DE102009042434A1 - Lighting device, lamp with the lighting device and method for producing a lighting device - Google Patents
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Abstract
Die Leuchtvorrichtung (3) weist mindestens ein Substrat (4) auf, das einseitig mit mindestens einer Lichtquelle (6) bestückt ist, wobei das Substrat (4) ein lichtdurchlässiges Basismaterial aufweist. Die Lampe (1) weist mindestens eine Leuchtvorrichtung (3) aufweist, wobei die Leuchtvorrichtung (3) in einem Kolben (2), insbesondere zylinderförmigen Glaskolben, eingebracht ist. Bei einem Verfahren zum Herstellen der Leuchtvorrichtung (3) wird das Basismaterial zusammen mit der Leiterstruktur (7) gebrannt. Bei einem anderen Verfahren zum Herstellen der Leuchtvorrichtung (3) wird die Leiterstruktur (7) in das gebrannte Basismaterial eingebrannt.The lighting device (3) has at least one substrate (4) which is equipped on one side with at least one light source (6), the substrate (4) having a transparent base material. The lamp (1) has at least one lighting device (3), the lighting device (3) being introduced into a bulb (2), in particular a cylindrical glass bulb. In a method for producing the lighting device (3), the base material is fired together with the conductor structure (7). In another method for producing the lighting device (3), the conductor structure (7) is burned into the fired base material.
Description
Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, die mindestens ein Substrat aufweist, das einseitig mit mindestens einer Lichtquelle bestückt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Lampe mit mindestens einer solchen Leuchtvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem Verfahren zum Herstellen einer solchen Leuchtvorrichtung.The invention relates to a lighting device having at least one substrate which is equipped on one side with at least one light source. The invention further relates to a lamp with at least one such lighting device. The invention also relates to methods for producing such a lighting device.
Bei einer LED-Lampe werden häufig ein oder mehrere mit Leuchtdioden (LEDs) bestückte Substrate eingesetzt. Für eine Realisierung einer, räumlichen Lichtverteilung von mehr als 180° in einer solchen LED-Lampe, z. B. einer LED-Retrofitlampe, können bisher mehrere starre Substrate eingesetzt werden, die einseitig mit LEDs bestückt sind und wobei die Substrate zueinander verdreht anordnet sind, z. B. um 180° verdreht. Dabei ist nachteilig, dass die Verwendung der mehreren bestückten Substrate teuer ist und viel Platz benötigt. Alternativ kann ein Substrat verwendet werden, das beidseitig mit LEDs bestückt ist. Während so ein benötigter Bauraum klein gehalten werden kann, ist die beidseitige Bestückung vergleichsweise aufwendig. Noch eine Alternative ist eine Verwendung einseitig bestückter starrer Substrate mit nachgeschalteten Lichtleitern, was jedoch aufwendig und teuer ist. Eine weitere Alternative besteht in der Verwendung bandförmiger biegsamer Substrate, die so gebogen sind, dass die auf ihnen aufgebrachten Leuchtdioden in verschiedene Raumsektoren strahlen. Die Verwendung der biegsamen Substrate weist den Nachteil auf, dass auch hier ein vergleichsweise großer Bauraum benötigt wird und zudem das Substrat nicht oder nur mit vergleichsweise kleinen elektronischen Bauelementen bestückt werden kann.In an LED lamp, one or more light emitting diodes (LEDs) equipped with substrates are often used. For a realization of a spatial light distribution of more than 180 ° in such an LED lamp, z. B. a LED retrofit lamp, so far, several rigid substrates can be used, which are equipped with LEDs on one side and wherein the substrates are arranged rotated to each other, z. B. twisted by 180 °. It is disadvantageous that the use of the several stocked substrates is expensive and requires a lot of space. Alternatively, a substrate can be used which is equipped with LEDs on both sides. While such a required space can be kept small, the two-sided assembly is relatively expensive. Yet another alternative is to use one-sided equipped rigid substrates with downstream optical fibers, which is complicated and expensive. Another alternative is to use band-shaped flexible substrates that are bent so that the LEDs applied to them radiate into different spatial sectors. The use of the flexible substrates has the disadvantage that here too a comparatively large space is required and also the substrate can not be equipped or only with comparatively small electronic components.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leuchtvorrichtung bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine radiale Lichtabstrahlung in einen Winkelbereich von mehr als 180° auf vergleichsweise einfache und kompakte Weise ermöglicht.It is the object of the present invention to provide a lighting device which avoids the above-mentioned disadvantages and in particular allows a radial light emission in an angular range of more than 180 ° in a comparatively simple and compact manner.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments are in particular the dependent claims.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens ein Substrat, das einseitig mit mindestens einer Lichtquelle bestückt ist. Das Substrat weist ein lichtdurchlässiges Basismaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/(m·K) auf. Durch die Verwendung des lichtdurchlässigen Basismaterials kann auf eine kompakte Weise das von der mindestens einen Lichtquelle direkt abgestrahlte oder umgelenkte, z. B. einfach reflektierte, Licht durch das Substrat hindurch in den Halbraum gerichtet werden, welcher der Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen entgegengerichtet ist ('rückwärtiger Halbraum'). Dadurch kann ein Abstrahlwinkel der Leuchtvorrichtung von mehr als 180° erreicht werden, wobei ein Lichtanteil auf der Rückseite auf einfache Weise ohne zusätzlich Lichtquellen erzeugbar ist. Durch die Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/(m·K) kann das Substrat auch als ein effektiver Kühlkörper dienen, z. B. im Gegensatz zu Glas, das eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von lediglich ca. 1 W/(m·K) aufweist. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit kann das Substrat auch als ein Kühlkörper wirken, und es kann ein zusätzlicher Kühlkörper kleiner und preiswerter ausfallen, oder es kann sogar auf einen zusätzlichen Kühlkörper zumindest an dem Substrat verzichtet werden.The object is achieved by a lighting device, comprising at least one substrate which is equipped on one side with at least one light source. The substrate has a translucent base material with a thermal conductivity of at least 10 W / (m · K). Through the use of the translucent base material can be in a compact manner directly from the at least one light source radiated or deflected, z. B. simply reflected, light are directed through the substrate into the half-space, which is opposite to the main emission of the light sources ('rear half space'). As a result, a radiation angle of the lighting device of more than 180 ° can be achieved, wherein a proportion of light on the back can be generated in a simple manner without additional light sources. Due to the thermal conductivity of at least 10 W / (m · K), the substrate can also serve as an effective heat sink, for. B. in contrast to glass, which has a thermal conductivity in a range of only about 1 W / (m · K). Due to the high thermal conductivity, the substrate can also act as a heat sink, and it can be an additional heat sink smaller and cheaper, or it can even be dispensed with an additional heat sink at least on the substrate.
Das Substrat kann insbesondere ein starres Substrat sein.In particular, the substrate may be a rigid substrate.
Die mindestens eine Lichtquelle kann insbesondere mindestens eine Halbleiterlichtquelle umfassen, z. B mindestens eine Leuchtdiode oder mindestens eine Laserdiode. Als Leuchtdiode(n) kann bzw. können gehäuste Leuchtdioden, z. B. Einzel-LEDs, und/oder sog. 'Bare-Die'-LEDs, welche z. B. ein oder mehrere flächige, auf einer Oberfläche eine Submounts montierte LED-Chips aufweisen, verwendet werden.The at least one light source may in particular comprise at least one semiconductor light source, for. B at least one light emitting diode or at least one laser diode. As a light-emitting diode (s) can or can be light-emitting diodes, z. B. single LEDs, and / or so-called. 'Bare die' LEDs, which z. B. have one or more flat, on a surface a submounts mounted LED chips used.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Basismaterial eine Lichtdurchlässigkeit von mindestens 95% aufweist. Dadurch wird eine Erreichung einer hohen Lichtstärke in dem rückwärtigen, Halbraum ermöglicht. Das Basismaterial kann dazu insbesondere eine Lichtdurchlässigkeit von mindestens 99% aufweisen.It is an embodiment that the base material has a light transmittance of at least 95%. This makes it possible to achieve a high light intensity in the rear, half-space. The base material may in particular have a light transmittance of at least 99%.
Es ist zur Homogenisierung der angestrahlten Lichts vorteilhaft, wenn das Substrat diffus lichtdurchlässig ist.It is advantageous for the homogenization of the irradiated light when the substrate is diffusely translucent.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die Lichtquelle einen Abstrahlwinkel von mehr als 180° aufweist, also auch teilweise rückwärts strahlt. Dadurch kann Licht von der Lichtquelle direkt durch das Substrat in den rückwärtigen Halbraum abgestrahlt werden.It is a further embodiment that the light source has a radiation angle of more than 180 °, that is also partially radiating backwards. This allows light from the light source directly through the Substrate are emitted in the rear half space.
Es ist eine zur Erreichung einer teilweise rückwärtig strahlenden Lichtquelle mögliche Ausgestaltung, dass die Lichtquelle mindestens eine Linse aufweist und die mindestens eine Linse der Lichtquelle verschiedene Füllgrade eines Leuchtmittels oder Leuchtstoffs aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann die Linse mit einer zumindest teilweise reflektierenden Spiegelschicht ausgestattet sein, welche so ausgelegt ist, dass sie einen Teil des von einer Emitterfläche der Leuchtdiode emittierten Lichts in den rückwärtigen Halbraum reflektiert.It is a possible embodiment for achieving a partially backward radiating light source that the light source has at least one lens and the at least one lens of the light source has different fill levels of a luminous means or phosphor. Additionally or alternatively, the lens may be provided with an at least partially reflecting mirror layer which is designed such that it reflects a part of the light emitted by an emitter surface of the light-emitting diode into the rear half-space.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das Basismaterial eine Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 30 W/(m·K) aufweist. Dadurch kann das Substrat als ein besonders effektiver Kühlkörper z. B. zur Wärmespreizung und/oder Wärmeableitung verwendet werden.It is a further embodiment that the base material has a thermal conductivity λ of at least 30 W / (m · K). This allows the substrate as a particularly effective heat sink z. B. are used for heat spreading and / or heat dissipation.
Die Leuchtvorrichtung kann zusätzlich ein oder mehrere dedizierte Kühlkörper aufweisen.The lighting device may additionally have one or more dedicated heat sinks.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Substrat eine Dicke von mindestens 0,5 mm bis 2 mm aufweist. Auch dadurch wird eine Verwendung als ein Kühlkörper unterstützt.It is still an embodiment that the substrate has a thickness of at least 0.5 mm to 2 mm. This also supports use as a heat sink.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Basismaterial ein transparentes Keramikmaterial, insbesondere Oxidkeramik, ist. Transparentes Keramikmaterial weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von typischerweise 20 W/(m·K) oder mehr auf, ist mechanisch belastbar und thermisch widerstandsfähig.It is also an embodiment that the base material is a transparent ceramic material, in particular oxide ceramic. Transparent ceramic material has a high thermal conductivity of typically 20 W / (m · K) or more, is mechanically strong and thermally resistant.
Es ist dazu eine Ausgestaltung, dass das Basismaterial ein PCA (”Polycrystalline Alumina”; Polykristallines Aluminiumoxid)-Material ist. Das PCA-Material besteht in seiner Grünkörperform typischerweise aus einem Aluminiumoxid-Pulver mit weiteren Metalloxiden, wie z. B. Lanthan-, Gadolinium und/oder Yttriumoxid, welche durch einen Sinterprozess bei ca. 850°C in einen Festkörper umgewandelt werden. Das PCA-Material zeichnet sich dadurch aus, dass es und somit sowohl diffus lichtdurchlässig mit einer Lichtdurchlässigkeit von mindestens 99% ist, gut wärmeleitend mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/(m·K) ist als auch als sinterfähiges Material hochgradig wärmebeständig ist. PCA ist zudem hochgradig bruchsicher.It is an embodiment that the base material is a PCA ("Polycrystalline Alumina") material. The PCA material in its green body form typically consists of an alumina powder with other metal oxides, such as. As lanthanum, gadolinium and / or yttrium oxide, which are converted by a sintering process at about 850 ° C in a solid. The PCA material is characterized by the fact that it is both diffusely translucent with a light transmittance of at least 99%, has good thermal conductivity with a thermal conductivity of at least 30 W / (m · K) and is highly heat-resistant as a sinterable material. PCA is also highly resistant to breakage.
Alternativ können lichtdurchlässige Keramiken mit oder aus ZrO2 oder auch Glaskeramiken verwendet werden.Alternatively, translucent ceramics with or made of ZrO 2 or even glass ceramics can be used.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung mehrere mit der mindestens einen Lichtquelle bestückte Substrate aufweist. Dadurch kann auf einfache weise eine Lichtstärke erhöht werden.It is also an embodiment that the lighting device has a plurality of substrates equipped with the at least one light source. As a result, a light intensity can be increased in a simple manner.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Substrat ein gesintertes Basismaterial und mindestens eine daran eingebrannte Leiterstruktur aufweist. Dies weist den Vorteil auf, dass die Leiterstruktur (Leiterbahnen, Kontaktfelder usw.) sehr abriebfest und langlebig ist und gleichzeitig das Basismaterial die Brenntemperaturen aushalten kann.It is yet another embodiment that the substrate comprises a sintered base material and at least one conductor structure baked thereon. This has the advantage that the conductor structure (conductors, contact fields, etc.) is very resistant to abrasion and long-lasting and at the same time the base material can withstand the firing temperatures.
Allgemein kann das Substrat bzw. kann die Leuchtvorrichtung linear länglich, gebogen oder in einer anderen beliebigen Form und Kontur ausgestaltet sein.In general, the substrate or the lighting device can be linearly elongated, bent or configured in any other desired shape and contour.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Lampe, wobei die Lampe mindestens eine Leuchtvorrichtung wie oben beschrieben aufweist, wobei die Leuchtvorrichtung in einen lichtdurchlässigen Kolben eingebracht ist.The object is also achieved by a lamp, wherein the lamp has at least one lighting device as described above, wherein the lighting device is incorporated in a translucent piston.
Der Kolben kann ein Kunststoffkolben oder ein Glaskolben sein. In einer Weiterbildung kann der Kolben ein gestreckter, insbesondere zylinderförmiger Kolben sein. Dadurch können insbesondere eine Linienlampe oder eine Leuchtstoffröhre ersetzt werden.The piston may be a plastic piston or a glass bulb. In a further development, the piston can be an elongated, in particular cylindrical piston. As a result, in particular a line lamp or a fluorescent tube can be replaced.
In einer besonderen Weiterbildung kann der zylinderförmige Kolben ein zylinderförmiger Glaskolben sein. Die Verwendung von Glas weist den Vorteil einer hohen mechanischen Verschleißfestigkeit (z. B. gegenüber Kratzern), Temperaturbeständigkeit und Materialbeständigkeit (z. B. gegenüber einer lichtinduzierten Verfärbung) auf.In a particular embodiment, the cylindrical piston may be a cylindrical glass bulb. The use of glass has the advantage of a high mechanical wear resistance (eg against scratches), temperature resistance and material resistance (eg to light-induced discoloration).
Die Lampe kann beispielsweise so hergestellt werden, dass die Leuchtvorrichtung bzw. das bestückte Substrat in den zumindest einseitig offenen Kolben eingeschoben wird und die mindestens eine Öffnung dann verschlossen wird.The lamp can for example be made so that the lighting device or the assembled substrate is inserted into the at least one side open piston and the at least one opening is then closed.
Es ist dazu eine Weiterbildung, dass die Leuchtvorrichtung bzw. das bestückte Substrat in einen zumindest einseitig offenen Glaskolben eingeschoben wird und die mindestens eine endständige Öffnung dann durch Verschmelzen verschlossen wird. Dabei ist eine Verwendung eines temperaturbeständigen, Substratmaterials der Leuchtvorrichtung, wie das PCA-Material, vorteilhaft.It is a further development that the lighting device or the assembled substrate is inserted into a glass bulb open at least on one side and the at least one terminal opening is then closed by fusing. In this case, a use of a temperature-resistant, substrate material of the lighting device, such as the PCA material, advantageous.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Kolben in einer Abstrahlrichtung der mindestens einen Lichtquelle zumindest teilweise verspiegelt ist. So lässt sich auf besonders einfache Weise eine Lichtstärke in dem rückwärtigen Halbraum verstärken.It is an embodiment that the piston is at least partially mirrored in a radiation direction of the at least one light source. This makes it possible to amplify a light intensity in the rear half space in a particularly simple manner.
Es ist eine besondere Ausgestaltung, dass die Verspiegelung eine teilweise durchlässige Verspiegelung ist, um eine möglichst gleichförmige Lichtabstrahlcharakteristik, insbesondere radiale Lichtabstrahlcharakteristik, zu erlangen und den vorderen Halbraum nicht übermäßig abzudunkeln.It is a particular embodiment that the mirror coating is a partially permeable Mirroring is to obtain a uniform as possible Lichtabstrahlcharakteristik, in particular radial Lichtabstrahlcharakteristik, and not darken the front half space excessively.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Basismaterial, falls es gebrannt werden kann (z. B. das PCA-Material), zusammen mit der Leiterstruktur gebrannt wird ('co-fired'). Dadurch kann die Leuchtvorrichtung in einem einzigen Brennvorgang hergestellt werden.It is still another embodiment that the base material, if it can be fired (eg, the PCA material), is fired together with the conductor pattern ('co-fired'). As a result, the lighting device can be produced in a single firing process.
Es ist eine alternative Ausgestaltung, dass die Leiterstruktur in das bereits gebrannte, insbesondere gesinterte, Basismaterial eingebrannt wird ('post-fired'). Dadurch kann eine Schrumpfung an der Leiterstruktur vermieden werden.It is an alternative embodiment that the conductor structure is burned into the already fired, in particular sintered, base material ('post-fired'). As a result, a shrinkage on the conductor structure can be avoided.
Die Art des Einbrennens der Leiterstruktur, ob z. B. ein Co-Firing-Prozess oder ein Post-Firing-Prozess angewandt wird, kann unter anderem davon abhängig gemacht werden, was für eine Art von Pastensystem für die Leiterstruktur verwendet wird.The type of burn-in of the conductor structure, whether z. For example, a co-firing process or a post-firing process may be applied depending, among other things, on what kind of paste system is used for the ladder structure.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Leiterstruktur mittels eines Siebdrucks auf das (je nach Herstellungsart gebrannte oder noch nicht gebrannte) Substrat gedruckt wird. Dadurch kann auf einfache und preiswerte Weise die Leiterstruktur aufgebracht werden.It is also an embodiment that the conductor structure is printed by means of a screen printing on the (fired depending on the production or not yet fired) substrate. As a result, the conductor structure can be applied in a simple and inexpensive manner.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.In the following figures, the invention will be described schematically with reference to an embodiment schematically. In this case, the same or equivalent elements may be provided with the same reference numerals for clarity.
Die Leuchtdioden
Durch die Verwendung des PCA-Materials mit der Dicke von mindestens 0,5 mm kann das Substrat
Die Leichtdioden
Bei einem Betrieb der Lampe
Die Aufteilung der Lichtverteilung in den oberen Halbraum und den unteren Halbraum hängt von der Auslegung der Lampe
Die Lampe
Die teilweise reflektierende Schicht
An der Schicht
Allgemein kann die Lampe
Die Lampe
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf. das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.Of course, the present invention is not on. limited the embodiment shown.
So kann das Substrat auch aus einem lichtdurchlässigen Kunststoff aufgebaut sein, z. B. aus PET.Thus, the substrate may also be constructed of a translucent plastic, for. B. made of PET.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- LED-LampeLed lamp
- 22
- Glaskolbenflask
- 33
- Leuchtvorrichtunglighting device
- 44
- Substratsubstratum
- 55
- Oberseite des SubstratsTop of the substrate
- 66
- Leuchtdiodeled
- 77
- Leiterstrukturconductor structure
- 88th
- Linselens
- 99
- Emitterflächeemitter area
- 1010
- reflektierende Schichtreflective layer
- dd
- Pitchabstandpitch distance
- LL
- Lichtstrahlbeam of light
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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