DE102011078572A1

DE102011078572A1 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011078572A1
Application number: DE102011078572A
Authority: DE
Inventors: Krister Bergenek; Andreas Biebersdorf; Reiner Windisch
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: WO2013004538A3; US9423082B2; WO2013004538A2; CN103650139B; CN103650139A; US20140133148A1; DE102011078572B4

Abstract

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung angegeben, mit
– einem Träger (5) mit einer Montagefläche (5a),
– zumindest einem Lumineszenzdiodenchip (4), der an seiner dem Träger (5) abgewandten Seite eine Strahlungsaustrittfläche (4a) aufweist, durch die im Betrieb im Lumineszenzdiodenchip (4) erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise austritt,
– zumindest einem optischen Körper (2), der strahlungsdurchlässig ausgebildet ist, und
– einem Formkörper (1), der einen Leuchtstoff umfasst, wobei
– jeder Lumineszenzdiodenchip (4) an der Montagefläche (5a) auf dem Träger (5) befestigt ist,
– jeder optische Körper (2) an der Strahlungsaustrittfläche (4a) eines zugeordneten Lumineszenzdiodenchips (4) befestigt ist,
– der Formkörper (1) jeden Lumineszenzdiodenchip (4) an einer Seitenfläche (4b) des Lumineszenzdiodenchips (4) formschlüssig umhüllt,
– der Formkörper (1) jeden optischen Körper (2) an einer Seitenfläche (2a) des optischen Körpers (2) formschlüssig umhüllt, und
– der Leuchtstoff zumindest einen Teil der im Betrieb in zumindest einem der Lumineszenzdiodenchips (4) erzeugte elektromagnetische Strahlung konvertiert.

Description

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung angegeben.
Die Druckschrift US 7,208,769 beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, die ein verbessertes thermisches Verhalten aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Träger mit einer Montagefläche. Bei dem Träger kann es sich beispielsweise um einen Anschlussträger handeln, der zum mechanischen Tragen und elektrischen Kontaktieren von Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Träger um eine Leiterplatte oder eine bedruckte Leiterplatte. Ferner kann es sich bei dem Träger um eine Metallkernplatine handeln. Der Träger weist beispielsweise an seiner Oberseite eine Montagefläche auf, die zur Aufnahme von Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen ist. Beispielsweise können Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung an der Montagefläche mittels Klebens oder Lötens befestigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zumindest einen Lumineszenzdiodenchip. Bei dem Lumineszenzdiodenchip handelt es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip oder einen Laserdiodenchip. Der Lumineszenzdiodenchip weist an seiner dem Träger abgewandten Seite eine Strahlungsaustrittsfläche auf, durch die im Betrieb im Lumineszenzdiodenchip erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest zum Teil austritt. Dabei ist es möglich, dass ein Großteil der vom Lumineszenzdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch diese Strahlungsaustrittsfläche austritt, die beispielsweise durch eine Hauptfläche an der Oberseite des Lumineszenzdiodenchips gebildet ist.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann insbesondere zwei oder mehr Lumineszenzdiodenchips aufweisen. Dabei ist es möglich, dass sämtliche Lumineszenzdiodenchips der Beleuchtungsvorrichtung gleichartig aufgebaut sind. Beispielsweise strahlen dann sämtliche Lumineszenzdiodenchips der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb UV-Strahlung und/oder blaues Licht ab. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Beleuchtungsvorrichtung Lumineszenzdiodenchips unterschiedlicher Bauart umfasst. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung dann Lumineszenzdiodenchips umfassen, die UV-Strahlung und/oder blaues Licht emittieren und Lumineszenzdiodenchips, die im Betrieb rotes oder andersfarbiges Licht emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zumindest einen optischen Körper, der strahlungsdurchlässig ausgebildet ist. Der optische Körper ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der von den Lumineszenzdiodenchips im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung durchzulassen. Das heißt, zumindest ein Teil dieser Strahlung tritt in den optischen Körper ein und tritt auch wieder aus dem optischen Körper aus. Der optische Körper kann dabei zumindest stellenweise klarsichtig, strahlungsstreuend und/oder strahlungskonvertierend ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Formkörper, der einen Leuchtstoff umfasst. Der Leuchtstoff umfasst zumindest ein Lumineszenzkonversionsmaterial, das dazu eingerichtet ist, insbesondere von einem der Lumineszenzdiodenchips erzeugte elektromagnetische Strahlung teilweise zu absorbieren und elektromagnetische Strahlung insbesondere größerer Wellenlängen zu re-emittieren. Der Leuchtstoff kann dabei in ein Matrixmaterial des Formkörpers eingebettet sein. Der optische Körper kann mit einem Kunststoffmaterial, einem Glas oder einem keramischen Material gebildet sein. Das Matrixmaterial kann dann zum Beispiel aus einem dieser Materialien bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist jeder Lumineszenzdiodenchip der Beleuchtungsvorrichtung an der Montagefläche auf dem Träger befestigt. Jeder Lumineszenzdiodenchip kann dabei beispielsweise an der Montagefläche mittels Klebens oder Lötens am Träger befestigt sein. Die Lumineszenzdiodenchips sind insbesondere mechanisch am Träger befestigt und elektrisch leitend am Träger angeschlossen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist jeder optische Körper an der Strahlungsaustrittsfläche eines zugeordneten Lumineszenzdiodenchips befestigt. Der optische Körper bedeckt beispielsweise die Strahlungsaustrittsfläche des zugeordneten Lumineszenzdiodenchips, also des Lumineszenzdiodenchips, an dem der optische Körper befestigt ist, vollständig. Auf diese Weise tritt ein Großteil der durch die Strahlungsaustrittsfläche austretenden elektromagnetischen Strahlung in den optischen Körper ein. Dabei ist es möglich, dass zwischen optischem Körper und Lumineszenzdiodenchip ein weiteres Material, beispielsweise ein Verbindungsmaterial wie ein Klebstoff oder ein so genanntes "Index-Matching-Gel" angeordnet ist. Ferner ist es möglich, dass der optische Körper verbindungsmittelfrei am zugeordneten Lumineszenzdiodenchip befestigt ist. Der optische Körper kann dann beispielsweise mittels eines Aufbringungsverfahrens wie Spritzgießen oder Spritzpressen an der Strahlungsaustrittsfläche des zugeordneten Lumineszenzdiodenchips befestigt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umhüllt der Formkörper jeden optischen Körper an einer Seitenfläche des optischen Körpers formschlüssig. Das heißt, die optischen Körper der Beleuchtungsvorrichtung können mit dem Formkörper an zumindest einer Seitenfläche, vorzugsweise an jeder Seitenfläche, in direktem Kontakt stehen und sind formschlüssig vom Formkörper umhüllt. Der optische Körper kann beispielsweise mittels Spritzens oder Gießens vom Formkörper umhüllt werden. Der Formkörper grenzt dann insbesondere direkt an die Seitenflächen der Lumineszenzdiodenchips der Beleuchtungsvorrichtung.
Mit anderen Worten können die optischen Körper der Beleuchtungsvorrichtung mit dem Formkörper umgossen oder umspritzt sein. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst dann insbesondere einen einzigen Formkörper, der sämtliche optischen Körper der Beleuchtungsvorrichtung formschlüssig umhüllt. Für die optischen Körper ist es ferner möglich, dass auch eine dem zugeordneten Lumineszenzdiodenchip abgewandte Deckfläche formschlüssig vom Formkörper umhüllt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung konvertiert der Leuchtstoff zumindest einen Teil der im Betrieb in zumindest einem der Lumineszenzdiodenchips erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Das heißt, zumindest die elektromagnetische Strahlung eines der Lumineszenzdiodenchips der Beleuchtungsvorrichtung wird vom im Formkörper eingebrachten Leuchtstoff wellenlängenkonvertiert, insbesondere zu elektromagnetischer Strahlung mit größeren Wellenlängen (so genannte "down-conversion").
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Träger mit einer Montagefläche, zumindest einen Lumineszenzdiodenchip, der an seiner dem Träger abgewandten Seite eine Strahlungsaustrittsfläche aufweist, durch die im Betrieb im Lumineszenzdiodenchip erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise austritt, zumindest einen optischen Körper, der strahlungsdurchlässig ausgebildet ist, und einen Formkörper, der einen Leuchtstoff umfasst. Dabei ist jeder Lumineszenzdiodenchip an der Montagefläche auf dem Träger befestigt, jeder optische Körper ist an der Strahlungsaustrittsfläche eines zugeordneten Lumineszenzdiodenchips befestigt, der Formkörper umhüllt jeden optischen Körper an Seitenflächen der Lumineszenzdiodenchips und der optischen Körper, und der Leuchtstoff konvertiert zumindest einen Teil der im Betrieb in zumindest einem der Lumineszenzdiodenchips erzeugten elektromagnetischen Strahlung.
Der hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung liegt dabei unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass die beschriebenen optischen Körper, die an der Strahlungsaustrittsfläche eines zugeordneten Lumineszenzdiodenchips befestigt sind, die Entstehung von so genannten Hot Spots, also Bereichen erhöhter Temperatur, an der dem Träger abgewandten Außenfläche des Formkörpers verhindern. Insbesondere tragen die optischen Körper dazu bei, dass der Formkörper an dieser Außenfläche eine im Wesentlichen über die gesamte Außenfläche gleichmäßige Temperatur aufweist. Die optischen Körper verändern die Verteilung der vom zugeordneten Lumineszenzdiodenchip erzeugten elektromagnetischen Strahlung im Fernfeld, wodurch eine verstärkte Absorption von elektromagnetischer Strahlung im Bereich der Hot Spots des Formkörpers verhindert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umhüllt der Formkörper jeden Lumineszenzdiodenchip der Beleuchtungsvorrichtung an einer Seitenfläche des Lumineszenzdiodenchips formschlüssig. Insbesondere ist es möglich, dass der Formkörper jeden Lumineszenzdiodenchip an sämtlichen Seitenflächen des Lumineszenzdiodenchips formschlüssig umhüllt. Der Lumineszenzdiodenchip kann beispielsweise mittels Spritzens oder Gießens vom Formkörper umhüllt werden. Der Formkörper grenzt dann insbesondere direkt an die Seitenflächen der Lumineszenzdiodenchips der Beleuchtungsvorrichtung.
Zugleich können die Lumineszenzdiodenchips und/oder die optischen Körper aber mit einem Formkörper, der einen Leuchtstoff umfasst, umgeben sein, das heißt die Lumineszenzdiodenchips sind mit einem so genannten "Volumenverguss" umhüllt. Ein solcher "Volumenverguss", der durch den Formkörper realisiert ist, zeichnet sich gegenüber dem direkten Aufbringen einer Leuchtstoffschicht auf die Strahlungsaustrittsfläche eines Lumineszenzdiodenchips durch eine erhöhte Effizienz aus. Die Effizienzsteigerung liegt dabei im Bereich von wenigstens 2 bis wenigstens 5 %. Der Grund für diese Effizienzsteigerung kann insbesondere darin gesehen werden, dass bei der Verwendung eines Formkörpers, der einen Leuchtstoff umfasst, weniger Licht in den Lumineszenzdiodenchip zurückgestreut wird, als dies bei einem direkten Aufbringen einer Leuchtstoffschicht auf die Strahlungsaustrittsfläche des Lumineszenzdiodenchips der Fall ist. Die Verwendung eines optischen Körpers an der Strahlungsaustrittsfläche eines Lumineszenzdiodenchips verringert die Wahrscheinlichkeit für eine Rückstreuung von Licht in den Lumineszenzdiodenchip hinein weiter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist jedem Lumineszenzdiodenchip ein optischer Körper eineindeutig zugeordnet. Das heißt, gemäß dieser Ausführungsform umfasst jeder Lumineszenzdiodenchip einen optischen Körper, der an der Strahlungsaustrittsfläche des Lumineszenzdiodenchips angeordnet ist, wobei jedem optischen Körper genau ein Lumineszenzdiodenchip zugeordnet ist und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist die Dicke des optischen Körpers in einer Richtung zum Beispiel senkrecht zur Strahlungsaustrittsfläche des Lumineszenzdiodenchips größer als die Dicke des Lumineszenzdiodenchips. Insbesondere kann die Dicke des optischen Körpers 500 µm und mehr betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung unterscheiden sich zumindest zwei optische Körper der Beleuchtungsvorrichtung in Form und/oder Materialzusammensetzung. Das heißt, die optischen Körper der Beleuchtungsvorrichtung müssen nicht gleichartig aufgebaut sein, sondern sie können an Anfordernisse, die an die Beleuchtungsvorrichtung gestellt werden, angepasst werden. Beispielsweise können unterschiedlichen Arten von Lumineszenzdiodenchips unterschiedliche optische Körper zugeordnet werden. Ferner ist es möglich, dass auch gleichartig aufgebauten Lumineszenzdiodenchips unterschiedliche optische Körper zugeordnet werden, um beispielsweise eine gewünschte Lichtverteilung und/oder Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungsvorrichtung einzustellen.
Dabei ist es möglich, dass zumindest einer der optischen Körper zumindest stellenweise klarsichtig ausgebildet ist, das heißt der optische Körper ist in diesem Fall transparent und nicht trüb oder milchig ausgebildet. Insbesondere weist der optische Körper dann einen Trübheitswert von < 0,5 auf.
Der Trübheitswert wird auch als Haze-Wert oder als Haziness bezeichnet. Der Trübheitswert ist zum Beispiel für Transmission definiert als der Quotient aus dem Anteil einer Strahlung, der bei Durchgang durch ein Medium um einen Winkel von mehr als 2,5° gestreut wird, und aus der gesamten, durch das Medium transmittierten Strahlung. Mit anderen Worten ist der optische Körper dann klarsichtig oder nahezu klarsichtig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist zumindest einer der optischen Körper zumindest stellenweise strahlungsstreuend ausgebildet.
In diesem Fall kann der optische Körper beispielsweise mit einem Matrixmaterial wie einem Kunststoff oder einem Glas gebildet sein, in das Streuzentren eingebracht sind, an denen die durchtretende elektromagnetische Strahlung gestreut wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist zumindest einer der optischen Körper pyramidenförmig oder prismenförmig ausgebildet. Das heißt, zumindest einer der optischen Körper ist im Querschnitt dreiecksförmig ausgebildet. Ein solcher optischer Körper ist dazu geeignet, möglichst viel elektromagnetische Strahlung des zugeordneten Leuchtdiodenchips zur Seite, das heißt zum Formkörper hin, zu lenken. Auf diese Weise kann eine besonders effiziente Konversion von elektromagnetischer Strahlung durch den Leuchtstoff des Formkörpers erfolgen.
Ferner ist es möglich, dass zumindest einer der optischen Körper halbkugelförmig oder linsenförmig ausgebildet ist. Das heißt, der optische Körper weist dann nicht gerade, sondern gekrümmte Seitenflächen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist zumindest einer der optischen Körper der Beleuchtungsvorrichtung an seiner dem zugeordneten Lumineszenzdiodenchip abgewandten Deckfläche frei vom Formkörper. Das heißt, der Formkörper bedeckt den optischen Körper lediglich an dessen Seitenflächen zumindest stellenweise. Die Deckfläche bleibt dann frei vom optischen Körper. An der Deckfläche des optischen Körpers eventuell austretende elektromagnetische Strahlung wird daher vom Leuchtstoff des Formkörpers nicht konvertiert. Auf diese Weise ist es möglich, die Konversionsrate, das heißt den Anteil der konvertierten Strahlung am von der Beleuchtungsvorrichtung emittierten Licht, möglichst genau einzustellen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung schließt der zumindest eine optische Körper an seiner dem zugeordneten Lumineszenzdiodenchip abgewandten Deckfläche bündig mit der Außenfläche des Formkörpers ab. Auch in diesem Fall ist der optische Körper an seiner dem Träger abgewandten Außenfläche frei vom Formkörper. Die Außenfläche des Formkörpers und die Deckfläche des optischen Körpers bilden eine gemeinsame Fläche, an der beispielsweise ein weiterer optischer Körper angeordnet sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung enthält der zumindest eine optische Körper einen weiteren Leuchtstoff, der vom Leuchtstoff des Formkörpers verschieden ist. Beispielsweise kann es sich bei dem optischen Körper dann um einen keramischen Leuchtstoff handeln, das heißt der optische Körper besteht dann aus einem keramischen Leuchtstoff, der einen Teil der vom zugeordneten Lumineszenzdiodenchip im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung beispielsweise in grünes, gelbes, grünlich gelbes oder rotes Licht konvertiert. Elektromagnetische Strahlung, die im optischen Körper nicht konvertiert wird und in den Formkörper gelangt, kann zumindest zum Teil vom dort vorhandenen Leuchtstoff konvertiert werden. Dabei ist es möglich, dass vom Leuchtstoff des optischen Körpers beispielsweise ein Rotlichtanteil an der von der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb emittierten Strahlung erzeugt wird, der dem Farbwiedergabeindex des von der Beleuchtungsvorrichtung emittierten Lichts erhöhen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung sind die die Seitenflächen der Lumineszenzdiodenchips teilweise oder vollständig von einer reflektierenden Umhüllung bedeckt. Die reflektierende Umhüllung kann auch die Montagefläche des Trägers an freien Flächen vollständig bedecken. Die reflektierenden Umhüllung umfasst zum Beispiel ein Matrixmaterial in das reflektierende Partikel eingebracht sind. Das Matrixmaterial kann dabei das gleiche Matrixmaterial wie das des Formkörpers sein. Zum Beispiel ist die reflektierende Umhüllung mit einem Silikon oder einer Mischung aus einem Silikon oder einem Epoxid als Matrixmaterial gebildet, in das strahlungsreflektierende Partikel eingebracht sind, wobei die strahlungsreflektierenden Partikel zumindest aus einem der Materialien TiO₂, BaSO₄, ZnO, Al_xO_y, ZrO₂ bestehen oder eines der genannten Materialien enthalten. Dem Betrachter erscheint die reflektierende Umhüllung zum Beispiel weiß. Die reflektierende Umhüllung kann auch mit einem weißen Polymer gebildet sein. Die reflektierende Umhüllung schließt zum Beispiel bündig mit der Strahlungsaustrittsfläche eines jeden der Lumineszenzdiodenchips ab. Der Formkörper kann direkt an die reflektierende Umhüllung grenzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine strahlungsdurchlässige Abdeckplatte, die den Formkörper an seiner dem Träger abgewandten Seite vollständig bedeckt. Beispielsweise kann die Abdeckplatte auf den Formkörper geklebt sein oder ist verbindungsmittelfrei mit diesem verbunden. Im Falle einer verbindungsmittelfreien Verbindung kann die Abdeckplatte beispielsweise auf den noch nicht vollständig ausgehärteten Formkörper aufgebracht werden, sodass beim Aushärten des Formkörpers eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem Formkörper und der Abdeckplatte entsteht. Die Abdeckplatte kann beispielsweise strahlungsstreuend ausgebildet sein, wodurch eine Lichtdurchmischung des aus der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb austretenden Lichts erfolgen kann, sodass die Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb über die dem Formkörper abgewandte Außenfläche der Abdeckplatte homogen weißes oder farbiges Licht emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung ein reflektierendes Element, das den Formkörper an seiner freiliegenden Außenfläche vollständig bedeckt. Die freiliegende Außenfläche ist bei Vorhandensein einer Abdeckplatte an der dem Träger abgewandten Seite des Formkörpers durch die quer zur Abdeckplatte verlaufenden Seitenflächen des Formkörpers gebildet. Beispielsweise diese Seitenflächen sind dann mit einem reflektierenden Element bedeckt, sodass Strahlung durch Reflexion zur Abdeckplatte geleitet wird. Insbesondere kann durch das reflektierende Element dann sichergestellt sein, dass keine elektromagnetische Strahlung durch Seitenflächen des Formkörpers austritt.
Das reflektierende Element kann beispielsweise durch eine reflektierende, zum Beispiel metallische, Beschichtung des Formkörpers gebildet sein.
Im Folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Anhand der schematischen Schnittdarstellung der 1 ist ein durch eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung gelöstes technisches Problem näher erläutert.
Anhand der schematischen Schnittdarstellung der 2 bis 5 sind Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen näher erläutert.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung, bei der Lumineszenzdiodenchips 40 keine hier beschriebenen optischen Körper nachgeordnet sind.
Die 1 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Träger 50, der eine Montagefläche 50a aufweist. Bei dem Träger 50 handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte oder eine Metallkernplatine.
Lumineszenzdiodenchips 40, zum Beispiel UV-Strahlung oder blaues Licht emittierende Leuchtdiodenchips, sind an der Montagefläche 50a des Trägers 50 mechanisch befestigt und elektrisch angeschlossen. Beispielsweise sind die Lumineszenzdiodenchips 40 dazu aufgeklebt oder aufgelötet.
Sämtliche Lumineszenzdiodenchips 40 sind von einem einzigen Formkörper 10 an ihren freiliegenden Außenflächen formschlüssig umhüllt und befinden sich in direktem Kontakt mit dem Formkörper 10. Der Formkörper 10 umfasst einen Leuchtstoff, der zumindest einen Teil der von den Lumineszenzdiodenchips 40 im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung wellenlängenkonvertiert.
Durch diese Anordnung des Leuchtstoffs in einem Formkörper 10 wird eine besonders hohe Effizienz erreicht. Ferner ist eine derartige Beleuchtungsvorrichtung leicht herstellbar.
Als problematisch erweist sich jedoch, dass im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung Punkte oder Bereiche hoher Temperatur 70, so genannte thermische Hot Spots, auftreten, nämlich an Stellen im Formkörper 10, die über den Lumineszenzdiodenchips 40 angeordnet sind. Die erhöhte Temperatur in den Bereichen 70 führt zu einer verringerten Effizienz des Leuchtstoffs und zu einer beschleunigten Alterung des Materials, mit dem der Formkörper 10 gebildet ist. Durch die stellenweise verringerte Effizienz des Leuchtstoffs in den Bereichen 70 kann es ferner an der dem Träger 50 abgewandten Außenfläche 10a des Formkörpers 10 zu Inhomogenitäten im Lichtaustritt kommen, sodass das von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugte Licht dem Betrachter als inhomogen, beispielsweise hinsichtlich Farbe und/oder Intensität, erscheint. Auch ein reflektierendes Element 60 an der Seitenfläche des Formkörpers 10, die beispielsweise als reflektierende metallische Beschichtung ausgebildet ist, kann dem nicht entgegenwirken.
Eine mögliche Lösung des beschriebenen Problems würde nun darin bestehen, dass ein Lumineszenzkonversionselement mit einem Leuchtstoff direkt auf eine Strahlungsaustrittsfläche der Lumineszenzdiodenchips 40 aufgebracht wird. Dies führt jedoch zu einer verringerten Effizienz gegenüber der Verwendung eines Formkörpers 10, in den der Leuchtstoff eingebracht ist.
In Verbindung mit 2 ist anhand einer schematischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung näher erläutet. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst einen Träger 5. Bei dem Träger 5 handelt es sich beispielsweise um einen Anschlussträger, der durch eine Leiterplatte, eine bedruckte Leiterplatte, eine Metallkernplatine oder einen keramischen Grundkörper mit strukturierten Leiterbahnen und/oder Anschlussstellen gebildet sein kann.
Der Träger 5 umfasst eine Montagefläche 5a. An der Montagefläche 5a sind Lumineszenzdiodenchips 4 angeordnet. Die Lumineszenzdiodenchips 4 sind dort insbesondere mechanisch befestigt und elektrisch leitend an den Träger 5 angeschlossen. Bei den Lumineszenzdiodenchips 4 kann es sich um Leuchtdiodenchips handeln. Dabei ist es möglich, dass es sich bei den Lumineszenzdiodenchips um gleichartige Lumineszenzdiodenchips handelt, die beispielsweise auf einem InGaN-Materialsystem basieren. Ferner ist es möglich, dass einer oder mehrere der Lumineszenzdiodenchips 4 auf dem Materialsystem AlGaInP basieren.
Die Lumineszenzdiodenchips 4 sind im Betrieb zur Erzeugung von UV-Strahlung oder sichtbarem Licht vorgesehen. Beispielsweise sind manche der Lumineszenzdiodenchips 4 dazu eingerichtet, im Betrieb blaues Licht zu erzeugen, andere Lumineszenzdiodenchips 4 erzeugen im Betrieb andersfarbiges Licht, zum Beispiel gelbes oder rotes Licht.
Insgesamt ist die Beleuchtungsvorrichtung beispielsweise dazu eingerichtet, weißes Licht zu emittieren.
Die Lumineszenzdiodenchips 4 weisen Strahlungsaustrittsflächen 4a auf, welche an der dem Träger 5 abgewandten Seite der Lumineszenzdiodenchips 4 angeordnet sind.
An der Strahlungsaustrittsfläche 4a eines jeden Lumineszenzdiodenchips 4 ist ein optischer Körper 2 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel der 2 sind sämtliche optischen Körper zumindest stellenweise klarsichtig ausgebildet. Beispielsweise sind die optischen Körper 2 mit einem Glas, einem Kunststoffmaterial oder einem keramischen Material gebildet. Beim Ausführungsbeispiel der 2 sind sämtliche optischen Körper 2 in unterschiedlicher Form ausgeführt. Es ist jedoch möglich, dass sämtlichen Lumineszenzdiodenchips 4 optische Körper 2 der gleichen Form und Abmessung nachgeordnet sind.
Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung zumindest einen optischen Körper 2 umfassen, der quaderförmig ausgebildet ist und auch an seiner dem Lumineszenzdiodenchip 4 abgewandten Deckfläche 2c vom Formkörper 1 formschlüssig umhüllt ist. Dabei ist es auch möglich, dass der optische Körper 2, wie in der 2 ganz links dargestellt, einen Bereich 2b aufweist, der strahlungsstreuend ausgebildet ist.
Darüber hinaus ist es möglich, dass die Beleuchtungsvorrichtung zumindest einen optischen Körper 2 umfasst, der quaderförmig ausgebildet ist, wobei die Deckfläche 2c frei vom Formkörper 1 ist. Die Deckfläche 2c kann dabei beispielsweise bündig mit einer Außenfläche 1a, die an der dem Träger 5 abgewandten Seite des Formkörpers 1 angeordnet ist, abschließen. In diesem Fall ist die Deckfläche 2c des optischen Körpers 2 frei vom Formkörper 1.
Ferner ist es möglich, dass die Beleuchtungsvorrichtung zumindest einen optischen Körper 2 umfasst, der im Querschnitt dreieckig ausgebildet ist. Beispielsweise kann dieser optische Körper 2 pyramidenförmig oder prismenförmig ausgebildet sein. Dabei ist es möglich, dass die Spitze des Dreiecks bündig mit der Außenfläche 1a des Formkörpers 1 abschließt.
Die Seitenflächen 4b der Lumineszenzdiodenchips 4 sowie die Seitenflächen 2a der optischen Körper 2 sind im Ausführungsbeispiel der 2 formschlüssig vom Formkörper 1 umschlossen, der ein Matrixmaterial mit einem Leuchtstoff aufweist. Beispielsweise ist der Formkörper 1 mit einem Silikon, einem Epoxid oder einem Silikon-Epoxid-Hybridmaterial als Matrixmaterial gebildet.
Die Beleuchtungsvorrichtung weist ferner eine Abdeckplatte 3 auf, die vorliegend diffus strahlungsstreuend ausgebildet ist und zur Homogenisierung des aus der Beleuchtungsvorrichtung austretenden Lichts dient. Das heißt, die Abdeckplatte 3 dient zur Lichtmischung. Die Abdeckplatte 3 ist auf die dem Träger 5 abgewandte Außenfläche 1a des Formkörpers sowie die Deckfläche 2c eines optischen Körpers aufgebracht und dort beispielsweise verbindungsmittelfrei befestigt.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner ein reflektierendes Element 6, das als reflektierende Beschichtung an der Seitenfläche vom Formkörper 1 und der Abdeckplatte 3 ausgebildet ist. Durch das reflektierende Element 6 ist sichergestellt, dass elektromagnetische Strahlung oder Licht nicht seitlich aus der Beleuchtungsvorrichtung austreten kann, sondern die Beleuchtungsvorrichtung lediglich durch die dem Träger 5 abgewandte Außenfläche der Abdeckplatte verlässt.
Die optischen Körper 2 der Beleuchtungsvorrichtung sind beispielsweise verbindungsmittelfrei auf die Strahlungsaustrittsfläche 4a der Lumineszenzdiodenchips 4 aufgebracht. Ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung, die den Lumineszenzdiodenchip 4 verlässt, tritt daher in den optischen Körper 2 ein, der dem Lumineszenzdiodenchip 4 zugeordnet ist.
Der optische Körper 2 oder zumindest das Matrixmaterial, mit dem der optische Körper 2 gebildet ist, weist einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex des Formkörpers 1 oder zumindest des Matrixmaterials des Formkörpers 1. Beispielsweise kann der optische Körper 2 dazu mit einem hoch brechenden Silikon gebildet sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 sind sämtliche optischen Körper 2 strahlungsstreuend ausgebildet. Die optischen Körper 2 können dazu aus einem keramischen Material gebildet sein oder mit einem Matrixmaterial, wie etwa einem hoch brechenden Silikon, in das strahlungsstreuende Partikel eingebracht sind. Beispielsweise handelt es sich bei den strahlungsstreuenden Partikeln um Titandioxid-Partikel.
Insbesondere ist es möglich, dass die optischen Körper 2 und die Abdeckplatte 3 mit demselben Material gebildet sind.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 ist es dabei auch möglich, dass sämtliche optischen Körper 2 gleiche Form und gleiche Abmessungen aufweisen.
Im Ausführungsbeispiel der 4 sind sämtliche optischen Körper 2 strahlungskonvertierend ausgebildet. Beispielsweise können die optischen Körper 2 mit einem Matrixmaterial gebildet sein, in das Partikel eines Leuchtstoffs eingebracht sind. Ferner ist es möglich, dass die optischen Körper 2 aus einem keramischen Leuchtstoff bestehen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Leuchtstoff der optischen Körper 2 um einen anderen Leuchtstoff als den Leuchtstoff des Formkörpers 1. Zur Konvertierung von blauem zu grünem und/oder gelbem Licht können beispielsweise die folgenden Leuchtstoffe Verwendung finden: YAG:Ce, LuAG:Ce.
Für die Konvertierung von blauem Licht zu rotem Licht bieten sich beispielsweise die folgenden Leuchtstoffe an: (Sr,Ba)SiN:Eu, (Sr,Ca)AlSiN:Eu.
Für das Ausführungsbeispiel der 4 ergibt sich vorteilhaft, dass zirka die Hälfte der Stokes-Verschiebung und damit zirka die Hälfte der thermischen Belastung im optischen Körper 2 auftritt, sodass die thermische Belastung im Formkörper 1 um die Hälfte reduziert wird. Ist der optische Körper 2 dabei mit einem keramischen Material gebildet, das in der Regel temperaturbeständiger ist als beispielsweise Silikon, so weist die Beleuchtungsvorrichtung ein verbessertes Alterungsverhalten auf, da das Matrixmaterial des Formkörpers 1, zum Beispiel Silikon, weniger stark erhitzt wird.
Anders als in der 4 dargestellt, können die optischen Körper 2 voneinander verschiedene Formen und Abmessungen aufweisen, wie dies beispielsweise für die optischen Körper der 2 und 3 gezeigt ist. Ferner ist es in allen Ausführungsbeispielen möglich, dass die optischen Körper 2 einen Bereich 2b umfassen, der strahlungsstreuend ausgebildet ist. Weiter ist es möglich, dass sich beim Ausführungsbeispiel der 4 der Leuchtstoff im optischen Körper und der Leuchtstoff im Formkörper 1 derart ergänzen, dass von der Beleuchtungsvorrichtung insgesamt weißes Mischlicht abgestrahlt wird. Dazu kann beispielsweise vom Leuchtstoff des optischen Körpers 2 grünes Licht re-emittiert werden, wohingegen vom Leuchtstoff des Formkörpers 1 rotes Licht re-emittiert wird. Das re-emittierte rote und grüne Licht mischt sich dann mit dem blauen Licht der Lumineszenzdiodenchips 4 zu weißem Licht, das an der optional vorhandenen Abdeckplatte 3 eine weitere Lichtmischung und damit Homogenisierung erfahren kann.
Im Ausführungsbeispiel der 5 sind – im Unterscheid zum Ausführungsbeispiel der 2 – die Seitenflächen 4b der Lumineszenzdiodenchips 4 vom Formkörper 1 unbedeckt. Statt vom Formkörper 1 sind die Seitenflächen 4b der Lumineszenzdiodenchips 4 von einer reflektierenden Umhüllung 11 bedeckt, die auch die Montagefläche 5a vollständig bedecken kann. Die reflektierenden Umhüllung 11 umfasst zum Beispiel ein Matrixmaterial in das reflektierende Partikel eingebracht sind. Das Matrixmaterial kann dabei das gleiche Matrixmaterial wie das des Formkörpers sein. Zum Beispiel ist die reflektierende Umhüllung mit einem Silikon oder einer Mischung aus einem Silikon oder einem Epoxid als Matrixmaterial gebildet, in das strahlungsreflektierende Partikel eingebracht sind, wobei die strahlungsreflektierenden Partikel zumindest aus einem der Materialien TiO₂, BaSO₄, ZnO, Al_xO_y, ZrO₂ bestehen oder eines der genannten Materialien enthalten. Dem Betrachter erscheint die reflektierende Umhüllung 11 zum Beispiel weiß. Die reflektierende Umhüllung schließt zum Beispiel bündig mit der Strahlungsaustrittsfläche 4a eines jeden der Lumineszenzdiodenchips 4 ab.
Eine wie in 5 gezeigte reflektierende Umhüllung 11 kann bei allen Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 zum Einsatz kommen.
Eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich insbesondere durch ein verbessertes thermisches Verhalten und eine geringere Anfälligkeit für Alterung aus.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7208769 [0002]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung mit – einem Träger (5) mit einer Montagefläche (5a), – zumindest einem Lumineszenzdiodenchip (4), der an seiner dem Träger (5) abgewandten Seite eine Strahlungsaustrittfläche (4a) aufweist, durch die im Betrieb im Lumineszenzdiodenchip (4) erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise austritt, – zumindest einem optischen Körper (2), der strahlungsdurchlässig ausgebildet ist, und – einem Formkörper (1), der einen Leuchtstoff umfasst, wobei – jeder Lumineszenzdiodenchip (4) an der Montagefläche (5a) auf dem Träger (5) befestigt ist, – jeder optische Körper (2) an der Strahlungsaustrittfläche (4a) eines zugeordneten Lumineszenzdiodenchips (4) befestigt ist, – der Formkörper (1) jeden optischen Körper (2) an einer Seitenfläche (2a) des optischen Körpers (2) formschlüssig umhüllt, und – der Leuchtstoff zumindest einen Teil der im Betrieb in zumindest einem der Lumineszenzdiodenchips (4) erzeugte elektromagnetische Strahlung konvertiert.
Beleuchtungsvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der der Formkörper (1) jeden Lumineszenzdiodenchip (4) an einer Seitenfläche (4b) des Lumineszenzdiodenchips (4) formschlüssig umhüllt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der jedem Lumineszenzdiodenchip (4) ein optischer Körper (2) eineindeutig zugeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit zumindest zwei optischen Körpern (2), die sich in Form und/oder Materialzusammensetzung voneinander unterscheiden.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest einer der optischen Körper (2) zumindest stellenweise klarsichtig ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest einer der optischen Körper (2) zumindest stellenweise strahlungsstreuend ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest einer der optischen Körper (2) halbkugelförmig, linsenförmig, pyramidenförmig oder prismenförmig ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest einer der optischen Körper (2) an seiner dem zugeordneten Lumineszenzdiodenchip abgewandten Deckfläche (2c) frei vom Formkörper (1) ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest einer der optischen Körper (2) an seiner dem zugeordneten Lumineszenzdiodenchip abgewandten Deckfläche (2c) bündig mit einer Außenfläche (1a) des Formkörpers (1) abschließt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest einer der optischen Körper (2) einen weiteren Leuchtstoff enthält, der vom Leuchtstoff des Formkörpers (3) verschieden ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jeder der optischen Körper (2) ausschließlich ebene Begrenzungsflächen (2a, 2c) aufweist, die den optischen Körper nach außen abschließen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte (3), die den Formkörper (1) an seiner dem Träger abgewandten Seite vollständig bedeckt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem reflektierenden Element (6), das den Formkörper (1) an seiner freiliegenden Außenfläche vollständig bedeckt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der optische Körper (2) einen größeren optischen Brechungsindex als das umgebende Material des Formkörpers (1) aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine reflektierende Umhüllung (11) jeden Lumineszenzdiodenchip (4) an einer Seitenfläche (4b) des Lumineszenzdiodenchips (4) formschlüssig umhüllt.