DE102008012844A1

DE102008012844A1 - Beleuchtungseinrichtung sowie Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008012844A1
Application number: DE102008012844A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Herrmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Eine Beleuchtungseinrichtung weist mindestens ein einstückiges, im Wesentlichen flächig ausgeprägtes Trägermedium auf, das aus einem Feststoff ausgebildet ist und zwei gegenüberliegende Hauptseiten hat. Des Weiteren weist die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei elektrische Leitungen auf sowie mindestens ein Halbleiterelement, das dazu ausgestaltet ist, elektromagnetische Strahlung mindestens z. T. in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, in dem das Trägermedium im Wesentlichen transparent ist. Das Halbleiterelement ist dabei derart in das Trägermedium eingebettet, dass es im Wesentlichen entlang zumindest einer Hauptausdehnungsrichtung des Trägermediums emittiert. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine Beleuchtungseinrichtung, die mechanisch flexibel ausgestaltet sein kann, großflächig ist und dabei nur eine geringe Dicke aufweist und homogen mit hoher Intensität Licht abstrahlen kann. Zudem ist aufgrund der einfachen Bauweise eine kostengünstige Herstellung möglich. Neben der Beleuchtungseinrichtung selbst wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Beleuchtungseinrichtung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einem Trägermedium, mindestens zwei elektrischen Leitungen und mindestens einem Halbleiterelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Beleuchtungseinrichtung.
Dünne, flächige Anzeigeeinrichtungen bzw. Displays haben in vielfältigen Bereichen des heutigen Alltags ihren Einzug gehalten. Als Beispiele seien genannt die Displays von Handys, MP3-Playern oder auch Flachbildschirme von Laptops oder Fernsehern. Einige Anforderungen, die an Anzeigeeinrichtungen bereits heute gestellt werden, in zukünftigen Produkten aber verstärkt zu berücksichtigen sind, sind deren zunehmende Größe bei gleichzeitig geringerer Dicke, deren größere und homogenere Leuchtstärke und auch, immer weiter verbreitet, deren mechanische Flexibilität.
Ein elementarer Bestandteil von gängigen Anzeigeeinrichtungen ist deren Hintergrundbeleuchtung. Typischerweise finden hierbei zwei Konzepte Anwendung. Zum einen wird von der Rückseite auf etwa eine Flüssigkristallmaske gestrahlt, beispielsweise mit Fluoreszenzlampen. Um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Flüssigkristallmaske und somit eine gleichmäßige Abstrahlung nach vorne zu gewährleisten, werden meist flächige Lichtleiter zwischengeschaltet. Diese Art der Hintergrundbeleuchtung erreicht eine gute Homogenität bezüglich des abgestrahlten Lichts und auch relativ große, flächige Beleuchtungseinrichtungen sind möglich. Nachteil ist der signifikante Platzbedarf bezüglich der Dicke der Beleuchtungseinrichtungen. Ein zweiter Ansatz besteht darin, einen flächig ausgestalteten dünnen Lichtleiter von der Seite mit z. B. Leuchtdioden zu beleuchten und das Licht über die gesamte Fläche des Lichtleiters verteilt abzustrahlen. Vorteil dieser Lösung ist die kompakte Bauweise bezüglich der Dicke der Beleuchtungseinrichtung, Nachteil ist die Schwierigkeit, genügend hohe Lichtintensitäten bei großflächigen Displays zu gewährleisten. Ein weiterer Nachteil beider Verfahren ist, dass oft in einem Zwischenschritt erst das Licht aus einer Lichtquelle wie einer LED oder einer Fluoreszenzröhre in einen Flächenlichtleiter eingekoppelt werden muss und dabei wegen der auftretenden Einkoppelverluste sich die Effizienz der Beleuchtungseinrichtung verringert. Angestrebt ist weiterhin eine Reduzierung der Herstellungskosten für Beleuchtungseinrichtungen, was unter anderem mit einer Verringerung deren Komplexität einhergeht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche sowohl großflächige als auch äußerst dünn ausgeführt sein kann sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Beleuchtungseinrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den nebengeordneten Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Patentansprüchen angegeben.
Eine Beleuchtungseinrichtung weist mindestens ein einstückiges, im Wesentlichen flächig ausgeprägtes Trägermedium auf, das aus einem Feststoff ausgebildet ist und zwei gegenüberliegende Hauptseiten hat. Des Weiteren weist die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei elektrische Leitungen auf sowie mindestens ein Halbleiterelement, das dazu ausgestaltet ist, elektromagnetische Strahlung mindestens z. T. in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, in dem das Trägermedium im Wesentlichen transparent ist. Das Halbleiterelement ist dabei derart in das Trägermedium eingebettet, dass es im Wesentlich entlang zumindest einer Hauptausdehnungsrichtung des Trägermediums emittiert. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine Beleuchtungseinrichtung, die mechanisch flexibel ausgestaltet sein kann, großflächig ist und dabei nur eine geringe Dicke aufweist und homogen mit hoher Intensität Licht abstrahlen kann. Zudem ist aufgrund der einfachen Bauweise eine kostengünstige Herstellung möglich.
Neben der Beleuchtungseinrichtung selbst wird ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungseinrichtung angegeben, das die Schritte umfasst: Bereitstellen mindestens eines einstückigen, im Wesentlichen flächigen und transparenten Trägermediums, Bereitstellen und Anbringen mindestens eines Halbleiterelements, das zumindest teilweise in einem Wellenlängenbereich elektromagnetische Strahlung emittiert, in dem das Trägermedium transparent ist, wobei das Halbleiterelement mindestens entlang einer Hauptausdehnungsrichtung des Trägermediums emittiert, sowie das Anbringen von mindestens zwei elektrischen Leitungen. Ein derartiges Verfahren ist dazu geeignet, damit eine Beleuchtungseinrichtung effizient und kostengünstig zu produzieren.
Entspricht die Dicke des Trägermediums senkrecht zu dessen Hauptseiten im Wesentlichen der Ausdehnung des eingebetteten Halbleiterelements in derselben Richtung, so kann eine besonders dünne und kompakte Beleuchtungseinrichtung erstellt werden.
Ist das Halbleiterelement so in das Trägermedium eingebettet, dass zwischen diesem ein Spalt, welcher mit Luft ausgefüllt oder evakuiert sein kann, vermieden wird, so ist eine effiziente Einkopplung des vom Halbleiterelement emittierten Lichts in das Trägermedium gewährleistet.
Ist das Halbleiterelement vollständig im Trägermedium eingebettet, wird der Platzbedarf gering gehalten.
Durch ein Anbringen eines Halbleiterelements an einer Stirnfläche oder einer Hauptseite des Trägermediums müssen keine Aussparungen im Trägermedium erstellt werden.
Umfasst die Beleuchtungseinrichtung mindestens drei Halbleiterelemente, so wird eine hohe Leuchtintensität gewährleistet.
Durch eine zweidimensionale Anordnung der mindestens drei Halbleiterelemente im Trägermedium wird ein homogenes Abstrahlen der Beleuchtungseinrichtung ermöglicht und die Ausgestaltungsmöglichkeiten werden erweitert.
Ein einfaches Einbetten des Halbleiterelements in das Trägermedium gewährleist eine Aussparung in diesem, die im Wesentlichen die Abmessungen des Halbleiterelements aufweist.
Eine schlitzartige Aussparung im Trägermedium, die zur Aufnahme eines Halbleiterelements bestimmt ist, lässt sich fertigungstechnisch besonders leicht realisieren, etwa durch Fräsen oder Sägen.
Ist, zumindest teilweise, auf einer Hauptseite des Trägermediums eine reflektierende Schicht angebracht, so lässt sich das vom Halbleiterelement emittierte Licht nach einer Hauptseite der Beleuchtungseinrichtung hin lenken und somit eine effektive Abstrahlung mit hoher Intensität auf diese eine Hauptseite hin gewährleisten.
Wird an einer Hauptseite des Trägermediums, zumindest teilweise, mindestens ein Konversionsmittel angebracht, das dazu geeignet ist, die vom Halbleiterelement emittierte elektromagnetische Strahlung mindestens zu einem Anteil in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, so erhöht sich die Flexibilität beim Gestalten der Beleuchtungseinrichtung. Insbesondere können dann blau emittierende, auf Galliumnitrid basierende Leuchtdioden verwendet werden, um eine weißes Licht abstrahlende Beleuchtungseinrichtung zu erhalten.
Umfasst die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine refraktiv oder diffraktiv wirkende optische Schicht, so kann das vom Halbleiterelement emittierte Licht gezielt in einen Raumbereich gelenkt werden. Außerdem werden die Ausgestaltungsmöglichkeiten der Beleuchtungseinrichtung deutlich erhöht.
Ebenfalls erweiternd auf Ausgestaltungs- und Anwendungsmöglichkeiten der Beleuchtungseinrichtung wirkt es sich aus, falls diese optische Schicht in Form eines Koppelmediums, eines Oberflächen- oder Volumendiffusors, einer Prismenfolie, eines Beugungsgitters und/oder einer holographischen Strukturierung umfasst, oder diese optische Schicht nano- oder mikrostrukturiert ist.
Weist die Beleuchtungseinrichtung einen in Transmission oder Reflexion wirkenden Filter für mindestens einen Teil der vom Halbleiterelement emittierten elektromagnetischen Strahlung auf, so können einzelne Bereiche der Beleuchtungseinrichtung gezielt und auf einfache Art und Weise farblich gestaltet werden, sodass sich die Ausgestaltungsmöglichkeiten der Beleuchtungseinrichtung deutlich erweitern.
Umfasst die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine Schutzschicht, die die Beleuchtungseinrichtung vor Verkratzen oder vor Feuchtigkeit schützt, so erhöht sich die Lebensdauer der Beleuchtungseinrichtung.
Beinhaltet die Beleuchtungseinrichtung eine Haft vermittelnde Schicht, wie etwa eine Klebefolie, so kann die Beleuchtungseinrichtung einfach, beispielsweise an einem Flüssigkristall-Array, angebracht werden. Der Aufwand beim Befestigen der Beleuchtungseinrichtung, und somit die anfallenden Kosten, werden hierdurch verringert.
Kurzschlüsse etwa zwischen mehreren verschiedenen elektrischen Leitungen werden unterbunden, wenn die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine elektrisch isolierende Schicht umfasst.
Eine einfache Ausgestaltungsmöglichkeit einer transparenten Beleuchtungseinrichtung besteht darin, als Hauptbestandteil des Trägermediums ein Glas oder einen Kunststoff zu verwenden.
Besteht das Trägermedium im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Material, so wird die Fertigung des Trägermediums erleichtert.
Wird als Trägermedium eine Folie verwendet, so kann die Beleuchtungseinrichtung ohne großen Aufwand mechanisch flexibel und dünn ausgestaltet werden.
Umfasst das Trägermedium zumindest teilweise ein thermisch leitfähiges Material oder beinhaltet die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine als Wärmesenke fungierende Schicht, so kann die im Betrieb des Halbleiterelements anfallende Abwärme leicht und gut abgeführt werden. Dies erhöht die Lebensdauer des Halbleiterelements und ermöglicht gegebenenfalls auch einen größeren Betriebsstrom und damit eine größere Leuchtstärke.
Ist die Beleuchtungseinrichtung mechanisch flexibel ausgestaltet, wird ein Einsatz der Beleuchtungseinrichtung etwa zur Hintergrundbeleuchtung flexibler Displays ermöglicht.
Durch eine im sichtbaren Spektralbereich im Wesentlichen transparent ausgestaltete Beleuchtungseinrichtung kann diese in transparente Produkte wie fensterartige Anzeigeeinrichtungen integriert werden.
Ist mindestens eine Stirnseite des Trägermediums verspiegelt, so wird Licht nur über mindestens eine Hauptseite der Beleuchtungseinrichtung ausgekoppelt und ein Austreten von Strahlung über die Stirnseiten wird vermieden, wodurch sich die Leuchtintensität bezüglich der Hauptseite erhöht.
Mindestens eine Hauptseite des Trägermediums kann mit einer Licht verteilenden Strukturierung, etwa ähnlich einer Prismenfolie, versehen sein. Dadurch wird ein über eine gesamte Hauptseite der Beleuchtungseinrichtung homogene Lichtabstrahlung ermöglicht. Eine solche Strukturierung ist etwa durch Pressen dem Trägermediums leicht aufzuprägen und erspart eine weitere, aufzubringende Licht verteilende Struktur.
Werden die Halbleiterelemente im Bereich einer geeignet ausgestalteten Strukturierung des Trägermediums eingebettet, so entfallen Arbeitsschritte, wie etwa das Ausgestalten einer Aussparung für die Halbleiterelemente und der Herstellungsprozess wird dadurch vereinfacht.
Ist das Halbleiterelement als heterogenes System ausgestaltet, das mindestens eine keramische, glasartige, Polymer- oder Oxidschicht umfasst, so kann über diese Schicht die Abwärme des Halbleiterelements abgeführt werden, oder es können etwa elektrische Kontaktierungen an dieser Schicht angebracht werden.
Sind die Halbleiterelemente der Beleuchtungseinrichtung Dünnschichtleuchtdioden mit einer Dicke typisch unterhalb 10 μm, so ist der Platzbedarf der Halbleiterelemente nur gering und besonders dünne Ausführungen der Beleuchtungseinrichtung werden ermöglicht. Dies gilt insbesondere für substratlose Dünnschichtleuchtdioden, die zudem transparent ausgeführt sein können.
Werden Halbleiterelemente verwendet, die dazu ausgestaltet sind, nach mindestens zwei Seiten hin elektromagnetische Strahlung zu emittieren, so wird es erleichtert, die Beleuchtungseinrichtung als einen homogenen Flächenstrahler zu gestalten. Auch die Anzahl notwendiger Halbleiterelemente wird reduziert.
Elektrische Leitungen zur Kontaktierung des mindestens einen Halbleiterelements in Form dünner drahtartiger Zuleitungen lassen sich leicht fertigen. Da sie außerdem nur einen kleinen Flächenanteil der Beleuchtungseinrichtung einnehmen, stören sie deren Transparenz nicht signifikant.
Elektrische Leitungen, die an mindestens einer Hauptseite des Trägermediums angebracht sind, lassen sich beispielsweise über Druckverfahren leicht herstellen. Sind elektrische Leitungen an beiden Hauptseiten des Trägermediums angebracht, so lässt sich die Leitungsführung variabel gestalten.
Sind die elektrischen Leitungen im Trägermedium eingebettet, so sind diese vor mechanischen Belastungen gut geschützt und eine besonders dünne Beleuchtungseinrichtung wird realisiert.
Eine Beeinträchtigung der Transparenz der Beleuchtungseinrichtung lässt sich weitestgehend vermeiden, sofern die elektrischen Leitungen mindestens zum Teil aus einem für die emittierte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparenten Material ausgeformt sind.
Eine flexibel handhabbare, kostengünstige und effiziente Möglichkeit, die elektrischen Leitungen auszugestalten, besteht darin, sie als Mischform zu konzipieren, d. h. die dann mehrstückig ausgeführten elektrischen Leitungen bestehen aus einer Materialkombination aus einem Metall und einem transparenten Leiter wie etwa Indiumzinnoxid.
Umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungseinrichtung einen Gießprozess, im Rahmen dessen Halbleiterelement und/oder elektrische Leitungen, zumindest zum Teil, während dieses Prozesses in das Trägermedium integriert werden, so entfallen zusätzliche Arbeitsschritte und die entstehenden Kosten lassen sich reduzieren.
Eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, das Halbleiterelement zumindest zeitweise in einer Aussparung zu fixieren, besteht durch Kleben, Löten, Stecken oder Einpressen des Halbleiterelements in der Aussparung.
Durch Umgießen des sich in einer Aussparung befindlichen Halbleiterelements kann es auf besonders einfache Art und Weise fixiert werden. Insbesondere gewährleistet das Umgießen, da kein Luftspalt zwischen Halbleiterelement und Trägermedium verbleibt, eine effiziente Einkopplung der vom Halbleiterelement emittierten Strahlung in das Trägermedium. Außerdem können dem Gießstoff Materialien wie etwa ein Konversionsmittel beigegeben werden, was etwa das Aufbringen einer Schicht eines Konversionsmittels an einer Hauptseite des Trägermediums überflüssig macht und somit Arbeitsschritte einspart.
Werden mindestens zwei Trägermedien stirnseitig aneinandergefügt und beispielsweise mittels Kleben permanent miteinander verbunden, so lassen sich auf einfache Art und Weise großflächige Beleuchtungseinrichtungen aus Basiselementen herstellen. Insbesondere wenn im Rahmen dieses Aneinanderfügens der Trägermedien die Halbleiterelemente in die Beleuchtungseinrichtung integriert werden, entfallen weitere Arbeitsschritte und das Verfahren wird besonders kostengünstig.
Werden die elektrischen Leitungen mittels eines Druckprozesses am Trägermedium angebracht, so lassen sich kostengünstig besonders großflächige Beleuchtungseinrichtungen herstellen. Da beim Drucken etwa teure Lithographie-Masken nicht benötigt werden, kann kostengünstig das Layout der Leitungen an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
Wird das Kontaktieren zwischen Halbleiterelement und Leitungen bereits im Rahmen der Platzierung des Halbleiterelements oder beim Anbringen der Leitungen vollzogen, so entfallen zusätzliche Arbeitsschritte und die Kosten des Herstellungsprozesses verringern sich.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Beleuchtungseinrichtung mit vier regelmäßig angeordneten Halbleiterelementen,
2 eine Draufsicht einer Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Halbleiterelementen,
3 eine Draufsicht a) und eine Seitenansicht b) einer Beleuchtungseinrichtung mit zwei Halbleiterelementen,
4 eine Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung mit einem Halbleiterelement,
5 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere zusätzliche Schichten umfasst,
6 eine Seitenansicht a) sowie eine Draufsicht b) einer Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Trägermedien,
7 eine schematische Darstellung einer folienartigen Beleuchtungseinrichtung, und
8 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung in Vorderansicht a) sowie als dreidimensionale Darstellung b).
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinrichtung 1 gezeigt, bei dem Halbleiterelemente 5, die dazu ausgestaltet sind, doppelseitig sichtbares Licht zu emittieren, regelmäßig und rechtwinklig in einem flächig ausgestalteten Trägermedium 2 angeordnet sind, das zwei Hauptseiten 3a, 3b aufweist. An der oberen Hauptseite 3a des Trägermediums 2 sind elektrische Leitungen 4 angebracht. Die elektrischen Leitungen 4 sind in Form von zwei Parallelschaltungen ausgeformt, die jeweils zwei Halbleiterelemente 5 versorgen. Die Leitungen 4 bestehen aus einem Metall und sind dünn und drahtförmig ausgeprägt. Die Leitungen 4 sich etwa durch ein Druckverfahren oder durch Aufdampfen an der oberen Trägerhauptseite 3a aufgebracht. An der oberen Hauptseite 3a ist ganzflächig eine Schutzschicht 7 angebracht, so dass sich die Leitungen 4 zwischen oberer Hauptseite 3a des Trägermediums 2 und Schutzschicht 7 befinden. Die Schutzschicht 7 schützt die Beleuchtungseinrichtung 1 vor mechanischer Beschädigung, wie etwa Verkratzen, und verhindert, dass die elektrischen Leitungen 4 frei liegen.
In 2 ist eine ähnliche Anordnung wie in 1 gezeigt. Allerdings sind die Halbleiterelemente 5 so ausgestaltet, dass die nur nach einer Richtung hin Licht emittieren können. Die Halbleiterelemente 5 wurden jedoch so angeordnet, dass trotzdem eine gute Ausleuchtung des Trägermediums 2 gewährleistet ist. Die elektrischen Zuleitungen 4a, 4b laufen an der oberen 3a bzw. unteren Hauptseite 3b des Trägermediums 2. Um in 2 nicht gezeigte externe Stromleitungen leicht an die Beleuchtungseinrichtung 1 anschließen zu können, sind die Enden der elektrischen Leitungen 4a, 4b in einem besonderen Raumbereich am Trägermedium 2 zusammengeführt. Senkrecht zu den Hauptseiten 3a, 3b sind Stifte an den Enden ausgebildet um nicht dargestellte externe Anschlüsse einfach zu kontaktieren. An den Stirnseiten des Trägermediums 2 ist eine reflektierende Schicht 6 angebracht, die verhindert, dass Licht über die Stirnseiten aus dem Trägermedium 2 austritt. Dadurch wird die Intensität des Lichts erhöht, das die Beleuchtungseinrichtung 1 über die Hauptseiten 3a, 3b verlässt. Die Halbleiterelemente 5 schließen, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1, jeweils im Wesentlichen bündig mit den Hauptseiten 3a, 3b des Trägermediums 2 ab.
Alternativ zu den gemäß 1 bzw. 2 als Halbleiterelemente 5 verwendeten einseitig bzw. doppelseitig emittierenden Dünnfilmdioden, welche Dicken typischerweise unterhalb von 10 μm aufweisen, lassen sich auch herkömmliche ein- bzw. doppelseitig emittierende Leuchtdioden verwenden.
Insbesondere können auch substratlose, transparente Dünnfilmdioden benützt werden. Auch können die Halbleiterelemente 5 je nach Erfordernissen über die Hauptseiten 3a, 3b des Trägermediums 2 hinausragen. Ebenso ist es möglich, dass die Dicke des Trägermediums 2 senkrecht zu den Hauptseiten signifikant größer ist als die Ausdehnung der Halbleiterelemente 5 in derselben Richtung, um etwa eine große mechanische Stabilität der Beleuchtungseinrichtung 1 zu gewährleisten.
In 3 sind die Halbleiterelemente 5 in schlitzartigen Aussparungen platziert, welche das Trägermedium 2 nicht vollständig durchdringen. Die Halbleiterelemente 5 weisen jeweils zwei Bügel 15 auf, welche aus den Aussparungen über die obere Trägerhauptseite 3a aus dem Trägermedium 2 herausragen und beim Eindrücken der Halbleiterelemente 5 in die Aussparungen eines elektrischen Kontakt zu den elektrischen Leitungen 4, 40 ausbilden. Die Leitungen sind im Bereich der Bügel 15 als Plättchen 40 mit einem weichen, elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Die elektrischen Leitungen 4 sind nur an der oberen Hauptseite 3a des Trägermediums 2 angebracht. In dem Bereich, in dem die Kontaktierung mit hier nicht gezeigten externen Anschlüssen erfolgt, sind die Leitungen 4 ebenfalls als Plättchen 40 ausgeformt. An der unteren Hauptseite 3b des Trägermediums 2 befindet sich eine reflektierende Schicht 6, sodass die von den Halbleiterelementen 5 emittierte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen die Beleuchtungseinrichtung 1 über die obere Hauptseite 3a verlässt. An der oberen Hauptseite 3a ist eine Schutzschicht 7 angebracht, so dass die elektrischen Leitungen 4 nach außen isoliert zwischen Schutzschicht 7 und oberer Hauptseite 3a liegen. Die Schutzschicht 7 ist aus einer Masse geformt, die gleichzeitig auch dazu dient, die Aussparungen, in denen sich die Halbleiterelemente 5 befinden, mindestens teilweise auszufüllen und dadurch die Halbleiterelemente 5 zusätzlich zu fixieren. Eine Haft vermittelnde Schicht 11 in Form einer flächigen Klebefolie ist weiterhin auf der dem Trägermedium 2 abgewandten Seite der Schutzschicht 7 aufgebracht.
Optional können die elektrischen Kontaktierungen zwischen Halbleiterelement 5 und Zuleitungen 4 auch verlötet werden. Auch müssen die Enden der Leitungen 4 nicht als flächige Plättchen 40 ausgestaltet sein, sondern können ohne eine solche Ausgestaltung auslaufen.
In 4 befinden sich die Halbleiterelemente 5 in einer Aussparung, welche das Trägermedium 2 komplett durchdringt. Am Halbleiterelement 5 sind Kontaktierungsflächen 5a aus transparentem Indiumzinnoxid angebracht. Diese werden mit ebenfalls aus Indiumzinnoxid gefertigten, flächig ausgestalteten Leitungen 4 an den beiden Hauptseiten 3a, 3b des Trägermediums 2 verbunden. In der Aussparung wird das Halbleiterelement 5 durch eine Gießmasse fixiert, die auch ein Konversionsmittel 8 enthält. Über das Konversionsmittel 8 können beispielsweise Standardleuchtdioden auf Galliumnitridbasis, welche im blauen Spektralbereich emittieren, verwendet werden, um eine weißes Licht abstrahlende Beleuchtungseinrichtung 1 zu bilden. Zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen sind an beiden Hauptseiten 3a, 3b des Trägermediums 2 Schutzschichten 7 angebracht.
Optional können auch mehrere verschiedene Konversionsmittel 8, auch nur für einzelne Halbleiterelemente 5, eingesetzt werden. Ebenso können an den Hauptseiten 3a, 3b des Trägermediums 2 zusätzliche, z. B. bestimmte Farben filternde Schichten aufgebracht werden. Auch eine nur lokale oder ganzflächige Nano- oder Mikrostrukturierung der Hauptseiten 3a, 3b ist anwendbar, etwa um eine gleichmäßigere Lichtabstrahlung bei gleichzeitig geringer Dicke der Beleuchtungseinrichtung 1 zu erzielen. Desweiteren besteht die Möglichkeit, die Kontaktflächen 5a aus einem thermisch leitfähigen Material, etwa einer Keramik zu gestalten, auf der elektrisch leitfähige Strukturen aufgebracht sind, über die das Halbleiterelement 5 kontaktiert wird.
Ein komplexeres Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinrichtung 1 ist in 5 gezeigt. Halbleiterelemente 5 und elektrische Leitungen 4 sind im Trägermedium 2 eingebettet. Die Halbleiterelemente 5 sind elektrisch in Reihe verschaltet. An der unteren Hauptseite 3b ist eine reflektierende Schicht 6 angebracht, welche dafür sorgt, dass das von den Halbleiterelementen 5 emittierte Licht das Trägermedium 2 über die obere Hauptseite 3a verlässt. Um eine über die gesamte Fläche der Anordnung homogene Lichtverteilung bzw. Abstrahlung zu gewährleisten, ist an der oberen Hauptseite 3a eine Schicht eines Diffusors 9 angebracht. Auf der dem Trägermedium 2 abgewandten Seite des Diffusors 9 sind weiterhin zwei um 90° gegeneinander verdrehte Prismenfolien 10 angebracht, welche auch in herkömmlichen Hintergrundbeleuchtungen für Flüssigkristall-Displays Verwendung finden. Auf der dem Trägermedium 2 abgewandten Seite der Prismenfolien 10 befindet sich eine Schicht mindestens eines Konversionsmittels 8. Weiterhin ist eine Haft vermittelnde Schicht 11 auf der dem Trägermedium 2 abgewandten Seite der Schicht des Konversionsmittels 8 angebracht, welche die Beleuchtungseinrichtung 1 mit einem Flüssigkristall-Array 12 permanent verbindet und eine effektive Lichteinkopplung in dieses sicher stellt.
Je nach Erfordernissen an die Homogenität des abgestrahlten Lichts, lässt sich der beschriebene Aufbau aber auch vereinfachen. Beispielsweise lassen sich die Prismenfolien 10 auch als Oberflächenstruktur bereits in das Trägermedium 2 mit integrieren, oder der Diffusor 9 kann weggelassen werden. Die reflektierende Schicht 6 kann auch so strukturiert werden, dass sie die Wirkung eines Diffusors 9 für das reflektierte Licht entfalten kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 finden zwei aus Glas bestehende Trägermedien 2 Verwendung. Dabei ist ein Trägermedium 2 mit einer Nut versehen, in der sich die Halbleiterelemente 5 befinden. Außerdem wird durch die Nut verhindert, dass durch das Aneinanderfügen der Trägermedien 2 die Halbleiterelemente 5 zu große mechanische Belastung erfahren. Die Halbleiterelemente 5 werden elektrisch beim Aneinanderfügen kontaktiert, indem sie an weiche, transparente kalottenartig geformte Plättchen 40 gedrückt werden, die sich dadurch plastisch oder elasto-plastisch verformen. Auch die eine Parallelschaltung bildenden elektrischen Leitungen 4 sind aus einem transparenten Material gestaltet. Der Zwischenraum zwischen beiden Trägermedien 2 ist mit einer Haft vermittelnden Schicht 11 ausgefüllt, welche einerseits die Halbleiterelemente 5 fixiert und andererseits beide Trägermedien 2 permanent miteinander verbindet. Auf diese Weise lässt sich, falls deutlich mehr als zwei Trägermedien 2 verwendet werden, eine großflächige und aus einfachen Basiselementen bestehende Beleuchtungseinrichtung 1 realisieren.
Alternativ zu der in 6 gezeigten Anordnung lassen sich auch Trägermedien 2 aneinanderfügen, deren Stirnseiten entweder keine oder auch eine komplexer geformte Nut aufweisen. Im letzteren Fall kann beispielsweise erreicht werden, dass die Halbleiterelemente 5 einfacher und/oder exakter positioniert werden können. Bezüglich der Verwendung von Schutzschichten 7, reflektierender Schichten 6 und der Verwendung von Konversionsmitteln 8 sowie der Ausformung der elektrischen Leitungen 4 gilt, dass alle in den vorherigen Anführungsbeispielen gezeigten Varianten selbstverständlich auch hier verwendet und kombiniert werden können. Entsprechendes gilt für die folgenden Ausführungsbeispiele.
7 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung 1, bei der das Trägermedium 2 als Folie ausgestaltet ist. Die beidseitig emittierenden Halbleiterelemente 5 sind in Dünnschichtbauform ausgeführt. Die Halbleiterelemente 5 sind so ausgeformt, dass deren Ausdehnung senkrecht zu den Hauptseiten 3 des Trägermediums 2 mit der Dicke der verwendeten Folie vergleichbar ist, die Halbleiterelemente 5 aber ein größere Ausdehnung in Richtung entlang der Hauptseiten 3 aufweisen, um über eine ausreichend große strahlende Fläche zu verfügen. Elektrisch verbunden sind die Halbleiterelemente 5 mit dünn auf die Folie aufgebrachten drahtartigen Leitungen 4. Da elektrische Leitungen 4 aufgedruckt und Halbleiterelemente 5 etwa in Ausstanzungen eingefügt werden können, sind kostengünstige, großflächige, mechanisch flexible Beleuchtungseinrichtungen 1 möglich. Die Gesamtdicke der Beleuchtungseinrichtung 1 kann, je nach Erfordernissen, auf unter 100 μm reduziert werden.
Bei der in 8 gezeigten Beleuchtungseinrichtung 1 ist die obere Hauptseite 3a des Trägermediums 2 prismenartig strukturiert. Die Halbleiterelemente 5 sind an der oberen Hauptseite 3a, die aus den Seitenflächen der Prismen gebildet wird, angebracht. Die elektrischen Leitungen 4 verlaufen längs der Seitenflächen. Es werden beispielsweise zwei verschiedene Arten von Halbleiterelementen 5 verwendet, gekennzeichnet durch runde bzw. rechteckige Grundrisse, die in unterschiedlichen Spektralbereichen emittieren. Über die prismenartige Struktur der Oberseite des Trägermediums 2 wird erstens ein leichtes Anbringen der Halbleiterelemente 5 ermöglicht, zweitens entsteht des Weiteren eine Struktur, die das von den Halbleiterelementen 5 emittierte Licht längs der Hauptausdehnungsrichtungen des Trägermediums 2 verteilt. Das Prinzip gleicht dem in herkömmlichen Anordnungen verwendeter separater Prismenfolien. An der unteren Hauptseite 3b ist ein in Transmission wirkender Filter 13 angebracht, welcher unterteilt ist und somit in unterschiedlichen Flächenbereichen der Beleuchtungseinrichtung 1 nach unten hin unterschiedliche Farben transmittieren lässt. Unterhalb des Filters 13 ist als letzte Schicht eine holographische Strukturierung 14 angebracht. An der oberen Hauptseite 3a ist eine Schutzschicht 7 aufgebracht, so dass die Halbleiterelemente 5 und Leitungen 4 zwischen Schutzschicht 7 und oberer Hauptseite 3a eingeschlossen sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden in 8b die Leitungen 4 nicht eingetragen.
Leicht ermöglicht wird es mit dieser Art Anordnung auch, etwa jedes einzelne Prismendach als eine separate elektrische Schaltung auszuformen und dadurch eine Art Zeilendisplay zu realisieren. Die Strukturierung der oberen Hauptseite 3a muss nicht prismenartig ausgeführt sein, wie in 8 gezeigt, sondern kann etwa kreuzrippenartige oder pyramidale Geometrien beinhalten. Auch hier können wieder Konversionsmittel 8, reflektierende Schichten 6, die ebenfalls eine farbfilternde Wirkung entfalten können, oder Schutzschichten 7 verwendet und miteinander kombiniert werden.

Claims

Beleuchtungseinrichtung (1) mit – mindestens einem einstückigen, im wesentlichen flächigen Trägermedium (2), das aus einem Feststoff gebildet ist, mit zwei gegenüberliegenden Hauptseiten (3), – mindestens zwei elektrischen Leitungen (4), und – mindestens einem Halbleiterelement (5), das dazu ausgestaltet ist, elektromagnetische Strahlung mindestens zum Teil in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, in dem das Trägermedium (2) im wesentlichen transparent ist, wobei das Halbleiterelement (5) derart in das Trägermedium (2) eingebettet ist, dass es im wesentlichen entlang mindestens einer Hauptausdehnungsrichtung des Trägermediums (2) emittiert.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Trägermediums (2), senkrecht zu den Hauptseiten (3), im wesentlichen der Ausdehnung des Halbleiterelements (5), in derselben Richtung, entspricht.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleiterelement (5) so in das Trägermedium (2) eingebettet ist, dass sich zwischen diesem und dem Halbleiterelement (5) kein freier Raum befindet, der mit einem Gas ausgefüllt oder evakuiert ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (5) vollständig im Trägermedium (2) eingebettet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mindestens ein Halbleiterelement (5) an einer Stirnfläche oder einer der Hauptseiten (3) des Trägermediums (2) platziert ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche mit mindestens drei Halbleiterelementen (5).
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die Halbleiterelemente (5) in einer zweidimensionalen Anordnung in das Trägermedium (2) eingebettet sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (5) in einer Aussparung platziert ist, die im wesentlichen die Abmessungen des Halbleiterelements (5) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (5) in einer schlitzartigen Aussparung des Trägermediums (2) eingebettet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei an einer Hauptseite (3) des Trägermediums (2) zumindest teilweise eine reflektierende Schicht (6) angebracht ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei an einer Hauptseite (3) des Trägermediums (2) zumindest teilweise mindestens ein Konversionsmittel (8) angebracht ist, das dazu geeignet ist, die vom Halbleiterelement (5) emittierte Strahlung mindestens zum Teil in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umzuwandeln.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Trägermedium (2) mindestens eine refraktiv oder diffraktiv wirkende optische Schicht umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 12, wobei die optische Schicht ein Koppelmedium, einen Oberflächen- oder Volumendiffusor, eine Prismenfolie, ein Beugungsgitter, eine holographische Strukturierung und/oder eine Nano- oder Mikrostrukturierung umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, welche mindestens einen in Transmission oder Reflexion wirkender Filter (13) für mindestens einen Teil der emittierten elektromagnetischen Strahlung umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, an der mindestens eine Schutzschicht (7) gegen mechanische Beschädigung wie Verkratzen oder Abrieb, oder gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, angebracht ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, die mindestens eine haftvermittelnde Schicht (11) umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, welche mindestens eine elektrisch isolierende Schicht umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei ein Hauptbestandteil des Trägermediums (2) ein Glas oder ein Kunststoff ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 18, wobei das Trägermedium (2) im wesentlichen aus einem thermoplastischen Material besteht.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Trägermedium (2) eine Folie ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Trägermedium (2) zumindest teilweise ein thermisch leitfähiges Material beinhaltet und/oder mindestens eine als Wärmesenke fungierende Schicht umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, die mechanisch flexibel ausgestaltet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, die im sichtbaren Spektralbereich im wesentlichen transparent ausgestaltet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mindestens eine Stirnseite des Trägermediums (5) verspiegelt ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mindestens eine Hauptseite (3) des Trägermediums (2) eine Licht verteilende Strukturierung aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 25, wobei die Strukturierung prismenartig ausgeformt ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 25 oder 26, wobei das Halbleiterelement (5) im Bereich der Strukturierung in das Trägermedium (2) eingebettet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (5) als ein heterogenes System ausgestaltet ist, das mindestens eine keramische, glasartige, Polymer- oder Oxidschicht umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (5) eine Dünnschicht-Leuchtdiode ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (5) eine substratlose Dünnschicht-Leuchtdiode ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (5) dazu ausgestaltet ist, nach mindestens zwei Seiten hin elektromagnetische Strahlung zu emittieren.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektrischen Leitungen (4) drahtartig ausgeführt sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektrischen Leitungen (4) an mindestens einer Hauptseite (3) des Trägermediums (2) angebracht sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektrischen Leitungen (4) im Trägermedium (2) eingebettet sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektrischen Leitungen (4) mindestens zum Teil aus einem für die emittierte elektromagnetische Strahlung im wesentlichen transparenten Material ausgeformt sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektrischen Leitungen (4) mehrstückig als Mischform, d. h. aus mehreren verschiedenen Materialien bestehend, ausgestaltet sind.
Verfahren zu Herstellung einer Beleuchtungseinrichtung (1) mit den Schritten – Bereitstellen eines einstückigen, im wesentlichen flächigen und transparenten Trägermediums (2), – Bereitstellen und Anbringen mindestens eines Halbleiterelements (5), das mindestens zum Teil in einem Wellenlängenbereich elektromagnetische Strahlung emittiert, in dem das Trägermedium (2) transparent ist, wobei das Halbleiterelement (5) mindestens entlang einer Hauptausdehnungsrichtung des Trägermediums (2) emittiert, und – Anbringen von mindestens zwei elektrischen Leitungen (4).
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Trägermedium (2) mittels eines Gießprozesses hergestellt wird, und das Halbleiterelement (5) und/oder die elektrischen Leitungen (4) mindestens zum Teil während dieses Prozesses in das Trägermedium (2) integriert werden.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Anbringen des Halbleiterelements (5) ein mindestens zeitweises Fixieren in einer Aussparung durch Kleben, Löten, Stecken oder Einpressen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 37 oder 39, wobei das Halbleiterelement (5) durch Umgießen in der Aussparung fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 38 oder 40, wobei der Gießstoff mindestens zum Teil mindestens ein Konversionsmittel enthält, das dazu geeignet ist, die vom Halbleiterelement (5) emittierte Strahlung zumindest teilweise in eine Strahlung einer anderen Frequenz umzuwandeln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 41, wobei mindestens zwei Trägermedien (2) stirnseitig aneinander gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das Halbleiterelement (5) im Rahmen des Aneinanderfügens der Trägermedien (2) mit der Beleuchtungseinrichtung (1) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 43, wobei die elektrischen Leitungen (4) mittels eines Druckprozesses, Aufdampfens oder eines photo-lithographischen Verfahrens am Trägermedium (2) angebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 44, wobei die elektrische Kontaktierung zwischen Halbleiterelement (5) und Leitungen (4) ohne zusätzlichen Arbeitsschritt bereits im Rahmen der Platzierung der Halbleiterelemente (5) oder beim Anbringen der Leitungen (4) vollzogen wird.