DE102011013504A1

DE102011013504A1 - Licht emittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102011013504A1
Application number: DE102011013504A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gärtner Christian; Jan Marfeld; Dr. Markytan Ales
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: CN103443920A; WO2012120084A1; US8981394B2; US20130299857A1; DE102011013504B4; CN103443920B

Abstract

Es wird eine licht emittierende Vorrichtung mit zumindest einem ersten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (1), das im Betrieb rotes Licht abstrahlt, zumindest einem zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (2) mit einem Wellenlängenkonversionselement und zumindest einem dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (3) mit einen Wellenlängenkonversionselement angegeben, wobei das zweite und dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement (2, 3) jeweils blaues Primärlicht und konvertiertes Sekundärlicht abstrahlen und die jeweilige Überlagerung des Primär- und Sekundärlichts des zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelements (2, 3) unterschiedliche Farbortkoordinaten aufweist.

Description

Licht emittierende Dioden (LEDs) werden heutzutage vielfach für Beleuchtungszwecke eingesetzt. Da LEDs typischerweise schmalbandiges, einfarbiges Licht erzeugen, das ein quasi-monochromatisches Spektrum aufweist, müssen zur Erzeugung von weißem Licht mehrere verschiedenfarbige LEDs oder eine oder mehrere LEDs mit einem zusätzlichen Wellenlängen konvertierenden Farbstoff kombiniert werden.
Eine übliche Kombination von LEDs zur Erzeugung weißen Lichts umfasst quasi-monochromatische rote LEDs mit einer Peak-Wellenlänge im Bereich von etwa 600 bis 700 nm, quasi-monochromatische grüne LEDs mit einer Peak-Wellenlänge im Bereich von etwa 530 bis 570 nm und quasi-monochromatische blaue LEDs mit einer Peak-Wellenlänge im Bereich von etwa 440 bis 475 nm. Zu dieser sogenannten RGB-Kombination können gegebenenfalls auch noch LEDs mit weiteren Farben hinzugefügt werden.
Weiterhin ist es auch bekannt, in einer sogenannten RBW-Kombination die vorgenannten roten und blauen LEDs mit einer oder mehreren weiß-konvertierten blauen LEDs zu kombinieren, die blaues Licht erzeugen und einen Farbstoff aufweisen, der durch einen Teil des blauen Lichts zur Abstrahlung von Licht mit längeren Wellenlängen angeregt wird, das in Überlagerung mit dem unkonvertierten Teil des blauen Lichts der LED weißes Licht ergibt.
Durch Veränderung der jeweils von den einzelnen LEDs abgestrahlten Lichtintensitäten kann verschiedenfarbiges Mischlicht, beispielsweise auch weißes Licht mit verschiedenen Farbtemperaturen, erzeugt werden. Dabei werden jedoch die einzelnen LEDs je nach der zu erzielenden Mischfarbe üblicherweise mit geringen Intensitäten betrieben, wodurch die Gesamtintensität des Mischlichts niedrig ist. Zur Erreichung eines gewissen Lichtstroms kann dadurch erforderlich sein, eine größere Anzahl von LEDs zu verwenden, wodurch die Gesamtkosten für die LEDs steigen.
Es ist auch bekannt, zumindest zwei oder mehrere weißkonvertierte LEDs zu kombinieren, die jeweils einen Farbort aufweisen, der auf oder nahe der Weißkurve eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers liegen. Die Farborte und die Weißkurve beziehen sich dabei auf die bekannte CIE-1931-Farborttafel beziehungsweise CIE-Normfarbtafel. Bei einer solchen Kombination mit weiß-konvertierten LEDs kann es jedoch vorkommen, dass die Überlagerung des jeweils abgestrahlten weißen Lichts selbst nicht auf der Weißkurve liegt oder zumindest Bereiche auf der Weißkurve nicht erreichbar sind, insbesondere wenn nur zwei verschiedene weiß emittierende LEDs oder LED-Gruppen verwendet werden.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Licht emittierende Vorrichtung anzugeben, das im Betrieb Licht mit mehreren Wellenlängen abstrahlen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Licht emittierende Vorrichtung zumindest drei Licht emittierende Halbleiterbauelemente auf, die voneinander verschiedenfarbiges Licht abstrahlen.
Sichtbares Licht kann hier und im Folgenden beispielsweise durch seinen Farbort mit cx- und cy-Farbortkoordinaten gemäß der einem Fachmann bekannten so genannten CIE-1931-Farborttafel beziehungsweise CIE-Normfarbtafel charakterisierbar sein. Verschiedenfarbiges Licht kann dabei Licht mit unterschiedlichen Farbortkoordinaten sein.
Als weißes Licht oder Licht mit einem weißen Leucht- oder Farbeindruck kann hier und im Folgenden Licht mit einem Farbort bezeichnet werden, der dem Farbort eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers entspricht oder um weniger als 0,23 und bevorzugt um weniger als 0,07 in cx- und/oder cy-Farbortkoordinaten vom Farbort eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers abweicht.
Weiterhin kann als „warmweiß” hier und im Folgenden ein Leuchteindruck bezeichnet sein, der eine Farbtemperatur von kleiner oder gleich 4000 K, was auch als „neutral-weiß” bezeichnet werden kann, und bevorzugt kleiner oder gleich 3500 K aufweist. Weiterhin kann als warmweiße Farbtemperatur eine Farbtemperatur kleiner oder gleich den vorgenannten Werten und größer oder gleich 2000 K und besonders bevorzugt größer oder gleich 2400 K bezeichnet sein. Als „kaltweiß” kann hier und im Folgenden ein weißer Leuchteindruck bezeichnet sein, der eine Farbtemperatur von größer als 5500 K aufweist. Der Begriff „Farbtemperatur” kann hier und im Folgenden die Farbtemperatur eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers bezeichnen oder auch die dem Fachmann bekannte so genannte korrelierte Farbtemperatur („correlated color temperature”, CCT) im Falle eines weißen Leuchteindrucks im oben beschriebenen Sinne, der durch Farbortkoordinaten charakterisiert werden kann, die von den Farbortkoordinaten der Planck'schen Schwarzkörperstrahler abweichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge auf, also einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise kann zumindest eines der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente der Licht emittierenden Vorrichtung einen Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von InGaAlN aufweisen. Unter InGaAlN-basierte Halbleiterschichtenfolgen fallen insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis auf InGaAlN aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich und besonders bevorzugt in einem blauen Wellenlängenbereich emittieren.
Weiterhin kann zumindest ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement auch einen Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge auf Basis von InGaAlP aufweisen, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement eine Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einer Schicht basierend auf dem Verbindungshalbleitermaterialsystem AlGaAs aufweisen.
Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP oder AlGaAs aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten Wellenlängenbereich emittieren.
Insbesondere können die Halbleiterschichtenfolgen der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente quasi-monchromatisches Licht abstrahlen, also schmalbandiges, einfarbiges Licht, dessen spektrale Breite üblicherweise im Bereich von einigen 10 nm liegt und durch die Zusammensetzung und den Aufbau der Halbleiterschichtenfolge bedingt ist.
Weiterhin kann zumindest eines der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente ein Wellenlängenkonversionselement mit zumindest einem Wellenlängenkonversionsstoff aufweisen, der auf oder über einem Halbleiterchip aufgebracht ist. Der Wellenlängenkonversionsstoff kann geeignet sein, zumindest einen Teil des vom Halbleiterchip emittierten Lichts, das hier und im Folgenden auch als Primärlicht bezeichnet wird, in langwelligeres Licht zu konvertieren, das hier und im Folgenden auch als Sekundärlicht bezeichnet wird. Die Konversion kann besonders bevorzugt lediglich einen Teil des vom Halbleiterchip emittierten Primärlichts betreffen, so dass ein Halbleiterbauelement mit einem Wellenlängenkonversionselement eine Überlagerung aus konvertiertem und unkonvertiertem Licht abstrahlen kann.
Der Wellenlängenkonversionsstoff kann dabei einen oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Granate der Seltenen Erden und der Erdalkalimetalle, beispielsweise YAG:Ce³⁺, Nitride, Nitridosilikate, Sione, Sialone, Aluminate, Oxide, Halophosphate, Orthosilikate, Sulfide, Vanadate und Chlorosilikate. Weiterhin kann der Wellenlängenkonversionsstoff zusätzlich oder alternativ ein organisches Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt sein kann, die Perylene, Benzopyrene, Coumarine, Rhodamine und Azo-Farbstoffe umfasst. Das Wellenlängenkonversionselement kann geeignete Mischungen und/oder Kombinationen der genannten Wellenlängenkonversionsstoffe aufweisen. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, dass das Wellenlängenkonversionselement in einem blauen ersten Wellenlängenbereich absorbiert und in einem zweiten Wellenlängenbereich emittiert, der grüne und rote Wellenlängen und/oder gelbe Wellenlängenbereiche aufweist.
Weiterhin kann ein Wellenlängenkonversionselement ein transparentes Matrixmaterial umfassen, das den oder die Wellenlängenkonversionsstoffe umgibt oder enthält oder das an den oder die Wellenlängenkonversionsstoffe chemisch gebunden ist. Das transparente Matrixmaterial kann beispielsweise Siloxane, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Olefine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit aufweisen. Beispielsweise kann das Matrixmaterial ein Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan oder ein Silikonharz wie etwa Polysiloxan oder Mischungen daraus umfassen oder sein.
Ein Wellenlängenkonversionselement kann auf einem Halbleiterchip eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements in Form einer direkt aufgebrachten Schicht oder eines Plättchens angeordnet sein. Alternativ dazu kann ein Wellenlängenkonversionselement auch durch einen Verguss oder einen Teil eines Vergusses ausgebildet sein, in dem der Halbleiterchip eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements eingebettet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Licht emittierende Vorrichtung zumindest ein erstes Licht emittierendes Halbleiterbauelement auf, das im Betrieb rotes Licht abstrahlt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das erste Halbleiterbauelement einen ersten Halbleiterchip auf, der rotes Licht emittiert. Dazu kann der erste Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge aufweisen, die auf einem Phosphid- oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial, also insbesondere einem oben beschriebenen InGaAlP- oder AlGaAs-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Insbesondere kann das erste Licht emittierende Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip aufweisen, der ohne nachgeordnetes Wellenlängenkonversionselement direkt das rote Licht mit einer quasi-monochromatischen spektralen Verteilung erzeugen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das vom ersten Halbleiterbauelement emittierte rote Licht eine so genannte Peak-Wellenlänge in einem Bereich von größer oder gleich 600 nm und kleiner oder gleich 700 nm auf. Mit „Peak-Wellenlänge” wird hier und im Folgenden diejenige Wellenlänge des von einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement oder einem Halbleiterchip emittierten Lichts bezeichnet, bei der die spektrale Verteilung des emittierten Lichts ein globales Maximum aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Licht emittierende Vorrichtung zumindest ein zweites Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einem Wellenlängenkonversionselement und zumindest ein drittes Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einem Wellenlängenkonversionselement auf, wobei das zweite und dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement jeweils blaues Primärlicht und konvertiertes Sekundärlicht abstrahlen und die jeweilige Überlagerung des Primär- und Sekundärlichts des zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelements unterschiedliche Farbortkoordinaten aufweist. Das jeweilige Wellenlängenkonversionselement kann gemäß einem der oben genannten Ausführungsformen ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ergibt die Überlagerung des jeweils von den Halbleiterbauelementen abgestrahlten Lichts weißes Licht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das zweite und das dritte Halbleiterbauelement jeweils zumindest einen Halbleiterchip auf, der blaues Primärlicht emittiert. Dazu kann der jeweilige Halbleiterchip insbesondere eine Halbleiterschichtenfolge basierend auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialsystem, also einem oben beschriebenen InGaAlN-Verbindungshalbleitermaterialsystem, aufweisen. Das blaue, vom zweiten und/oder dritten Halbleiterbauelement abgestrahlte Primärlicht kann eine Peak-Wellenlänge aufweisen, die in einem Bereich von größer oder gleich 430 nm und kleiner oder gleich 480 nm und bevorzugt größer oder gleich 445 nm und kleiner oder gleich 470 nm liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform strahlt das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht ab, das in einem Farbortbereich mit den Farbortkoordinaten (cx, cy) liegt mit cy ≤ 0,45. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform strahlt das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht ab, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, der in einem mehreckigen Bereich in der CIE-Normfarbtafel liegt mit den Ecken bei den Farbortkoordinaten (0,15, 0,25), (0,25, 0,20), (0,40, 0,43) und (0,20, 0,45). In einer weiteren besonders bevorzugt Ausführungsform strahlt das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht ab, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, für den gilt: 0,20 ≤ cx ≤ 0,31 und 0,1 ≤ cy ≤ 0,32.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform strahlt das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht ab, das in einem Farbortbereich mit den Farbortkoordinaten (cx, cy) liegt mit cy ≥ 0,37. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform strahlt das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht ab, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, der in einem mehreckigen Bereich in der CIE-Normfarbtafel liegt mit den Ecken bei den Farbortkoordinaten (0,20, 0,40), (0,37, 0,37), (0,52, 0,48) und (0,22, 0,75). In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform strahlt das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht ab, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, für den gilt: 0,35 ≤ cx ≤ 0,45 und 0,44 ≤ cy ≤ 0,61.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Farbortkoordinate cy des vom zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement emittierten Lichts kleiner oder gleich der Farbortkoordinate cy des vom dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement emittierten Lichts. Dies kann insbesondere in Kombination mit den vorab genannten Farbortkoordinatenbereichen gelten.
Durch die Kombination der hier beschriebenen ersten, zweiten und dritten Halbleiterbauelemente und insbesondere durch die zwei unterschiedlich stark konvertierten zweiten und dritten Halbleiterbauelemente in Verbindung mit dem rot emittierenden ersten Halbleiterbauelement kann im Vergleich zu den bekannten LED-Kombinationen aus dem Stand der Technik eine höhere Effizienz in Lumen pro Watt erzielt werden. Weiterhin kann ein höherer Farbwiedergabeindex („color rendering index”, CRI), insbesondere im Vergleich zur oben beschriebenen RGB-Kombination aus dem Stand der Technik, erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Licht emittierenden Halbleiterbauelemente auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Der Träger kann beispielsweise durch ein Gehäuse und/oder einen Leiterrahmen und/oder eine Leitplatte gebildet sein, auf dem die Licht emittierenden Halbleiterbauelemente montiert und elektrisch angeschlossen sind. Die Licht emittierende Vorrichtung kann dabei als so genannte LED-Multichip-Komponente ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Licht emittierende Vorrichtung eine Mehrzahl von ersten Licht emittierenden Halbleiterbauelementen und/oder eine Mehrzahl von zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelementen und/oder eine Mehrzahl von dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelementen aufweisen.
Beispielsweise kann das Gehäuse einen Kunststoff aufweisen, insbesondere ein Thermoplast oder ein Duroplast, das beispielsweise durch einen Formprozess wie etwa Spritzpressen, Spritzgießen, Formpressen, oder eine Kombination daraus herstellbar ist. Der Kunststoff kann dabei ein Silikon und/oder ein Epoxidharz aufweisen oder auch ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial. Weiterhin kann das Gehäuse auch ein Keramikgehäuse sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Träger eine oder mehrere optische Komponenten wie etwa einen Reflektor und/oder ein Licht streuendes und/oder brechendes Element auf, die den Licht emittierenden Halbleiterbauelementen gemeinsam zugeordnet sind. Das Licht streuende und/oder brechende Element kann beispielsweise ein optischer Diffusor in Form einer Streuplatte oder Streufolie mit streuenden Volumen- und/oder Oberflächenelementen wie etwa Streupartikeln und/oder einer Oberflächenaufrauung sein, der den Halbleiterbauelementen gemeinsam nachgeordnet ist. Durch die optische Komponente kann durch die erreichbare Durchmischung des von den Halbleiterbauelementen jeweils abgestrahlten Lichts eine hohe räumliche Farbhomogenität des von der Licht emittierenden Vorrichtung abgestrahlten Mischlichts erreichbar sein.
Weist die Licht emittierende Vorrichtung beispielsweise ein Gehäuse auf, in dem die Halbleiterbauelemente angeordnet sind, so kann das optische Element insbesondere als Abdeckung der Halbleiterbauelemente dienen.
Alternativ dazu kann es auch möglich sein, dass die Licht emittierenden Halbleiterbauelemente jeweils in einzelnen Gehäusen oder auf separaten Trägern angeordnet sind. Die Licht emittierende Vorrichtung kann dabei aus der Kombination von Einzel-LEDs gebildet sein oder diese umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Licht emittierende Vorrichtung ein Strom regelndes Bauelement auf, das den jeweiligen Betriebsstrom der Halbleiterbauelemente regelt. Das Strom regelnde Bauelemente kann beispielsweise weiterhin auch Licht- und/oder Temperatursensoren aufweisen, mittels derer das abgestrahlte Mischlicht hinsichtlich seines Farborts und/oder seiner Helligkeit aktiv auf einen gewünschten Wert stabilisiert und geregelt werden kann. Durch das Strom regelnde Bauelement kann insbesondere auch eine Durchstimmbarkeit des von der Licht emittierenden Vorrichtung abgestrahlten Mischlichts möglich sein, besonders bevorzugt entlang der Weißkurve in der CIE-Normfarbtafel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das von der Licht emittierenden Vorrichtung abgestrahlte Mischlicht, das durch eine Überlagerung des von den ersten, zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelementen abgestrahlten Lichts gebildet wird, in einem Bereich entlang der Weißkurve eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers regelbar sein. Insbesondere kann der Bereich einen Farbtemperaturbereich von zumindest größer oder gleich 3000 K oder größer oder gleich 2700 K oder auch größer oder gleich 2400 K und kleiner oder gleich 4000 K oder auch kleiner oder gleich 5000 K oder auch kleiner oder gleich 6500 K umfassen, in dem das Mischlicht gezielt einstellbar ist. Mit Farbtemperaturbereich kann hierbei ein Bereich von Farbtemperaturen oder korrelierten Farbtemperaturen (CCT) bezeichnet sein. Besonders bevorzugt kann das Mischlicht in einem Farbtemperaturbereich mit einer Größe von größer oder gleich 500 K in einem Bereich von größer oder gleich 2400 K und kleiner oder gleich 6500 K regelbar sein.
Für einen fest definierten Farbtemperaturbereich, der etwa durch die Anwendung der Licht emittierenden Vorrichtung beispielsweise als Beleuchtungseinrichtung vorgegeben sein kann, kann der minimale Lichtstrom, der für eine Farbtemperatur innerhalb des Bereichs erzielt werden kann, die zu maximierende Größe sein. Mit anderen Worten soll der niedrigste Lichtstrom innerhalb des vorgegebenen Farbtemperaturbereichs möglichst hoch sein. Durch die Kombination der hier beschriebenen zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelemente, insbesondere der oben genannten Farbortbereiche für diese, mit dem ersten Licht emittierenden Halbleiterbauelement können die einzelnen Halbleiterbauelemente bei jeder gewünschten Farbtemperatur in den vorgenannten Bereichen bei einem im Vergleich zu den bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik hohen Lichtstrom betrieben werden. Insbesondere konnte festgestellt werden, dass im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Weißlichtlösungen die Steigerung des minimalen Lichtstroms besonders dann groß ausfällt, wenn eine geringe Anzahl von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen jeder der drei Klassen verwendet wird. Beispielsweise wurde festgestellt, dass bei der Verwendung nur eines ersten, nur eines zweiten und nur eines dritten Halbleiterbauelements im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit einer blau emittierenden LED und mit ebenfalls jeweils nur einer LED pro Farbe der minimale Lichtstrom pro CCT des nicht-roten Anteils um beinahe 30% höher ausfallen kann.
Durch die hier beschriebene Kombination der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente der Licht emittierenden Vorrichtung können die einzelnen Licht emittierenden Halbleiterbauelemente somit bei verschiedenen Mischfarben der Licht emittierenden Vorrichtung jeweils mit hohen Lichtströmen betrieben werden, wodurch die hier beschriebene Vorrichtung im Vergleich zu den bekannten Mischlichtlösungen, also beispielsweise zu den oben beschriebenen RGB- oder RBW-Kombinationen, eine deutlich höhere Abstrahlungsintensität aufweisen kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung einer Licht emittierenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
1B eine schematische Darstellung einer Licht emittierenden Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
2 und 3 schematische Darstellungen von Farbortbereichen von Halbleiterbauelementen von Licht emittierenden Vorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und
4A bis 5B Simulationsrechnungen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In 1A ist ein Ausführungsbeispiel für eine Licht emittierende Vorrichtung gezeigt. Die Licht emittierende Vorrichtung weist ein erstes Licht emittierendes Halbleiterbauelement 1, ein zweites Licht emittierendes Halbleiterbauelement 2 und ein drittes Licht emittierendes Halbleiterbauelement 3 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 4 als gemeinsamer Träger angeordnet und elektrisch kontaktiert sind. Die Licht emittierende Vorrichtung strahlt im Betrieb ein Mischlicht ab, das eine Überlagerung des von den Halbleiterbauelementen 1, 2, 3 jeweils im Betrieb abgestrahlten Lichts ist und das weiß ist.
Das Gehäuse 4 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen aus einem Kunststoff gefertigten Gehäusekörper 40 und einen Leiterrahmen auf, der in Form von elektrischen Anschlüssen 41 aus dem Gehäusekörper 40 herausgeführt ist. Insbesondere können für jedes Halbleiterbauelement 1, 2, 3 eigene Anschlüsse 41 vorgesehen sein, um die Halbleiterbauelemente 1, 2, 3 getrennt ansteuern und betreiben zu können. Hierzu kann die Licht emittierende Vorrichtung weiterhin ein Strom regelndes Bauelement (nicht gezeigt) aufweisen, das den jeweils den Halbleiterbauelementen 1, 2, 3, aufgeprägten Strom regeln kann. Das Strom reglende Bauelement kann auch innerhalb des Gehäuses 4 angeordnet sein.
Der Gehäusekörper 40 weist weiterhin eine Vertiefung 42 auf, in der die Halbleiterbauelemente 1, 2, 3 angeordnet sind und die beispielsweise reflektierende Seitenflächen aufweisen kann, um das von den Licht emittierenden Halbleiterbauelementen 1, 2, 3 abgestrahlte Licht in einen bevorzugten Abstrahlungsbereich zu lenken.
Weiterhin kann den Halbleiterbauelementen 1, 2, 3, zusätzlich auch noch ein optisches Element wie beispielsweise ein optischer Diffusor in Form einer Streufolie oder Streuplatte nachgeordnet sein (nicht gezeigt), um das von den Halbleiterbauelementen 1, 2, 3 im Betrieb abgestrahlte Licht zu durchmischen und so eine Abstrahlung des Mischlichts mit einem räumlich homogenen Farbort zu ermöglichen.
Die Licht emittierenden Halbleiterbauelemente 1, 2, 3 können jeweils auch in einer Mehrzahl vorhanden sein.
Das erste Licht emittierende Halbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterchip auf, der wie im allgemeinen Teil beschrieben auf einem InGaAlP- oder AlGaAs-Verbindungshalbleitermaterial basiert und der im Betrieb quasi-monochromatisches rotes Licht mit einer Peak-Wellenlänge von größer oder gleich 600 nm und kleiner oder gleich 700 nm abstrahlt.
Das zweite und dritte Licht emittierenden Halbleiterbauelement 2, 3 weist jeweils einen Halbleiterchip auf, der wie im allgemeinen Teil beschrieben auf einem InGaAlN-Verbindungshalbleitermaterial basiert und im Betrieb quasi-monochromatisches blaues Primärlicht abstrahlt. Weiterhin weisen das zweite und das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement 2, 3 jeweils ein Wellenlängenkonversionselement auf, das einen Teil des jeweiligen Primärlichts in ein langwelligeres Sekundärlicht umwandelt, so dass jedes der Halbleiterbauelemente 2, 3 eine Überlagerung des jeweiligen Primärlichts und des jeweiligen Sekundärlichts abstrahlt, wobei das vom zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement 2 emittierte Licht und das vom dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement 3 emittierte Licht unterschiedliche Farbortkoordinaten aufweist.
Die jeweiligen Wellenlängenkonversionselemente können wie im allgemeinen Teil beschrieben ausgeführt sein.
In einem Ausführungsbeispiel strahlen das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement 2 Licht mit Farbortkoordinaten (cx, cy) mit cy ≤ 0,45 und das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement 3 Licht mit Farbortkoordinaten (cx, cy) mit cy ≥ 0,37 ab, wobei die Farbortkoordinate cy des vom zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement 2 emittierten Lichts kleiner oder gleich der Farbortkoordinate cy des vom dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement 3 emittierten Lichts ist.
Das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement 2 ist somit als gering konvertierte blaue LED ausgeführt, während das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement 3 als stark konvertierte blaue LED ausgeführt ist.
Weitere Ausführungsbeispiele für das erste, zweite und dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement 1, 2, 3 und das jeweils von diesen abgestrahlte Licht, das sich besonders für die hier beschriebene Licht emittierende Vorrichtung eignet, sind in Verbindung mit den 2 und 3 gezeigt.
In 1B ist eine Licht emittierende Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, die im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1A das erste, zweite und dritte Halbleiterbauelement 1, 2, 3 jeweils in einem eigenen Gehäuse aufweist. Die Halbleiterbauelemente 1, 2, 3 sind somit als Einzel-LEDs ausgeführt und können beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger, angedeutet durch die gestrichelte Line, angeschlossen und montiert werden. der Träger kann beispielsweise eine Leiterplatte sein.
Die Licht emittierenden Halbleiterbauelemente 1, 2, 3 und die Licht emittierende Vorrichtung des Ausführungsbeispiels in 1B kann weitere Merkmale wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispielen der 1A, 2 und 3 und/oder wie im allgemeinen Teil beschrieben aufweisen.
In den 2 und 3 ist jeweils die CIE-Normfarbtafel dargestellt, in der die Weißkurve 90 eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers, der mathematische Weißpunkt E mit den Farbortkoordinaten cx = cy = 0,33 sowie mit den Bezugszeichen 91, 92, 93 und 94 die Farbtemperaturen 2500 K, 4000 K, 5000 K und 6500 K gekennzeichnet sind.
Mit den Bezugszeichen 21 und 31 ist in den 2 und 3 der Farbortbereich des ersten Licht emittierenden Halbleiterbauelements 1 gekennzeichnet.
In dem Ausführungsbeispiel, das in Verbindung mit 2 gezeigt ist, strahlt das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement 2 Licht ab, dessen Farbort (cx, cy) in einem mehreckigen Bereich 22 in der CIE-Normfarbtafel liegt, der die Ecken bei den Farbortkoordinaten (0,15, 0,25), (0,25, 0,20), (0,40, 0,43) und (0,20, 0,45) aufweist. Das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement 3 strahlt Licht ab, dessen Farbort (cx, cy) in einem mehreckigen Bereich 23 in der CIE-Normfarbtafel liegt mit den Ecken bei den Farbortkoordinaten (0,20, 0,40), (0,37, 0,37), (0,52, 0,48) und (0,22, 0,75). Dabei ist die Farbortkoordinate cy des vom zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement 2 emittierten Lichts kleiner oder gleich der Farbortkoordinate cy des vom dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement 3 emittierten Lichts. Das zweite und dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement strahlen dabei bevorzugt Primärlicht mit einer Peak-Wellenlänge im Bereich von größer oder gleich 430 nm und kleiner oder gleich 480 nm und bevorzugt von etwa 445 nm ab.
Durch eine Regelung der jeweiligen Betriebsströme kann das von der Licht emittierenden Vorrichtung abgestrahlte Mischlicht Farbortkoordinaten aufweisen, die entlang der Weißkurve 90 liegen. Bevorzugt kann das Mischlicht in einem Farbtemperaturbereich mit einer Größe von größer oder gleich 500 K in einem Bereich von größer oder gleich 2400 K und kleiner oder gleich 6500 K regelbar sein Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die besonders bevorzugten Farbortkoordinaten des Mischlichts mit dem Bezugzeichen 25 gekennzeichnet, die in einem Farbtemperaturbereich von größer oder gleich etwa 2500 K und kleiner oder gleich etwa 4000 K liegen. Der Bereich 24 kennzeichnet den bevorzugten Farbort der Überlagerung des vom zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlten Lichts und weist Eckpunkte bei den Farbortkoordinaten (0,20, 0,35), (0,30, 0,30), (0,42, 0,52) und (0,25, 0,60) auf.
Alternativ zum gezeigten Mischlicht-Farbtemperaturbereich 25 kann dieser beispielsweise auch zwischen 2400 K und 5000 K liegen und allgemein durch eine niedrigste Farbtemperatur im Bereich von 2400 K bis 4000 K und eine höchste Farbtemperatur in einem Bereich von 4000 K bis 6500 K liegen.
In dem Ausführungsbeispiel der 3 strahlt das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht ab, das in einem Bereich 32 mit Farborten (cx, cy) liegt, für die 0,20 ≤ cx ≤ 0,31 und 0,1 ≤ cy ≤ 0,32 gilt, während das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement Licht abstrahlt, das in einem Bereich 33 mit Farborten (cx, cy) liegt, für die 0,35 ≤ cx ≤ 0,45 und 0,44 ≤ cy ≤ 0,61 gilt, wobei der Bereich 33 nur diejenigen Farbortkoordinaten enthält, die innerhalb des hufeinsenförmigen Bereichs liegen und möglichen Farben zugeordnet werden können, was durch die den Bereich 33 begrenzende durchgezogene und gepunktete Linie angedeutet ist.
Um die Effizienz der hier beschriebenen Licht emittierenden Vorrichtungen mit bekannten Weißlichtlösungen zu vergleichen, wurden Simulationsrechnungen durchgeführt, wobei ein zweites Licht emittierendes Halbleiterbauelement, das Licht mit einer Farbortkoordinate cy im Bereich 22 oder 32 der 2 und 3 mit einer variablen Farbortkoordinate cx1 abstrahlt, und ein drittes Licht emittierendes Halbleiterbauelement, das Licht mit einer Farbortkoordinate cy im Bereich 23 oder 33 der 2 und 3 mit einer variablen Farbortkoordinate cx2 abstrahlt, herangezogen wurden.
Zum Vergleich wurde eine oben beschriebene RBW-Kombination herangezogen mit einer blauen LED mit einer Peak-Wellenlänge bei 470 nm und einer grünlich-konvertierten LED mit einer variablen Farbortkoordinate cx.
In beiden Fällen wurden ein maximaler Betriebsstrom von 1 A und dasselbe rot emittierende erste Halbleiterbauelement angenommen.
Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen sind in den 4A bis 5B gezeigt.
Es wurde ermittelt, dass für eine Abdeckung eines Farbtemperaturbereichs des abgestrahlten Mischlichts von 2400 K bis 5000 K für die hier beschriebene Licht emittierende Vorrichtung ein minimaler Lichtstrom PhiV_min von 383 lm für das zweite und dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement für cx1 = 0,27 und cx2 = 0,40 erreicht werden kann, während im Fall der RBW-Kombination aus dem Stand der Technik für die blaue und grünlich-weiß konvertierte LED ein minimaler Lichtstrom PhiV_min von lediglich 333 lm für cx = 0,39 erreicht werden kann, was einer Steigerung von 15% im Vergleich zum Stand der Technik entspricht (siehe 4A und 4B, der Pfeil kennzeichnet jeweils den angegebenen Wert für der minimalen Lichtstrom, die Legende in 4A gibt Bereich für PhiV_min in Lumen an).
Zur Abdeckung eines Farbtemperaturbereichs von 2700 K bis 4000 K wurden für die hier beschriebene Licht emittierende Vorrichtung ein minimaler Lichtstrom PhiV_min von 449 lm für cx1 = 0,28 und cx2 = 0,405 im Vergleich zu 365 lm für cx = 0,40 für die bekannte RBW-Kombination jeweils für das zweite und dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement beziehungsweise die blaue und die grünlich-weiß konvertierte LED ermittelt, was einer Steigerung von 23% entspricht (siehe 5A und 5B, der Pfeil kennzeichnet jeweils den angegebenen Wert für der minimalen Lichtstrom, die Legende in 5A gibt Bereich für PhiV_min in Lumen an).
In beiden Fällen war der rote Lichtstromanteil jeweils ein CCT-abhängiges Vielfaches des jeweils angegebenen Lichtstroms des zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise der blauen und grünlich-weiß konvertierten LED.
Aus den Simulationsrechnung ergibt sich somit, dass die hier beschriebenen Kombinationen des ersten, zweiten und dritten Halbleiterbauelements bei gleichem Betriebstrom in vorgegebenen Farbtemperaturbereichen einen höheren minimalen Lichtstrom im Vergleich zu bekannten Weißlichtlösungen ermöglicht.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Licht emittierende Vorrichtung mit zumindest einem ersten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (1), das im Betrieb rotes Licht abstrahlt, zumindest einem zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (2) mit einem Wellenlängenkonversionselement und zumindest einem dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (3) mit einen Wellenlängenkonversionselement, wobei das zweite und dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement (2, 3) jeweils blaues Primärlicht und konvertiertes Sekundärlicht abstrahlen und die jeweilige Überlagerung des Primär- und Sekundärlichts des zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelements (2, 3) unterschiedliche Farbortkoordinaten aufweist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das rote Licht quasi-monochromatisch ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das rote Licht eine Peak-Wellenlänge in einem Bereich von größer oder gleich 600 nm und kleiner oder gleich 700 nm aufweist.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das vom zweiten und/oder dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (2, 3) abgestrahlte blaue Primärlicht eine Peak-Wellenlänge aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 430 nm und kleiner oder gleich 480 nm liegt.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement (2) Licht abstrahlt, das einen Farbort (cx, cy) aufweist mit cy ≤ 0,45, und das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement (3) Licht abstrahlt, das einen Farbort (cx, cy) aufweist mit cy 0,37, wobei die Farbortkoordinate cy des vom zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (2) emittierten Lichts kleiner oder gleich der Farbortkoordinate cy des vom dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (3) emittierten Lichts ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement (2) Licht abstrahlt, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, der in einem mehreckigen Bereich in der CIE-Normfarbtafel liegt mit den Ecken bei den Farbortkoordinaten (0,15, 0,25), (0,25, 0,20), (0,40, 0,43) und (0,20, 0,45) und wobei das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement (3) Licht abstrahlt, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, der in einem mehreckigen Bereich in der CIE-Normfarbtafel liegt mit den Ecken bei den Farbortkoordinaten (0,20, 0,40), (0,37, 0,37), (0,52, 0,48) und (0,22, 0,75), wobei die Farbortkoordinate cy des vom zweiten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (2) emittierten Lichts kleiner oder gleich der Farbortkoordinate cy des vom dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (3) emittierten Lichts ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Überlagerung des vom zweiten und dritten Licht emittierenden Halbleiterbauelement (2, 3) abgestrahlten Lichts in einem Farbortkoordinatenbereich liegt mit Eckpunkten bei den Farbortkoordinaten (0,20, 0,35), (0,30, 0,30), (0,42, 0,52) und (0,25, 0,60).
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite Licht emittierende Halbleiterbauelement (2) Licht abstrahlt, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, für den 0,20 ≤ cx ≤ 0,31 und 0,1 ≤ cy ≤ 0,32 gilt, und wobei das dritte Licht emittierende Halbleiterbauelement (3) Licht abstrahlt, das einen Farbort (cx, cy) aufweist, für den 0,35 ≤ cx ≤ 0,45 und 0,44 ≤ cy ≤ 0,61 gilt.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Licht emittierenden Halbleiterbauelemente (1, 2, 3) auf einem gemeinsamen Träger, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse (4), angeordnet sind.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Licht emittierenden Halbleiterbauelemente (1, 2, 3) auf separaten Trägern, insbesondere in separaten Gehäusen, angeordnet sind.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend ein Strom regelndes Bauelement, das Betriebströme der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente (1, 2, 3) derart regelt, dass ein von der Licht emittierenden Vorrichtung abgestrahltes Mischlicht entlang der Weißkurve (90) eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers zumindest in einem Farbtemperaturbereich mit einer Größe von größer oder gleich 500 K in einem Bereich von größer oder gleich 2400 K und kleiner oder gleich 6500 K regelbar ist.