ainda assim são bastante ineficientes quando comparadas com emissores de luz de estado sólido, como os diodos emissores de luz.

Além disso, quando comparado com a vida útil normal de emissores de luz de estado sólido, as lâmpadas incandescentes possuem vidas úteis relativamente curtas, isto é, tipicamente cerca de 750 a 1000 horas. Em comparação, a vida útil dos diodos emissores de luz, por exemplo, podem geralmente ser medidas em décadas. Lâmpadas fluorescentes possuem vidas úteis mais longas (por exemplo, 10.000 a 20.000 horas) do que as lâmpadas incandescentes, mas fornecem reprodução de cor menos favorável. A reprodução de cor é tipicamente medida utilizando o Color Rendering Index (CRI - índice de Renderização da Cor) que é uma medida relativa do deslocamento da cor superficial de um objeto quando iluminado por uma lâmpada particular. A luz diurna tem o CRI mais alto (de 100) , com as lâmpadas incandescentes sendo relativamente próximas (cerca de 95), e a iluminação fluorescente sendo menos precisa (70 a 85). Certos tipos de iluminação especializada têm CRIs relativamente baixos (por exemplo, vapor de mercúrio ou sódio, ambos tão baixo quanto cerca de 4 0 ou até mais baixo).

Outra questão defrontada pelos apetrechos de iluminação convencionais é a necessidade de substituir periodicamente os dispositivos de iluminação (por exemplo, lâmpadas, etc.). Essas questão são particularmente pronunciadas quando o acesso for difícil (por exemplo, tetos abobadados, pontes, prédios altos, túneis de tráfego) e/ou quando os custos de mudança são extremamente altos. A vida útil típica de apetrechos de iluminação convencionais é de cerca de 2 0 anos, correspondente a uma utilização do dispositivo produtor de luz de pelo menos cerca de 44.000 horas (com base em utilização de 6 horas por dia por 2 0 anos) . A vida útil de dispositivos produtores de luz é tipicamente bem mais curta, assim criando a necessidade de trocas periódicas.

Assim, por estas e por outras razões, tem sido continuado o esforço para desenvolver meios pelos quais emissores de luz de estado sólido podem ser utilizados no lugar das lâmpadas incandescentes, das lâmpadas fluorescentes e de outros dispositivos geradores de luz em uma ampla variedade de aplicações. Além disso, onde os diodos emissores de luz (ou outros emissores de luz de estado sólido) já estão sendo utilizados, são continuados os esforços para fornecer diodos emissores de luz (ou outros emissores de luz de estado sólido) que são aprimorados, por exemplo, com relação à eficiência de energia, ao índice de renderização de cores (CRI), ao contraste, à eficiência (lm/W), e/ou a duração do serviço.

Uma variedade de emissores de luz de estado sólido são bem conhecidas. Por exemplo, um tipo de emissor de luz de estado sólido é o diodo emissor de luz. Diodos emissores de luz são dispositivos semicondutores bem conhecidos que convertem a corrente elétrica em luz. Uma ampla variedade de diodos emissores de luz é utilizada em campos crescentemente diversos para uma gama sempre expendida de finalidades.

Mais especificamente, diodos emissores de luz são dispositivos semicondutores que emitem luz (ultravioleta, luz visível, ou infravermelha) quando uma diferença potencial é aplicada através de uma estrutura de junção p- η. Há um número de maneiras bem conhecidas de fazer diodos emissores de luz e muitas estruturas associadas, e a presente invenção pode empregar quaisquer desses dispositivos. Por meio de exemplo, os capítulos 12 a 14 de Sze, Physics of Semiconductor Devices, (2d Ed. 1981) e o capítulo 7 de Sze, Modern Semiconductor Device Physics (1998) descrevem uma variedade de dispositivos fotônicos, incluindo diodos emissores de luz.

A expressão "diodo emissor de luz" é aqui utilizada para referir-se à estrutura de diodo semicondutor básica (isto é, a pastilha (chip)). O "LED" comumente reconhecido e comercialmente disponível que é vendido (por exemplo) em lojas de eletrônica tipicamente representa um dispositivo "empacotado" composto de um número de peças. Esses dispositivos empacotados tipicamente incluem um diodo emissor de luz com base em semicondutor como (sem a eles se limitar) aqueles descritos nas Patentes dos Estados Unidos números 4.918.487; 5.631.190; e 5.912.477; várias conexões de fio, e um pacote que reúne o diodo emissor de luz.

Como é bem conhecido, o diodo emissor de luz produz luz ao excitar os elétrons através do hiato de banda entre uma banda de condução e uma banda de valença de uma camada ativa semicondutora (emissora de luz) . A transição do elétrons gera luz a um comprimento de onda que depende do hiato de banda. Assim, a cor da luz (comprimento de onda) emitida por um diodo emissor de luz depende dos materiais semicondutores das camadas ativas do diodo emissor de luz.

Embora o desenvolvimento de diodos emissores de luz tenha de muitas maneiras revolucionado a indústria de iluminação, algumas das características dos diodos emissores de luz apresentaram desafios, alguns dos quais ainda não foram inteiramente confrontados. Por exemplo, o espectro de emissão de qualquer diodo emissor de luz particular é tipicamente concentrado ao redor de um único comprimento de onda (conforme ditado pela composição e estrutura do diodo emissor de luz), o que é desejável para algumas aplicações, mas não desejável para outras (por exemplo, para fornecer iluminação, tal espectro de emissão fornece um CRI muito baixo).

Como a luz que é percebida como branco é necessariamente uma mistura de luz de duas ou mais cores (ou comprimentos de onda), nenhum único diodo emissor de luz pode produzir a luz branca. Diodos emissores de luz "branca" foram produzidos que têm um pixel de diodo emissor de luz formado de respectivos diodos emissores de luz vermelha, verde e azul. Outros diodos emissores de luz "branca" foram produzidos que incluem (1) um diodo emissor de luz que gera luz azul e (2) um material luminescente (por exemplo, um fósforo) que emite luz amarela em resposta à excitação por luz emitida pelo diodo emissor de luz, em que a luz azul e a luz amarela, quando misturadas, produzem luz que é percebida como luz branca.

Além disso, a mistura de cores primárias para produzir combinações de cores não-primárias é geralmente bem compreendido nesta e em outras tecnologias. Em geral, o Diagrama de Cromaticidade CIE de 1931 (um padrão internacional para cores primárias estabelecido em 1931), e o Diagrama de Cromaticidade CIE de 1976 (similar ao Diagrama de 1931, mas modificado tal que distâncias similares no Diagrama representam diferenças similares em cor) fornecem referência útil para definir cores como somas ponderadas de cores primárias.

Diodos emissores de luz podem assim ser utilizados individualmente ou em quaisquer combinações, opcionalmente juntos com um ou mais material luminescente (por exemplo, fósforos ou cintiladores) e/ou filtros, para gerar luz de qualquer cor percebida desejada (incluindo o branco). Assim, as áreas em que esforços estão sendo feitos para substituir as fontes de luz existentes com fontes de luz de diodo emissor de luz, por exemplo, para melhorar a eficiência de energia, o índice de renderização de cores (CRI), a eficácia (1m/W) , e/ou a duração do serviço, não são limitados a qualquer cor particular ou misturas de cores da luz.

Uma ampla variedade de materiais luminescentes (também conhecidos como lumíforos ou mídia luminofórica, por exemplo, conforme revelado na Patente dos Estados Unidos número 6.600.175, a inteireza da qual é aqui incorporada por referência) são bem conhecidos e disponíveis para pessoas de habilidade na tecnologia. Por exemplo, um fósforo é um material luminescente que emite uma radiação reativa (por exemplo, luz visível) quando excitado por uma fonte de radiação de excitação. Em muitos casos, a radiação reativa tem um comprimento de onda que é diferente do comprimento de onda da radiação excitante. Outros exemplos de materiais luminescentes incluem cintiladores, fitas e tintas com brilho diurno que brilham no espectro visível quando de sua iluminação com luz ultravioleta.

Materiais luminescentes podem ser categorizados como sendo de conversão descendente, isto é, um material que converte fotos a um nível de energia mais baixo (comprimento de onda mais longo) ou de conversão ascendente, isto é, um material que converte fótons a um nível de energia mais alto (comprimento de onda mais curto).

A inclusão de materiais luminescentes em dispositivos de LED foi realizada pelo acréscimo dos materiais luminescentes a um material encapsulante claro (por exemplo, material com base em epóxi ou com base em silicone) conforme discutido acima, por exemplo, por um processo de mistura ou de revestimento.

Por exemplo, a Patente dos Estados Unidos número 6.963.166 (Yano ' 166) revela que uma lâmpada de diodo emissor de luz inclui um chip de diodo emissor de luz, uma armação transparente em formato de bala para cobrir o chip do diodo emissor de luz, condutores para fornecer corrente para o chip de diodo emissor de luz, e um refletor de copo para refletir a emissor do chip do diodo emissor de luz em uma direção uniforme, em que o chip de diodo emissor de luz é encapsulado com uma primeira parcela de resina, que é ainda encapsulada com uma segunda parcela de resina. De acordo com Yano x166, a primeira parcela de resina é obtida ao encher o refletor de copo com um material de resina e curá-lo após o chio de diodo emissor de luz ter sido montado sobre a parte inferior do refletor de copo e então teve seus eletrodos de catodo e de anodo eletricamente conectados aos condutores por meio de fios. De acordo com Yano 4166, um fósforo é disperso na primeira parte da resina de modo a ser excitado com a luz A que foi emitida do chip do diodo emissor de luz, o fósforo excitado produz fluorescência ("luz Β") que tem um comprimento de onda mais longo do que a luz A, uma parte da luz A é transmitida através da primeira parte de resina incluindo o fósforo e, como resultado, a luz C, como uma mistura da luz A e da Luz B, é utilizada como iluminação.

Como foi observado acima, "luzes LED brancas" (isto é, luzes que são percebidas como sendo branca ou quase branca) foram investigadas como substituições potenciais para as lâmpadas incandescentes brancas. Um exemplo representativo de uma lâmpada LED branca inclui um pacote de um chip de diodo emissor de luz azul, feito de nitrido de gálio (GaN), revestido com um fósforo como YAG. Em uma lâmpada de LED assim, o chip de diodo emissor de luz azul produz uma emissão com um comprimento de onda de cerca de 450 nm, e o fósforo produz fluorescência amarela com um comprimento de onda pico de cerca de 550 nm ao receber essa emissão. Por exemplo, em alguns projetos, diodos emissores de luz branca são fabricados ao formar uma camada de fósforo cerâmico na superfície de salda de um diodo emissor de luz semicondutor de emissão de luz azul. Parte do raio azul emitido do chip de diodo emissor de luz passa através do fósforo, enquanto parte da luz azul emitida do chip de diodo emissor de luz é absorvida pelo fósforo, que se torna excitado e emite um raio amarelo. A parte da luz azul emitida pelo diodo emissor de luz que é transmitido através do fósforo é misturada com a luz amarela emitida pelo fósforo. O visualizador percebe a mistura de luz azul e amarela como luz branca.

Como também foi observado acima, em outro tipo de lâmpada de LED, um chip de diodo emissor de luz que emite um raio ultravioleta é combinado com materiais de fósforo que produzem raios de luz vermelho (R) , verde (G) , e azul (B). Em uma lâmpada de LED assim, o raio ultravioleta que foi irradiado do chip do diodo emissor de luz excita o fósforo, causando o fósforo a emitir raios de luz vermelha, verde e azul que, quando misturadas, são percebidas pelo olho humano como luz branca. Conseqüentemente, a luz branca também pode ser obtida como uma mistura desses raios de luz.

Projetos foram fornecidos em que pacotes componentes de LED existentes e outra eletrônica são montados em um apetrecho. Em tais projetos, um LED em pacote é montado a um quadro de circuito, o quadro de circuito é montado em um sorvedouro de calor, e o sorvedouro de calor é montado na armação do apetrecho juntamente com a eletrônica de acionamento necessária. Em muitos casos, óptica adicional (secundária às partes do pacote) também é necessária.

Ao substituir diodos emissores de luz por outras fontes de luz, por exemplo, lâmpadas de luz incandescentes, LEDs em pacotes foram utilizados com apetrechos de luz convencionais, por exemplo, apetrechos que incluem uma lente oca e uma placa base afixada à lente, a placa base tendo uma armação de soquete convencional com um ou mais contatos que são eletricamente acoplados a uma fonte de energia. Por exemplo, foram produzidas lâmpadas de luz LED que compreendem uma placa de circuito elétrico, uma pluralidade de LEDs em pacotes montados à placa de circuito, e um poste de conexão afixado à placa de circuito e adaptado para ser conectado à armação do soquete do apetrecho de luz, em que a pluralidade de LEDs pode ser iluminada pela fonte de energia.

Há uma necessidade continuada de meios para utilizar emissores de luz de estado sólido, por exemplo, diodos emissores de luz, em uma variedade mais ampla de aplicações, com maior eficiência de energia, com um índice de renderização de cor (CRI) aprimorado, com eficácia melhorada (lm/W), e/ou com duração mais longa do serviço, para todas as cores de luz possíveis, incluindo a luz branca (incluindo a luz percebida como a luz branca).

SINOPSE SUCINTA DA INVENÇÃO

Como foi indicado acima, nos pacotes de LED convencionais que empregam um material luminescente para fornecer luz de um ou mais matizes de cor particular, os LEDs são tipicamente cobertos com um encapsulante, por exemplo, uma resina polimérica curada, em que um material luminescente, por exemplo, fósforo, foi espalhado.

Além disso, conforme descrito no Pedido de Patente dos Estados Unidos número 60/752.753, requerido em 21 de dezembro de 2005, intitulado "Lighting Device" (inventores: Gerald H. Negley, Antony Paul Vem de Vem e Neal Hunter), a inteireza do qual é aqui incorporado por referência, dispositivos de iluminação foram desenvolvidos que empregam emissores de luz de estado sólido (por exemplo, chips de diodo emissor de luz) e material luminescente, em que os emissores de luz de estado sólido (por exemplo, chips) são montadas em armações.

O objeto geral da presente invenção é maximizar a extração de luz do emissor de luz de estado sólido (por exemplo, chip de diodo emissor de luz) ou o pacote (por exemplo, pacote de LED) nesses dispositivos. No caso dos pacotes de LED convencionais que incluem um fósforo, uma proporção significativa (por exemplo, em muitos casos, até 20% a 25%) da luz de excitação (isto é, luz do LED) é refletido (espalhado de volta) do fósforo de volta para dentro do chip/pacote de diodo emissor de luz. A luz espalhada de volta que é espalhada de volta dentro do próprio chip de diodo emissor de luz tem uma probabilidade muito baixa de sair do chip, e assim, esse espalhamento de volta resulta em uma perda pelo sistema da energia.

Além disso, a luz convertida pelo fósforo é omni- direcional, de modo que, em geral, 50% da luz é dirigida de volta à fonte do LED.

Ademais, se o elemento luminescente é espesso demais, e/ou se o conteúdo do material luminescente (por exemplo, fósforo) no elemento luminescente for grande demais, poderá ocorrer "auto-absorção". A auto-absorção ocorre quando emissões de luz dentro da camada do pacote ficam dentro da camada de pacote para excitar outras partículas de fósforo e eventualmente são absorvidas ou de outra forma impedidas de sair do dispositivo, assim reduzindo o desempenho (intensidade) e eficiência. Adicionalmente, se o tamanho de partícula do material luminescente (por exemplo, fósforos) é grande demais, as partículas do material luminescente podem causar espalhamento indesejado tanto da fonte de excitação (o chip de LED) como da luz gerada pelo fósforo.

De acordo com um aspecto da presente invenção, ao separar espacialmente o emissor de luz de estado sólido do elemento luminescente, esta eficiência de extração pode ser melhorada. Além disso, ao tornar a área superficial da superfície de iluminação do emissor de luz de estado sólido que defronta o elemento luminescente bem menor do que a área superficial do elemento luminescente que defronta o emissor de luz de estado sólido, qualquer luz de espalhamento de volta da fonte de excitação ou qualquer luz emitida do elemento luminescente tem uma probabilidade menor de reabsorção no emissor de luz de estado sólido.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um dispositivo de iluminação que compreende pelo menos um emissor de luz de estado sólido e pelo menos um elemento luminescente, em que o elemento luminescente compreende pelo menos um material luminescente e está espaçado do emissor de luz de estado sólido. Neste aspecto da invenção, uma superfície do elemento luminescente do elemento luminescente tem uma área superficial que é pelo menos duas vezes tão grande (em algumas versões pelo menos cinco vezes tão grande, e em algumas versões pelo menos dez vezes tão grande) quanto a superfície de iluminação do emissor de luz de estado sólido.

Em um recurso específico de acordo com este aspecto, o elemento luminescente está espaçado do emissor de luz de estado sólido por uma distância que é pelo menos igual à dimensão maior da superfície de iluminação.

Em um recurso específico de acordo com este aspecto, o elemento luminescente é espaçado do emissor de luz de estado sólido por uma distância na faixa de cerca de 100 micrômetros a cerca de 750 micrômetros, (por exemplo, cerca de 750 micrômetros).

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um dispositivo de iluminação que compreende pelo menos um emissor de luz de estado sólido e pelo menos um elemento luminescente, em que o elemento luminescente compreende pelo menos um material luminescente e está espaçado do emissor de luz de estado sólido. Neste aspecto da invenção, o emissor de luz de estado sólido tem uma superfície de iluminação que defronta o elemento luminescente e o elemento luminescente tem uma superfície de elemento luminescente que defronta o emissor de luz de estado sólido. Além disso, neste aspecto da invenção, a superfície do elemento luminescente é substancialmente paralela à superfície de iluminação, e a superfície do elemento luminescente tem uma área superficial que é pelo menos duas vezes tão grande (em algumas versões pelo menos cinco vezes tão grande, e em algumas versões pelo menos dez vezes tão grande) quanto a área superficial da superfície de iluminação.

Em um recurso específico de acordo com este aspecto, o elemento luminescente é espaçado do emissor de luz de estado sólido por uma distância que é pelo menos igual à dimensão maior da superfície de iluminação.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um dispositivo de iluminação que compreende pelo menos um emissor de luz de estado sólido e pelo menos um elemento luminescente, em que o elemento luminescente compreende pelo menos um material luminescente e o elemento luminescente está espaçado do emissor de luz de estado sólido.

Neste aspecto, um primeiro formato plano imaginário é definido por um conjunto de pontos de elementos luminescentes, cada um dos pontos de elementos luminescentes estando localizado em um plano x-y orientado em relação a um eixo z que passa através de um centro do emissor de luz de estado sólido e um centro do elemento luminescente e tendo coordenadas x, y que correspondem, para cada posição radial em relação ao eixo z, a coordenadas x, y de um ponto no elemento de luminescente que é o mais distante do eixo z nessa localização radial, isto é, o primeiro formato plano é uma projeção do elemento luminescente sobre um plano que é perpendicular ao eixo z que conecta os respectivos centros do elemento luminescente e do emissor de luz de estado sólido. Um segundo formato plano é definido por um conjunto de pontos de emissor de luz, cada um dos pontos emissores de luz estando localizado em um plano x-y orientado em relação ao eixo z e tendo coordenadas x, y que correspondem, para cada posição radial em relação ao eixo z, a coordenadas x, y de um ponto no emissor de luz de estado sólido que é o mais distante do eixo z nessa localização radial, isto é, o segundo formato plano é uma projeção do emissor de luz de estado sólido sobre um plano que é perpendicular ao eixo z. Neste aspecto, a área do primeiro formato plano é pelo menos duas vezes tão grande (em algumas versões pelo menos cinco vezes tão grande, e em algumas versões pelo menos dez vezes tão grande) que a área do segundo formato plano (onde mais de um emissor de luz de estado sólido está presente no dispositivo de iluminação, o emissor de luz de estado sólido na comparação acima sendo aquele que tem o segundo maior formato plano de qualquer emissor de luz de estado sólido no dispositivo de iluminação).

Em um recurso específico de acordo com este aspecto, o elemento luminescente está espaçado do emissor de luz de estado sólido por uma distância que é pelo menos igual à maior dimensão do segundo formato plano.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, o emissor de luz de estado sólido é um chip de diodo emissor de luz.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, o emissor de luz de estado sólido tem uma superfície de iluminação que é substancialmente planar.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, o elemento luminescente tem uma superfície luminescente que é substancialmente planar.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, o elemento luminescente compreende uma matriz (por exemplo, que poderá ser um material polimérico que poderá ter sido curado) em que o material luminescente está contido.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, um material luminescente está contido no elemento luminescente em uma quantidade que não é maior que cerca de 15% por volume.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, o elemento luminescente compreende pelo menos um fósforo.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, o elemento luminescente compreende partículas de material luminescente que têm um tamanho de partícula médio não superior a 50 microns.

Em um outro recurso específico de acordo com a presente invenção, a espessura do elemento luminescente não é superior a 1 cm.

Em um aspecto específico, o dispositivo de iluminação é um que pode produzir luz que é percebida como "branca".

A invenção poderá ser mais inteiramente compreendida com referência aos desenhos acompanhantes e à seguinte descrição detalhada da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma ilustração que retrata uma versão de um dispositivo de iluminação 10 de acordo com a presente invenção.

A Figura 2 retrata um diodo emissor de luz e um elemento luminescente para ainda explicar a terminologia aplicada acima a respeito do terceiro aspecto da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Como foi observado acima, de acordo com vários aspectos da presente invenção, é fornecido um dispositivo de iluminação que compreende pelo menos um emissor de luz de estado sólido e pelo menos um elemento luminescente, o elemento luminescente compreendendo pelo menos um material luminescente.

Qualquer emissor ou emissores de luz de estado sólido desejado pode ser empregado de acordo com a presente invenção. Pessoas de habilidade na tecnologia estão cientes, e possuem pronto acesso, a uma ampla variedade desses emissores. Exemplos de tipos desses emissores de luz incluem diodos emissores de luz (inorgânicos ou orgânicos), diodos a laser e dispositivos eletroluminescentes de película fina, uma variedade de cada um dos quais são bem conhecidos na tecnologia. Como foi observado acima, uma ampla variedade de materiais luminescentes (também conhecidos como lumifors, ou mídia luminofórica, por exemplo, conforme revelada na Patente dos Estados Unidos número 6.600.175, a inteireza da qual é aqui incorporada por referência) são bem conhecidos e disponíveis para pessoas de habilidade na tecnologia, e qualquer um desses materiais pode ser utilizado de acordo com a presente invenção.

Em um aspecto da presente invenção, é fornecido um dispositivo que compreende pelo menos primeiro e segundo emissores de luz de estado sólido, em que o primeiro emissor de luz de estado sólido emite luz de um primeiro comprimento de onda e o segundo emissor de luz de estado sólido emite luz de um segundo comprimento de onda, o segundo comprimento de onda sendo diferente do primeiro comprimento de onda. Em tal dispositivo, os emissores de luz de estado sólido podem emitir luz de qualquer comprimento ou comprimentos de onda desejado (ou faixa ou faixas de comprimento de luz) dentro das faixas de luz do infravermelho, do visível e do ultravioleta, incluindo, por exemplo, (1) dois ou mais diodos emissores de luz que emitem luz dentro de faixas de comprimento de onda diferentes dentro do espectro visível, (2) dois ou mais diodos emissores de luz que emitem luz dentro de diferentes faixas de comprimento de onda diferentes dentro do espectro infravermelho, (3) dois ou mais diodos emissores de luz que emitem luz dentro de faixas de comprimento de onda diferentes dentro do espectro ultravioleta, (4) um ou mais diodos emissores de luz que emitem luz dentro do espectro visível e um ou mais diodos emissores de luz que emitem luz dentro do espectro infravermelho, (5) um ou mais diodos emissores de luz que emitem luz dentro do espectro visível e um ou mais diodos que emitem luz dentro do espectro ultravioleta, etc.

Como foi observado acima, pessoas habilitadas na tecnologia estão familiarizados com uma ampla variedade de emissores de luz, incluindo uma ampla variedade de diodos emissores de luz, uma ampla variedade de diodos a laser e uma ampla variedade de dispositivos eletroluminescentes de película fina e portanto não é necessário descrever em detalhe esses dispositivos, e/ou os materiais dos quais esses dispositivos são feitos.

Como foi indicado acima, os dispositivos de iluminação de acordo com a presente invenção podem compreender qualquer número desejado de emissores de estado sólido. Por exemplo, um dispositivo de iluminação de acordo com a presente invenção pode incluir 50 ou mais diodos emissores de luz, ou pode incluir 100 ou mais diodos emissores de luz, etc. Em geral, com os atuais diodos emissores de luz, maior eficiência pode ser obtida utilizando um maior número de diodos emissores de luz menores (por exemplo, 100 diodos emissores de luz cada um deles tendo uma área superficial de 0,1 mm2 verso 25 diodos emissores de luz tendo uma área superficial de 0,4 mm2 mas de outra forma são idênticos).

De maneira análoga, diodos emissores de luz que operam em densidades de corrente mais baixas são geralmente mais eficientes. Diodos emissores de luz que puxam qualquer corrente em particular podem ser utilizados para a presente invenção. Em um aspecto da presente invenção, diodos emissores de luz que puxam não mais do que 50 miliamperes são empregados.

Os emissores de luz de estado sólido e os elementos luminescentes nos dispositivos de iluminação da presente invenção podem ser dispostos, montados e fornecidos com eletricidade de qualquer maneira desejada, e podem ser montados em qualquer armação ou acessório desejado, e os emissores de luz de estado sólido podem ser fornecidos com eletricidade de qualquer maneira desejada. Artesãos habilitados estão familiarizados com a ampla variedade de disposições, esquemas de montagem, aparelhos fornecedores de energia, armações e acessórios, e qualquer um desses esquemas, disposições, aparelhos, armações e acessórios podem ser empregados em conexão com a presente invenção. Os dispositivos de iluminação da presente invenção podem ser conectados eletricamente (ou seletivamente conectados eletricamente) a qualquer fonte de energia desejada, pessoas de habilidade na tecnologia estando familiarizadas com a variedade dessas fontes de energia.

Exemplos representativos de disposições de emissores de luz de estado sólido e de elementos luminescentes, esquemas para montar emissores de luz de estado sólido e elementos luminescentes, aparelhos para fornecer eletricidade aos emissores de luz de estado sólido, armações para emissores de luz de estado sólido e elementos luminescentes, acessórios para emissores de luz de estado sólido e elementos luminescentes e fontes de energia para os emissores de luz de estado sólido, todos os quais são adequados para os dispositivos de iluminação da presente invenção, são descritos no Pedido de Patente dos Estados

Unidos número 60/752.753, requerido concorrentemente com este, e intitulado "Lighting Device" (inventores: Gerald H. Negley, Antony Paul Ven de Vem e Neal Hunter) , a inteireza do qual é aqui incorporada por referência. Esses acessórios também tornam possível integrar dissipação térmica excelente dentro do próprio acessório de iluminação.

Em algumas versões dos dispositivos de iluminação de acordo com a presente invenção, o dispositivo de iluminação compreende uma armação que tem um elemento altamente reflexivo tendo paredes cônicas, por exemplo, o dispositivo compreende paredes reflexivas que definem um cone truncado (formato frustocônico). Foi observado, de acordo com a presente invenção, que a eficiência de extração geral (através da óptica) pode ser melhorada ao incluir tal elemento reflexivo tendo paredes cônicas.

Em algumas versões dos dispositivos de iluminação de acordo com a presente invenção, o dispositivo de iluminação compreende uma armação que tem um elemento altamente reflexivo tendo paredes substancialmente retas, por exemplo, o dispositivo compreende paredes reflexivas que definem um cilindro.

A expressão "em", por exemplo, conforme utilizada acima na expressão "montada em", significa que a primeira estrutura que está "em" uma segunda estrutura pode estar em contato com a segunda estrutura, ou pode ser separada da segunda estrutura por uma ou mais estruturas intervenientes.

A declaração aqui de que os itens são "eletricamente conectados" significa que não há nenhum componente eletricamente (???) entre os itens, a inserção destes afetam materialmente a função ou funções fornecidas pelo dispositivo. Por exemplo, dois itens podem ser referidos como sendo eletricamente conectados, muito embora eles tenham um pequeno resistor entre eles que não afeta materialmente a função ou funções fornecidas pelo dispositivo (na verdade, um fio que conecta dois itens pode ser considerado como um pequeno resistor); da mesma forma, dois itens podem ser referidos como estando eletricamente conectados, muito embora eles possam ter um item elétrico adicional entre eles que permite ao dispositivo efetuar uma função adicional, embora não afete materialmente a função ou funções fornecidas pelo dispositivo que é idêntico exceto por não incluir o item adicional; de modo similar, dois itens que estão conectados diretamente um ao outro, ou que estão diretamente conectados a extremidades opostas de um fio ou de um traço em uma placa de circuito ou outra mídia, estão conectados eletricamente.

O um ou mais materiais luminescentes pode ser qualquer material luminescente desejado. Como foi observado acima, pessoas habilitadas na tecnologia estão familiarizados, e possuem pronto acesso, a uma ampla variedade de materiais luminescentes. 0 um ou mais materiais luminescentes pode ser de conversão descendente ou de conversão ascendente, ou pode incluir uma combinação de ambos os tipos.

Por exemplo, o um ou mais materiais luminescentes pode ser selecionado dentre fósforos, cintiladores, fitas de brilho diurno, tintas que brilham no espectro visível quando da iluminação com luz ultravioleta, etc.

O um ou mais materiais luminescentes, quando incluído, pode ser fornecido em qualquer forma desejada. Por exemplo, em um aspecto, o dispositivo de iluminação de acordo com a presente invenção pode compreender pelo menos um elemento luminescente que compreende o primeiro material luminescente, o elemento luminescente sendo afixado a uma armação, o elemento luminescente e a armação definindo um espaço interno, pelo menos um dos emissores de luz de estado sólido sendo posicionado dentro do espaço interno.

O elemento luminescente pode, se for desejado, compreender um material em que o primeiro material luminescente está embutido. Por exemplo, pessoas de habilidade na tecnologia estão muito familiarizados com elementos luminescentes que compreendem um material luminescente, por exemplo, um fósforo, embutido em uma resina (isto é, uma matriz polimérica), como um material de silicone ou um material de epóxi.

Em um aspecto preferido da presente invenção, o dispositivo de iluminação compreende pelo menos um elemento luminescente que compreende pelo menos uma primeira região de elemento luminescente e uma segunda região de elemento luminescente, a primeira região de elemento luminescente compreendendo um primeiro material luminescente, a segunda região de elemento luminescente compreendendo um segundo material luminescente, o primeiro material luminescente, quando for excitado, emitindo luz de um primeiro comprimento de onda (ou faixa de comprimentos de onda), o segundo material luminescente, quando for excitado, emitir luz de um segundo comprimento de onda (ou faixa de comprimentos de onda), o segundo comprimento de onda (ou faixa de comprimentos de onda) diferindo do primeiro comprimento de onda (ou faixa de comprimentos de onda).

De acordo com outro aspecto preferido da invenção, um dispositivo de iluminação pode compreender uma pluralidade de elementos luminescentes, cada elemento luminescente compreendendo pelo menos um material luminescente, cada elemento luminescente sendo afixado a uma armação para definir um espaço interno, pelo menos um emissor de luz de estado sólido sendo posicionado dentro de cada espaço interno.

Em versões da presente invenção em que uma pluralidade de emissores de luz de estado sólido são montados em uma armação, a carga de calor produzida pelos emissores de luz de estado sólido é distribuída pela superfície da armação. Quanto mais uniformemente os emissores de luz de estado sólido são distribuídos pela área superficial da armação, tanto mais uniformemente a carga de calor é distribuída. Como resultado, a armação pode fornecer dissipação de calor mais eficiente, com o resultado de que a armação pode, se desejado, ser tornada menor do que de outra forma seria o caso.

Além disso, por ter múltiplos emissores de luz de estado sólido (em oposição a uma única fonte de ponto de luz), a fonte de luz é menos afetada pelo sombreamento - isto é, se um objeto que é menor que a área de emissão de luz for colocado em frente da área de emissão de luz, apenas uma parte dos raios de luz seriam bloqueados. Como a fonte de luz segue o princípio de Huygens (cada fonte age como uma frente de onda esférica), a visualização de uma onda não é vista, e apenas uma ligeira diminuição da fonte iluminada é observada (em contraste com quando um único filamento é empregado, em que a luz seria substancialmente diminuída e uma sombra seria observada). Os dispositivos de acordo com a presente invenção podem ainda compreender um ou mais dispositivos de esfriamento de longa vida (por exemplo, um ventilador com uma vida útil extremamente alta). Esses dispositivos de resfriamento de vida longa podem compreender materiais piezo elétricos ou magneto restritivos (por exemplo, MR, GMR, e/ou materiais HMR) que deslocam ar como um "ventilador chinês". Ao resfriar os dispositivos de acordo com a presente invenção, tipicamente apenas ar o suficiente para quebrar a camada de fronteira é necessária para induzir quedas de temperatura de 10 a 15 graus C. Assim, nesses casos, "brisas" fortes ou uma grande taxa de fluxo de fluidos (grande CFM) são tipicamente não necessárias (assim evitando a necessidade de ventiladores convencionais).

Os dispositivos de acordo com a presente invenção podem ainda compreender óptica secundária para ainda modificar a natureza projetada da luz emitida. Essa óptica secundária é bem conhecida daqueles habilitados na tecnologia, e assim não precisam ser descritas aqui em detalhes - qualquer óptica secundária pode, se assim for desejado, ser empregada.

Os dispositivos de acordo com a presente invenção ainda podem compreender sensores ou dispositivos de carregamento ou câmaras, etc. Por exemplo, pessoas de habilidade na tecnologia estão familiarizados, e possuem pronto acesso, a dispositivos que detectam uma ou mais ocorrências (por exemplo, detectores de movimento, que detectam o movimento de um objeto ou pessoa) , e que, em resposta a essa detecção, dispara a iluminação de uma luz, ativação de uma câmara de segurança, etc. Como um exemplo representativo, o dispositivo de acordo com a presente invenção pode incluir um dispositivo de iluminação de acordo com a presente invenção e um sensor de movimento, e pode ser construído tal que (1) enquanto a luz estiver iluminada, se o sensor de movimento detectar movimento, uma câmara de segurança é ativada para registrar dados visuais em ou ao redor do local do movimento detectado, ou (2) se o sensor de movimento detectar movimento, a luz é iluminada para iluminar a região próxima do local do movimento detectado e a câmara de segurança é ativada para registrar dados visuais em ou ao redor da localização do movimento detectado, etc.

A Figura 1 é uma ilustração esquemática que retrata uma versão de um dispositivo de iluminação 10 de acordo com a presente invenção.

O dispositivo de iluminação retratado na Figura 1 inclui um acessório 11 (mostrado esquematicamente) com base em uma fonte de iluminação azul (um ou mais diodos emissores de luz) e superfícies altamente reflexivas, uma camada de fósforo e de espalhamento 12 tendo uma área superficial que é maior que os diodos emissores de luz (o fósforo gerando luz amarela, quando excitado da luz do diodo emissor de luz) , e um par de películas de aprimoramento do brilho 13 e 14, com luz branca uniforme 15 saindo do dispositivo de iluminação 10.

Películas de aprimoramento do brilho são bem conhecidas na tecnologia e estão prontamente disponíveis.Películas de aprimoramento do brilho (por exemplo, películas BEF comercialmente disponíveis da 3M) são opcionais - quando empregadas, elas fornecem uma fonte de luz mais direcionada ao limitar o ângulo de aceitação. A luz não "aceita" é reciclada pelo recinto de fonte de luz altamente reflexiva.

A camada de espalhamento também é opcional. A camada de espalhamento pode ser incluída na camada de fósforo, e/ou uma camada de espalhamento separada pode ser fornecida. Uma ampla variedade de camadas de espalhamento separadas e camadas combinadas luminescentes e de espalhamento são bem conhecidas daqueles de habilidade na tecnologia, e quaisquer dessas camadas podem ser empregadas nos dispositivos de iluminação da presente invenção.

Em algumas versões em que é incluída uma película de aprimoramento do brilho (que pode opcionalmente ser substituído por um ou mais películas de extração, como por WFT), a película de aprimoramento do brilho é utilizada para limitar o ângulo de visualização da fonte emitida e aumentar a probabilidade de extrair luz na primeira passagem (ou o mais cedo possível).

Em algumas versões dos dispositivos de iluminação de acordo com a presente invenção, o dispositivo de iluminação compreende um difusor que fornece reciclagem fotográfica dentro de um ângulo de extração particular, com perdas que são inferiores àquelas tipicamente associadas a películas BEF. Alguns desses difusores difundem e espalham luz. Um exemplo de tal difusor de reciclagem fotográfica é o "Engineered Diffuser"™ disponível da RPC Photonics.

Preferivelmente, uma ou mais superfícies do acessório (por exemplo, a armação) são reflexivas, de modo que a luz de parte ou da totalidade dos emissores de luz de estado sólido, por exemplo,diodos emissores de luz, é refletida por essas superfícies reflexivas.

A Figura 2 retrata um diodo emissor de luz 2 0 e um elemento luminescente 21 que estão orientados um em relação ao outro de maneira tal que eles não possuem superfícies respectivas defrontando uma a outra, para melhor explicar a terminologia aplicada acima com relação ao terceiro aspecto da presente invenção.

Como foi observado acima, no terceiro aspecto da presente invenção, um primeiro formato plano (imaginário) 22 é definido por um conjunto de pontos de elementos luminescentes, cada um dos pontos de elementos luminescentes estando localizado em um plano x-y 23 orientado em relação a um eixo ζ 24 que passa através de um centro 25 do diodo emissor de luz e um centro 2 6 do elemento luminescente e tendo coordenadas x, y que correspondem, para cada posição radial em relação ao eixo z, às coordenadas x, y de um ponto no elemento luminescente que está mais distante do eixo ζ em tal localização radial, isto é, o primeiro formato plano é uma projeção do elemento luminescente sobre um plano que é perpendicular ao eixo ζ que conecta os respectivos centros do elemento luminescente e o emissor de luz de estado sólido. Um segundo formato plano (imaginário) 27 é definido por um conjunto de pontos emissores de luz, cada um dos pontos emissores de luz estando localizado em um plano x-y orientado em relação ao eixo z e tendo as coordenadas x, y que correspondem, para cada posição radial relativa ao eixo z, às coordenadas x, y de um ponto no emissor de luz de estado sólido que está mais distante do eixo ζ em tal localização radial, isto é, o segundo formato plano é uma projeção do emissor de luz de estado sólido sobre um plano que é perpendicular ao eixo ζ. No terceiro aspecto da presente invenção, a área do primeiro formato plano 22 é pelo menos duas vezes maior que a área do segundo formato plano 27.

Quaisquer duas ou mais partes estruturais dos dispositivos de iluminação aqui descritos podem ser integradas. Qualquer parte estrutural dos dispositivos de iluminação aqui descritos pode ser fornecida em duas ou mais partes (que podem ser mantidas juntas, se necessário) .

Claims

1. Dispositivo de iluminação, caracterizado por compreender: pelo menos um emissor de luz de estado sólido, dito emissor de luz de estado sólido tendo uma superfície de iluminação; e pelo menos um elemento luminescente, dito elemento luminescente compreendendo pelo menos um material luminescente, dito elemento luminescente sendo espaçado do dito emissor de luz de estado sólido por uma distância que é pelo menos igual a maior dimensão da dita superfície de iluminação, dito elemento luminescente tendo uma superfície de elemento luminescente, dita superfície de elemento luminescente sendo pelo menos duas vezes tão grande quando a dita superfície de iluminação.

2. Dispositivo de iluminação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do emissor de luz de estado sólido ser um chip de diodo emissor de luz.

3. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato da dita superfície de iluminação ser substancialmente planar.

4. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato da superfície do elemento luminescente ser substancialmente planar.

5. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato do elemento luminescente compreender uma matriz em que um material luminescente está contido.

6. Dispositivo de iluminação, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato da matriz compreender um material polimérico.

7. Dispositivo de iluminação, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato do material polimérico ter sido curado.

8. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato do conteúdo do material luminescente no elemento luminescente não ser maior do que 15% por volume.

9. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato do elemento luminescente compreender partículas de material luminescente, as ditas partículas de material luminescente tendo um tamanho de partícula médio não superior a 50 microns.

10. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato da espessura do elemento luminescente não ser superior a 1cm.

11. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de ainda compreender pelo menos uma camada de espalhamento.

12. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de ainda compreender pelo menos uma película de aprimoramento de brilho.

13. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou -12, caracterizado pelo fato do elemento luminescente também ser uma camada de espalhamento.

14. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, -12 ou 13, caracterizado pelo fato do elemento luminescente ser espaçado do emissor de luz de estado sólido por uma distância na faixa de 100 micrômetros a 750 micrômetros.

15. Dispositivo de iluminação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, -12, 13 ou 14, caracterizado pelo fato do elemento luminescente ser espaçado do emissor de luz de estado sólido por uma distância na faixa de 500 micrômetros a 750 micrômetros.